氯化苦熏蒸處理對土壤氮素和微量元素轉化的影響

王前 黃斌 顏冬冬

摘要 利用室內培養試驗研究農藥市場使用廣泛的氯化苦熏蒸劑對土壤氮素和微量元素轉化的影響。結果表明，低中高三種濃度的氯化苦藥劑熏蒸處理后均能顯著增加土壤中無機氮總量和有效態錳素、鈷素的含量，對無機氮的影響主要是增加土壤中銨態氮（NH+4-N）含量，而對硝態氮（NO-3-N）影響較小。相比于對照組，氯化苦低量、常量和高量處理后土壤中無機氮總量分別增加了17.25、30.8 mg/kg和34.16 mg/kg；氯化苦低量、常量和高量處理后土壤中有效態錳素含量分別增加了18.21、22.84 mg/kg和26.92 mg/kg；氯化苦低量、常量和高量處理后土壤有效態鈷素含量分別增加了50.06、66.98 μg/kg和87.36 μg/kg。顯然，氯化苦藥劑熏蒸處理短期內會增加土壤中植物易于利用形態氮素、錳素和鈷素含量，出現“肥料效應”。

關鍵詞 熏蒸劑；氯化苦；氮素；微量元素；有效態

中圖分類號： S 482.6

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2018078

Abstract Laboratory incubation was used to study the effects of chloropicrin on the transformation of soil nitrogen and trace elements， which was of wide application in pesticide market. The experimental results showed that low， standard and high concentrations of chloropicrin treatment significantly increased the total inorganic nitrogen content and available manganese and cobalt content in soil. Chloropicrin fumigation mainly had impact on the content of ammonium nitrogen （NH+4-N） and had little effect on nitrate nitrogen （NO-3-N） content in soil. Compared with the control group，

the total content of inorganic nitrogen in the soil treated with low， standard and high concentration of chloropicrin increased by 17.25 mg/kg， 30.8 mg/kg and 34.16 mg/kg， respectively.

The content of available manganese in the soil treated with low， standard and high concentration of chloropicrin increased by 18.21 mg/kg， 22.84 mg/kg and 26.92 mg/kg， respectively.

The content of available cobalt in the soil treated with low， standard and high concentration of chloropicrin increased by 50.06 μg/kg， 66.98 μg/kg and 87.36 μg/kg， respectively.

It is evident that chloropicrin fumigation treatment increased the available form of nitrogen， manganese and cobalt content in plants in the short term， which is called “fertilizer effect”.

Key words fumigation； chloropicrin； nitrogen； trace element； available

土壤熏蒸消毒作為一種防治保護地作物種植中病蟲草害的技術，能夠極為有效地控制連作條件下的土傳病害[1-2]。溴甲烷曾作為一種藥效極佳的土壤熏蒸劑在全世界范圍廣泛使用，但由于其對臭氧層的破壞作用而被逐漸淘汰[3]。近年來，隨著溴甲烷被淘汰，一些相應的替代品和替代技術不斷被開發利用以防治日益嚴重的土傳病蟲害[2，4]。這其中，氯化苦（chloropicrin， PIC）作為蔬菜、糧食和藥材的熏蒸劑，在定植前使用能夠高效地防治土傳病害和地下害蟲[5-6]。目前，氯化苦土壤熏蒸技術已經在包括美國、以色列、日本和歐洲各國在內的許多國家廣泛推廣使用[6-7]。世界范圍內對氯化苦熏蒸后土傳病蟲害殺滅作用和作物增產作用的研究也越來越多[6-8]。氯化苦近年來在中國也得到了極為廣泛的使用，目前已有報道氯化苦在許多作物上有很好的防治效果，例如草莓、生姜、黃瓜、番茄和許多觀賞植物[8-10]。

氯化苦熏蒸劑具有極強的廣譜性，使用氯化苦進行土壤熏蒸的過程中不可避免地會對土壤中多種非目標微生物的生長和生物活性物質產生影響[11]，改變整個土壤生態系統的微生物群落組成。而由于微生物是土壤氮素和微量元素等多種元素循環轉化的主要動力，例如厚壁菌門、變形菌和放線菌等多種微生物種群均能夠影響土壤中錳和鈷等多種元素形態的轉化[12-13]。

