4種熏蒸劑對土壤硝化作用及相關酶活性的影響

，3*

（1中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所，北京100193；2農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥化學與應用重點開放實驗室，北京100193；3現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系北京市創(chuàng)新團隊，北京 100029）

4種熏蒸劑對土壤硝化作用及相關酶活性的影響

馬濤濤1，2郭美霞1，2顏冬冬1，2曹坳程1，2，3*毛連綱1，2王秋霞1，2李 園1，2歐陽燦斌1，2

（1中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所，北京100193；2農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥化學與應用重點開放實驗室，北京100193；3現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系北京市創(chuàng)新團隊，北京 100029）

以北京市順義區(qū)黃瓜、番茄輪作3 a以上的溫室土壤為對象，采用室內(nèi)恒溫通氣培養(yǎng)法，研究氯化苦（Pic）、1，3-二氯丙烯（1，3-D）、二甲基二硫（DMDS）和威百畝（MS）等4種熏蒸劑對土壤硝化作用和幾種相關酶活性的影響，并對Pic處理中可能影響硝氮含量變化的一些指標進行了相關性分析。結果表明：4種熏蒸劑處理均對土壤硝化作用有明顯抑制作用，其中Pic、1，3-D和MS處理對土壤硝化作用的抑制持續(xù)28～56 d，而DMDS的抑制作用只有7 d左右；Pic對土壤蛋白酶活性表現(xiàn)出顯著的增強作用，而MS則對蛋白酶活性有強烈的抑制作用；各熏蒸劑處理對土壤谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶均表現(xiàn)出不同程度的抑制作用。Pic處理土壤硝氮（-N）與銨氮（-N）、可溶性有機氮（DON）的相關系數(shù)分別為-0.977和0.887，均達極顯著水平；與可溶性氨基酸（DAA）和土壤微生物量氮（SMBN）相關系數(shù)分別為-0.628和-0.645，均達顯著水平。

熏蒸劑；氯化苦；1，3-二氯丙烯；二甲基二硫；威百畝；硝態(tài)氮；酶活性

土壤氮是植物生長和發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，也是植物從土壤中吸收量最大的礦質(zhì)元素。土壤氮庫中無機氮僅占土壤總氮量的1%，而植物所吸收的氮幾乎都是無機形態(tài)，所以，土壤氮庫中的有機氮必須不斷地通過微生物的礦化作用轉(zhuǎn)化為植物可吸收的有效態(tài)氮（張金波和宋長春，2004）。硝態(tài)氮（-N）淋洗是土壤氮素的主要損失途徑，也是引起地下水污染的主要原因。土壤中累積的硝態(tài)氮如不能及時被作物吸收利用，在夏季持續(xù)降雨和大量灌溉條件下，會向下運移出作物根區(qū)，不但會降低生物有效性，而且會增加土壤深層-N累積量或直接進入淺層地下水造成污染（呂殿青 等，1999；Suprayogo et al.， 2002）。土壤熏蒸消毒是控制保護地土傳病蟲害最有效的方法（曹坳程 等，2010），但在殺死病原微生物的同時也會對土壤中非靶標微生物的組成產(chǎn)生強烈影響（Bending & Lincoln，2000；Tanaka et al.， 2003；Ibekwe，2004；Stromberger et al.， 2005；Roux-Michollet et al.，2008）。部分學者認為土壤熏蒸劑抑制土壤的硝化作用，熏蒸后土壤的-N濃度明顯低于未熏蒸土壤（Draycott & Last，1971；Rovira，1976）。這是因為土壤中銨氮（-N）向-N轉(zhuǎn)化是在硝化細菌作用下進行的，熏蒸劑能夠殺滅細菌，從而抑制硝化作用（de Neve et al.， 2004）。但是Gasser和Peachey（1964）等報道溴甲烷和威百畝熏蒸處理能夠明顯提高土壤-N的濃度。為探討熏蒸劑對土壤可滲性氮素轉(zhuǎn)化過程的影響，本試驗主要研究了4種不同熏蒸劑處理對土壤硝化作用的影響及氮轉(zhuǎn)化過程中多種形態(tài)氮素間的相關性。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

