Bt作物秸稈還田對土壤生態系統的影響研究進展

呂簫,馮遠嬌,王曉宜,王建武,*

1.華南農業大學農業部華南熱帶農業環境重點實驗室,廣州 510642

2.廣東省現代生態農業與循環農業工程技術中心,廣州 510642

3.華南農業大學資源環境學院生態學系,廣州 510642

0 前言

自1983年首次獲得轉基因煙草和馬鈴薯以來,植物基因工程技術發展迅速,已成功培育出一批抗蟲、抗病、耐除草劑和高產優質的農作物新品種,轉基因作物的種植取得了巨大經濟、環境和社會效益,農民種植轉基因作物量也逐年增加。2017年是全球轉基因作物成功商品化的第22年,據國際農業生物技術應用服務組織(ISAAA)統計,2017年全球的轉基因作物面積已達到1.898 億公頃,是1996年種植面積170 萬公頃的112 倍[1]。其中,表達Bt(Bacillus thuringiensis)基因的抗蟲轉基因作物(Bt 作物)是全球商品化程度最快的抗蟲轉基因作物,它通過表達來源于土壤蘇云金芽孢桿菌的殺蟲蛋白基因,從而對鱗翅目害蟲產生殺蟲活性。在關注Bt 玉米所帶來的巨大社會、經濟和生態效益的同時,其大規模商品化種植可能帶來的生態安全和環境問題不容忽視[2-4]。

土壤是生態系統中物質循環和能量轉化過程的重要場所,Bt 作物的種植及秸稈還田對土壤生態系統的影響是其安全性評價的重要組成部分,受到國內外學者的廣泛關注[5-11]。Bt 作物釋放的Bt 蛋白可通過根系分泌、殘茬分解或秸稈還田以及花粉飄落進入土壤生態系統,其中,秸稈還田是最主要的途徑[12]。秸稈還田作為秸稈資源化利用的一種主要方式,是合理利用農業資源、發展生態農業和循環農業的有效技術途徑,在世界各國的玉米種植區都得到普遍采用和大力推廣。Bt 作物的秸稈還田,可能使Bt 蛋白在土壤生態系統中富集,從而影響土壤特異生物種群、功能類群、生物多樣性和土壤生態學過程[12-15]。本文系統綜述了主要Bt 作物(玉米、棉花和水稻)秸稈還田釋放的Bt 蛋白在土壤中的降解及對土壤生態系統(土壤微生物、土壤動物、土壤酶活性和土壤養分)的影響,旨在為Bt 作物的生態風險評價提供參考。

1 Bt 作物秸稈還田釋放的Bt 蛋白在土壤中的降解

隨著作物秸稈還田在農業生產上的大面積應用,研究者更多關注Bt 作物秸稈分解釋放的Bt 蛋白在土壤中的降解情況及其殘留時間。Bt 作物秸稈還田后釋放的Bt蛋白的生物活性是評價其對非目標物種潛在風險和環境去向的重要參數。通過秸稈還田進入到土壤生態系統中的Bt蛋白,有可能造成Bt蛋白在土壤中累積。一般來說,Bt 蛋白在土壤中通過生物降解和自然失活作用得以減少或消除,其主要途徑有:(1)被微生物利用和降解;(2)后茬作物和土壤動物對土壤中Bt 蛋白的吸收與利用[16];(3)被太陽光中紫外線照射使其分解。其中,微生物降解是消除土壤中Bt 蛋白的重要途徑[17]。目前,殺蟲晶體蛋白在土壤中降解時間的報道差異較大,例如,4 種Bt 玉米秸稈中的Bt蛋白雖能在赤紅壤中快速降解,但21 d后速度變緩,土壤中的殘留含量穩定在0.28—0.73 ng·g-1達134 d 以上[16];Bt 玉米秸稈還田過程中釋放的Bt蛋白均能在土壤中快速降解,運用方程進行擬合得出,Bt 玉米秸稈中Bt 蛋白在土壤中DT50(降解半衰期,即降解初始秸稈中Bt 蛋白含量50%所需要的時間)為1.2—7.2 d[18-19]。也有研究表明Bt 蛋白不會在土壤中殘留[20]。這是由于土壤是復雜的基質,土壤中殺蟲晶體蛋白的降解速率不僅與殺蟲晶體蛋白的類型、形式(孢子和晶體)、濃度有關,而且與土壤類型、土壤濕度、土壤pH 值、土壤微生物的構成、耕作的深度和氣候等因子有關[21]。另外,Bt 蛋白檢測方法的不同也影響結果的一致性[22]。