熏蒸處理顯著影響土壤微生物種類、數量和群落活性的同時必然會影響土壤系統的結構和功能，尤其是土壤元素的轉化過程[12-13]。已有的研究已經表明某些化學和物理滅菌方式會改變土壤氮素和幾種土壤微量元素（主要是錳和鈷）的形態轉化[12，14-15]，但氯化苦熏蒸的相關研究仍少見報道。

熏蒸會顯著影響土壤氮的礦化，抑制氨的氧化[14]。化學熏蒸和物理滅菌的方式同樣會影響土壤中錳（Mn）和鈷（Co）元素的形態轉化，改變土壤中有效態錳和鈷元素含量[15-16]。然而，氯化苦熏蒸對土壤元素轉化過程尤其是氮素、錳元素和鈷元素具體有哪些作用還尚未有詳細研究。本試驗旨在研究說明氯化苦熏蒸對氮素、錳素和鈷素在土壤中的轉化作用，對其有效性的影響，為更加合理地調整氯化苦熏蒸土地肥料使用的種類和數量以及評價氯化苦熏蒸對土壤生態環境的影響提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤為北京市延慶區大榆樹鎮連續種植番茄5年以上的0～20 cm深度的保護地土壤，其基本理化性質為含水量14.82%、有機質34.38 g/kg、速效鉀163.51 mg/kg、pH為7.19。土壤采回后，剔除土壤中的雜物和殘留根系，過2 mm篩后將土壤放置在恒定的室溫環境中。為了保持土壤中的微生物活性，取回土壤處理后的樣品于1個月之內用于氯化苦熏蒸試驗。

供試熏蒸劑為99.5%氯化苦（PIC），大連染化集團有限公司；其他藥品均為國產分析純試劑。

1.2 方法

室內氯化苦土壤熏蒸處理方法：稱取300 g土壤放入500 mL廣口瓶中，按照表1中所示的藥劑用量加入99.5%的氯化苦，不同劑量氯化苦熏蒸處理設置3個藥劑濃度，同時設置一組不做任何藥劑處理的對照，使用凡士林和保鮮膜密封后放置在25℃恒溫培養箱中，每個處理設置3次重復。氯化苦低量、常量和高量3種濃度的用量及施藥方法等詳細數據記錄見表1。封閉處理7 d后，將廣口瓶置于通風櫥下30 min，除去殘留的藥劑，之后再取樣測定。

土壤中銨態氮和硝態氮用2 mol/L KCl浸提，使用氮素流動分析儀測定[14]。準確稱取10.00 g處理后新鮮土壤，加入50 mL的2 mol/L KCl浸提液，在200 r/min和28℃恒溫的條件下振蕩30 min，過濾后使用流動分析儀檢測溶液中銨態氮和硝態氮濃度。

土壤中有效態錳素（Mn）和鈷素（Co）用DTPA浸提液提取，DTPA浸提液中含有0.1 mol/L的三乙醇胺（TEA）、0.01 mol/L的氯化鈣（CaCl2）和0.005 mol/L的二乙烯三胺五乙酸（DTPA），并使用鹽酸溶液調節pH至7.3±0.2。使用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定，型號為7700號安捷倫ICP-MS。取出部分處理后土樣，在干凈的環境下自然風干，準確稱取10.00 g風干土樣，加入20 mL的DTPA浸提液，在260 r/min和28℃恒溫的條件下振蕩16 h，然后在3 600 r/min的條件下離心10 min，將上清液過濾后使用ICP-MS測定微量元素濃度。

1.3 數據分析

采用SPSS 17.0軟件進行數據統計分析，Duncan氏新復極差法進行差異顯著性檢驗，差異顯著性檢驗水平為P<0.05，用Origin 8.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 氮素變化

圖1為3種濃度氯化苦處理后土壤中銨態氮（NH+4-N）和硝態氮（NO-3-N）的影響。由圖1可知，低量、常量和高量的氯化苦熏蒸處理后土壤中氮累積礦化量均顯著高于對照組（P<0.05）。熏蒸處理后土壤中無機氮總量（銨態氮與硝態氮含量之和）相比于對照組顯著上升，對照組、低量氯化苦、常量氯化苦和高量氯化苦處理后無機氮總量分別為147.50、164.75、178.30 mg/kg和181.66 mg/kg。