2012年7月取北京市順義區(qū)黃瓜、番茄輪作3 a以上的溫室菜地土壤進行檢測，經(jīng)測供試土壤基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)含量20.67 g·kg-1、-N 38.31 mg·kg-1、-N 112.99 mg·kg-1、速效鉀197.35 mg·kg-1、速效磷 305.73 mg·kg-1，陽離子交換量184.44 mmol·kg-1，pH值（土壤∶水=1∶2.5）6.43。用專業(yè)取土器鉆取種植壟表層以下10～20 cm處的土壤。土壤采回后，剔除雜物及殘留根系，過2 mm篩后加入2%葡萄糖預培養(yǎng)，恢復土壤的生物學活性，測定熏蒸劑處理前土壤酶活性。

1.2 供試藥劑

99%氯化苦（Pic），大連染料化工有限公司生產(chǎn)；95% 1，3-二氯丙烯（1，3-D），湖南省岳陽市云溪區(qū)道仁磯溶劑化工廠生產(chǎn)；99%二甲基二硫原藥（DMDS），上海元吉化工有限公司生產(chǎn)；42%威百畝水劑（MS），沈陽豐收農(nóng)藥有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗方法

稱取500 g土樣放入2.5 L干燥器中，按照藥劑與土壤質(zhì)量比分別加入Pic 53 mg·kg-1、1，3-D 39 mg·kg-1、DMDS 68 mg·kg-1、MS 54 mg·kg-1（Spokas et al.， 2006），同時設置1組未添加熏蒸劑的對照，每處理3次重復。密封后置于25 ℃恒溫箱中，熏蒸7 d，于通風櫥下敞氣5 min，使氣體散盡。敞氣后，將干燥器閥門打開，使空氣能夠自由進入干燥器內(nèi)，有氧條件下恒溫繼續(xù)培養(yǎng)。從敞氣時起定義為第0天，之后定期取樣測定土壤中銨態(tài)氮（-N）、硝態(tài)氮（-N）、可溶性氨基酸（DAA）、微生物量碳（SMBC）、微生物量氮（SMBN）含量及土壤酶活性。每次取樣前采用測質(zhì)量法調(diào)節(jié)土壤含水量，使之恒定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用Origin 8.0軟件進行作圖。

2 結果與分析

圖1 不同熏蒸處理對土壤-N含量的影響

作物能夠改變土壤表面硝態(tài)氮的分布狀況，限制土壤硝態(tài)氮向深層遷移（Wu et al.， 2003），但是超過作物需要，長期大量施用氮肥則會導致土壤中-N的累積（Liu et al.， 2003；Malhi et al.，2003），土壤熏蒸劑能夠顯著抑制氮素的硝化作用，使土壤經(jīng)硝化作用產(chǎn)生的硝態(tài)氮緩慢釋放給作物，提高氮素利用率和經(jīng)濟效益（Tanaka et al.， 2003；de Neve et al.， 2004；Yamamoto et al.， 2008）。此外，土壤熏蒸劑對防止硝態(tài)氮在地表大量累積、淋溶和反硝化產(chǎn)生有害氣體也有一定的積極意義。

2.2 不同熏蒸劑處理對土壤硝化作用潛勢（NP）的影響

土壤硝化作用潛勢（NP）是反映土壤活性硝化菌群落大小的指標。由圖2可知，熏蒸處理后第7天，4種藥劑處理土壤的NP值急劇下降，Pic處理土壤NP為2.13 μg·kg-1·d-1，比對照下降了82.45%， MS、1，3-D和DMDS處理分別比對照下降68.95%、62.36%和54.94%。14～28 d，除DMDS處理組外，其他3種藥劑處理土壤NP一直顯著低于對照。35 d時Pic、DMDS和MS處理的土壤NP分別為10.12、11.28和10.65 μg· kg-1·d-1，與對照（11.20 μg·kg-1·d-1）差異不顯著，而1，3-D處理的土壤NP（9.26 μg·kg-1· d-1）仍然顯著低于對照，直到42 d后才逐漸恢復到對照水平。

圖2 不同熏蒸處理對土壤硝化作用潛勢（NP）的影響

圖1和圖2充分說明熏蒸劑處理能夠在一定時間內(nèi)抑制土壤氮素硝化作用，有效控制氮肥的大量積累，避免氮肥浪費，提高經(jīng)濟效益。但是，熏蒸在抑制土壤硝化作用的同時，也導致了土壤銨氮的積累，增大了銨氮揮發(fā)浪費的幾率，應當引起關注。

