草甘膦对土壤酶活性的影响

王振东,刘根源,余阳,高志祥,王珊杉,程亚南

（河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003）

我国作为一个人口大国,耕地面积在世界之中位列前茅.然而随着环境的变化及人类活动的影响,耕地上出现了诸多问题,如农药的种类和使用量逐渐增多,杂草的种类不断增加等.我国也是一个农业大国,更是一个大量生产和使用农药的国家.因此,农药对土壤环境的污染不得不引起人们重视.据有关资料表明,我国遭受农药污染的土壤面积达1600 hm2,主要农产品的农药残留量超标率高达16%～18%[1].

草甘膦又名N-（磷酸甲基）甘氨酸,为有机磷除草剂[2],能够非选择性地有效抑制一年生或多年生杂草[3].自20 世纪70 年代以来,草甘膦的年销售量以20%的速度增加,成为使用量最大的除草剂[4-5].2012年我国草甘膦的产量达40 万吨,位居全球第一位.然而草甘膦在施入农田会有高达70%的含量留在土壤中,残留的草甘膦必然会与土壤酶发生反应[6].土壤酶活性是土壤质量健康状况的一个重要的指标,土壤酶在一定程度上可以反映土壤受到农药污染的程度.自1899 年发现土壤存在过氧化氢酶以来,迄今为止发现存在于土壤中的酶类有60 多种[7].土壤酶在营养转化、能量代谢、污染物质的净化等方面发挥着重要的作用[8-9].土壤酶大致反映出土壤中生物化学过程进行的相对程度,因此土壤酶可以反映土壤的环境健康状况[10-11].

草甘膦施入土壤后对土壤中的过氧化氢酶具有一定的激活效应,这是土壤微生物的一种应激反应,但高质量分数的草甘膦对土壤微生物会具有一定的危害作用,从而使过氧化氢酶活性受到抑制.邢静怡等[12]研究认为,随着草甘膦使用质量分数的升高,过氧化氢酶活性受到抑制的现象就越明显；随着处理时间的延长,微生物对草甘膦的适应及草甘膦本身的降解,这种抑制会逐渐减弱.草甘膦中的磷酸基团会抑制磷酸酶的活性[13].对于主要吸附在土壤粘粒上的脲酶而言,王玉军等[14]研究认为草甘膦的使用会抑制土壤脲酶的活性.

使用农药时,应尽可能的将残留在土壤中的农药量保持在土壤可自动净化的范围内,以避免农药超出适量的范围而影响土壤中各种物质的正常活动,造成对环境的损害.因此,本试验通过设置5 个不同质量分数的草甘膦并培养不同的时间,分析其对土壤磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性的影响,从而得到不同含量的草甘膦及不同残留时间对土壤环境的影响,以期为合理使用草甘膦农药提供一定的理论依据.

1 材料与方法

1.1 土壤基本情况

该试验所用的土壤采集于新乡市红旗区河南科技学院东区,该地区位于河南省北部,属于北温带大陆性气候,四季分明,冬寒夏热,历年平均气温14 ℃,年均降水量为573.4 mm,供试土壤为黄褐色弱碱性土壤.采集土壤后,先去除土壤表层枯叶、砾石、植物残根等,然后风干、过1 mm 筛,保存备用.

1.2 试验设计

试验选用山东东远生物科技有限公司生产的草甘膦除草剂, 含量为30%, 推荐的田间施用量为750～1 500 mL/667m2（225～450 g/667m2）.按照推荐的田间施用量设置5 个不同质量分数梯度进行土培试验,分别在培养的第7、14、21、28、35 d 测定土壤磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性.每份土壤样品为200 g,保持田间含水量的60%,在恒温25 ℃的条件下避光培养.每个处理3 个重复,同时设置不添加除草剂的对照试验.5 个质量分数分别用GL1、GL2、GL3、GL4、GL5 表示, 其质量分数分别为0.015‰、0.030‰、0.060‰、0.100‰、0.150‰.

1.3 测定的项目与方法

采用磷酸苯二钠比色法测定土壤磷酸酶含量,其活性是用24 h 后每克土壤中P2O5的毫克数表示.采用靛酚蓝比色法测定土壤脲酶,其活性是以24 h 后每克土壤中NH3-N 的毫克数表示.采用高锰酸钾容量法测定土壤过氧化氢酶,其活性是以20 min 后每克土壤分解的过氧化氢的毫克数表示.

