草甘膦對大豆田土壤養分及其功能酶活性的影響

陳奎元， 劉卉， 丁偉

（東北農業大學農學院植保系，哈爾濱 150030）

自1996年轉基因抗草甘膦大豆商業化種植以來，草甘膦因其除草效率高、安全性好、成本低等特點成為全球銷量第一的除草劑[1]。草甘膦施用后約70%進入土壤，極易被土壤吸附[2]，嚴重影響土壤酶活性[3]。土壤酶活性直接關系土壤養分的代謝，其中土壤脲酶及大豆根瘤固氮酶是參與土壤氮素循環的重要組分，土壤酸性磷酸酶與土壤磷素循環關系密切，土壤纖維素酶在土壤碳循環中起著重要作用[4]。因此，研究草甘膦對土壤養分及其功能酶活性的影響可為未來抗草甘膦作物在中國應用提供土壤環境安全基礎數據。

已有室內模擬研究表明，向不同土壤中加入草甘膦后，土壤有效磷、速效鉀含量顯著升高[5]，土壤脲酶、蔗糖轉化酶和脫氫酶活性升高，磷酸酶活性降低[6]。然而，實際生產中因受多種因素共同作用，不同水平草甘膦對不同土壤的影響遠比室內結果更復雜。研究表明，低水平的草甘膦在6 d內對水稻試驗田耕層土壤蔗糖酶和過氧化氫酶的活性有促進作用[7]，而高水平的草甘膦會抑制土壤中的過氧化氫酶活性，水平越高抑制作用越強[6]，當草甘膦在土壤中降解后，這種抑制作用會逐步減弱[8]。草甘膦會抑制轉基因抗草甘膦大豆的根瘤固氮酶活性[9]，并與土壤氮含量呈顯著負相關[10]；有研究表明，草甘膦施用后，對棉花田土壤脲酶活性先抑制后促進[11]，桉樹林表層土壤纖維素酶和磷酸酶活性降低，土壤全氮全磷含量降低，不利于土壤養分循環[12]。目前為止，草甘膦對大豆田土壤養分與土壤功能酶相互關系尚缺乏系統研究。大豆是重要的糧食兼油料作物，隨著轉基因抗草甘膦大豆在世界范圍內的廣泛種植和中國對轉基因抗草甘膦大豆研究的不斷深入，開展草甘膦對土壤養分及其功能酶活性的研究，可為轉基因抗草甘膦大豆種植提供土壤安全性基礎數據。

本研究以大豆田土壤為研究對象，采用2年田間定位試驗方法，研究草甘膦對土壤氮（N）、磷（P）、鉀（K）與脲酶、磷酸酶、纖維素酶、過氧化氫酶和根瘤固氮酶活性及其相互關系的影響，以期為轉基因抗草甘膦大豆商業化安全應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試材料 供試大豆品系為轉基因抗草甘膦大豆呼交06-698，由中國農業科學院作物科學研究所提供。

1.1.2 供試土壤 采用5點取樣法，取0—20 cm土層大豆根際抖落土混勻。將同一小區內5點土壤樣品均勻混合，土壤自然風干后過2 mm篩，用于測定土壤養分含量及土壤酶活性，每處理重復測定3次。

1.1.3 供試藥劑 41%草甘膦異丙胺鹽水劑，美國孟山都公司生產。

1.2 試驗設計

試驗于2019—2020年在東北農業大學轉基因試驗基地進行，試驗地周圍有高2 m的圍墻防護，專人看管，圍墻外無任何其他作物種植，試驗地周圍200 m內無其他大豆種植。試驗期間除草甘膦以外無任何其他除草劑施用。采用完全隨機區組設計，設4個處理，草甘膦施藥有效量為0.0、1.2、2.4、3.6 kg·hm-2，分別用CK、T1、T2、T3表示，每個小區界限明晰且各年度固定在同一位置，每個小區面積為12.0 m2，播期和密度與當地大田一致，每年均在大豆第1片復葉完全展開期噴施草甘膦，分別在施藥后7、14、21、28 d進行調查，每處理3次重復測定。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤養分含量測定 采用堿解擴散法測定土壤堿解氮含量，采用鉬銻抗比色法測定速效磷含量，采用火焰光度法測定速效鉀含量[13]。

