肥料配施对棉花土壤含量影响

自1996年我国第一例转基因棉花田间种植试验成功到2010年已经经历了15年，其播种面积也在不断扩大，到2010年转基因棉花种植面积达350万hm2[1]，占棉花总播种面积的70%，是我国种植面积最大的转基因作物。转双价(Bt+CpTI)基因抗虫棉花能够表达外源Bt和Cp-TI基因而达到防治害虫的目的，其杀虫晶体蛋白可通过根系分泌物、作物残茬、花粉等途径进入土壤生态系统[2-3]，进入土壤中的杀虫晶体蛋白能迅速结合到土壤活性颗粒表面，避免生物降解而保持杀虫活性数周或数月[4-5]，很可能会导致一系列土壤生态过程的改变，并影响土壤酶活性和养分含量。因此，随着转基因作物的应用和推广，其安全性问题受到国际科学界的关注，人们对转基因作物潜在环境安全风险的担忧与日俱增。土壤犹如生命的有机体，其生物活性最本质的指标是土壤酶活性。土壤酶主要来自土壤微生物、植物以及土壤动物的分泌物和残体[6]，是土壤的重要组成部分。它是一种生物催化剂，参与土壤中的各种生物化学过程[7-8]。它能反映土壤生物活性的高低，在土壤的营养物质转化、能量代谢过程中也起着至关重要的作用，是评价土壤肥力、土壤健康状况的重要指标[9-10]。土壤速效养分是转基因作物生长发育过程中可利用的土壤氮、磷素的重要来源，可以在土壤全量养分变化之前反映土壤的微小变化，又直接参与土壤生物化学转化过程[11]。它还是影响土壤酶活性高低的重要因素[12]。转双价(Bt+CpTI)基因抗虫棉具有独特的抗虫效果，受到越来越多的农业工作者的青睐，然而其所带来的生态风险也成为关注的焦点。鉴于国内外许多相关研究在试验模拟条件下进行，因此需要把具体的转双价(Bt+CpTI)基因棉花与现实的大田种植结合在一起做更系统的研究。本文以转双价(Bt+CpTI)基因抗虫棉花作为研究对象，通过比较分析不同有机、无机肥配施方式下单季转双价(Bt+CpTI)基因抗虫棉和非转基因亲本棉根际土壤酶活性及速效养分的变化，揭示不同施肥处理对转双价(Bt+CpTI)基因抗虫棉根际土壤酶活性及养分含量的影响，从而为转双价基因作物生态风险评价及制定合理施肥制度提供理论依据。

1材料和方法

1.1试验地概况试验地位于天津市武清区梅厂镇周庄村，北纬39°21′，东经117°12′，海拔6.3m。地处华北平原东北部，地势平缓，属暖温带湿润气候。供试土壤为潮土，部分基本理化性状如下：全氮含量0.559g•kg-1，全磷含量0.658g•kg-1，有机质含量11.42g•kg-1。

1.2试验材料供试棉花品种为转双价（Bt+CpTI）基因品种sGK321及其亲本常规棉品种石远321，Bt基因为CrylAc，均由中国农业科学院植物保护研究所提供。2010年4月29日播种。

1.3试验设计基肥：施氮量均为200kg•hm-2，钾肥100kg•hm-2，磷肥60kg•hm-2。试验设100%的氮由有机肥提供(M1)；75%的氮由有机肥提供，25%的氮由尿素提供(M2)；50%的氮由有机肥提供，50%的氮由尿素提供(M3)；25%的氮由有机肥提供，75%的氮由尿素提供（M4）；100%的氮由尿素提供(H)共5个施肥处理，以不施肥作为对照(CK)，共6个处理。每个处理各设5次重复，随机区组排列。每小区面积16m2，小区之间开80cm深沟用塑料膜隔开。棉花生长120d时（棉花正处于花铃期，是营养生长与生殖生长两旺的时期，此时棉株吸收养分最多，转基因抗虫棉的根系分泌物对土壤酶活性的影响也较大）采集棉花根际土壤，每次每个重复取3株棉花将其根际土壤抖落下来混匀。

