低濃度除草劑對植物及土壤線蟲群落的影響

齊月，閆冰，關瀟，陳法軍，肖能文，付剛，李俊生*

（1.中國環境科學研究院生態研究所，北京 100012；2.江西省科學院能源研究所，南昌 330096；3.南京農業大學植物保護學院昆蟲系，南京 210095）

除草劑是全球第一大農藥類型[1]。隨著單一作物及抗除草劑類作物的種植面積不斷增加，除草劑因省力高效、適合機械化操作，其需求量依然在增加[2-3]。然而實際施用時并非全部施用量，甚至僅有40%的施用量能夠實現藥效，其余隨風、水形成低濃度除草劑擴散到農田周邊非靶標區域[4]。農田周邊的休耕地等半自然生境對農業生態系統中生物多樣性保護和農業生產均具有十分重要的價值，如維持生物多樣性、為農業傳粉者和害蟲天敵提供棲息地[5-6]。除草劑，包括低濃度除草劑對農業生態系統中非靶標區域的生物群落的影響已受到關注，但是其生態風險尚未得到充分評估。除草劑生態風險研究將科學地支撐農業生態系統中生物多樣性保護和管理決策[7]。

植物是食物網最重要的組成部分，具有生態系統更高營養級維持、水土保持等生態系統服務功能[8-9]。線蟲是土壤動物區系中最豐富的無脊椎動物，能驅動和調控土壤養分循環和物質轉化，其群落組成和功能群結構可以反映土壤質量及自然和人為擾動狀況，被視為環境指示生物[10-13]。針對除草劑包括低濃度除草劑對農業生態系統中非靶標區域（如田埂、休耕地）中植物群落的影響開展了少量研究，不同類型的半自然生境表現出不同的響應特征[14-16]。除草劑對土壤線蟲的影響包括直接毒性作用，以及除草劑抑制地表植被生長而造成土壤線蟲營養缺乏的間接影響[17]。研究低濃度除草劑對農業生態系統半自然生境中植物和土壤線蟲群落的影響，將從地上和地下生物的響應更加全面地揭示低濃度除草劑的生態風險。

近年來，隨著我國農村勞動力不斷向城市轉移，農田轉變成休耕地的現象時有發生。因此，本研究選取我國北方一處休耕地為研究對象，基于大田控制試驗噴施低于大田推薦劑量的除草劑，對比分析不同低濃度除草劑對植物及土壤線蟲群落的影響，以期為評估低劑量除草劑的生態風險提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況與實驗設計

本實驗為大田控制實驗，位于中國環境科學研究院北京順義實驗基地。該基地位于北京市（39.4～41.6°N、115.7～117.4°E）順義區趙全營鎮，屬于典型北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，全年80%降水集中在6—8 月，年均降水量655 mm，年均溫13.4 ℃，全年無霜期180～200 d。實驗田占地約1 500 m2，于2011—2013年種植玉米和油菜，未施用農藥，2014 年3 月機械勻地使土壤處于勻質狀態，未開展農業種植。樣地植物群落主要物種為馬唐（Digitaria sanguinalis）、反枝莧（Amaranthus retroflexus）、苘麻（Abutilon theophrasti）、藜（Chenopodium album）等。樣地土壤為潮土，pH 為7.5，土壤有機質含量為6.93 g·kg-1。

選取我國北方旱地農田廣泛使用且除草機理不同的兩種除草劑，即莠去津（山東勝邦綠野化學有限公司生產）和苯磺隆（山東僑昌化學有限公司生產）。莠去津是一種用于土壤和葉片處理的三嗪類除草劑，除草機理是與光合作用電子傳遞系統中的質體醌結合位點結合，抑制光合作用，在環境中具有持久性[18-19]。苯磺隆能快速被植物的葉片吸收，抑制乙酰內酯合酶，該酶是生物合成支鏈氨基酸的關鍵酶[20]。兩種除草劑濃度設定均依據產品推薦大田施用劑量設定。