1.1 Bt 玉米秸稈還田釋放的Bt 蛋白在土壤中的降解

大部分的研究表明,Bt 玉米秸稈還田過程中釋放的Bt 蛋白均能在土壤中快速降解,降解過程均呈現前期負指數大量快速降解和中后期極少量穩定這兩個階段,但在較長時間內還可以在土壤中檢測到Bt 蛋白的存在。例如,Bt 玉米秸稈在地表覆蓋和埋入土壤兩種秸稈還田方式下,秸稈中Bt 蛋白在土壤中的降解規律基本一致,均呈現前期大量快速降解,中后期極少量穩定降解兩個階段.至180 d 時仍能檢測到少量的Bt 蛋白[23]。凋落物分解袋研究試驗表明,Bt 玉米秸稈分解6 個月后Bt 蛋白剩余量是初始含量的25.98%,10 個月后還能檢測到初始含量的0.35%[24]。但也有研究表明Bt 蛋白不會在土壤中累積。例如,Dubelman 等認為Bt 玉米秸稈通過耕作方式向土壤中釋放的Bt 蛋白量很低,生物活性也不足以達到能檢測到的水平[20];邢珍娟等發現,Bt 玉米秸稈的Bt 蛋白在田間地表自然降解,50 d 后可以完全降解或僅有微量殘留[25];Bt 玉米秸稈還田后能在3 d 內快速降解,在還田第7 d 后檢測到少量的Bt蛋白,說明了玉米秸稈還田過程中進入土壤的Bt蛋白不會累積[13]。

1.2 Bt 棉花秸稈還田釋放的Bt 蛋白在土壤中的降解

Bt 棉花秸稈還田釋放的Bt 蛋白均能在土壤中快速降解,降解過程均呈現前期負指數大量快速降解和中后期極少量穩定兩個階段,但在較長時間內還可在土壤中檢測的Bt 蛋白的存在[21-22,26]。例如,Bt棉花秸稈釋放的Bt蛋白在熟土和生土中前期均能大量快速降解,40 d 時分別降解了初始量的88.59%和82.64%,中后期進入緩慢穩定降解階段;同時,熟土中前期降解快于生土,后期降解反而慢于生土,使得其取樣結束時殘留量高于生土[27]。Bt 棉花秸稈釋放到土壤中的Bt 蛋白檢測到的時間分別長達140 d[28]。

1.3 Bt 水稻秸稈還田釋放的Bt 蛋白在土壤中的降解

研究表明,Bt 水稻秸稈還田釋放的Bt 蛋白也能在土壤中快速降解,Bt 水稻秸稈的DT50為1.8—4.0 d[29]或2.2—11.6 d[30];Bt 水稻秸稈還田后土壤中Bt 蛋白的含量隨著時間延長而顯著減少[31]。Bt 水稻秸稈釋放到土壤中的Bt蛋白檢測到的時間長達146 d,也能在土壤中長時間仍能保持低濃度[32]。但張燕飛等[33]研究表明,Bt 水稻秸稈還田釋放的Bt 蛋白并不會在土壤中嚴重殘留。