不同濃度氯化苦熏蒸處理后土壤銨態氮變化如圖1a所示，對照組土壤銨態氮含量（ammonium nitrogen concentration）為8.57 mg/kg；對比低量、常量和高量氯化苦3種不同濃度的處理方式，高量氯化苦熏蒸處理后土壤銨態氮的增加量最大，達到40.52 mg/kg；其次是常量氯化苦處理，為35.89 mg/kg；增加量最小的是低量氯化苦處理，只有30.27 mg/kg。低量和高量氯化苦處理后銨態氮含量變化同樣差異顯著（P<0.05）。而土壤硝態氮含量（nitrate nitrogen concentration）變化如圖1b所示，不同濃度氯化苦處理相較于對照組則均未出現顯著差異（P>0.05）。藥劑熏蒸處理后會殺死土壤中的多種微生物，大多數的微生物種群受到抑制，這使得熏蒸過后微生物體內的有機氮會釋放到環境中轉化為無機氮，而這部分轉化來的無機氮主要以銨態氮形態存在，從而能夠增加土壤中無機態氮的含量，這與國際上DeNeve和Ruzo以及國內馬濤濤等的研究結果一致[17-19]。

2.2 微量元素變化

圖2為3種濃度氯化苦熏蒸處理對土壤中錳元素（Mn）的影響。由圖2可見，3種濃度氯化苦熏蒸處理后土壤中的DTPA浸提有效態錳和鈷元素含量出現了顯著的變化。相比于對照組，3種濃度氯化苦處理后土壤有效態錳元素含量均出現顯著增加，且高濃度藥劑處理后有效態錳元素變化量顯著大于較低濃度的藥劑處理。低量、常量和高量的氯化苦處理后，與對照組相比較土壤有效態錳元素分別增加了18.21、22.84 mg/kg和26.92 mg/kg。這種土壤錳元素變化與Suda和Mcnamara等人使用溴甲烷、γ射線等滅菌方式得到的結果相同[15-16]，同樣本研究表明氯化苦熏蒸處理顯著活化了土壤中的錳元素，使得有效態錳元素的含量出現了顯著的增加。

同樣，3種濃度氯化苦處理后土壤有效態鈷元素含量變化如圖3所示，有效態鈷元素含量出現了顯著升高，并且濃度較高的氯化苦處理對土壤有效態鈷元素含量的影響顯著高于較低濃度的處理組。低量、常量和高量的氯化苦處理后，與對照組相比較土壤有效態鈷元素分別增加了50.06、66.98 μg/kg和87.36 μg/kg。相比于溴甲烷等一些土壤熏蒸滅菌方式，結果表明氯化苦熏蒸同樣會顯著增加土壤中有效態鈷元素的含量。氯化苦熏蒸對土壤鈷元素的活化效果顯著，且濃度越高的氯化苦處理對土壤鈷元素的影響越大。

目前，已有許多研究表明土壤中錳元素和鈷元素的形態轉化跟土壤微生物的變化有很大的關系[13，15]。土壤中與錳和鈷元素形態轉化的微生物種類和種群數量的多少直接影響不同形態錳和鈷元素的轉化。氯化苦熏蒸殺滅了土壤中的多種微生物，大多數的微生物種群受到抑制，使得熏蒸過后微生物體內釋放出部分微量元素和有機物質[15-16]。這些因素均會在不同程度上影響土壤中不同形態錳和鈷元素之間的轉化，增加土壤有效態錳和鈷元素的含量。

3 討論

土壤氮素的有機形態和無機形態之間轉化的主要動力是土壤中參與氮素轉化的多種微生物[20-21]。氯化苦藥劑熏蒸處理后將土壤中的微生物殺死，并且由于氯化苦殺菌作用的廣譜性，多數微生物均會被殺滅或被抑制[11，22]。室內熏蒸處理是一個較為封閉的系統，土壤系統內的氮素和微量元素總量是一定的，被殺滅的微生物會釋放出一部分有機氮至土壤中轉化為無機氮，這是土壤無機氮含量增加的一個原因。并且由于氯化苦對不同種微生物的殺滅和抑制作用不同，土壤有機氮和無機氮的轉化平衡由于相關微生物的變化而被打破，使得土壤中無機氮含量在3種濃度的氯化苦藥劑處理后均得到顯著增加。氯化苦熏蒸后土壤中最適合植物吸收的無機氮素的增加顯然是有利于熏蒸后地塊作物生長的，所以氯化苦熏蒸處理后會出現熏蒸劑的“肥料效應”[19]。同樣，氯化苦熏蒸后提高了氮素的利用率，這也能夠更好地解釋同樣的條件下在氯化苦熏蒸后土壤中生長的作物長勢更好，生長更旺盛，根系更發達。