1.4测定指标及方法

1.4.1土壤养分含量测定。土壤养分含量的测定参照鲍士旦《土壤农化分析》的方法[13]进行。硝态氮采用KCl浸提-紫外分光光度法；铵态氮含量测定采用KCl浸提-靛蓝比色法；土壤速效磷含量测定采用0.5mol•L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法。

1.4.2土壤酶活性测定。土壤酶活性指标测定参照关松荫[8]《土壤酶及其研究方法》的方法进行。土壤脲酶活性、磷酸酶活性和过氧化氢酶活性分别用靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法测定。脲酶活性以培养24h后每克风干土壤经尿素水释出的NH4+-N的毫克数来表示，磷酸酶活性以2h后100g土壤中P2O5的毫克数表示，过氧化氢酶活性以每克风干土壤滴定所需0.1mol•L-1KMnO4的毫升数来表示。

1.5数据分析采用MicrosoftExcel2003和SPSS16.0软件对试验数据进行方差分析和相关性分析（Duncan法）。

2结果与分析

2.1不同配施方式转双价(Bt+CpTI)基因棉对土壤酶活性和养分的影响

2.1.1不同配施方式转双价(Bt+CpTI)基因棉对土壤酶活性的影响。脲酶主要参与土壤中的氮素转化，脲酶活性的高低在一定程度上反映了土壤的供氮水平[8,14]。由表1可见，施肥处理土壤脲酶活性均高于对照（CK）处理，表明施肥能增加土壤脲酶活性，种植转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉sGK321在M1、M3施肥处理下根际土壤脲酶活性显著高于非转基因亲本棉(P<0.05)，这表明，M1、M3配施方式能加快转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉土壤中氮素的转化过程。转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉和非转基因亲本棉根际土壤脲酶活性随有机肥配施量的增加而降低。磷酸酶是土壤中广泛存在的一类催化有机磷化合物的水解酶，其活性高低直接影响着土壤中有机磷的生物有效性，对土壤磷素循环起重要作用，可作为反映土壤磷素有效性水平的一项生物指标[15]。从不同配施方式来看，转双价（Bt+Cp-TI）基因抗虫棉与亲本常规棉在同一生长时期碱性磷酸酶活性的变化有所不同。从表1可见，转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉与亲本常规棉根际土壤碱性磷酸酶活性除M4配施方式外，其他施肥处理随有机肥配施量的减少而呈上升趋势；M1、M2、M3施肥处理转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉根际土壤碱性磷酸酶活性显著高于亲本常规棉(P<0.05)。过氧化氢酶是土壤中物质和能量转化的重要氧化还原酶，在一定程度上可以表征土壤腐化强度大小和有机质积累程度[16-18]。从表1可见，随配施有机肥量的增加转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉与亲本常规棉根际土壤过氧化氢酶活性的差异减小，且各处理转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉根际土壤过氧化氢酶活性均高于其亲本常规棉。

2.1.2不同配施方式转双价(Bt+CpTI)基因棉对土壤速效养分的影响。从表2可看出，转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉和亲本常规棉根际土壤硝态氮含量均随有机肥配施量的增加而降低，M4配施处理转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉除外；而转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉和亲本常规棉之间除M2、M4配施处理外，其他几个试验条件下转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉硝态氮含量均显著高于亲本常规棉(P＜0.05)，M2配施条件下无显著差异(P＞0.05)，M4配施条件亲本常规棉显著高于转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉(P＜0.05)。亲本常规棉根际土壤铵态氮含量除M2配施处理外，其他施肥处理间差异不显著(P＞0.05)，这一结果与熊国华等[19]研究得到尿素与有机物料配施对提高土壤NH4+-N含量没有明显效果的结果一致；转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉与亲本常规棉相比，根际土壤铵态氮含量除CK、M3试验条件外，其他处理无显著差异(P＞0.05)。磷素是植物营养的三要素之一，多种酶的重要成分。土壤有效磷主要是指土壤中具有易溶性和吸附性的正磷酸盐，为能当季被吸收的磷，是植物所需磷素的强度指标。测定有效磷可以了解当前土壤可供磷的能力，对合理施肥、改良土壤、提高作物产量有重要的参考价值。从表2可看出，不施肥处理土壤有效磷含量低，而施肥处理土壤有效磷含量则明显增加，随配施有机肥量的增加，土壤有效磷含量升高，这一结果与当初预计的试验结果一致。

