<address id="japib"><nav id="japib"></nav></address>

<cite id="japib"></cite>

        乙草胺脅迫下蚯蚓活動對土壤-作物系統影響研究

        劉嫦娥 孟祥懷 秦媛儒 董紅娟 王朋 岳敏慧 肖艷蘭 汪元鳳 段昌群

        引用本文:
        Citation:

        乙草胺脅迫下蚯蚓活動對土壤-作物系統影響研究

          作者簡介: 劉嫦娥(1976?),女,湖南人,博士,副教授,主要從事污染與恢復生態學研究;
          通訊作者: 段昌群, chqduan@ynu.edu.cn

        Effects of acetochlor stress on soil-crop system in the presence of Eisenia foetida

          Corresponding author: DUAN Chang-qun, chqduan@ynu.edu.cn
        • 摘要: 隨著乙草胺的大量使用,其在土壤中的殘留量不斷增加,嚴重危害了土壤動物正常生存,土壤蚯蚓尤其如此. 蚯蚓對土壤環境質量和作物生長具有明顯的改善和促進作用,而土壤乙草胺污染通過危害土壤動物可能影響作物的產量. 為了驗證該假設,本研究建立了土壤-蚯蚓-玉米人工控制系統,探討乙草胺對該系統蚯蚓生理和行為、土壤理化性質及作物生長的影響. 研究表明:隨處理濃度的增加,蚯蚓體內SOD呈下降趨勢,而MDA呈上升趨勢,且于第25天呈顯著正相關;隨著處理時間的延長,蚯蚓表現出從表層(0~10cm)向深處(10~30cm)遷移的趨勢;蚯蚓分層的行為影響了土壤質量,造成深層土壤有機質和堿解氮含量逐漸上升,表層下降;乙草胺脅迫下土壤營養條件下降,玉米株高隨著乙草胺濃度的增加而下降. 該研究證實,乙草胺除了通過降低地表雜草生存能力、促進作物生長外,還能通過影響土壤動物的生理和行為最終抑制作物的生長,本研究成果可為乙草胺污染對土壤生態系統的生態風險性評估提供數據支撐.
        • 圖 1  乙草胺暴露下各土層蚯蚓分布

          Figure 1.  The earthworm distribution in the different layers of soil under acetochlor

          圖 2  乙草胺對蚯蚓SOD活性的影響

          Figure 2.  Effect of acetochlor on SOD activities in Eisenia foetida

          圖 3  乙草胺對蚯蚓MDA含量的影響

          Figure 3.  Effect of acetochlor on MDA activities in Eisenia foetida

          圖 4  乙草胺對玉米株高的影響

          Figure 4.  Effect of acetochlor on the height of corn

          圖 5  乙草胺對玉米生物量的影響

          Figure 5.  Effect of acetochlor on the biomass of corn

          表 1  乙草胺對土壤有機質的影響

          Table 1.  Effect of acetochlor on soil organic matter

          mg·kg?1
          土壤
          深度/cm
          處理質量
          濃度
          處理時間
          2d25d50d
          0~1007.62±1.13Aa6.36±1.01Aa7.05±0.50Aa
          507.41±0.45Aa7.50±0.98Aa8.36±0.89Aa
          1006.83±0.49Aa7.30±0.47Aa7.69±1.08Aa
          10~3008.56±0.89Ab7.65±1.17Bb10.76±0.65Aa
          508.10±0.97Ab9.15±0.77Aab10.33±1.51Aa
          1007.67±0.16Ab8.07±0.45ABb9.80±0.85Ba
          A,B,C為同一時間不同處理間的差異性;a,b,c為同一濃度不同時間的差異性,下同.
          下載: 導出CSV

          表 2  乙草胺對土壤堿解氮的影響

          Table 2.  Effect of acetochlor on soil alkaline nitrogen

          mg·kg?1
          土壤
          深度/
          cm
          處理
          濃度
          處理時間
          2d25d50d
          0~100163.28±21.34Aa179.69±59.53Aa140.02±25.20Aa
          50137.65±14.57Aa175.04±43.72Aa130.68±10.68Aa
          100160.99±48.98Aa188.96±27.90Aa114.3042±28.27Aa
          10~300129.48±4.02Ab106.76±11.97Ac164.50±9.03Aa
          50117.25±6.70Aa118.98±24.28Aa111.97±24..25Ba
          100136.50±31.52Aa127.75±14.43Aa129.49±9.05Ba
          下載: 導出CSV

          表 3  蚯蚓-土壤-玉米體系中各指標相關性(P值)

