不同劑量芐·丁和二氯喹啉酸對紫云英生長環境及其養分吸收累積的影響

謝志堅，徐昌旭＊，劉光榮，曹衛東

（1．江西省農業科學院 土壤肥料與資源環境研究所，江西 南昌330200；2．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081）

眾所周知，現代農業已經進入“化學農業”時代，農作物產量因使用化學農藥而得到大幅度增加。其中，除草劑因其具有效率高、價格低廉等特點而被廣泛應用，是農業生產中使用量最多的農藥之一，對糧食安全具有重要作用。據統計，我國每年使用的除草劑有效成分就達到8萬t以上。然而，除草劑施入土壤后，除少部分進入生物體或因揮發進入大氣外，大部分進入到土壤環境中并被土壤顆粒吸附而殘留于土壤中［1－2］，不僅影響土壤中的動物［3］，污染生態環境，而且不同程度地改變了土壤中微生物種群數量和土壤酶活性等生物學性狀，進而影響土壤的肥力狀況［4－6］。

二氯喹啉酸（C10H5C12NO2）屬內吸式激素型喹啉羧酸類，為選擇性芽前、芽后除草劑，主要用于防治稻田中稗草（Echinochloacrusgalli）和其他禾本科雜草，是我國稻田常用除草劑之一，雖然其除草性能良好，但殘留期較長［7］，而且對后茬作物容易產生危害，尤其是茄科、豆科等敏感型作物。研究表明，稻田施用二氯喹啉酸半年后，仍然有大量殘留于土壤中，在309d內除了水稻（Oryzasativa）以外，不適宜種植其他作物，即使是在推薦用量的情況下，也需要經過相當長一段時間才不會對后茬煙草（Nicotianatabacum）的生長發育產生影響［8－9］。

芐·丁是芐嘧磺隆（C16H18N4O7S）和丁草胺（C17H26ClNO）混合制劑。其中，丁草胺是其主要有效成分，屬內吸傳導型苯乙酰胺類除草劑，是我國使用量最大的除草劑之一［10］。丁草胺在土壤中具有明顯的持留性，對水生生物具有較高的毒性［11］，可通過植物幼芽和幼根進入體內抑制植物的呼吸作用或作為電子傳遞的抑制劑、解偶聯劑而抑制植物的光合作用，進而影響植物正常的生長發育［12］。

水稻是我國長江中下游地區主要種植的糧食作物之一，而紫云英（Astragalussinicus）則是該地區最主要種植和利用的冬季綠肥作物，是一種清潔的優質有機肥源，對我國農業生產和糧食安全具有舉足輕重的作用。當前農業生產對于耕地質量、生態環境和優質農產品等提出了更高的要求，給恢復和發展綠肥生產與利用帶來了空前的機遇。但是，近年來發現，在“稻－稻－肥”輪作體系中，前茬水稻田土壤中殘留的除草劑對后茬紫云英作物的生長和產量產生的不利影響，已經成為制約紫云英種植和利用的主要技術瓶頸之一。基于此，本研究旨在探索稻田施用不同劑量二氯喹啉酸和芐·丁后對土壤環境以及后茬作物紫云英生長的影響，以期為推動恢復和發展冬季綠肥作物紫云英，實現其優質栽培和安全生產、高產與穩產提供理論依據。

1 材料與方法

1．1 供試材料

供試土壤為第四紀紅壤發育而成的淹育型水稻土（江西省東鄉縣紅壤野外觀測站），pH 4．61，有機質16．3 g／kg，全氮1．66g／kg，堿解氮163．0mg／kg，有效磷8．94mg／kg，速效鉀66．0mg／kg。供試紫云英為‘萍鄉種’（江西省紫云英種質資源圃提供）。供試除草劑分別為50．0%二氯喹啉酸可濕粉劑WP（江蘇新沂中凱農用化工有限公司生產）和25．0%芐·丁可濕粉劑WP（江西綠川生物科技實業有限公司生產），其中丁草胺質量分數為24．0%，芐嘧磺隆質量分數為1．0%。

