3種硝化抑制劑對(duì)小麥幼苗生長毒性的比較

奉小憂，曾清如，皮荷杰，王文，孫毓臨，張偉華，廖建宇

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128

3種硝化抑制劑對(duì)小麥幼苗生長毒性的比較

奉小憂，曾清如*，皮荷杰，王文，孫毓臨，張偉華，廖建宇

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128

在土壤（山西土）中加入不同種類、不同濃度的硝化抑制劑（氫醌、硫脲、雙氰胺），研究了其對(duì)小麥發(fā)芽勢、發(fā)芽率和幼苗生長的影響.結(jié)果表明：雙氰胺對(duì)小麥發(fā)芽勢和發(fā)芽率的抑制作用不明顯，硫脲對(duì)小麥發(fā)芽勢和發(fā)芽率有一定的抑制作用，而氫醌對(duì)小麥發(fā)芽勢和發(fā)芽率抑制明顯；雙氰胺和氫醌對(duì)小麥幼苗生長的影響不大，而硫脲能顯著降低小麥幼苗的根長、莖長、根重和莖重；雙氰胺對(duì)小麥種子和幼苗毒性相對(duì)較小，硫脲毒性相對(duì)較大，小麥的根重、莖重和根伸長可以作為硫脲對(duì)小麥危害的敏感指標(biāo).

硝化抑制劑；發(fā)芽率；小麥；抑制率

Abstract： Laboratory investigations were conducted to study the influence of threetypesofnitrification inhibitors（hydroquinone,thiourea and dicyandiamide）on seed germination and growth of wheat.Results showed that dicyandiamide had little effect on seed germination while thiourea inhibited the seed germination to a certain extent,and hydroquinone retarded the germination of wheat seeds significantly.The pot experiment indicated that hydroquinone and dicyandiamide had little influence on wheat growth while thiourea could reduce length and strength of root and stem significantly. Hydroquinone had low toxicity to seed germination and growth of wheat,while thiourea demonstrated high toxicity.The root length,height and stem height could be used as the sensitive indexes of effects of thiourea on wheat.

Keywords：nitrification inhibitor；seed germination；wheat；inhibition rate

1 引言（Introduction）

氮肥對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分重要，但普通氮肥也有兩個(gè)不可忽視的缺點(diǎn)，一是肥效過猛，所以施肥必須少量多次；二是損失嚴(yán)重，即使精心管理，普通氮肥的利用率也一般只有50%～70%左右（許超等，2004）.為了克服氮肥的上述缺點(diǎn)，許多國家已著手使用硝化抑制劑（Nitrification inhibitor），即氮肥增效劑.研究表明，從土壤中氮素的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程入手，通過硝化抑制劑的施用來調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化，減緩硝化過程，是實(shí)現(xiàn)氮肥高效利用的有效手段（陳振華等，2005;Clough et al.,2007;Moir et al.,2007）；此外，在減少硝酸鹽淋溶損失和氮氧化物排放方面，硝化抑制劑也具有顯著作用（Clough et al., 2007; Di and Cameron, 2005; 2006; Menendez et al.,2006）.硝化反應(yīng)過程被抑制后，氮肥將長時(shí)間以NH4+的形式存在于土壤中，從而避免了高濃度NO2-和NO3-的出現(xiàn)，達(dá)到減少NO2-和NO3-淋溶損失及反硝化過程中N2O釋放的目的（Amberger et al.,1989）.同時(shí)，有研究報(bào)道，硝化抑制劑在提高肥效和減少環(huán)境污染的同時(shí)，還能改善作物品質(zhì)（Pasda et al.,2001;許超等，2004）.