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 进行结果计算与分析,采用单因素随机区组进行方差分析,P＜0.05.

2 结果与分析

2.1 草甘膦除草剂对土壤磷酸酶活性的影响

磷是植物可吸收利用的三大营养元素之一,磷酸酶是有机态磷转化为无机态磷的催化剂[15].从图1可以看出, 在培养的5 个时间中,GL1、GL2 和GL5 处理的磷酸酶活性表现为升高—降低—升高的变化趋势.当培养时间为28 d 时,土壤磷酸酶活性在所有时间段中最低,而当培养时间为35 d 时,土壤磷酸酶活性在整个培养时间段中的活性最高.当培养时间为7 d 时,GL2 的磷酸酶活性与CK 之间差异显著,GL2 的磷酸酶活性受到抑制.当培养时间为14 d、21 d 和28 d 时,各草甘膦质量分数的磷酸酶活性与CK之间均没有显著的差异.呼蕾等[16]认为随着草甘膦使用质量分数的增加,土壤磷酸酶总体呈现了下降趋势,当其最大降幅达到50%时,磷酸酶的活性受到了抑制.

图1 草甘膦对土壤磷酸酶活性的影响Fig. 1 Effects of glyphosate on the activities of soil phosphatase

如表1 所示,GL1 的土壤磷酸酶活性在培养7 d 和14 d 时,二者之间没有显著差异,但14 d、21 d、28 d和35 d 之间有显著差异.GL2 处理的磷酸酶活性在培养7 d 和21 d 之间无显著差异,其它培养天数之间均有显著差异.GL3、GL4 和GL5 处理的磷酸酶活性在培养的21 d、28 d 和35 d 之间有显著的差异.

由上述分析可知,当培养时间为7 d 时,GL2 的磷酸酶活性受到抑制.当培养时间为35 d 时,GL3、GL4 的磷酸酶活性受到抑制.推测原因是当草甘膦施入土壤后,草甘膦中有毒物质的聚集抑制了土壤磷酸酶的活性.

表1 不同培养时间下草甘膦对土壤磷酸酶活性影响的方差分析Tab. 1 Analysis of variance of the effect of glyphosate on soil phosphatase activity at different culture time

2.2 草甘膦除草剂对土壤脲酶活性的影响

从图2 可以看出,在培养的5 个时间中,GL1 和GL3 的磷酸酶活性出现先升高再降低再升高的趋势,GL2 和GL5 的脲酶活性出现先降低再升高的趋势.当培养时间为7 d 时,各处理的脲酶活性与CK 之间差异显著,脲酶活性被激活.当培养时间为14 d 时,GL1 和GL4 的脲酶活性与CK 相比,脲酶活性均被激活.当培养时间为21 d 时,各处理的脲酶活性与CK 之间均没有显著的差异.当培养时间为28 d 时,除GL3 外,其它处理的脲酶活性与CK 之间均有显著的差异.当培养时间为35 d 时,GL2、GL4 和GL5 的脲酶活性与CK 之间有显著的差异,GL2、GL4 和GL5 的脲酶活性均被激活.说明草甘膦的施用会使脲酶的活性被激活.

土壤脲酶主要存在于吸附性较强的黏粒上,作为酰胺酶它可以水解氨和二氧化碳,是氮素转化的重要酶类.郝爱平等[17]也曾对土壤脲酶的活性做出研究,研究表明草甘膦短时间施入土壤后,对土壤脲酶的活性有抑制作用,在施入一周后对脲酶又具有一定的激活作用,第三周之后,草甘膦对土壤脲酶的作用达到空白水平.吴小玲等[18]的研究表明,草甘膦对土壤脲酶的酶活性影响并不明显,仅在个别样品中表现出一定的抑制作用,但在整个实验中所表现出的作用并不一致.通过上述分析可以得出,在培养21 d、28 d和35 d 的时间里草甘膦的使用会使土壤脲酶活性被激活,而Sannino 等[19]也曾发现草甘膦具有激活土壤脲酶活性的现象.

图2 草甘膦对土壤脲酶活性的影响Fig. 2 Effects of glyphosate on the activities of soil urease

如表2 所示,GL1 和GL2 的脲酶活性在培养7 d 和培养21 d、28 d 之间有显著差异,但与14 d、35 d的脲酶活性之间无显著差异.GL3 的脲酶活性在培养7 d 和14 d 之间没有显著差异,但是与其它3 个时间之间的脲酶活性之间有显著差异.GL4 的脲酶活性在培养21 d、28 d、35 d 这三者之间没有明显的差异,但是分别与培养7 d 和14 d 的脲酶活性之间有显著的差异.GL5 的脲酶活性在培养21 d 与培养7 d、14 d 之间有显著的差异,在培养21 d 与28 d、35 d 的脲酶活性之间无显著差异.