相比于氮、磷、鉀等一些大量元素，微量元素在土壤和整個自然環境中同樣起到了極為重要的作用，維持整個生態系統的正常運行[23]。圖2和圖3表明氯化苦熏蒸能夠顯著增加土壤中有效態錳元素和鈷元素含量，且濃度越高的氯化苦處理對錳和鈷元素的影響越顯著。已有許多研究報道了土壤錳和鈷元素的形態變化受多種微生物調控，微生物通過分泌具有生物活性的有機物質來影響土壤中錳和鈷元素的形態[13，24]。并且自然界中有大量的錳和鈷元素在土壤中以錳氧化物的形態存在，微生物分泌釋放出的有機物質對錳氧化物存在極大的影響[13，24]。氯化苦熏蒸土壤后，土壤中的多種微生物被殺滅，釋放出有機物質會使得錳氧化物被破壞，從而使得吸附在錳氧化物上的錳和鈷元素被釋放到土壤中，增加了土壤中有效態錳和鈷元素的含量。錳是植物不可缺少的必需營養元素，在植物體內參與植物生長代謝，有參與光合作用、作為多種重要酶的組成成分和促進氮素代謝等諸多作用[13，25]；鈷是植物和動物生長必需的微量元素之一，在植物整個生命過程中起到舉足輕重的作用，影響植物的固氮作用、光合作用以及乙烯（ETH）、生長素（IAA）和細胞分裂素（CTK）等植物激素的合成分泌[26-27]。氯化苦熏蒸后土壤有效態錳和鈷元素的增加是對植物可利用形態錳和鈷的補充，可見氯化苦熏蒸后在土壤中有效態錳和鈷元素方面同樣顯示出肥料效應。氯化苦熏蒸能夠同時增加土壤中有效態氮、錳和鈷元素的含量，改變了土壤環境中元素的自然轉化過程，短期內補充了植物易于吸收利用的有效態氮、錳和鈷元素含量。

本研究進一步闡明了氯化苦熏蒸對土壤氮素的具體影響，并且首次分析明確了氯化苦熏蒸劑對土壤微量元素中錳素和鈷素形態轉化的作用。試驗得出氯化苦熏蒸后在土壤氮素和微量元素方面顯著出現肥料效應的結果，指導我們在農田氯化苦熏蒸后初期不必補充過多的氮肥和這幾種微肥，使用肥料最好是在熏蒸揭膜一段時間之后，以免造成肥料的浪費和元素毒害。該研究結果為氯化苦熏蒸處理后田間作物根系發達、生長旺盛且產量增加等現象提供了理論支撐，進一步豐富了氯化苦熏蒸的肥料效應作用以及元素相關環境行為的熏蒸劑基礎理論。

參考文獻

[1] HAYDOCK P P J， DELIOPOULOS T， EVANS K， et al. Effects of the nematicide 1，3-dichloropropene on weed populations and stem canker disease severity in potatoes[J]. Crop Protection， 2010， 29（10）： 1084-1090.

[2] CAO Aocheng， GUO Meixia， YAN Dongdong， et al. Evaluation of sulfuryl fluoride as a soil fumigant in China[J]. Pest Management Science， 2013， 70（2）： 219-227.

[3] PRATHER M J， WATSON R T. Stratospheric ozone depletion and future levels of atmospheric chlorine and bromine [J]. Nature， 1990， 344（6268）： 729-734.

[4] HELLER J J， SUNDER P H， CHARLES P， et al. Dimethyl disulfide， a new alternative to existing fumigants on strawberries in France and Italy [J].Acta Horticulturae，2009，842（1）：953-956.

[5] 孫軍德，趙春燕，曲寶成，等.氯化苦熏蒸土壤對微生物種群數量的影響[J].土壤通報，2005，36（2）：283-285.

[6] GULLINO M L， CAMPONOGARA A， GASPARRINI G， et al. Replacing methyl bromide for soil disinfestation： The Italian experience and implications for other countries[J]. Plant Disease， 2007， 87（9）： 1012-1021.