1.3.2 土壤酶活性測定 采用靛酚比色法測定土壤脲酶活性，采用磷酸苯二鈉法測定磷酸酶活性，采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性，采用蒽酮比色法測定纖維素酶活性[13]。

1.3.3 大豆根瘤固氮酶活性的測定 利用TRACE 1300氣相色譜儀（賽默飛世爾科技(中國)有限公司），采用乙炔還原法活體測定大豆根瘤固氮酶活性[14]。

1.4 數據處理

采用Excel 2013軟件處理原始數據，應用DPS 10.05軟件進行方差分析，通過LSD法在P＜0.05水平下比較數據之間的差異顯著性，利用SPSS Statistics 22.0軟件進行相關性和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 草甘膦對土壤養分含量的影響

2.1.1 草甘膦施用對土壤堿解氮含量的影響 由表1可知，施用草甘膦7 d后，2019年各處理土壤堿解氮含量顯著升高，2020年各處理土壤堿解氮含量顯著降低。施用14 d后，2019年T1處理土壤堿解氮含量高于CK，T2及T3處理土壤堿解氮含量低于CK。施用21 d后，2019年各處理土壤堿解氮含量顯著降低；2020年T1及T2處理土壤堿解氮含量顯著低于CK。施用28 d后，2019年除T3處理土壤堿解氮含量顯著低于CK以外，其余各處理均顯著高于CK；2020年T1和T3處理土壤堿解氮含量與CK無顯著差異，T2處理土壤堿解氮含量顯著低于CK。2年平均降低峰值為施用14 d后T2處理，比CK降低了10.57%。

表1 不同處理下土壤堿解氮含量Table 1 Soil alkaline soluble nitrogen content under different treatments

2.1.2 草甘膦施用對土壤速效磷含量的影響 由表2可知，施用草甘膦7 d后，2019年各處理土壤速效磷含量均顯著高于CK；2020年T1處理土壤速效磷含量顯著高于CK，T2及T3處理土壤速效磷含量與CK無顯著差異。施用14 d后，2019年及2020年各處理土壤速效磷含量均顯著低于CK。施用21 d后，2019年土壤速效磷含量T1處理顯著低于CK，T2處理與CK無顯著差異，T3處理顯著高于CK。施用28 d后，2019年與2020年T1處理土壤速效磷含量顯著低于CK；T2處理與CK無顯著差異，T3處理2019年顯著低于CK，2020年與CK無顯著差異。2年平均降低峰值為施用14 d后T2處理，比 CK降低了11.30%。

表2 不同處理下土壤速效磷含量Table 2 Soil available phosphorus content under different treatments

2.1.3 草甘膦施用對土壤速效鉀含量的影響2019年和2020年試驗結果（圖1）均顯示，草甘膦施用后的7、14、21、28 d，各處理土壤速效鉀含量與CK相比均無顯著差異。

圖1 不同處理下土壤速效鉀含量Fig.1 Soil available potassium content under different treatments

2.2 草甘膦對土壤酶活性的影響

2.2.1 草甘膦對土壤脲酶活性的影響 2年試驗結果表明，施用草甘膦后，T1處理土壤脲酶活性先升高后降低，T2與T3處理土壤脲酶活性先降低再升高。2019年在施用14～28 d內，與CK相比，T1處理土壤脲酶活性顯著升高，T3處理土壤脲酶活性顯著降低。2年平均降低峰值為施用21 d后T2處理，比 CK降低了67.66%（圖2）。

圖2 不同處理下土壤脲酶活性Fig.2 Soil urease activity under different treatments

2.2.2 草甘膦對土壤磷酸酶活性的影響 施用草甘膦7 d后，T1與T3處理土壤磷酸酶活性顯著高于CK，施用7 d以后土壤磷酸酶活性開始降低，施用14～21 d后土壤磷酸酶活性受到抑制，2019年抑制峰值出現在第21天，2020年抑制峰值出現在第14天，第28天時土壤磷酸酶活性逐漸恢復至第7天水平。2年平均降低峰值為21 d后的T1處理，比CK降低了40.62%（圖3）。