          Table 3.  The correlation of various indexes in earthworm - soil - corn system

          指標深層蚯蚓分布蚯蚓分布(10~30 cm)蚯蚓SOD蚯蚓MDA有機質堿解氮玉米株高
          SOD.000**
          MDA.021*.007**
          有機質.002**.000**.004**
          堿解氮.463.313.499.393
          玉米株高.047*.181.005**.048*.006**
          **:在0.01級別(雙尾),相關性極顯著;*:在0.05級別(雙尾),相關性顯著.
          下載: 導出CSV
          幸运快三
        • [1] 王姍姍, 王顏紅, 王萬紅, 等. 阿特拉津和乙草胺在玉米和土壤中殘留動態研究[J]. 土壤通報, 2011, 42(5): 1 231-1 235. Wang S S, Wang Y H, Wang W H, et al. Study on the residue dynamics of atrazine and acetochlor in maize and soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2011, 42(5): 1 231-1 235.
          [2] 武葉葉, 何紅波, 馮慧敏, 等. 農田黑土中不同濃度乙草胺對玉米苗期生長的影響[J]. 土壤通報, 2008, 39(4): 953-956. DOI:  10.3321/j.issn:0564-3945.2008.04.058. Wu Y Y, He H B, Feng H M, et al. Effect of different concentration of acetochlor on the maize seedling growth in the agricultural mollisol[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(4): 953-956.
          [3] 周啟星, 孫福紅, 郭觀林, 等. 乙草胺對東北黑土鉛形態及生物有效性的影響[J]. 應用生態學報, 2004, 15(10): 1 883-1 886. DOI:  10.3321/j.issn:1001-9332.2004.10.035. Zhou Q X, Sun F H, Guo G L, et al. Influence of acetochlor on Pb forms and their bioavailability in phaiozem of northeast China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15(10): 1 883-1 886.
          [4] Rubem S O J, Koskinen W C, Graff C D, et al. Acetochlor persistence in surface and subsurface soil samples[J]. Water Air and Soil Pollution, 2013, 224(10): 1-9.
          [5] Ashby J, Kier L, Wilson A G, et al. Evaluation of the potential carcinogenicity and genetic toxicity to humans of the herbicide acetochlor[J]. Human and Experimental Toxicology, 1996, 15(9): 702-735. DOI:  10.1177/096032719601500902.
          [6] 李美, 趙德友, 孫作文, 等. 玉米對乙草胺的敏感性研究[J]. 農藥學學報, 2001, 3(4): 44-48. DOI:  10.3321/j.issn:1008-7303.2001.04.006. Li M, Zhao D Y, Sun Z W, et al. Sensibility of Maize Cultivars to Acetochlor[J]. Chinese Journal of Pesticide Science, 2001, 3(4): 44-48.
          [7] Bertrand M, Barot S, Blouin M, et al. Earthworm services for cropping systems. A review[[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2015, 35(2): 553-567. DOI:  10.1007/s13593-014-0269-7.
          [8] 孫倩, 魏述勇, 曾陽, 等. 鎘和乙草胺復合污染對玉米生理特性的影響[J]. 環境科學與技術, 2012, 35(2): 39-42. DOI:  10.3969/j.issn.1003-6504.2012.02.008. Sun Q, Wei S Y, Zeng Y, et al. Influence of combined pollution of cadmium and acetochlor on physiological characteristics of maize seedlings[J]. Environmental Science and Technology, 2012, 35(2): 39-42.
          [9] Allemann J, Mphundi P M. Screening of some south african maize (Zea mays) cultivars for acetochlor tolerance[J]. South African Journal of Plant and Soil, 2010, 27(3): 235-241. DOI:  10.1080/02571862.2010.10639992.
          [10] 徐會娟, 何紅波, 武葉葉, 等. 乙草胺對玉米根際和非根際可培養微生物的影響[J]. 農業環境科學學報, 2009, 28(9): 1 936-1 941. DOI:  10.3321/j.issn:1672-2043.2009.09.028. Xu H J, He H B, Wu Y Y, et al. Effects of Acetochlor on Cuiturable Microbial Communities in Maize Rhizosphere and Non-Rhizosphere Soil[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(9): 1 936-1 941.
          [11] Xiao N, Jing B, Ge F, et al. The fate of herbicide acetochlor and its toxicity to Eisenia fetida under laboratory conditions[J]. Chemosphere, 2006, 62(8): 1 366-1 373. DOI:  10.1016/j.chemosphere.2005.07.043.
          [12] Wang K, Qiao Y, Zhang H, et al. Bioaccumulation of heavy metals in earthworms from field contaminated soil in a subtropical area of China[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2018, 148: 876-883. DOI:  10.1016/j.ecoenv.2017.11.058.
          [13] Sanchez-Hernandez J C, Notario del Pino J, Capowiez Y, et al. Soil enzyme dynamics in chlorpyrifos-treated soils under the influence of earthworms[J]. Science of the Total Environment, 2018, 612: 1 407-1 416. DOI:  10.1016/j.scitotenv.2017.09.043.
          [14] Bastardie F, Cannavacciuolo M, Capowiez Y, et al. A new simulation for modelling the topology of earthworm burrow systems and their effects on macropore flow in experimental soils[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 36: 161-169. DOI:  10.1007/s00374-002-0514-0.
          [15] Zhang Q, Zhang B, Wang C. Ecotoxicological effects on the earthworm Eisenia fetida following exposure to soil contaminated with imidacloprid[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2014, 21(21): 12 345-12 353. DOI:  10.1007/s11356-014-3178-z.
          [16] Yang G, Chen C, Wang Y, et al. Joint toxicity of Chlorpyrifos, Atrazine, and Cadmium at lethal concentrations to the earthworm Eisenia fetida[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(12): 9 307-9 315. DOI:  10.1007/s11356-015-4097-3.
          [17] 馬靜靜, 鄭彬, 張偉, 等. 土壤B[a]P疊加污染對蚯蚓體腔細胞SOD、POD和MDA的毒性效應[J]. 生態與農村環境學報, 2013, 29(6): 743-748. DOI:  10.3969/j.issn.1673-4831.2013.06.011. Ma J J, Zheng B, Zhang W, et al. Toxic effects of repeated superimposed B[a]P pollution of soil on SOD, POD and MDA in Coelomocy of Eisenia foetida[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2013, 29(6): 743-748.
          [18] 秦媛儒. 乙草胺和鎘單一與復合污染對蚯蚓-土壤-玉米系統生態過程影響研究[D]. 云南大學, 2018.