[7] 曹坳程，張文吉，劉建華.溴甲烷土壤消毒替代技術研究進展[J].植物保護，2007，33（1）：15-20.

[8] YAN Dongdong， WANG Qiuxia， MAO Liangang， et al. Evaluation of chloropicrin gelatin capsule formulation as a soil fumigant for greenhouse strawberry in China [J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry， 2012， 60（20）： 5023-5027.

[9] QIAO Kang， WANG Zhongtang， WEI Min， et al. Evaluation of chemical alternatives to methyl bromide in tomato crops in China [J]. Crop Protection， 2015， 67： 223-227.

[10]杜英杰，楊壽光，李向英，等.氯化苦處理土壤防治草莓土傳病害的效果和增產作用[J].山東農業科學，2007（4）：98-99.

[11]IBEKWE A M. Effects of fumigants on non-target， organisms in soils [J]. Advances in Agronomy，2004，83（4）：1-35.

[12]陳云峰，曹志平，于永莉.甲基溴替代技術對番茄溫室土壤養分及微生物量碳的影響[J].中國生態農業學報，2007，15（5）：42-45.

[13]TEBO B M， JOHNSON H A， MCCARTHY J K， et al. Geomicrobiology of manganese （II） oxidation [J]. Trends in Microbiology， 2005， 13（9）： 421-428.

[14]YAN Dongdong， WANG Qiuxia， MAO Liangang， et al. Quantification of the effects of various soil fumigation treatments on nitrogen mineralization and nitrification in laboratory incubation and field studies [J]. Chemosphere， 2013， 90（3）： 1210-1215.

[15]SUDA A， MAKINO T， MAEJIMA Y， et al. Effects of sterilization on the chemical forms of heavy metals in soils [J].Soil Science and Plant Nutrition，2009，55（5）：623-626.

[16]MCNAMARA N P， HIJ B， BERESFORD N A， et al. Effects of acute gamma irradiation on chemical， physical and biological properties of soils [J].Applied Soil Ecology，2003，24（2）：117-132.

[17]馬濤濤，顏冬冬，毛連綱，等.4種熏蒸劑處理對土壤可溶性有機氮和微生物量碳氮的影響[J].中國生態農業學報，2014，22（2）：159-164.

[18]DE NEVE S， CSITRI G， SALOMEZ J， et al. Quantification of the effect of fumigation on short-and long-term nitrogen mineralization and nitrification in different soils [J]. Journal of Environmental Quality， 2004， 33（5）： 1647-1652.

[19]RUZO L O. Physical， chemical and environmental properties of selected chemical alternatives for the pre-plant use of methyl bromide as soil fumigant [J]. Pest Management Science， 2006， 62（2）： 99-113.

[20]BROWN P D， MORRA M J. Brassicaceae tissues as inhibitors of nitrification in soil[J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry， 2009， 57（17）： 7706-7711.

[21]DI H J， CAMERON K C， SHEN J P， et al. Ammonia-oxidizing bacteria and archaea grow under contrasting soil nitrogen conditions [J].FEMS Microbiology Ecology，2010，72（3）：386-394.

[22]LI Jun， HUANG Bin， WANG Qiuxia， et al. Effect of fumigation with chloropicrin on soil bacterial communities and genes encoding key enzymes involved in nitrogen cycling[J]. Environmental Pollution， 2017， 227： 534-542.

[23]JAFARNEJADI A R， SAYYAD G， HOMAEE M， et al. Spatial variability of soil total and DTPA-extractable cadmium caused by long-term application of phosphate fertilizers， crop rotation， and soil characteristics [J].Environmental Monitoring & Assessment，2013，185（5）：4087-4096.

[24]張震，李林，劉凡.細菌氧化錳的分子機制[J].微生物學報，2011，51（2）：170-177.

[25]高凡，賈建業，梅雪清，等.土壤中微量元素錳及其化合物的環境意義[J].廣東微量元素科學，2004，11（4）：10-13.

[26]LI Huafen， GRAY C， MICO C， et al. Phytotoxicity and bioavailability of cobalt to plants in a range of soils[J].Chemosphere，2009，75（7）：979-986.

[27]LUO Dan， ZHENG Haifeng， CHEN Yanhui， et al. Transfer characteristics of cobalt from soil to crops in the suburban areas of Fujian Province， southeast China[J]. Journal of Environmental Management，2010，91（11）：2248-2253.

（責任編輯：田 喆）