1．2 試驗設計

試驗為不同類型和不同劑量除草劑二因素盆栽試驗，于2010年7月下旬至2011年4月上旬在江西省農業科學院網室內進行。處理分別為：1）不施用除草劑（對照CK），2）施用低劑量二氯喹啉酸（Q－L，450g／hm2），3）施用高劑量二氯喹啉酸（Q－H，900g／hm2），4）施用低劑量芐·丁（DB－L，600g／hm2），5）施用高劑量芐·丁（DB－H，1200g／hm2）。其中，低劑量為大田推薦施用量。每個處理3次重復。除草劑于晚稻秧苗移栽后7d拌土撒施，保持盆中約3cm水層持續1周。

土壤除去雜草、秸稈以及石塊等雜物后，充分混勻、風干、過4mm篩。將過篩后的土壤裝入20cm×25cm的塑料盆中，每盆裝土5kg。

紫云英種子經曬種、浸種和選種后，按照每盆播種100粒的用種量，在晚稻收獲后均勻撒播于塑料盆中。待紫云英出苗后，每盆各選留長勢相同且生長健壯的幼苗10株定植，每隔5d澆一次水，使土壤含水量維持80%田間持水量（稱重法）。紫云英植株生長期間其他日常管理同大田生產。

1．3 取樣與測定

晚稻收獲后紫云英播種前取土壤樣品，測定土壤中有效N、Olsen－P、速效K含量以及微生物種群和土壤酶活性。在紫云英盛花期取植株樣品，測定其干物質重以及植株中N、P和K含量。

土壤有機質測定采用重鉻酸鉀滴定法；全氮測定采用濃H2SO4－H2O2消煮蒸餾滴定法；土壤有效磷測定采用0．5mol／L NaHCO3提取－鉬銻鈧比色法；土壤堿解氮測定采用擴散吸收法；土壤速效鉀采用NH4AC浸提－火焰光度法；土壤pH值按水土比1∶1（V∶V）的比例向土壤中加入已除去CO2的蒸餾水，玻璃棒攪勻后靜置30min用pH計測定。植株中全氮測定采用H2SO4－H2O2消煮靛酚藍比色法；植株全P測定采用鉬銻抗吸光光度法；植株全K測定采用濃H2SO4消煮－火焰光度法［13］。土壤中細菌、放線菌和真菌采用平板菌落計數法。其中，細菌培養基為牛肉膏蛋白胨培養基，真菌培養基為馬丁培養基，放線菌培養基為高氏1號培養基。過氧化氫酶活性的測定參見文獻［14］，蔗糖酶和脲酶活性的測定參見文獻［15］。

1．4 數據分析

統計分析采用SAS（v．9．1）統計軟件，用MS Excel 2003繪制表格。百分數作反正弦轉換后再做ANOVA方差分析，處理平均數比較采用LSD法。

2 結果與分析

2．1 芐·丁和二氯喹啉酸對紫云英植株干物質重和養分累積量的影響

施用芐·丁和二氯喹啉酸均降低了紫云英植株干物質累積，而且施用劑量越多，干物質累積越少（表1）。與不施用除草劑（CK）相比，施用低劑量芐·丁和二氯喹啉酸后，紫云英植株干物質累積量分別降低13．1%和23．7%；施用高劑量時則分別降低44．0%和52．8%，差異均達到顯著水平（P＜0．05）。

施用芐·丁和二氯喹啉酸均降低了紫云英植株氮養分的累積，而且其幅度隨著施用劑量的增加而加劇（表1）。與不施用除草劑（CK）相比，施用低劑量芐·丁和二氯喹啉酸后，紫云英植株中氮累積量分別降低10．6%和15．0%；施用高劑量時則分別降低37．9%和52．8%，差異均達到顯著水平（P＜0．05）。

施用低劑量芐·丁和二氯喹啉酸對紫云英植株中磷累積量影響不顯著（P＞0．05），但是施用高劑量時均顯著降低紫云英植株中磷累積量（表1）。與不施用除草劑（CK）相比，施用高劑量芐·丁和二氯喹啉酸分別降低紫云英植株中磷累積量32．7%和49．6%。

施用低劑量的芐·丁對紫云英中鉀累積量影響不顯著（P＞0．05），但是施用高劑量芐·丁或低劑量和高劑量二氯喹啉酸均顯著降低了紫云英植株中鉀累積量（表1）。與不施用除草劑（CK）相比，施用高劑量芐·丁后，紫云英植株中鉀累積量降低34．5%，而施用低劑量和高劑量二氯喹啉酸后，紫云英植株中鉀累積量分別降低15．2%和56．6%。