          Qin Y R. Individual and combined influences of Acetochlor and heavy metal Cadmium on an earthworm-soil- corn ecosystem[D]. Yunnan Univresity, 2018
          [19] 薛銀剛, 王曉蓉, 顧雪元, 等. 四溴雙酚A對赤子愛勝蚓的急性毒性及抗氧化防御系統酶的影響[J]. 生態毒理學報, 2009, 4(01): 93-100. Xue Y G, Wang X R, Gu X Y, et al. Acute toxicity of tetrabromobisphenol a to earthworms Eisenia fetida and its effects on antioxidant defense system enzymes[J]. Asian Journal Of Ecotoxicolog, 2009, 4(01): 93-100.
          [20] Zhao C, Griffin J N, Wu X W, et al. Predatory beetles facilitate plant growth by driving earthworms to lower soil layers[J]. Journal of Animal Ecology, 2013, 82: 749-758. DOI:  10.1111/1365-2656.12058.
          [21] Wilson W J, Ferrara N C, Blaker A L, et al. Escape and avoidance learning in the earthworm Eisenia hortensis[J]. Peerj, 2014, 2(1): 1-11.
          [22] 劉麗艷, 寧玉翠, 鄔欣慧, 等. 基于因子分析的Cd2+脅迫下赤子愛勝蚓氧化應激響應[J]. 生態學雜志, 2017, 36(7): 1 923-1 932. Liu L Y, Ning Y C, Wu X H, et al. Oxidative response of earthworm Eisenia fetida to Cd2+ stress based on factor analysis[J]. Chinese journal of ecology, 2017, 36(7): 1 923-1 932.
          [23] Li D, Hockaday W C, Masiello C A, et al. Earthworm avoidance of biochar can be mitigated by wetting[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(8): 1 732-1 737. DOI:  10.1016/j.soilbio.2011.04.019.
          [24] 鄭祥洲, 王亞薩, 張玉樹, 等. 不同氮肥用量下乙草胺對土壤氮轉化過程的影響[J]. 農藥學學報, 2016, 18(3): 330-336. Zheng X Z, Wang Y S, Zhang Y S, et al. Effects of acetochlor on transformation of urea nitrogen in soil at different nitrogen fertilizer application rates[J]. Chinese Journal of Pesticide Science, 2016, 18(3): 330-336.
          [25] Markad V L, Kodam K M, Ghole V S. Effect of fly ash on biochemical responses and DNA damage in earthworm, Dichogaster curgensis[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 216(4): 191-198.
          [26] Lin D, Zhou Q, Xu Y, et al. Physiological and molecular responses of the earthworm (Eisenia fetida) to soil chlortetracycline contamination[J]. Environmental Pollution, 2012, 171(4): 46-47.
          [27] ?altauskait? J, Sodien? I. Effects of cadmium and lead on the life-cycle parameters of juvenile earthworm Eisenia fetid[J]. Ecotoxicology & Environmental Safety, 2014, 103(4): 9-16.
          [28] Partsch S, Milcu A, Scheu S. Decomposers (Lumbricidae, Collembola) affect plant performance in model grasslands of different diversity[J]. Ecology, 2006, 87(10): 2548-58. DOI:  10.1890/0012-9658(2006)87[2548:DLCAPP]2.0.CO;2.
          [29] Fonte S J, Quintero D C, Velásquez E, et al. Interactive effects of plants and earthworms on the physical stabilization of soil organic matter in aggregates[J]. Plant and Soil, 2012, 359(1-2): 205-214. DOI:  10.1007/s11104-012-1199-2.
          [30] 那立蘋, 李宇婷, 何紀強, 等. 施氮后蚯蚓對植物吸氮及微生物固氮的影響[J]. 農業環境科學學報, 2020, 39(2): 343-350. DOI:  10.11654/jaes.2019-0912. Na L P, Li Y T, He J Q, et al. Effects of earthworms on nitrogen uptake by lettuce and microbial nitrogen fixation after nitrogen application[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2020, 39(2): 343-350.
        • [1] 潘聲旺袁馨魏世強 . 蚯蚓活動對高羊茅修復土壤芘污染的強化作用. 云南大學學報(自然科學版),
          [2] 何新星方麗娜楊效東 . 西雙版納片斷熱帶森林和橡膠林外來種蚯蚓Pontoscolex corethrurus邊緣效應的初步研究. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20130596
          [3] 林世偉武瑞東 . “三江并流”區生態系統土壤保持服務的空間分布特征. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20140501
          [4] 江生泉薛正帥李晨湯士勇楊志民 . 外源乙硫氨酸對鹽脅迫下高羊茅的緩解效應. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20190378
          [5] 于培青劉本玉陳建濤朱德富 . 用能流密度法研究昆明地區的地震活動時空分布特征. 云南大學學報(自然科學版),
          [6] 彭匡鼎陳善娜陳小蘭 . 藍藻系統的熱動平衡及其效應. 云南大學學報(自然科學版),
          [7] 郭世昌宋哲黎成超汪明圣黎海鳳侯開李豪杰 . 中國北方地區寒潮活動對對流層大氣臭氧時空分布的影響研究. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20130053
          [8] 太樹剛蘭太超趙淑芳鐘〓婷孔艷芹 . 云南及周邊主要地震帶地震活動震級頻度關系統計研究. 云南大學學報(自然科學版),
          [9] 鄭勇林 . 鐵磁納米顆粒系統磁性質對尺寸和各向異性效應的依賴. 云南大學學報(自然科學版),
          [10] 成兆金張國峰于懷征路正文 . 山東省農業氣象自動站土壤分布狀況研究. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20130280
          [11] 唐菁敏楊孟曹金石龍華張春平 . 隨機分布多跳協作分集系統中斷性能研究. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20120720
          [12] 董偉李鄭剛 . 自動分層存儲技術在現代存儲中的應用分析與前景展望. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.2013b2
          [13] 劉云王?;?/a> , 向嬋 . WSN中基于中間節點的分層分簇網絡生命周期優化研究. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20160727
          [14] 秦嘉政錢曉東葉建慶 . 云南地震活動與數字地震臺網. 云南大學學報(自然科學版),
          [15] 瞿夢茹徐曉雅 . 云南地震活動的時序特征. 云南大學學報(自然科學版),
          [16] 耿翊翔 . 9個擾動哈密頓系統的極限環分布. 云南大學學報(自然科學版),
          [17] 袁建明趙成貴 . 基于HDFS Federation的分布式局域網緩存系統設計. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.2014a05
          [18] 徐慶生沈勤祖 . 分布式應用系統結構設計的形式化研究. 云南大學學報(自然科學版),
          [19] 羅李平羅振國侯娟 . 脈沖非線性中立拋物型分布參數系統的振動性分析. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20180036
          [20] 陳春峰吳駿恩劉佳慶劉文杰 . 西雙版納地區膠農(林)復合系統對土壤團聚體的改良作用. 云南大學學報(自然科學版), doi: 10.7540/j.ynu.20150434
        • 加載中
        圖(5)表(3)
        計量
        • 文章訪問數:  224
        • HTML全文瀏覽量:  187
        • PDF下載量:  2
        • 被引次數: 0
        出版歷程
        • 收稿日期:  2019-12-26
        • 網絡出版日期:  2020-09-27