2014年4 月采用隨機區組設計開展大田實驗，共設4 個小區（即4 次重復），每個小區內分別設置7 個處理，分別為未施用除草劑而施用等量清水的空白樣地（CK）、大田推薦劑量莠去津（1 200 g·hm-2，以有效成分計）處理樣地（A1）、大田推薦劑量50%的莠去津（600 g·hm-2，以有效成分計）處理樣地（A2）、大田推薦劑量25%的莠去津（300 g·hm-2，以有效成分計）處理樣地（A3）、大田推薦劑量苯磺隆（22.5 g·hm-2，以有效成分計）處理樣地（T1）、大田推薦劑量50%的苯磺隆（11.25 g·hm-2，以有效成分計）處理樣地（T2）、大田推薦劑量25%的苯磺隆（5.63 g·hm-2，以有效成分計）處理樣地（T3），每個小區內不同處理樣地隨機分布，共計28塊處理樣地。每個樣地為3 m×5 m，樣地間距離2～3 m。2014 年6 月20 日進行除草劑的噴施處理，與華北地區夏玉米施用除草劑時間一致。在噴施除草劑時，各處理樣地四周搭建高度1.5 m 塑料薄膜隔離帶，72 h 后拆除，防止除草劑擴散導致各實驗處理間產生相互影響。采用手動農藥噴霧器進行噴施（NS-5，Worth生產，上海），噴頭壓力為2×105Pa。

1.2 樣品采集與物種鑒定

實驗在除草劑處理30 d 后進行植物樣方調查和土壤樣品采集[21-22]。每個處理樣地內分別隨機選取3個50 cm×50 cm 植物樣方，樣方距離樣地邊緣＞1 m，記錄物種種類、數量，依據《中國植物志》（http：//www.iplant.cn/frps）鑒定物種。每個處理樣地內用五點取樣法取土樣，除去地表凋落物層取0～10 cm 表層土壤，除去植物殘體、石塊等雜物，土樣充分混合后四分法取土。稱取100 g 鮮土樣，采用改進的Baermann 淺盤法分離提取線蟲[23]。在體視顯微鏡下對線蟲計數，并轉換為100 g 土樣中線蟲數量[23]。在不同處理樣地提取的線蟲中隨機取100條（＜100條取全部個體），依據《中國土壤動物檢索圖鑒》[24]鑒定。

1.3 數據處理

采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）分析除草劑種類、除草劑濃度，以及二者間相互作用對植物群落和土壤線蟲群落各指數的影響。對差異顯著的主要影響因素再采用單因素方差分析（ANOVA），并采用Fisher’s Protected LSD 進行多重比較，采用SPSS 20.0 軟件進行數據分析，Origin8.5 軟件作圖。用基于Bray-Curtis 距離的非度量多維尺度（Non-metric multidimensional scaling，NMDS）分析植物群落多樣性與線蟲群落組成的相似性。用Mantel test 方法檢測植物物種多樣性與線蟲群落多樣性的相關關系及顯著性。用R 軟件vegan包完成NMDS和Mental test分析，并用ggplot2包進行NMDS出圖。

2 結果與分析

2.1 對植物群落組成的影響

與空白對照相比，莠去津和苯磺隆均減少了樣方總科屬數、總物種數、樣方平均物種數，而不同除草劑及不同濃度處理對樣方平均物種的數量影響差異不顯著（P≥0.05）（表1）。所有處理樣地中樣方共記錄14 屬15 種植物，隸屬于菊科（Compositae）（3 屬3 種）、禾本科（Gramineae）（3 屬3 種）、旋花科（Convolvulaceae）（1 屬2 種）等共 10 個科。不同處理樣地中觀測個體數量最多的植物均為馬唐（Digitaria sanguinalis），而個體數量位于第二位的植物在不同處理樣地中不相同，空白樣地（CK）中為狗尾草屬（Setariaspp.），大田推薦劑量莠去津（A1）、大田推薦劑量25%的莠去津（A3）處理樣地及3 個濃度苯磺隆（T1、T2、T3）處理樣地中均為反枝莧（Amaranthus retroflexus），大田推薦劑量50%的莠去津（A2）處理樣地為苘麻（Abutilon theophrasti）。

2 種除草劑及其不同濃度的處理樣地中植物群落的物種組成均存在差異。與CK 樣地相比，莠去津和苯磺隆處理樣地中雙子葉與單子葉植物物種數量比例降低；莠去津不同濃度處理樣地中該比例排序為A2＞A3=A1，苯磺隆不同處理樣地中該比例是T3＞T1＞T2（見表1）。馬唐、反枝莧和苘麻是所有處理樣地中均有分布的種，馬齒莧（Portulaca oleracea）、野大豆（Glycine soja）、絲瓜（Luffa aegyptiaca）和蒼耳（Xanthium sibiricum）僅發現于CK 樣地，而豚草（Ambrosia artemisiifolia）、蘿藦（Metaplexis japonica）、裂葉牽牛（Pharbitis nil）、牽牛花（Pharbitis purpurea）、稗子（Echinochloa crusgalli）均沒有出現在CK樣地。