2.2相关性分析土壤养分含量与土壤酶活性相关性关系见表3。由表3可见，脲酶活性和磷酸酶活性与硝态氮含量相关性达到极显著正相关，磷酸酶活性和过氧化氢酶活性与铵态氮含量相关性达到极显著负相关，而脲酶活性与铵态氮含量相关性为显著负相关。由表3还可以看出，碱性磷酸酶与土壤养分含量之间相互关系最为密切，其次为脲酶、过氧化氢酶。

3讨论

转基因作物种植对土壤潜在影响的核心是其可能影响土壤生态系统的功能[11,20]。研究表明，转双价（Bt+CpTI）基因棉的种植可能通过根系分泌物的组成和质量改变，直接或间接地影响土壤养分的有效性[21-23]。在本试验条件下，经过不同施肥处理：对照（CK，不施肥），100%的氮由有机肥提供（M1），75%的氮由有机肥提供、25%的氮由尿素提供（M2），50%的氮由有机肥提供、50%的氮由尿素提供（M3），25%的氮由有机肥提供、75%的氮由尿素提供（M4），100%的氮由尿素提供（H），在棉花种植120d时，测定棉花根际土壤中酶活性、养分含量得出，与亲本常规棉相比，转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉在M1和M3施肥处理根际土壤脲酶活性和磷酸酶活性显著高于非转基因亲本棉(P＜0.05)，但马丽颖等[24]研究发现种植转基因棉对土壤碱性磷酸酶没有显著影响，另外也有研究表明转Bt作物添加残体或种植对土壤脲酶、磷酸酶活性无显著影响[25-26]，因此可以推断，有可能是施肥导致转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉根际土壤脲酶、磷酸酶活性增加。本研究结果表明，在棉花种植120d后，不同施肥处理条件下土壤酶活性存在明显差异，与亲本常规棉相比，转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉在M1施肥方式下土壤脲酶活性、磷酸酶活性和过氧化氢酶活性均显著高于亲本常规棉(P＜0.05)。可见，施用有机肥可增加转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉根际土壤酶活性。本研究表明，转双价（Bt+CpTI）基因棉和亲本棉根际土壤速效养分（铵态氮、硝态氮、速效磷）含量变化趋势各不相同，但能看出对照处理各养分含量基本低于施肥处理区。除M4配施处理的转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉外，转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉和亲本常规棉根际土壤硝态氮含量随着有机肥配施量的增加而降低。因此得出，增施有机肥可减少硝态氮的累积[27]。而除M2和M4配施条件外，其他几个试验条件下转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉硝态氮含量均显著高于亲本常规棉(P＜0.05)，这表明不同施肥处理条件下，种植转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉有利于根际土壤硝态氮的积累。转双价（Bt+CpTI）基因抗虫棉与亲本常规棉相比，根际土壤铵态氮含量除CK和M3试验条件外，其他处理无显著差异(P＞0.05)，这一结果与刘立雄[28]发现的转基因棉花品种根际土壤氨化作用随棉花生长时间变化而变化的结果相似；娜布其等[29]的研究结果也表明，棉花根区土壤铵态氮含量主要受棉花生长时期的影响，而不受转双价棉种植的影响。转基因作物大田有机无机不同配施方式对土壤速效养分及酶活性影响的机理有待于进一步深入研究，从而得出一个较合理的施肥方式。土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性与土壤养分含量存在相应的相关性，其中脲酶活性和磷酸酶活性与硝态氮含量相关性达到极显著正相关，磷酸酶活性和过氧化氢酶活性与铵态氮含量相关性达到极显著负相关，而脲酶活性与铵态氮含量相关性为显著负相关。此外，碱性磷酸酶与土壤养分含量之间相互关系最为密切。这表明选用合适的土壤酶作为评价土壤肥力的指标，比单纯通过土壤养分来评价土壤肥力更加全面和灵敏，同时多种酶的共性关系也可以作为综合评价土壤肥力的指标之一[30]。