        乙草胺脅迫下蚯蚓活動對土壤-作物系統影響研究

          作者簡介:劉嫦娥(1976?),女,湖南人,博士,副教授,主要從事污染與恢復生態學研究
          通訊作者: 段昌群, chqduan@ynu.edu.cn
        • 1. 云南大學 生態學與環境學院,云南省高原山地生態與退化環境修復重點實驗室,云南 昆明 650091
        • 2. 云南省高原湖泊生態修復及流域管理國際聯合研究中心,云南 昆明 650091
        • 3. 云南大學 科技咨詢中心,云南 昆明 650091

        摘要: 隨著乙草胺的大量使用,其在土壤中的殘留量不斷增加,嚴重危害了土壤動物正常生存,土壤蚯蚓尤其如此. 蚯蚓對土壤環境質量和作物生長具有明顯的改善和促進作用,而土壤乙草胺污染通過危害土壤動物可能影響作物的產量. 為了驗證該假設,本研究建立了土壤-蚯蚓-玉米人工控制系統,探討乙草胺對該系統蚯蚓生理和行為、土壤理化性質及作物生長的影響. 研究表明:隨處理濃度的增加,蚯蚓體內SOD呈下降趨勢,而MDA呈上升趨勢,且于第25天呈顯著正相關;隨著處理時間的延長,蚯蚓表現出從表層(0~10cm)向深處(10~30cm)遷移的趨勢;蚯蚓分層的行為影響了土壤質量,造成深層土壤有機質和堿解氮含量逐漸上升,表層下降;乙草胺脅迫下土壤營養條件下降,玉米株高隨著乙草胺濃度的增加而下降. 該研究證實,乙草胺除了通過降低地表雜草生存能力、促進作物生長外,還能通過影響土壤動物的生理和行為最終抑制作物的生長,本研究成果可為乙草胺污染對土壤生態系統的生態風險性評估提供數據支撐.

        English Abstract

        • 乙草胺是常見的酰胺屬芽前除草劑,因其成本低廉,除蟲效果顯著,在我國得到了廣泛使用,在目前所有使用的農藥品種中,其用量位居第二,使用年限超過30年[1-2]. 然而,農田噴施的乙草胺除少部分作用于農田雜草外,絕大多數殘留在土壤中[3]. 作為重要且大面積推廣使用的農用化學品,在土壤中的長期積累量已經達到 38~256 mg·kg?1[4]. 作為非極性且不可電離的化學物質,乙草胺在土壤中活動性較高,能夠對土壤生物產生嚴重危害[5]. 例如,對植物而言,乙草胺可使玉米胚芽鞘變硬,使生長點經過胚芽鞘受抑制[6],且在濃度為40-100 mg·L?1時,乙草胺污染則能夠顯著降低玉米的發芽率、根系活力、根長等,毒害作用明顯[7-9]. 對土壤微生物而言,乙草胺能夠顯著改變土壤微生物群落結構,如徐會娟等人通過實驗室模擬發現,乙草胺污染對土壤細菌和真菌含量表現為先促進后抑制[10]. 對土壤動物而言,乙草胺能顯著影響非靶標動物的生存和生長. 毒理學試驗表明,乙草胺可增加嚙齒動物上皮細胞的致癌性,誘導非程序DNA的合成并降低雄性老鼠的生育能力[11]. 實際上,除了直接毒害作用外,土壤中污染物通過介導土壤動物,可能對作物形態、生理和生長等產生影響[12],但關于乙草胺這方面的證據目前還很少.