由上述分析可知,当培养时间为21 d 时,不同浓度草甘膦处理的土壤脲酶活性之间没有显著的差异,当培养时间为7 d、14 d、28 d 和35 d 时,草甘膦的使用会使土壤脲酶活性被激活.这可能是因为草甘膦的施入,会打破土壤微生物的环境,使微生物的环境受到刺激从而引起脲酶活性被激活的现象.

表2 不同培养时间下草甘膦对土壤脲酶活性影响的方差分析Tab. 2 Analysis of variance of the effect of glyphosate on soil urease activity at different culture time

2.3 草甘膦除草剂对土壤过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶作为土壤的主要酶类之一,它能够促进过氧化氢的分解并有利于防止过氧化氢对作物的毒害作用[20].从图3 可以看出,在培养时间为7 d 时,GL3、GL4、GL5 的磷酸酶活性与CK 相比受到明显抑制.在培养时间为14 d 时,除GL4 的脲酶活性与CK 之间没有显著差异外,其它4 个质量分数的脲酶活性与CK 之间均有显著的差异,GL1、GL2、GL5 的脲酶活性受到抑制,GL3 的脲酶活性被激活.在培养时间为21 d 时,GL1、GL2、GL4 的脲酶活性与CK 之间有显著的差异,与CK 相比GL1 和GL2 的脲酶活性被激活,而GL4 的脲酶活性受到抑制.在培养时间为28 d 时,各草甘膦处理的脲酶活性与CK 之间均有显著差异,脲酶活性均被激活.在培养时间为35 d 时,除GL5 外,其它4 个处理的过氧化氢酶活性与CK 之间均有显著差异,GL1 的过氧化氢酶活性被激活,GL2、GL3、GL4 的过氧化氢酶活性均受到抑制.杨敏等[21]在对土壤过氧化氢酶活性的研究中表明,草甘膦的使用质量分数过低会对土壤过氧化氢酶活性起到激活作用,而高浓度的草甘膦会对土壤过氧化氢酶起到抑制作用.

图3 草甘膦对土壤过氧化氢酶活性的影响Fig. 3 Effects of glyphosate on the activities of soil catalase

如表3 所示,GL1 的过氧化氢酶活性在培养21 d 和28 d 之间没有显著的差异,但与培养7d、14 d、35 d 之间有显著的差异.GL2、GL4、GL5 处理在5 个不同培养时间段的土壤过氧化氢酶活性之间均有显著差异.GL3 的过氧化氢酶活性在培养21d 和35 d 之间无显著差异,但是显著高于培养7 d、14 d、28 d的过氧化氢酶活性.当培养时间为28 d 时,土壤过氧化氢酶的活性均被激活,这可能是因为过氧化氢酶在土壤中主要起到降解毒性的作用,当草甘膦在施入土壤后刺激降解自由基的酶活性,从而激发了过氧化氢酶的活性.

表3 不同培养时间下草甘膦对土壤过氧化氢酶活性影响的方差分析Tab. 3 Analysis of variance of the effect of glyphosate on soil catalase activity at different culture time

3 结论与讨论

在整个试验阶段内,不同添加量的草甘膦均对土壤磷酸酶活性无显著的影响.土壤脲酶活性随着培养时间的延长,整体呈现下降趋势.在培养的第7、14、28 和35 d 时,除GL5 处理外,草甘膦均激活了土壤脲酶的活性.不同质量分数、不同培养时间下的草甘膦对土壤过氧化氢酶活性的影响没有明显的规律性,但是草甘膦对过氧化氢酶活性的影响时间超过35 d.

在本次试验中,不同添加量的草甘膦以及不同时间对土壤磷酸酶活性的无显著影响,但对土壤脲酶和过氧化氢酶活性均有一定的激活或抑制作用.草甘膦对土壤脲酶起到激活作用,这与Sannino 等[19]的试验结果一致,但与吴小玲等[18]的试验结果不一致,可能是因为土壤酶的活性与土壤黏性、pH 值和土壤水分等性质有密切的关系,这些因素之间影响的相关性还有待进一步的研究.