2 Bt 作物秸稈還田對土壤微生物的影響

土壤微生物作為維持土壤生物活性的重要組成部分,參與包括有機質積累和礦化、養分轉化和循環等各種生化過程,是土壤生態系統的重要成員,Bt作物秸稈還田對土壤微生物是否會有影響尚無定論。研究表明,Bt 玉米和棉花秸稈分別在培養后45 d和56 d,與相應的非轉基因秸稈相比,土壤中細菌、放線菌和真菌的數量沒有顯著差異[34-35]。Bt 玉米秸稈還田對土壤細菌和真菌群落的影響沒有明顯的持久性[36],對土壤細菌和真菌的豐富度沒有顯著影響[37]。利用熒光定量PCR 和PCR-DGGE 技術分析了Bt 水稻秸稈還田對土壤微生物的影響,結果表明,Bt 水稻秸稈還田也沒有影響到氨氧化細菌amoA基因和反硝化細菌nirS 基因的表達[38]。但Mulder等觀察Bt玉米秸稈添加到土壤中,所釋放的Bt蛋白對土壤微生物數量在第1 周內有短暫促進作用[39]。同時,王洪興等發現,Bt 水稻秸稈的添加明顯增加了真菌的數量,而細菌、放線菌和反硝化細菌明顯降低[40]。Bt 水稻秸稈的添加在培養初期(3—5 周)對淹水土壤厭氧發酵性細菌、產氫產乙酸細菌、反硝化細菌和產甲烷細菌的數量產生一定影響,但培養后期(11 周)這種顯著性差異基本消失[41];吳偉祥等的研究結果表明,與親本對照相比,Bt 水稻秸稈的添加對土壤好氧性細菌、放線菌和真菌的數量無顯著性影響;土壤氨化細菌、自生固氮菌和纖維素降解菌的數量在培養中期有些差異,但這種差異也不持續[42-43];徐曉宇等則得出Bt 水稻秸稈還田84 d 內對水田土壤反硝化細菌和產甲烷細菌種群有顯著的抑制作用,對厭氧發酵細菌種群有顯著的刺激作用,而對厭氧固氮細菌種群沒有顯著影響[44]。

3 Bt 作物秸稈還田對土壤動物的影響

土壤動物是表征土壤質量變化的敏感生物學指標之一,評價Bt 玉米秸稈還田對土壤動物的影響,可以在一定程度上反映其對土壤生態系統的影響,將為進一步研究Bt 玉米的生態安全問題提供依據。Schrader 等在研究Bt 玉米秸稈的降解過程時,發現蚯蚓能促進秸稈中Bt 蛋白的降解且Bt 蛋白對蚯蚓沒有不利影響[45];Zwahlen 等將裝Bt 玉米秸稈的不同孔徑網袋埋入非Bt 玉米田中,定期取回并調查土壤生物及玉米秸稈降解情況,結果表明Bt 玉米秸稈還田過程中土壤無脊椎動物組成與對照無差異[46];Saxena 等研究表明添加了Bt 玉米秸稈的土壤對蚯蚓死亡率和體重變化與對照相比均無顯著差異[35]。但Shu 等研究表明不同濃度的Bt 玉米秸稈還田過程中釋放的Bt 蛋白對赤子愛勝蚓的相對生長率、幼蚓數量均顯著高于非Bt 玉米[47]。程苗苗等研究了Bt水稻秸稈還田對赤子愛勝蚓的影響,發現較高還田量(7.5%和10%)的Bt 水稻秸稈處理對赤子愛勝蚓存活率有抑制作用,對赤子愛勝蚓的相對生長率沒有不利影響;還田量為5%、7.5%和10%時,Bt 水稻秸稈還田能促進蚯蚓的生殖[31]。