2.3 不同熏蒸劑處理對土壤蛋白酶和氨化酶活性的影響

2.3.1 不同熏蒸劑處理對土壤蛋白酶活性影響經(jīng)測定，熏蒸前土壤蛋白酶活性為25.60 μg· g-1·h-1。敞氣后7 d，與對照相比，Pic熏蒸處理土壤蛋白酶活性增加了1.06倍，明顯提高，即使去除Pic，土壤蛋白酶活性仍然繼續(xù)增加，在28 d時達到最大值，為109.75μg·g-1·h-1，超過熏蒸前的3倍，培養(yǎng)結束時仍然比對照高14.21%。與之相反，MS處理顯著降低土壤蛋白酶的活性，比對照下降24.25%，去除MS后，土壤蛋白酶活性有所恢復，但直到56 d之后才急劇上升，培養(yǎng)結束時，達到69.06 μg·g-1·h-1，比對照低7.4%。1，3-D和DMDS處理對土壤蛋白酶活性沒有顯著的影響（圖3）。

圖3 不同熏蒸處理對土壤蛋白酶活性的影響

2.3.2 不同熏蒸劑處理對土壤氨化酶活性影響 經(jīng)測定，熏蒸前土壤谷氨酰胺酶活性為9.35 μg· g-1·h-1，土壤天冬酰胺酶活性為109.35 μg· g-1·h-1。如圖4所示，Pic熏蒸處理對土壤氨化酶（谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶）活性影響最大，剛敞氣時土壤谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶活性分別比未熏蒸之前降低了36.79%和68.99%，即使除去Pic后培養(yǎng)84 d，土壤谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶活性也沒有恢復，仍然保持極低水平，僅為對照的45.83%和31.31%；1，3-D和DMDS僅在較短時間內(nèi)對土壤谷氨酰胺酶活性有顯著影響，1，3-D在熏蒸時對土壤天冬酰胺酶活性有一定的促進作用，敞氣后7～84 d則表現(xiàn)為抑制作用；MS則與Pic相似，在整個培養(yǎng)過程中顯著抑制了土壤谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶活性。

圖4 不同熏蒸處理對土壤氨化酶活性的影響

2.4 土壤-N、DON、DAA、SMBN和SMBC間的相關性分析

由于Pic處理對土壤酶活性影響最大，因此選取Pic處理的相關數(shù)據(jù)進行相關性分析（表1）。Pic處理土壤中-N與-N的相關系數(shù)為-0.977，呈極顯著負相關；-N與DON的相關系數(shù)為0.887，呈極顯著正相關；-N與DAA和SMBN的相關系數(shù)分別為-0.628和-0.645，均呈顯著負相關。說明土壤-N含量受多種因素的影響，因此熏蒸土壤中-N的含量大小要從多個角度進行分析。-N除了與-N呈極顯著負相關外，與DON的相關系數(shù)為-0.850，呈極顯著負相關。由-N、-N和DON的相關性得知，熏蒸土壤中-N與-N含量的變化與土壤DON的含量變化緊密相關。近年來，隨著植物營養(yǎng)機理研究的深入以及對生態(tài)環(huán)境問題的關注，可溶性有機氮在不同生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)中的作用引起很多學者的重視（Kalbitz et al.， 2000）。有學者提出，土壤中的可溶性有機氮能反映出土壤有機氮礦化的難易程度，可以作為反映土壤氮素礦化能力的一個指標（Kalbitz et al.， 2000；Murphy et al.，2000；Zhong & Makeschin，2003）。熏蒸后可溶性有機氮含量的大幅上升增強了有機氮礦化為無機氮的過程（Zhang et al.， 2011），有助于植物對氮素的吸收利用。熏蒸土壤中DON轉(zhuǎn)化為礦質(zhì)氮的具體機制還有待進一步探索研究。

表1 Pic熏蒸處理土壤中-N、DON、DAA、SMBN和SMBC間的相關性

表1 Pic熏蒸處理土壤中-N、DON、DAA、SMBN和SMBC間的相關性

注：*表示顯著相關（α=0.05），**表示極顯著相關（α=0.01）。

--NDONDAASMBNSMBC NH4+-N-0.977**-0.850**0.3880.5880.451 NO3--N—0.887**-0.628*-0.645*-0.377 DON——-0.371-0.682*-0.348 DAA——-0.155-0.271 SMBN——0.896**項目NO3