迄今為止，世界各國對(duì)硝化抑制劑的研究報(bào)道不少，盡管已發(fā)現(xiàn)的具有硝化抑制效應(yīng)的化合物較多，但真正能夠在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用的理想硝化抑制劑品種還非常有限.目前已開發(fā)的硝化抑制劑主要有：硫脲、乙炔、雙氰胺，3,4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）等.硝化抑制劑在發(fā)揮其正面作用同時(shí)，也可能會(huì)對(duì)土壤動(dòng)植物和微生物等產(chǎn)生毒害作用.如王文等（2009）發(fā)現(xiàn)高濃度（5mmol·kg-1）硫脲可對(duì)花生植株和根系產(chǎn)生明顯抑制作用，可導(dǎo)致葉綠素、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性顯著降低，丙二醛（MDA）含量顯著升高.目前有關(guān)硝化抑制劑的研究多集中在對(duì)其效果的研究（許超等，2003;徐星凱和周禮愷，2000），有關(guān)其對(duì)作物的毒性效應(yīng)研究較少，通過研究其對(duì)作物的負(fù)面作用，篩選理想的硝化抑制劑品種具有非常重要的意義.本文研究了3種硝化抑制劑（硫脲、氫醌、雙氰胺）對(duì)小麥發(fā)芽率和小麥幼苗生長的影響，初步探討了這3種硝化抑制劑對(duì)作物的毒性效應(yīng)，篩選了對(duì)小麥毒性較小的硝化抑制劑品種.

2 材料與方法（Materials and methods）

2.1 材料

2.1.1 供試土壤

土樣取自山西運(yùn)城，類型為黃土.自然風(fēng)干后磨碎，過10目篩備用.土壤基本理化性質(zhì)如表1所示.

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical nature of soil

2.1.2 供試種子

供試小麥（Triticum aestivum Linn）種子型號(hào)為鄂麥14.

2.1.3 主要試劑

雙氰胺（純度99.5%），購自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司.硫脲（純度 99.0%）、氫醌（純度99.0%）、尿素（純度98.5%）和磷酸二氫鉀（純度99.5%），均購自天津金匯太亞化學(xué)試劑有限公司.

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 硝化抑制劑對(duì)小麥種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響

通過預(yù)備實(shí)驗(yàn)確定3種硝化抑制劑的濃度梯度.硫脲、氫醌、雙氰胺濃度系列均為0.0、2.5、5.0、10.0、20.0mmol·L-1.小麥種子用 6%的 H2O2消毒5min，陰干備用.用上述濃度梯度的各硝化抑制劑于（28±1）℃在干凈的250mL燒杯中浸泡小麥種子24h，然后，用去離子水沖洗種子，晾干，分置于底部墊有兩張濾紙的培養(yǎng)皿（Φ150×15mm）中，每個(gè)培養(yǎng)皿放置20粒種子，加30mL對(duì)應(yīng)的溶液，放到人工氣候箱中培養(yǎng)，保持溫度（28±1）℃，濕度為80%.第3d記錄發(fā)芽勢，第7d記錄發(fā)芽率（以胚芽長度達(dá)到種子一半，根長與種子等長作為種子發(fā)芽的判斷標(biāo)準(zhǔn)（莫測輝等，1997））.每個(gè)處理設(shè)3個(gè)平行.

2.2.2 硝化抑制劑對(duì)小麥生長的影響

每種硝化抑制劑配制4個(gè)濃度（蒸餾水配制），加一定量N（尿素）、P（磷酸二氫鉀）、K（磷酸二氫鉀）一起配制成儲(chǔ)備液待用.稱取土樣140g于200mL塑料燒杯中，分別均勻添加上述儲(chǔ)備液35mL，使土壤中的N、P、K含量分別為0.42、0.1、0.1g·kg-1（土），3種硝化抑制劑的濃度梯度分別為0.0、1.0、2.5、5.0mmol·kg-1（土）.添加蒸餾水，保持其濕度為最大田間持水量的70%，放入（25± 1）℃氣候箱中平衡24h.

用蒸餾水將小麥浸種24h，放入人工氣候箱中催芽2～3d后取出，挑取種粒飽滿，發(fā)芽長度基本一致的種子，播種于上述平衡后的土中，光照9h/黑暗 15h培養(yǎng).14d后將小麥拔出用蒸餾水洗干凈，晾干，分別用鋼尺測其株高和根長，稱其株重和根重.每個(gè)處理設(shè)3個(gè)平行.

2.3 分析方法

土壤基本理化性質(zhì)分析方法參照魯如坤（1999）的方法.

發(fā)芽勢和發(fā)芽率根據(jù)如下公式計(jì)算（楊持，2003）：

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理，方差分析利用SPSS 11.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件，按照one-way ANOVA方法進(jìn)行分析.