2.2 對植物群落多樣性的影響

除草劑種類對野生植物群落多樣性指數、豐富度指數和均勻度指數的影響差異均不顯著（P≥0.05），除草劑濃度對野生植物群落多樣性指數和豐富度指數影響差異顯著，而對均勻度指數的影響差異均不顯著，且除草劑種類與濃度間對植物群落多樣性指數不存在交互作用（表2）。兩種除草劑施用大田推薦量25%、50%和100%處理樣地中的植物群落多樣性指數和豐富度指數均差異較小（圖1）。

表1 不同處理樣地植物物種數量Table 1 Plant species number of different treatment

表2 雙因素方差分析（F值）除草劑種類、除草劑濃度及其二者交互作用對植物群落多樣性指數的影響Table 2 Two-way ANOVA results（F values）for testing for herbicide type，dose and their interactions on the diversity indexes of the plant communities

2.3 對土壤線蟲群落組成的影響

所有處理樣地的樣方共鑒定出25 屬線蟲，CK 樣地鑒定出 19 屬線蟲，A3、A2、A1 樣地分別鑒定出 16、16 屬和 18 屬線蟲，T3、T2、T1 樣地分別鑒定出 15、18屬和16 屬線蟲。個體數量占線蟲總個體數量＞10%的為優勢類群，1%～10%為常見類群，＜1%為稀有類群[32]。頭葉屬（Cephalobus）和真滑刃屬（Aphelenchus）是所有處理樣地的優勢屬；不同處理樣地中線蟲的稀有屬存在差異，CK樣地中有10個稀有屬，而其他處理樣地中稀有屬數量減少且組成也不同（表3）。結果表明施用不同劑量的莠去津或苯磺隆均改變了土壤線蟲群落組成，改變了土壤線蟲群落中稀有屬。

根據線蟲的形態特征可分為植食、食細菌、食真菌和捕食/雜食共4 個營養類群[10]，CK 與除草劑處理樣地中的各營養類型土壤線蟲個體數量比例相似，均是以食細菌類土壤線蟲個體數量比例最高，雜食/捕食類最低（圖2A）。c-p 值為2 的土壤線蟲數量在不同處理樣地中均最大，除T3樣地外，相對于CK 樣地，施用除草劑的樣地均減少了c-p 值為3～5 的線蟲數量，表明施用除草劑使土壤承受了更大的環境脅迫壓力（圖2B）。

2.4 對土壤線蟲群落特征指數的影響

所有樣地土壤線蟲的NCR 處于0.51～0.65，表明不同處理樣地的土壤有機質分解過程均以細菌通道為主，但是與CK 相比，A3 和A2 樣地中有機質分解過程中細菌通道有所抑制，向真菌分解方向變化（表4）。不同處理樣地中土壤線蟲MI均在 2～3（T3 除外），屬于產卵量大且世代時間短的耐環境壓力類群（表4），表明不同處理樣地中土壤環境均受外界干擾較大；PPI為2.15～2.47，表明不同處理樣地中植物寄生線蟲受植物根系影響較小。MI和PPI表明不同處理樣地中土壤線蟲生活史多樣性相似[25]。根據土壤線蟲EI和SI分析，所有處理樣地的土壤環境條件均較差，且均處于高干擾環境中（圖3）。雙因素方差分析表明，除草劑不同種類、不同濃度處理對樣地的土壤線蟲群落豐富度、均勻度和多樣性指數，及土壤線蟲NCR、MI和PPI的影響均不顯著，且除草劑種類與濃度間對土壤線蟲群落特征指數影響不存在交互作用（表5）。

2.5 對土壤線蟲和植物群落的綜合影響

為進一步分析植物多樣性對土壤線蟲群落的影響，基于Bray-Curtis相似性矩陣的非度量多維尺度排序，分析土壤線蟲群落在植物多樣性梯度下的分布特征。結果發現，土壤線蟲群落在排序圖中沒有呈現出明顯的分異情況，說明植物多樣性對不同處理的土壤線蟲群落沒有表現出很強的影響（圖4）。Mantel test分析表明，植物多樣性與土壤線蟲多樣性無顯著相關關系（r=-0.006，P=0.41）。