2．2 芐·丁和二氯喹啉酸對土壤養分有效性的影響

稻田土壤中施用芐·丁和二氯喹啉酸后，土壤pH變化不顯著（P＞0．05），但是均顯著降低土壤中有效氮和速效鉀含量，而且降低幅度隨著施用劑量的增加而增加（表2）。與不施用除草劑（CK）相比，施用低劑量和高劑量芐·丁后，土壤有效氮含量分別降低9．2%和12．1%，速效鉀分別降低25．8%和28．7%；施用低劑量和高劑量二氯喹啉酸后土壤有效氮含量分別降低11．4%和12．8%，速效鉀分別降低26．5%和29．6%。

施用低劑量芐·丁和二氯喹啉酸后，土壤中有效磷含量均出現增加的趨勢，但變化不顯著（P＞0．05），隨著施用劑量的增加，有效磷含量顯著降低（表2）。與不施用除草劑（CK）相比，施用高劑量芐·丁和二氯喹啉酸后，土壤中有效磷含量分別降低5．4%和6．1%。

表1 不同劑量芐·丁和二氯喹啉酸對紫云英植株干物質重和養分累積量的影響Table 1 Effects of different doses of bensulfuron－methyl·butachlor and quinclorac on dry matter weight and nutrients accumulation of Chinese milk vetch

2．3 芐·丁和二氯喹啉酸對土壤生物學性質的影響

水稻田施用芐·丁增加了土壤中細菌數量，施用二氯喹啉酸則正好相反（表3）。與不施用除草劑（CK）相比，施用低劑量和高劑量芐·丁后，土壤中細菌數量分別增加85．1%和77．8%；施用低劑量和高劑量二氯喹啉酸，土壤中細菌數量分別減少16．0%和30．6%。

施用芐·丁和二氯喹啉酸（低劑量和高劑量）均降低土壤中放線菌數量（表3）。與不施用除草劑（CK）相比，施用低劑量和高劑量芐·丁后，土壤放線菌數量分別降低31．5%和50．9%；施用低劑量和高劑量二氯喹啉酸后，土壤放線菌數量分別降低49．6%和51．7%。另外，無論是施用低劑量還是高劑量芐·丁和二氯喹啉酸，土壤中真菌數量均無顯著變化（P＞0．05）。

由表4可以看出，施用低劑量二氯喹啉酸顯著抑制了土壤中過氧化氫酶活性，而施用高劑量芐·丁和二氯喹啉酸均顯著抑制了土壤中過氧化氫酶和尿酶活性（P＜0．05）。如與不施用除草劑（CK）相比，施用高劑量芐·丁和二氯喹啉酸后，土壤中過氧化氫酶活性分別降低15．0%和18．7%，尿酶活性分別降低32．8%和50．6%。此外，無論施用何種劑量的芐·丁和二氯喹啉酸，土壤中蔗糖酶活性變化均不顯著（P＞0．05）。

3 討論

研究表明，覆蓋作物直播時，施用除草劑影響了農業生態系統中養分（如氮素等）的有效性，減少了植物對養分的利用率［16］，尤其是抑制了豆科作物共生固氮菌的活性，顯著降低其結瘤率［17］。這可能是施用低劑量芐·丁后顯著降低紫云英植株中氮的累積量，施用二氯喹啉酸后則降低紫云英植株中氮和鉀累積量的原因之一。此外，施用二氯喹啉酸后，由于促進了植株體內乙烯的生物合成以及脫落酸的累積，導致氣孔縮小和CO2吸收減少等，干擾了植株的光合作用及其產物的形成，特別是施用高劑量二氯喹啉酸后可能抑制了植株分生組織的分化，堵塞根系等的疏導組織，減少了供給地下部光合產物的數量，進而影響了植株根系的生長發育和活性及其對養分的吸收利用；而丁草胺則通過植株幼苗和幼根進入體內后抑制其呼吸和光合作用，從而不利于植株對養分的吸收累積以及生長發育，而且施用芐·丁和二氯喹啉酸后還可能殺死或者抑制了土壤中某種微生物種群的活動，限制了土壤酶的分泌及其活性，降低植株根際有效養分含量，這些均可能是施用高劑量芐·丁和二氯喹啉酸后降低紫云英植株中養分（氮、磷和鉀）累積量的原因之一，尤其是豆科作物對二氯喹啉酸的表現更為敏感。由此可見，稻田施用低劑量芐·丁或二氯喹啉酸后主要限制了后茬作物紫云英對氮素或者氮和鉀素營養的吸收利用，而高劑量芐·丁和二氯喹啉酸則對3種必需的大量營養元素（氮、磷和鉀）均有限制作用，進而影響了紫云英植株體內干物質的累積。