          蚯蚓作為土壤中最大的無脊椎動物,在提高微生物含量及活性、改善土壤結構、加速有機質分解、提高土壤肥力等生態過程有重要的調節作用[12]. 野外調查數據表明,蚯蚓在自然界的密度可以達到4條/kg鮮重土[13],表棲型蚯蚓活動深度在土壤0~30cm范圍[14]. 當前關于乙草胺對蚯蚓毒性的研究已經很多,例如,當乙草胺質量濃度大于20 mg·kg?1時,蚯蚓的生長速率、卵繭數量、纖維素酶活性均受到顯著抑制[11, 15];隨著土壤中乙草胺濃度及暴露時間的增加,乙草胺可顯著抑制蚯蚓體腔中性紅停留時間(10 mg·kg?1,30~60d)、精子數量(40~80 mg·kg?1,15d)并加速DNA損傷(80 mg·kg?1,30d)[16];蚯蚓抗氧化酶系統(SOD、CAT等)亦會受到乙草胺的影響,呈現出低濃度促進高濃度抑制的劑量?效應關系[17-18]. 作為土壤生態系統最重要的動物類群,蚯蚓生理生態特征的改變必然會對土壤結構和土壤功能造成影響,并終將作用于地上生產者. 然而,此類研究在國內外都還比較少. 為了正確評價乙草胺的生態風險及其對農業生產的作用,亟需開展這種基于土壤?蚯蚓?作物食物鏈系統的研究. 為此,組建了一個土壤?蚯蚓?玉米人工生態系統,通過控制乙草胺噴施濃度,探討乙草胺對該系統中蚯蚓生理和行為、土壤理化性質及作物生長的影響.

          • 本試驗于2017年6月展開,為期50 d. 試驗選用對外源污染物具有廣泛敏感反應的赤子愛勝蚓(Eisenia foetida, 寡毛目正蚓科愛勝蚓屬,食碎屑類表棲型蚯蚓)為受試土壤動物,挑選蚯蚓體重為0.3-0.5 g,健康且具環帶的成年蚯蚓馴化1周后備用[19].

            受試農藥為90%乙草胺乳油,購自江蘇省農墾生物化學有限公司.

            受試土壤為云南典型紅壤,過2mm篩后與腐殖質混勻,土壤與腐殖土體積比為2∶1,混勻后土壤有機質為9.30±0.18 g·kg?1,堿解氮104.01±6.37 mg·kg?1,速效磷12.08±0.31 mg·kg?1,調節土壤濕度到30%;

            受試植物為實驗室多年連續培養的玉米(Zea mays L.),選取健康飽滿的玉米種子,經0.5%次氯酸鈉溶液消毒25min后,用去離子水反復沖洗干凈,然后在每個實驗裝置中播種4顆種子.

          • 實驗時,在每個自制的PVC實驗裝置(直徑20 cm×高35 cm,底蓋可以打開)中裝入7.5 kg受試土壤,然后在土壤表面均勻噴施乙草胺溶液,設置0(CK)、50、100 mg·kg?1的3個處理,每個處理設9個平行. 立即接種蚯蚓30條/盆(即1 kg土4條,該密度復合自然界可以觀察到的蚯蚓密度范圍[13]),然后播種玉米種子. 用土壤水分測定儀TDR定時測量土壤水分,每天用噴壺加水且土壤水分維持在30%左右. 實驗裝置置于實驗室內,室溫培養,晚上采用日光燈光照的方式防止蚯蚓逃逸.

            分別于處理第2、25、50天隨機選取9盆裝置進行采樣,探討除草劑乙草胺是否能夠通過介導蚯蚓行為而影響土壤生態過程及土壤理化性質和初級生產力[20]. 打開實驗裝置底蓋,從底部開始向上剝離,并將土壤劃分為0~10、10~30 cm 2個土層(由于10~20和20-~0層蚯蚓分布波動較大,而10~30總體波動則表現處一致的規律,因此,這里蚯蚓垂直分布僅分為兩層展示). 采樣時蚯蚓的瞬時位置即為所處土壤深度,取出蚯蚓后,用生理鹽水沖洗干凈,采用20±1 ℃的培養箱中過夜吐泥,用于實驗測定相關指標. 同時采集土樣與整株植物用于分析測定相關指標.

          • 選擇蚯蚓SOD活性、MDA含量2個指標表征蚯蚓氧化損傷,均采用試劑盒法測定,實驗步驟根據試劑盒說明進行;

            選擇有機質、堿解氮和有效磷3個指標表征土壤營養狀況,其中土壤有機質采用重鉻酸鉀硫酸法測定,堿解氮采用間接擴散法測定,有效磷使用氟化銨鹽酸浸提法測定;

            選擇生物量、株高與根數量表征玉米生長,其中玉米生物量(干重)用重量法測定,株高采用直尺直接測定,根系數量采用直接數數的方式測定.

          • 所得實驗數據用EXCELL(2007)進行統計與圖表處理;采用SPSS 19.0軟件進行數據的顯著性分析,實驗結果以均數±標準差的形式表示;采用單雙因素方差(ANOVA)分析和Duncan檢驗法統計分析各處理組與對照組以及各處理組之間的差異,顯著性水平為P<0.05.

          • 在不同濃度乙草胺處理下,各土層中蚯蚓分布情況見圖1.

            圖  1  乙草胺暴露下各土層蚯蚓分布

            Figure 1.  The earthworm distribution in the different layers of soil under acetochlor

            圖1可見,雖然蚯蚓分布百分比與乙草胺濃度關系不顯著,但暴露時間與濃度有顯著相關關系(P<0.001). 高濃度乙草胺作用下10~30cm土層中蚯蚓分布百分比略高于對照組,呈現一定的規律性. 第2天時,蚯蚓大多分布在0~10cm土層,少數向土壤深層移動. 第25天時,蚯蚓進一步向深層土壤轉移,0~10cm土壤中蚯蚓數量:100 mg·kg?1<50 mg·kg?1<0 mg·kg?1,且與處理濃度相關性顯著(P<0.05). 第50天時,絕大多數蚯蚓在下層土壤中活動,但對照組表層蚯蚓數量最多,占總數的20%,且在0~100 mg·kg?1范圍內蚯蚓分布隨濃度增高而降低.