3 討論

短時間內野生植物群落和土壤線蟲群落對除草劑的響應不同。本研究中，在施用除草劑30 d 后，休耕地中植物群落多樣性和物種數量顯著降低。這或許與除草劑化學性質有關，盡管選取的兩種除草劑的化學性質和除草劑機理不同[33]，但是兩種除草劑均能殺死植物群落中敏感個體或抑制其生長，從而影響植物群落組成和多樣性。然而，土壤線蟲群落各特征指數在處理30 d后沒有發生顯著變化，或許與施用除草劑濃度有關。有研究表明2 000、1 000 g·hm-（2以有效成分計）莠去津降低了土壤線蟲群落多樣性，而250 g·hm-（2以有效成分計）莠去津沒有改變土壤線蟲群落多樣性[34]；也有研究表明低濃度除草劑施用促使土壤線蟲群落多樣性增加[35-37]。土壤線蟲群落特征指數沒有顯著變化的原因也可能與土壤環境有關。有研究表明未開墾草地在施用除草劑后土壤養分下降，土壤線蟲主要類群也轉變為干擾類群[38]，而本研究中農田轉變成休耕地第一年，土壤依然處于高干擾高脅迫狀態（圖3），土壤線蟲類群屬于耐環境壓力類群（表4），施用除草劑增加了土壤環境壓力，無法改變屬于耐環境壓力類群的土壤線蟲群落（圖2B）。

表4 不同處理樣地中土壤線蟲群落特征指數Table 4 Indexes of soil nematode community of different treatments

表5 雙因素方差分析（F值）除草劑種類、除草劑濃度及二者交互作用對土壤線蟲群落特征指數的影響Table 5 Two-way ANOVA results（F values）for testing for herbicide type，dose and their interactions on the indexes of the soil nematode community

除草劑對野生植物群落和線蟲群落的影響均存在潛在生態風險。除草劑可以通過殺死植物或抑制植物繁殖[39-41]改變土壤種子庫組成和植物群落演替，從而間接改變以植物群落為食物基礎或棲息環境的其他生物群落，包括傳粉昆蟲和農業害蟲天敵等[16，42]。盡管本研究中植物群落多樣性在短期內降低沒有顯著影響土壤線蟲群落，但是在實際生產中，農田施用除草劑多常年在春夏季，正值植物生長季，植物群落變化的潛在生態風險和農業生產風險依然值得關注。線蟲占據著土壤食物網的中心位置，其物種多樣性、食性多樣性、生活史策略多樣性、功能群多樣性奠定了其作為土壤食物網結構和功能指示生物的生態學基礎[43]。低濃度除草劑能顯著地抑制土壤線蟲的運動和繁殖[44]，直接毒害或許是本研究中不同處理樣地間線蟲稀有屬和線蟲群落組成均存在差異的原因之一。土壤線蟲組成改變和個體數量降低表明土壤食物網發生了變化[12]，若土壤質量降低則其恢復難度將遠大于植物群落的恢復。

低劑量除草劑的生態風險值得關注。本研究中，低于大田推薦劑量的除草劑對于野生植物群落的影響高于大田推薦劑量的除草劑的影響。很多研究表明，低劑量或亞致死劑量的除草劑能夠抑制植物個體的生長、繁殖甚至子代的生長[45-46]。因此，實際生產中需要重視從農田中擴散到農田周邊區域的低劑量除草劑的生態風險。

農田休耕指在可耕、可種的季節不耕田、不種植作物的一種方式，是成本低且見效快的耕地質量改善途徑，可提高生物多樣性[47]。休耕地對于農業生態系統中生物多樣性保護具有重要意義，因此在實際生產中應加強除草劑生態風險管控，以減少農業生產中飄散地除草劑對休耕地中植物群落的威脅，而除草劑對土壤線蟲群落及土壤質量變化的影響依然值得關注。

4 結論

（1）短時間內野生植物群落和土壤線蟲群落對除草劑的響應不同。施用莠去津或苯磺隆30 d后，休耕地中植物群落物種組成改變，野生植物群落多樣性指數和豐富度指數顯著降低，均勻度指數無顯著變化；土壤線蟲群落組成和稀有屬改變，土壤線蟲群落多樣性指數、生活史多樣性指數和營養類群多樣性指數均無顯著變化；植物群落多樣性降低在短期內沒有顯著影響土壤線蟲群落。

（2）低濃度除草劑的生態風險值得關注。低于大田推薦劑量莠去津（600、300 g·hm-2以有效成分計）或苯磺隆（11.25、5.63 g·hm-2以有效成分計）對于休耕地植物群落的影響大于大田推薦劑量的莠去津（1 200 g·hm-2以有效成分計）或苯磺隆（22.5 g·hm-2以有效成分計）影響；除11.25 g·hm-2（以有效成分計）的苯磺隆處理樣地外，其他濃度的除草劑處理樣地均減少了c-p 值為3～5 的線蟲數量，表明施用低于大田推薦劑量的除草劑同樣會增加土壤的環境脅迫壓力。需防控低濃度除草劑對農業生態系統中半自然生境中生物多樣性的影響。