3 結論與討論

3.1 熏蒸顯著抑制土壤氮素硝化作用

3.2 熏蒸對土壤氨化酶活性具有強烈影響

本試驗結果顯示，Pic熏蒸處理顯著提高了土壤蛋白酶活性，其機理可能是熏蒸殺死的細胞將胞內(nèi)蛋白酶釋放出來，而Pic本身對蛋白酶沒有鈍化作用。與Pic處理完全不同的是，MS熏蒸處理顯著降低土壤蛋白酶活性，其原因應與MS的降解產(chǎn)物異硫氰酸甲酯對蛋白酶的鈍化作用有關。1，3-D對土壤蛋白酶的活性影響不大，一方面與1，3-D是專門殺線蟲劑，對土壤微生物群落的影響很小有關（Ibekwe et al.， 2011），另一方面也可能與1，3-D熏蒸沒有影響到土壤有機質(zhì)和礦物膠體的復合物有關（Zaman et al.， 1999）。熏蒸處理均在一定程度上降低谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶的活性，即使解除熏蒸，土壤氮化酶活性仍然比較低，表明熏蒸劑對土壤氮化酶的負面效應。

3.3 熏蒸在一定程度上促進土壤有機氮礦化作用

土壤中不同形態(tài)的有機氮和無機氮之間的相關性能夠在一定程度上表明氮素轉(zhuǎn)化的情況，并且對了解土壤中有機氮的礦化作用強弱具有重要參考意義。Pic處理土壤-N含量的變化與DON含量有著極顯著的相關關系。DON在土壤中的行為即不同于礦質(zhì)氮，也不同于不溶性有機氮（Hagedorn et al.， 2011）。土壤中的DON能反映出土壤有機氮礦化的難易程度，可以作為反映土壤氮素礦化能力的一個指標。熏蒸后可溶性有機氮含量的大幅上升增強了有機氮礦化為無機氮的過程，有助于植物對氮素的吸收利用。熏蒸土壤中DON轉(zhuǎn)化為礦質(zhì)氮的具體機制還有待進一步探索研究。

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Effect of Four Fumigants on Soil Nitrification and Related Enzyme Activity

MA Tao-tao1，2，YAN Dong-dong1，2，MAO Lian-gang1，2，WANG Qiu-xia1，2，LI Yuan1，2，OU YANG Can-bin1，2，GUO Mei-xia1，2，CAO Ao-cheng1，2，3*

（1Institute of Plant Protection，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193，China；2Key Laboratory of Pesticide Chemistry and Application Technology，Ministry of Agriculture，Beijing 100193，China；3Team-Innovation of Beijing Modern Agriculture and Industrial Technology Innovation System，Beijing 100029，China）

Taking soil which cucumber， tomato rotation for more than 3 years in Shunyj Djstrict of Beijing vegetable greenhouses as research object， and adopting the method of indoor constant temperature with aerated condition，this paper studied the effects of 4 fumigants Chloropicrin（Pic），1，3-Dichloropropene（1，3-D），methyl disulfide（DMDS）and methamsodium（MS）on soil nitrification and several related enzyme activities. The paper also conducted correlation analysis on certain targets， which might influence the contents of nitrate nitrogen in Pic treatment group. The results revealed that soil nitrate nitrogen concentration decreased significantly after all these 4 fumigantion treatments．Among them， the inhibition on soil nitrification by Pic，1，3-D and MS treatments could last for 28-56 days，while the DMDS treatment could only last about 7 days．All fumigation treatment showed different inhibition levels on soil glutamine enzyme and asparagine enzyme．Pic showed significant promoting effect on soil protease activity，while on the contrary MS showed strong inhebitory effect．The correlation coefficients between-N and-N，-N and DON，-N and DAA，-N and SMBN were -0.977，0.887，-0.628 and -0.645， respectively and all of the correlation reached significant or very significant level．

Fumigant；Chloropicrin；1，3-Dichloropropene；Dimethyl disulfide；Methamsodium；Nitrate nitrogen；Enzymatic activity

馬濤濤，男，碩士研究生，專業(yè)方向：土壤消毒技術，E-mail：majiansdau163.com

*通訊作者（Corresponding author）：曹坳程，男，研究員，博士生導師，專業(yè)方向：土壤消毒使用技術與外來入侵植物防控，E-mail：caoac@ vip.sina.com

2014-01-03；接受日期：2014-08-05

國家自然科學基金項目（40871131），現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系北京市創(chuàng)新團隊項目