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氯嘧磺隆是大豆田专性除草剂,90年代初就开始在我国使用,由于使用方便,成本低,活性高,对人畜低毒等特点,应用面积非常广泛。但是,氯嘧磺隆在土壤中的残效周期长,容易对后茬作物和土壤微生物产生药害。本文首次利用传统微生物学和微生物分子生态学相结合的方法,较为系统地研究了氯嘧磺隆对室内模拟潮棕壤和连作大豆田(连续施用氯嘧磺隆5年和10年)原位草甸黑土土壤微生物生态系统的影响,旨在为氯嘧磺隆的环境风险评价提供科学依据。同时筛选得到一株高效降解氯嘧磺隆的菌株LF1,鉴定为掷孢酵母菌(Sporobolomyces sp.),为氯嘧磺隆的微生物修复技术提供菌种资源。
室内模拟实验结果显示,氯嘧磺隆明显抑制土壤细菌和放线菌的数量(p<0.01),最高值分别达到41.31％和50％左右。氯嘧磺隆对细菌的抑制作用随着氯嘧磺隆的降解逐渐减弱,而对放线菌的抑制作用一直持续到实验后期。氯嘧磺隆明显刺激真菌数量的增长,最高值达到365.06％,且刺激作用与氯嘧磺隆的浓度基本呈正相关,并持续到实验后期。对于氮循环的功能微生物,氯嘧磺隆对固氮菌、根瘤菌和氨化细菌的数量影响较小；对氨氧化细菌有明显的抑制作用,最高值达到90％,且不可恢复:对表征活性硝化菌群落大小的土壤硝化作用潜势最高抑制率达到80％以上,抑制作用随着氯嘧磺隆的降解逐渐减弱；对反硝化细菌数量有刺激增长的趋势,高峰时反硝化细菌的数量甚至达到对照处理的4～5倍,实验后期,反硝化细菌的数量趋于平稳,并与对照没有明显差别。氯嘧磺隆不影响土壤总细菌的群落结构,但导致氮循环功能微生物的多样性下降。氯嘧磺隆抑制a.变形菌纲固氮菌,Nitrosospira cluster3b类氨氧化细菌,但对反硝化细菌群落结构影响相对较小。β-和γ-变形菌纲固氮菌,Nitrosospira cluster3a类氨氧化细菌,以及根瘤菌类nosZ基因对氯嘧磺隆具有抗性或者被富集。
室内模拟条件下,氯嘧磺隆导致大豆根际假单胞菌对根腐病病原真菌立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)、禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)和尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)的拮抗频率和活性降低。根际可培养假单胞菌的多样性指数波动范围在1.20～0.68之间,结构趋于单一化。氯嘧磺隆富集了非拮抗假单胞菌,却对具有真菌病害拮抗潜力的荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)和恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)都有抑制作用。
原位实验结果发现,土壤中氯嘧磺隆的残留量会随着使用年限的增加而积累；施用10年的土样中,氯嘧磺隆残留量达到8.46μg/kg,相当于田间正常用量(20μg/kg)的40％。长期施用氯嘧磺隆使土壤真菌数量激增,与对照组相比,5年和10年样品分别增加了105％和150％。其它微生物生理类群的数量均呈下降的趋势。氯嘧磺隆对原位土壤硝化作用潜势的抑制作用随使用年限的延长而加剧。氯嘧磺隆降低了土壤总细菌和总真菌的多样性。对于氮循环的功能微生物,氯嘧磺隆导致反硝化细菌多样性明显上升,而固氮菌和氨氧化细菌的多样性均下降。氯嘧磺隆抑制了一些可能利于大豆生长的类群,如酸杆菌(Acidobacteria),γ-变形菌(γ-Proteobacteria)和肉质真菌(Cortinarius violaceu,Acarospora smaragdula,和Xerocomus chrysenteron),刺激了与大豆根腐病相关的病原真菌如立枯丝核菌(R.solani)、尖孢镰刀菌(F.oxysporum)和大豆疫霉菌(Phytophthora sojae)。同时,氯嘧磺隆抑制某些不可培养的固氮菌类群,Nitrosospira cluster3c和3d类氨氧化细菌以及一些没有报道过的新的反硝化细菌类群。根瘤菌类固氮菌,Nitrosospiracluster3a类氨氧化细菌和某些不可培养的反硝化细菌类群对长期的氯嘧磺隆具有抗性或被富集。
筛选得到一株掷孢酵母菌(Sporobolomyces sp.)LF1,其在30℃,氯嘧磺隆浓度为5mg/L,NH4NO3的浓度为1g/L的条件下,4天降解率达到77％以上。研究结果发现,LF1降解氯嘧磺隆的机理主要是酸降解。
综合上述结果,模拟实验和原位实验有所不同。由于土壤微生物对短期的氯嘧磺隆胁迫具有抗性和反弹性,使其很可能低估氯嘧磺隆对土壤微生物的影响,而长期原位实验则能够更准确地评价氯嘧磺隆连续施用对土壤微生物生态系统的潜在风险。长期连续施用氯嘧磺隆,土壤的微生物学质量退化,土壤氮循环平衡受到破坏,可能影响作物对氮肥的有效利用,加速土壤氮肥流失。同时,氯嘧磺隆影响土壤的抑真菌作用,诱导土传病害加重,加剧了大豆连作的障碍。因此,研究田间氯嘧磺隆科学的施用模式,减轻其对作物和土壤微生物的危害,应该是今后工作的研究重点。而且,降解菌LF1对氯嘧磺隆的降解途径及其对土壤中氯嘧磺隆残留的降解效果还有待于进一步研究。