4 Bt 作物秸稈還田對土壤酶活性的影響

土壤酶活性反映了土壤中各種生物化學過程的強度和方向,是土壤重要的生物學特性。Bt 作物的秸稈分解對土壤酶活性影響的研究也主要集中在Bt玉米、Bt 水稻和Bt 棉花中。研究表明,Bt 玉米的秸稈分解對土壤磷酸酶、脫氫酶、蛋白酶和芳香基硫酸脂酶的活性沒有明顯影響[48]。但王建武等研究了兩個品種的Bt 玉米秸稈還田過程中釋放的Bt 蛋白對土壤酶活性的影響,結果發現Bt 玉米34B24 秸稈分解過程中土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性與同源常規玉米34B23 秸稈分解相比沒有明顯差異,但部分取樣時間土壤脫氫酶和蔗糖酶活性顯著高于34B23秸稈分解,土壤脲酶活性既有高于也有低于34B23秸稈分解的[12];在大田自然條件下,比較研究Bt 玉米和非Bt玉米在秸稈還田過程中對土壤酶活性影響的差異,結果表明在秸稈還田后兩個品種的玉米秸稈對土壤酸性磷酸酶活性沒有顯著影響,但使用Bt玉米秸稈還田的土壤蔗糖酶、土壤脲酶和土壤蛋白酶的活性則都有顯著提高[49]。Bt 水稻的秸稈分解對土壤磷酸酶[48,50]、脫氫酶[48]、蛋白酶[48,50]、脲酶[42]和芳香基硫酸脂酶[48]的活性沒有明顯影響,但也有提高纖維素酶[44]、磷酸酶[42,44]和脫氫酶[42-44,50]的報道,而Bt 棉花的秸稈分解也能提高土壤磷酸酶的活性[21]。

5 Bt 作物秸稈還田對土壤養分的影響

土壤養分含量是反映土壤微生物活動的效果、土壤供肥能力和質量狀況的重要指標。王建武等研究得出Bt 玉米34B24 秸稈分解90 d 土壤速效磷和土壤速效鉀含量顯著降低,而土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、全鉀含量則與同源常規玉米34B23秸稈處理沒有明顯差異[12];在大田自然條件下,比較研究Bt 玉米和非Bt 玉米在秸稈還田時對土壤養分含量的影響,結果表明Bt 玉米秸稈還田后對土壤有機質含量有顯著影響但有機質含量在兩年內觀測期的趨勢不同[49];曾萍等研究得出Bt 玉米5422Bt1秸稈還田60 d 后0—20 cm 土層的有機質和全氮含量顯著升高、速效鉀含量顯著降低而其他養分指標則沒有顯著差異、20—40 cm 和 40—60 cm 土層的所有養分指標均沒有明顯差異以及 Bt 玉米5422CBCL 秸稈還田后僅0—20 cm 土層的速效磷含量顯著高于非Bt 玉米5422[13]。在研究Bt 水稻秸稈還田對土壤養分含量的影響方面,有研究表明,與常規水稻秸稈還田相比,無論有無腐稈劑的加入,Bt水稻秸稈還田120 d 和180 d 后均能顯著增加土壤速效鉀含量,但無腐稈劑加入時,Bt 水稻秸稈還田120 d 后土壤全氮含量明顯下降,Bt 水稻秸稈還田對土壤有機質、堿解氮、速效磷、全磷和全鉀含量則沒有顯著影響[51]。

6 結論與展望

由此可見,目前有關Bt 作物秸稈還田對土壤生態系統的影響雖然進行了一系列的研究,但觀測的時間較短,得出的結論也不統一,大部分研究表明,Bt 作物秸稈還田釋放到土壤中的Bt 蛋白均能快速降解,只有極少量殘留;Bt 作物秸稈還田對土壤生態系統的影響包括對土壤微生物、動物、酶活性和養分含量的影響沒有明顯持續的負面影響。由此,為了更好地評價其生態安全,需要更深入細致及長期的定位研究。然而,如果Bt 作物持續不斷地在同一田塊種植及秸稈還田,那么釋放出來的Bt 蛋白是否會在土壤中富集及對土壤生態系統是否產生意想不到的負面影響呢？因此,應該加強對Bt 作物秸稈持續還田過程中土壤Bt 蛋白含量的變化進行監測,同時探討不斷還田過程對土壤微生物、土壤動物、土壤酶活性、土壤生物化學過程、土壤養分含量的影響,以期進一步豐富和完善Bt 作物生態效應評價體系,使Bt作物對環境的負面影響減少到最低限度,為系統評價Bt作物釋放可能引起的生態環境風險提供理論依據。