圖3 不同處理下土壤磷酸酶活性Fig.3 Soil phosphatase activity under different treatments

2.2.3 草甘膦對土壤過氧化氫酶活性的影響 隨著時間的推移，7～28 d內土壤過氧化氫酶活性先降低后升高，2年降低峰值均出現在施藥后第14天，以后逐漸升高，28 d后逐漸恢復正常。施用草甘膦后，除2019年21～28 d內的T2處理外，2年各處理土壤過氧化氫酶活性均顯著高于CK。2年平均降低峰值為施藥14 d后T1處理，比CK升高了131.93%（圖4）。

圖4 不同處理下土壤過氧化氫酶活性Fig.4 Soil catalase activity under different treatments

2.2.4 草甘膦對土壤纖維素酶活性的影響 隨著施用時間的推移，7～28 d內大豆田土壤纖維素酶活性降低峰值除2019年的T2處理出現在第14天外，其余各處理均出現在第21天，然后逐漸恢復。草甘膦施用后7 d，2019年T1與T3處理土壤纖維素酶活性顯著高于CK，T2處理與CK相比無顯著差異；2020年T1處理與CK無顯著差異，T2與T3處理顯著高于CK。施用后第14天，2019年T1與T2處理土壤纖維素酶活性顯著低于CK，T3處理顯著高于CK；2020年各處理土壤纖維素酶活性與CK相比均無顯著差異。施用后第21天，2019年T1處理土壤纖維素酶活性顯著低于CK，T2和T3處理與CK無顯著差異；2020年T1和T2處理均顯著低于CK，T3處理與CK無顯著差異。施用后第28天，2019年T1處理纖維素酶活性顯著低于CK，T2及T3處理與CK相比均無顯著差異；2020年T1和T3處理與CK相比無顯著差異，T2處理與CK相比顯著降低了27.63%。2年平均降低峰值為施藥21 d后的T1處理，比CK降低了45.88%（圖5）。

圖5 不同處理下土壤纖維素酶活性Fig.5 Soil cellulase activity under different treatments

2.2.5 草甘膦對大豆根瘤固氮酶活性的影響 2年間大豆根瘤固氮酶活性變化規律相似，施用后隨時間推移逐漸降低。草甘膦施藥7 d后，2年T2與T3處理呼交06-698大豆根瘤固氮酶活性均顯著低于CK。施藥14 d后，2019年各處理顯著低于CK，2020年各處理與CK相比無顯著差異。施藥21～28 d后，2年各處理與CK均無顯著差異。2年平均降低峰值為施藥7 d后T3處理，比CK降低了74.49%（圖6）。

圖6 不同處理下根瘤固氮酶活性Fig.6 Nodule nitrogenase activity under different treatments

2.3 土壤酶活性與土壤養分含量的相關性分析

從相關系數矩陣可知，2019年與2020年土壤酶活性及土壤養分含量之間存在一定的相關性。施用草甘膦后，轉基因大豆田大豆根瘤固氮酶與脲酶活性呈顯著正相關；土壤磷酸酶與過氧化氫酶、纖維素酶活性呈極顯著正相關；土壤速效磷含量與過氧化氫酶活性呈顯著負相關，與磷酸酶、根瘤固氮酶活性均呈極顯著負相關；速效鉀含量除與土壤磷酸酶活性、纖維素酶活性呈極顯著正相關外，還與堿解氮含量呈顯著負相關、與速效磷含量呈極顯著負相關（表3）。這些相關性說明各指標之間反映的信息存在重疊，需通過主成分法進行簡化分析。

表3 土壤酶活性及土壤養分含量的相關性Table 3 Correlation between soil enzyme activity and soil nutrients

2.4 土壤酶活性與土壤養分的主成分分析

對2019年及2020年草甘膦施用后大豆田土壤養分及其功能酶的8個指標進行主成分分析，并提取出3個主成分因子，累計貢獻率達到72.308%，能夠較全面地反映大豆田養分及其功能酶活性的8種指標（見表4）。其中第1主成分的特征值2.938，方差貢獻率36.730%，第1主成分中載荷較高的是速效磷及磷酸酶，能解釋土壤磷素循環的大部分信息。第2主成分的特征值1.645，方差貢獻率20.566%，在第2主成分中載荷較高的是堿解氮、脲酶及大豆根瘤固氮酶，因此第2主成分能解釋土壤氮素循環的大部分信息。第3主成分的特征值1.201，方差貢獻率15.012%，第3主成分中載荷較高的是纖維素酶和速效鉀，能在一定程度上解釋土壤鉀素變化特征。