            當蚯蚓接觸具備亞致死潛力的污染源時,會產生趨利避害的巴普洛夫條件反射而遠離污染源,通常叫做趨避行為[21]. 這種趨避行為在表面噴施乙草胺的影響下,形成了蚯蚓的垂直分布現象. 在土壤監測中,趨避行為是一種比急性毒性實驗更為敏感的指標. 隨著處理時間的延長,蚯蚓在下層土壤中的分布越多,也就是說蚯蚓的回避效應越明顯. 從圖1可以看出,隨暴露時間延長,0~10cm土層中分布蚯蚓數量逐步減少,且與時間極顯著相關(P<0.01);隨著時間的延長10~30cm土層內分布蚯蚓百分比逐漸增加,蚯蚓的垂直分布現象十分顯著(P<0.01).

          • 在不同濃度乙草胺處理下,蚯蚓SOD活性在處理時間的變化情況見圖2.

            圖  2  乙草胺對蚯蚓SOD活性的影響

            Figure 2.  Effect of acetochlor on SOD activities in Eisenia foetida

            圖2可知,隨著乙草胺濃度的增高,蚯蚓SOD活性逐步降低. 第2天時,對照組SOD活性較50、100 mg·kg?1處理分別高4.49%、7.20%;而到第50天時,對照組與乙草胺處理下蚯蚓的SOD活性間的差距進一步擴大,分別比兩處理高7.41%、27.28%. 但是,蚯蚓SOD活性數據的標準差較大,同一時間內蚯蚓SOD活性隨著乙草胺濃度的增加變化不顯著. 這是由于部分蚯蚓在裝置中存在趨利避害的行為,未與土壤中乙草胺充分接觸的結果. 蚯蚓SOD活性隨乙草胺濃度升高而降低趨勢性仍然存在.

            各處理下蚯蚓SOD活性均隨處理時間的增加而降低. 對蚯蚓SOD活性進行時間×濃度的雙因素方差分析發現:在第2天,蚯蚓所受脅迫時間較短,各處理下蚯蚓SOD活性變化差異性較低. 第25天、第50天蚯蚓SOD活性均顯著低于對照組(P<0.05). 乙草胺質量濃度為100 mg·kg?1時,SOD活性較對照組降低21.43%,且隨著乙草胺質量濃度的增高SOD活性有進一步降低的趨勢.

          • 乙草胺對蚯蚓MDA含量的影響見圖3.

            圖  3  乙草胺對蚯蚓MDA含量的影響

            Figure 3.  Effect of acetochlor on MDA activities in Eisenia foetida

            圖3可知,蚯蚓MDA含量總體上隨著乙草胺處理濃度的增加而下不斷增加,且在第25天達到顯著水平;此外,處理時間對MDA的響應有影響,隨著處理時間的延長,MDA含量不斷下降.

            蚯蚓MDA是其體內自由基作用于脂質發生過氧化反應得到的最終產物,能夠對細胞產生毒害作用,含量越高毒性越大. 但隨著蚯蚓對土壤環境或污染源的進一步適應,MDA可被機體清除. 乙草胺濃度越高,蚯蚓體內MDA含量累積越快,機體氧化損傷越嚴重. 本研究中,蚯蚓進入土壤中率先受到不同程度的環境脅迫,MDA含量于第2天達到最大值,后隨著蚯蚓對土壤環境的適應MDA含量逐漸降低. 這可能與蚯蚓對乙草胺污染開始適應,逐漸降低了生理危害有關.

          • 基于蚯蚓活動乙草胺對土壤有機質影響見表1.

            mg·kg?1
            土壤
            深度/cm
            處理質量
            濃度
            處理時間
            2d25d50d
            0~1007.62±1.13Aa6.36±1.01Aa7.05±0.50Aa
            507.41±0.45Aa7.50±0.98Aa8.36±0.89Aa
            1006.83±0.49Aa7.30±0.47Aa7.69±1.08Aa
            10~3008.56±0.89Ab7.65±1.17Bb10.76±0.65Aa
            508.10±0.97Ab9.15±0.77Aab10.33±1.51Aa
            1007.67±0.16Ab8.07±0.45ABb9.80±0.85Ba
            A,B,C為同一時間不同處理間的差異性;a,b,c為同一濃度不同時間的差異性,下同.

            表 1  乙草胺對土壤有機質的影響

            Table 1.  Effect of acetochlor on soil organic matter

            表1可知,0~10cm土層中土壤有機質含量隨時間、濃度的變化均不顯著. 但10~30cm土層中各處理下有機質含量隨時間的增加而增大. 在0~25 d時各處理間差異性不顯著,但在處理第50天時,有機質含量隨乙草胺濃度的升高而降低.

            這與蚯蚓的分布呈現一定的相關性,蚯蚓的活動與分布會造成有機質向深層轉移. 第2天時,蚯蚓大都在上層分布,有機質分布也不具備規律性;第25天時,蚯蚓受表層噴施乙草胺的影響率先向下層移動,有機質含量也隨之升高;第50天時,各處理下蚯蚓均往下層土壤遷移,但乙草胺會對蚯蚓活動產生一定抑制,對照組處理下有機質含量最高. 根據Person相關性分析得出,土壤有機質值隨處理時間變化而變化,且相關性極顯著(P<0.01);不同土層間有機質值分布的規律性較強,蚯蚓作為有機質的直接分解者,其在各個土層的分布數量是影響該層有機質值變化的主要因素.

          • 基于蚯蚓活動乙草胺對土壤堿解氮影響見表2.