3 結(jié)果與分析（Results and analysis）

3.1 硝化抑制劑對(duì)小麥發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響

用雙氰胺浸泡種子之后，小麥種子的顏色基本沒有變化，和對(duì)照差異不大.而用硫脲浸泡之后，小麥種子有變黃現(xiàn)象，且隨硫脲濃度的增大黃色明顯加深.氫醌浸泡后，小麥種子的顏色變黑，隨氫醌濃度的增大黑色明顯加深.

3種硝化抑制劑對(duì)小麥發(fā)芽勢的影響如圖1所示.由圖1可見，加入雙氰胺后，與對(duì)照組相比，小麥發(fā)芽勢略有下降，且隨濃度的升高變化規(guī)律不顯著，表明雙氰胺對(duì)小麥發(fā)芽勢的影響較小.加入硫脲后，小麥發(fā)芽勢明顯降低，且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，表明硫脲對(duì)小麥發(fā)芽勢具有一定影響.加入氫醌后，小麥發(fā)芽勢顯著降低，濃度為2.5、5.0mmol·L-1時(shí)，發(fā)芽勢分別降低了68.3%和83.3%，當(dāng)濃度達(dá)到10.0、20.0mmol·L-1時(shí)，發(fā)芽勢完全受到抑制，表明氫醌對(duì)小麥的發(fā)芽勢具有顯著影響.3種硝化抑制劑中氫醌對(duì)發(fā)芽勢的影響最大，這可能是因?yàn)轷愂且环N發(fā)芽抑制物質(zhì)（余叔文，1992），抑制了種子吸脹過程中SOD、POD、CAT等酶的活性，從而對(duì)小麥種子的萌發(fā)產(chǎn)生毒害.

圖1 3種硝化抑制劑對(duì)小麥發(fā)芽勢的影響（不同字母表示與對(duì)照組差異顯著，p＜0.05；相同字母表示與對(duì)照組差異不顯著，p＞0.05）Fig.1 Effects of three nitrification inhibitors on germinating energy of wheat seed（Different letters indicate significant differences compared with the control,p＜0.05）

3種硝化抑制劑對(duì)小麥發(fā)芽率的影響如圖2所示.從圖2可以看出，3種硝化抑制劑對(duì)小麥發(fā)芽率的影響規(guī)律與對(duì)發(fā)芽勢的影響基本一致.

圖2 3種硝化抑制劑對(duì)小麥發(fā)芽率的影響（不同字母表示與對(duì)照組差異顯著，p＜0.05；相同字母表示與對(duì)照組差異不顯著，p＞0.05）Fig.2 Effects of three nitrification inhibitors on seed germination（Different letters indicate significant differences compared with the control,p＜0.05）

3.2 硝化抑制劑對(duì)小麥幼苗生長的影響

對(duì)照組小麥幼苗株高正常，葉片長，根系發(fā)達(dá)，側(cè)根多，主根長；氫醌和雙氰胺組小麥幼苗植株正常，葉片長，葉尖稍有發(fā)黃現(xiàn)象，主根長度有所下降，側(cè)根多；硫脲組小麥幼苗株高矮小，葉片短，葉尖有發(fā)黃枯萎現(xiàn)象，主根長度有明顯的下降，側(cè)根減少.

3.2.1 硝化抑制劑對(duì)小麥根長和莖長的影響

3種硝化抑制劑對(duì)小麥根長和莖長的影響如表2所示.氫醌和硫脲顯著降低了小麥根的長度（p＜0.05）.當(dāng)土壤中含量為1.0、2.5和5.0mmol·kg-1時(shí)，氫醌處理下，小麥根長分別降低了8.1%、 15.1%和43.8%；硫脲處理下，小麥根長分別降低了8.4%、48.3%和74.7%.表明氫醌和硫脲在本文所選濃度范圍內(nèi)對(duì)小麥幼苗均具有明顯毒害作用，且隨濃度的增加毒害作用增大.這與小麥發(fā)芽實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論基本一致.雙氰胺對(duì)小麥根長的影響相對(duì)較小，低濃度組與對(duì)照相比無顯著差異.

與根長類似，雙氰胺處理下，小麥莖長與對(duì)照相比均無顯著差異.而氫醌和硫脲均可導(dǎo)致小麥莖長顯著降低.