表4 主成分的特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率Table 4 Eigenvalue，variance contribution rate and cumulative variance contribution rate of principal components

特征向量是各指標的主成分載荷與其特征值之比的平方根，以每個指標特征向量的主成分得分構建函數表達式（F1、F2、F3依次為第1、2、3主成分的得分）。以各主成分的貢獻率與總和之比為權重，得到各濃度草甘膦施用后大豆田土壤質量綜合得分（S）模型。

根據綜合得分模型可計算出各處理草甘膦施用后大豆田土壤質量的綜合得分（表5），得分越低，土壤質量越差。施用不同含量草甘膦后，以土壤N、P、K養分及其功能酶為主成分的土壤質量綜合得分從高到低依次為T2＞T3＞CK＞T1。

表5 土壤質量主成分得分及排名Table 5 Soil nutrient principal components scores and rankings

3 討論

堿解氮、速效磷和速效鉀含量能較好地反映近期土壤各元素供應狀況，是土壤供肥水平的主要指標[15]。草甘膦影響作物的根際養分[16]，可能是由于草甘膦施用后對土壤微生物及酶活性的影響造成的[17]。草甘膦施用后抑制土壤中固氮微生物的活性[9]，同時大豆田雜草數量降低[18]，大豆競爭吸收養分量增加，這可能是草甘膦施用后土壤堿解氮含量顯著降低的重要原因。草甘膦不會對土壤鉀含量造成影響[3]，但長期噴灑草甘膦會影響土壤中磷的含量[19]。草甘膦與土壤鐵元素形成的螯合物不穩定[20]，易被磷酸鹽解吸，增加土壤Fe-P含量從而降低土壤速效磷含量[21]。本研究發現，施用草甘膦對土壤速效鉀含量無顯著影響、速效磷含量顯著降低，這與上述研究結果相似。

土壤酶是土壤環境重要的組成部分，與土壤環境的動態變化密不可分。過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶、纖維素酶等與土壤養分循環顯著相關[7]。土壤過氧化氫酶是土壤微生物代謝的重要酶，在清除H2O2和保護植物免受氧化脅迫中起著重要作用[22]。脲酶與土壤氮素循環密切相關，能催化尿素水解為氨和二氧化碳。草甘膦施用后會激活土壤脲酶活性[6]，抑制過氧化氫酶活性[11]。土壤酸性磷酸酶與土壤磷素循環密切相關[23]，由于草甘膦在土壤中的降解與C-P鍵的斷裂密切相關[24]，土壤磷酸酶活性隨草甘膦的施用量不同而受到抑制或激活[6]，低水平表現為抑制而高水平處理表現為激活。草甘膦連續施用會抑制土壤酸性磷酸酶活性[25]，從而降低土壤磷素含量。土壤纖維素酶在纖維素的分解轉化中起著重要作用。已有研究表明，施用草甘膦后纖維素酶活性受到抑制[6]。大豆根瘤固氮酶能為大豆提供共生固態氮[4]，Fan等[9]發現草甘膦影響固氮菌的生長，導致固氮酶活性迅速下降。也有研究表明在不敏感根瘤菌系形成的根瘤中，草甘膦的高水平積累不會降低根瘤固氮酶活性[26]。面對復雜且具有相關性的多個土壤酶活性與土壤養分含量等評價指標，主成分分析能夠客觀準確地評價土壤質量[27]。本研究采用主成分及綜合評價法對土壤養分及其功能酶活性綜合分析，發現中、高劑量草甘膦施用后，短時間內土壤脲酶活性、土壤纖維素酶活性、磷酸酶活性和根瘤固氮酶活性顯著降低，過氧化氫酶活性顯著增高，短時間內會導致土壤中過氧化氫增加，影響土壤氮素代謝和磷素的轉化，但這種不利影響隨草甘膦施用后時間延長而逐步恢復正常，長時間不會對土壤養分及其功能酶活性帶來不利影響。