            表2可知,0~10cm土層中堿解氮含量變化隨時間、處理濃度的改變均無明顯規律性. 10~30cm土層中,土壤中堿解氮含量在第2天與第25天時受乙草胺影響不顯著;但在第50天時,土壤堿解氮含量隨著乙草胺濃度的增加顯著下降,相比對照組,50 mg·kg?1和100 mg·kg?1乙草胺處理下土壤堿解氮下降了31.93%和21.28%.

            mg·kg?1
            土壤
            深度/
            cm
            處理
            濃度
            處理時間
            2d25d50d
            0~100163.28±21.34Aa179.69±59.53Aa140.02±25.20Aa
            50137.65±14.57Aa175.04±43.72Aa130.68±10.68Aa
            100160.99±48.98Aa188.96±27.90Aa114.3042±28.27Aa
            10~300129.48±4.02Ab106.76±11.97Ac164.50±9.03Aa
            50117.25±6.70Aa118.98±24.28Aa111.97±24..25Ba
            100136.50±31.52Aa127.75±14.43Aa129.49±9.05Ba

            表 2  乙草胺對土壤堿解氮的影響

            Table 2.  Effect of acetochlor on soil alkaline nitrogen

            蚯蚓的取食、掘穴與分泌等行為會促使土壤中堿解氮含量顯著升高,但乙草胺的長時間作用(第50天)會對蚯蚓?土壤?玉米體系中堿解氮的產生具有明顯的抑制性.

          • 作為廣泛使用的芽前除草劑,乙草胺不可避免的對玉米幼苗生長造成影響.

            圖4可知,玉米株高隨著實驗時間的增加而增長,在第2天時,各處理下玉米株高差異較小,乙草胺質量濃度為100 mg·kg?1時玉米植株最高;第25天時,對照組處理下玉米株高顯著增長,乙草胺質量濃度為50 mg·kg?1時植株株高小幅增長,乙草胺質量濃度為100 mg·kg?1時玉米株高幾乎不增長,乙草胺對玉米生長存在明顯抑制;第50天時,對照組處理下玉米進一步大幅增長47.12%,乙草胺處理下,玉米株高增長接近停滯,甚至在乙草胺質量濃度為100 mg·kg?1時出現負增長.

            圖  4  乙草胺對玉米株高的影響

            Figure 4.  Effect of acetochlor on the height of corn

          • 乙草胺對玉米幼苗株高造成影響的同時,也會影響玉米的生物量.

            圖5可知,各處理下玉米生物量累積均隨著時間的增加而增長. 第2天時各處理間差異性不顯著;雖然第25天時,對照組處理下生物量較乙草胺脅迫下高,但差異性不顯著;第50天時,各處理下差異性顯著,對照組處理下玉米生物量較乙草胺質量濃度為50、100 mg.kg-1時高30.67%、49.12%. 乙草胺對玉米的生物量累積有顯著的抑制作用.

            圖  5  乙草胺對玉米生物量的影響

            Figure 5.  Effect of acetochlor on the biomass of corn

          • 當蚯蚓接觸具備亞致死潛力的污染源時,會產生趨利避害的巴普洛夫條件反射而遠離污染源,通常叫做趨避行為[21]. 這種趨避行為在表面噴施乙草胺的影響下,形成了蚯蚓的垂直分布現象. 在土壤監測中,趨避行為是一種比急性毒性實驗更為敏感的指標. 隨著處理時間的延長,蚯蚓在下層土壤中的分布越多,也就是說蚯蚓的回避效應越明顯. 從圖1可以看出,隨暴露時間延長,0~10cm土層中分布蚯蚓數量逐步減少,且與時間極顯著相關(P<0.01);隨著時間的延長10~30cm土層內分布蚯蚓百分比逐漸增加,蚯蚓的垂直分布現象十分顯著(P<0.01).

            SOD是蚯蚓體內常見的抗氧化酶,SOD活性降低超過閾值代表乙草胺脅迫下蚯蚓體細胞出現氧化損傷[16]. 在實驗處理的第25~50天,乙草胺質量濃度為50~100 mg·kg?1時,蚯蚓的SOD活性受到乙草胺的抑制,蚯蚓體內由乙草胺脅迫而產生自由基不能快速去除,蚯蚓體內可能出現氧化性損傷.

            SOD是蚯蚓體內重要的抗氧化酶,SOD活性高低是蚯蚓受脅迫程度的重要表征[15, 17, 25]. 輕度脅迫下,蚯蚓SOD活性增高,可以起到消除自由基的作用. 重度脅迫下,抗氧化系統損傷,SOD活性降低. 已有研究指出,蚯蚓SOD活性受土壤中乙草胺的制約,且具備一定的線性關系[18]. 在本試驗中土壤內蚯蚓SOD活性受到濃度和時間兩因素的制約,蚯蚓SOD活性隨時間延長及乙草胺濃度的升高而減少. 本實驗乙草胺噴施方式為表層噴施,蚯蚓在深層土壤中與乙草胺接觸不完全,蚯蚓抗氧化酶系統雖受到乙草胺脅迫而出現SOD活性降低,但效果不顯著.

            蚯蚓MDA是其體內自由基作用于脂質發生過氧化反應得到的最終產物,具有細胞毒性,含量越高毒性越大,MDA含量是自由基對機體產生傷害的重要表征[17, 26-27]. 蚯蚓MDA含量隨著處理時間的延長而降低,且在第50天時與對照組達到相同水平. 這表明,蚯蚓體內的氧化損傷是可以修復的,并且蚯蚓向深層移動的行為與乙草胺的分解特性加速了該修復過程.