表3 不同劑量芐·丁和二氯喹啉酸對土壤微生物種群數量的影響Table 3 Effects of different doses of bensulfuron－methyl·butachlor and quinclorac on the quantities of soil microorganisms

表4 不同劑量芐·丁和二氯喹啉酸對土壤酶活性的影響Table 4 Effects of different doses of bensulfuron－methyl·butachlor and quinclorac on the activities of soil enzymes

土壤中有效氮主要來源于有機氮素的礦化。施入除草劑減少了土壤中總礦化氮量，而且隨著施用量的增加而減少越多［18］，這可能是施用除草劑芐·丁和二氯喹啉酸顯著降低了土壤中氮素養分有效性的原因之一。施用低劑量二氯喹啉酸后，土壤中有效磷含量有所增加，但是隨著施用量的增加，土壤中有效磷含量出現減少。這可能是因為施用低劑量的除草劑刺激了土壤中溶磷微生物的活性［19］，但是高劑量時卻又抑制了土壤中磷酸酶活性的緣故［20］。

土壤微生物種群及其數量和土壤酶活性等重要的生物學特征，對土壤養分的有效性具有至關重要的作用。除草劑施入土壤后容易被土壤膠體粒子吸附而殘留于土壤中［21］，對土壤微生物生物量和酶活性的影響及其程度因除草劑種類和施用劑量的不同而有所差異［22－23］。除草劑芐·丁的有效成分主要為丁草胺，土壤對其有較強的吸附能力，而且移動性小［2，24］，因此，其在土壤中表現出明顯的持留性，而且其與土壤微生物之間相互作用，相互影響。本研究結果表明，施用低劑量芐·丁增加了土壤中細菌數量。有研究表明，除草劑能增加土壤中硝化細菌數量，而施用低濃度丁草胺時刺激了土壤中反硝化細菌的生長［25－26］，加大了土壤氮素養分因NH3揮發和反硝化脫氮損失的風險，降低了土壤中有效氮含量，從而不利于后茬作物紫云英吸收利用氮素養分。此外，施用低劑量芐·丁對土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶和尿酶活性的影響均不顯著，施用高劑量芐·丁抑制了過氧化氫酶和尿酶活性，這與前人研究結果有所差異［27］，可能是因為土壤本身性質、除草劑施用劑量和環境因素等不同所致。

一方面，稻田使用的除草劑大部分進入土壤后直接影響了土壤微生物的生長及其代謝［28］，另一方面，微生物或其分泌的酶類物質通過降解除草劑而改變了土壤自身的生理生化組成，從而最終影響了土壤微生物活性。另有研究表明，土壤中細菌（如產甲烷細菌）數量隨著二氯喹啉酸施用濃度的增加顯著減少，而且施用高濃度二氯喹啉酸時也抑制了土壤中放線菌數量，但是土壤中真菌數量對二氯喹啉酸并不敏感［23，29］。本研究結果表明，無論是施用低劑量還是高劑量的二氯喹啉酸均降低了土壤中細菌和放線菌數量。這可能是因為施用除草劑（如二氯喹啉酸）后減少了土壤中有效養分（N、P和K）的含量，降低土壤肥力，不僅影響了根系數量和活力以及植株生長發育，從而改變了土壤系統中的有機碳源，而且還不同程度地破壞了土壤微生物的生存環境，繼而間接影響了土壤微生物數量和活性［30－31］。另外，施用低劑量二氯喹啉酸顯著抑制了土壤中過氧化氫酶活性，而施用高劑量時抑制了土壤中尿酶活性，這與張昀等［20］的研究結果類似。

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