表2 3種硝化抑制劑對(duì)小麥根長和莖長的影響Table 2 Effects of three nitrification inhibitors on the root and stem length of wheat

3.2.2 硝化抑制劑對(duì)小麥根重和莖重的影響

雙氰胺和氫醌對(duì)小麥根重和莖重的抑制作用不明顯.而添加硫脲后，小麥的根重和莖重均有極顯著下降，1.0、2.5和5.0mmol·kg-1組根重和莖重分別比對(duì)照降低了 36.4%、50.0%、77.3%和30.4%、52.4%、75.4%.表明硫脲對(duì)小麥根重和莖重均具有顯著抑制作用.

表3 3種硝化抑制劑對(duì)小麥根重和莖重的影響Table 3 Effects of three nitrification inhibitors on the root and stem weight of wheat

3.3 硝化抑制劑對(duì)小麥發(fā)芽和幼苗生長影響的回歸分析

3種硝化抑制劑對(duì)小麥發(fā)芽和幼苗生長影響的回歸分析如表4所示.小麥的根長、莖長、根重和莖重均與硫脲濃度呈顯著負(fù)相關(guān).表明隨著硫脲濃度的升高，小麥幼苗各項(xiàng)指標(biāo)均受到顯著抑制，且呈一定劑量-效應(yīng)關(guān)系.除根長外，小麥幼苗各項(xiàng)指標(biāo)與氫醌和雙氰胺濃度均無顯著相關(guān)性.綜合發(fā)芽率、根長和莖長、根重和莖重研究結(jié)果，雙氰胺對(duì)小麥種子和幼苗毒性相對(duì)較小，硫脲毒性相對(duì)較大，小麥各項(xiàng)生理指標(biāo)對(duì)硫脲最為敏感.

氫醌對(duì)小麥種子發(fā)芽的抑制顯著而對(duì)小麥幼苗的影響不大，這可能是因?yàn)闅漉绊懛N子的發(fā)芽主要是影響種子吸脹過程中各種酶的活性，而對(duì)萌發(fā)后的小麥幼苗沒太大的影響（徐星凱和周禮愷，2000）.硫脲對(duì)小麥幼苗生長的毒性效應(yīng)最顯著，可能是因?yàn)榱螂逶诒緦?shí)驗(yàn)條件下的硝化抑制作用明顯，使得土壤中的氮肥長時(shí)間的以NH4+的形式保存，而作物對(duì)NH4+的吸收會(huì)伴隨有大量的H+的釋放，導(dǎo)致作物的根際周圍變酸，從而影響了土壤微生物的活動(dòng)以及增加降低了對(duì)K+、Ca2+、Mg2+的吸收，進(jìn)而影響了作物的生長（Todd,1974）.將作物苗期生理指標(biāo)作為污染物臨界指標(biāo)制定依據(jù)的研究，國內(nèi)外開展較少，林匡飛等（2004）提出可以用水稻地上部干重作為土壤硒污染的敏感指標(biāo).本文中小麥各項(xiàng)生理指標(biāo)與硝化抑制劑濃度之間的回歸分析表明，小麥的根重、莖重和根伸長可以作為硫脲對(duì)小麥危害的敏感指標(biāo).

表4 3種硝化抑制劑濃度（x）對(duì)小麥生理指標(biāo)（y）的回歸分析Table 4 Regression analysis between three nitrification inhibitor concentrations（x）and physiological indexes（y）of wheat

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Comparison of Toxicity Induced by Three Nitrification Inhibitors on Wheat

FENG Xiao-you，ZENG Qing-ru*，PI He-jie，WANG Wen，SUN Yu-lin，ZHANG Weihua，LIAO Jian-yu
College of Hunan Agricultural University,Hunan Agricultural University,Changsha 410128

1673-5897（2010）2-268-06

S143.1+6，S512.1

AReceived 6 June 2009 accepted 29 July 2009

曾清如（1964—），男，湖南邵陽人，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.主要研究方向：環(huán)境污染化學(xué).

2009-06-06 錄用日期：2009-07-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.30770389）

奉小憂（1984─），女，碩士研究生；*通訊作者（Corresponding author），E-mail:qrzeng@163.com