            各處理下赤子愛勝蚓均有隨時間推移向下層遷移的習性,影響蚯蚓行為的因素有很多,如溫度、水分、有機質、污染物等. 有關蚯蚓對土壤中污染源的趨避行為的研究,多為兩室趨避實驗[22-23]. 乙草胺作為農業管理中常用的除草劑,多為表層噴施,并非在土壤中均勻分布,本試驗就采取表層給藥的辦法,發現蚯蚓在接觸土壤表層乙草胺時也會發生趨避行為,表現為垂直方向的分層. 蚯蚓分布雖然均以向下層轉移為主,但各濃度乙草胺均加速該遷移進程. 在乙草胺為100 mg·kg?1時遷移現象最為顯著,該處理下所有蚯蚓均在10-30cm土層移動.

          • 作為土壤中最大的無脊椎動物,蚯蚓是土壤有機質的有力分解者[28]. 蚯蚓取食、掘穴、排泄、運動等行為會改變土壤孔隙度、粘性并直接造成有機質向深層分布[29]. 對土壤有機質含量進行分層檢測發現,有機質含量與蚯蚓數量存在較明顯的正相關(P<0.05). 蚯蚓可通過運動、掘穴使上層有機質向下層轉移,排泄和分泌會增加有機質表面粘性,促進有機質累積. 乙草胺在促進蚯蚓向下層移動的同時,影響蚯蚓的正常生理活性及行為,甚至會造成蚯蚓死亡,也就減緩了蚯蚓對有機質的轉移與累積的進程,所以同一時間內,乙草胺濃度越高下層有機質越少.

            蚯蚓在土壤中的運動和排泄行為改變了土壤的理化性質,為堿解氮形成的提供了較好的條件,且蚯蚓對土壤中腐殖質的分解增加了氮源,提高了堿解氮的含量[30]. 所以本實驗中,土壤堿解氮與蚯蚓數量表現出密切的正相關(P<0.05),尤其是10~30cm土層出現與蚯蚓數量同增同降的現象. 堿解氮的增加又提升了土壤的供氮能力,增加植被對于氮元素的吸收[23]. 雖然不同處理下有機質含量、堿解氮含量未與乙草胺濃度表現出較大相關性,但均與蚯蚓數量密切相關. 蚯蚓在不同土層中的數量又受到乙草胺濃度制約,故乙草胺通過制約蚯蚓的垂直分布進一步影響土壤堿解氮與有機質含量,而乙草胺濃度過高會對蚯蚓活動產生抑制,進而降低堿解氮含量.

          • 蚯蚓顯著改善了土壤質量從而促進玉米的生長,同時發現乙草胺雖然能促進蚯蚓向下層分布,但同時降低了改善土壤質量的能力,植株生長隨之受到抑制.

            蚯蚓-土壤-玉米組成的微宇宙系統中,各指標的相關性如表3所示:

            指標深層蚯蚓分布蚯蚓分布(10~30 cm)蚯蚓SOD蚯蚓MDA有機質堿解氮玉米株高
            SOD.000**
            MDA.021*.007**
            有機質.002**.000**.004**
            堿解氮.463.313.499.393
            玉米株高.047*.181.005**.048*.006**
            **:在0.01級別(雙尾),相關性極顯著;*:在0.05級別(雙尾),相關性顯著.

            表 3  蚯蚓-土壤-玉米體系中各指標相關性(P值)

            Table 3.  The correlation of various indexes in earthworm - soil - corn system

            表3可知,蚯蚓分布狀況與自身生理指標、有機質、植物生長狀態等都有顯著相關性. 可以理解為在乙草胺脅迫下蚯蚓過氧化酶系統率先受影響,SOD活性降低,也就使得MDA在蚯蚓體內累積. 蚯蚓受到來自表層乙草胺的脅迫而向下層轉移,蚯蚓在下層活動的過程使有機質向下層沉淀,深層有機質含量隨之增加. 土壤質量的改善是堿解氮形成的溫床,但本研究中堿解氮含量與蚯蚓分布關系不顯著,結合圖5可知,對照組堿解氮含量在第50天時才顯著增長,這表明蚯蚓改善土壤環境是一個長期過程,而堿解氮在土壤環境質量改善后才會逐漸形成. 堿解氮含量與玉米的株高、根數等都顯著正相關,代表著堿解氮對玉米生長有顯著的促進作用.

            蚯蚓向下層移動使得土壤下層有機質及堿解氮含量增高,加速了玉米對土壤中氮原子的吸收,玉米植株顯著增高[24],玉米株高與堿解氮含量呈現顯著正相關(P<0.01). 在蚯蚓-土壤-玉米體系中,蚯蚓可以顯著改善土壤質量從而促進玉米的生長,乙草胺雖然能促進蚯蚓向下層分布,同時降低了改善土壤質量的能力,植株生長隨之受到抑制.

          • (1)赤子愛勝蚓在實驗裝置中會隨時間向下層轉移,但遷移速率受到乙草胺的制約,0-100 mg·kg?1范圍內,濃度越高向下轉移越快. 隨著處理時間的延長,無論有無添加乙草胺,土壤中蚯蚓向深層遷移均顯著;蚯蚓向深層分布的行為使得深層(10~30cm)較表層(0~10cm)土壤內有機質含量增加、堿解氮含量降低,影響土壤質量.

            (2)蚯蚓行為導致土壤理化性質的改變,土壤質量的改善使得玉米株高顯著增加,而乙草胺處理下蚯蚓活動受到抑制,因此玉米株高長勢、生物量累積等均弱于對照組.

            本研究發現,乙草胺除了通過降低地表雜草生存能力、促進作物生長外,還能通過影響土壤動物的生理和行為最終抑制作物的生長,因此,過量施用乙草胺可能會給農業生產帶來負影響,應該引起人們的關注,為正確評價乙草胺污染對土壤生態系統的生態風險性評估提供了新的參考依據.

        參考文獻 (30)

        目錄

          /

          返回文章
          返回