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氯嘧磺隆在东北地区大豆田中应用广泛,虽然其具有低毒性、低成本、高活性、高安全性等优点,但是其在土壤中残留时间较长,可对土壤微生物产生药害,并影响土壤氮素循环。本实验主要采用室内培养与原位试验相结合的方法,利用传统微生物学与Real-timePCR、高通量测序等多种技术手段,研究氯嘧磺隆对室内培养潮棕壤和连作大豆田原位土壤的氮循环相关微生物的影响,从理论上揭示氯嘧磺隆造成土壤氮循环功能退化的微生物机理,为氯嘧磺隆的环境风险评价提供科学依据,也为氯嘧磺隆的合理施用提供有益的参考。
室内模拟结果显示,单独施加氯嘧磺隆时对土壤pH没有影响;加入尿素后,短期内(7d)显著提高了土壤pH,可能是由于NH4+-N的分解,提高了pH,尿素对土壤pH的改变不受添加各浓度氯嘧磺隆的影响。说明氯嘧磺隆本身对土壤pH无影响。
氯嘧磺隆能显著降低土壤微生物生物量碳、氮,并且抑制NH4+-N转化为NO3--N,造成NH4+-N的累积,对AOB和AOA的amoA基因进行的Real-timePCR分析结果显示,这可能是由于氯嘧磺隆抑制了土壤中进行氨氧化作用的微生物,从而抑制了氨氧化作用。实验后期,氯嘧磺隆处理组NO3--N的浓度高于对照组,对nirS和nirK基因进行的Real-timePCR分析结果显示,其主要因为氯嘧磺隆抑制了反硝化细菌,减少了对NO3--N的吸收利用,造成NO3--N的累积。当加入尿素时,微生物量碳、氮在短期内增加;刺激氨氧化菌大量增殖,显著加强了土壤氨氧化作用,NO3--N的浓度也迅速升高;而氯嘧磺隆的施入显著降低了尿素对微生物量碳、氮及硝态氮的刺激作用,且尿素+2000μg·kg-1氯嘧磺隆处理组具有不可恢复的抑制作用。以上结果表明氯嘧磺隆降低了土壤质量和土壤肥力,加入尿素后,在一定程度上提高了土壤质量,增加了土壤肥力。
Real-timePCR结果显示,单独施加氯嘧磺隆:对氮循环相关功能基因(nifH,AOBAOAamoA,nirSnirK)都是抑制作用,且随浓度增大抑制作用加强。低(20μg·kg-1氯嘧磺隆)、中浓度(200μg·kg-1氯嘧磺隆)抑制作用是可恢复的,但是高浓度(2000μg·kg-1氯嘧磺隆)却难以恢复。单独施加尿素,在实验初期能轻微抑制土壤中固氮菌、AOA、反硝化细菌,却刺激了AOB的生长,后期能刺激AOA、AOB和反硝化细菌,说明尿素的添加对氮循环相关微生物(固氮菌除外)有刺激作用,并加速了土壤氮循环;而土壤中施加氯嘧磺隆后,能够对氮循环的三个主要过程(固氮、硝化和反硝化作用)都产生抑制作用,这严重影响了氮素的转化和植物对氮素的有效利用。
室内模拟实验的高通量测序结果显示,单独施加氯嘧磺隆:改变了细菌的菌群结构,降低了细菌多样性,其中细菌γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria)有显著增加;降低了真菌的菌群丰度和多样性,其中散囊菌纲(Dothideomycetes)和座囊菌纲(Eurotiomycetes)有显著下降。氯嘧磺隆与尿素同时加入时,同时降低了土壤中细菌和真菌菌群丰度和多样性,主要是细菌中的β-变形菌纲(β-Proteobacteria)和硝化螺菌属(Nitrospira)出现了明显下降,真菌中主要是盘菌纲(Sordariomycetes)和粪壳菌纲(Pezizomycetes)发生显著下降;在所有处理中锤舌菌纲菌(Leotiomycetes)没有明显变化,表明其具有很强的耐受性。
长期原位实验结果显示,长期施用氯嘧磺隆,可以减少土壤中细菌和真菌的数量,而且难以恢复。固氮菌、AOB、反硝化细菌都出现了不同程度的下降,而AOB和具有nirS基因的反硝化细菌能恢复,其他微生物类群不能恢复;AOA在5Y时有增加,但是10Y时有显著下降。说明氯嘧磺隆对固氮作用、硝化作用和反硝化作用都产生了不同程度的影响。原位实验能够更加客观的反映出土壤微生物对氯嘧磺隆长期胁迫的响应。
综合分析室内模拟和原位实验结果,可以得出氯嘧磺隆能严重影响土壤中氮循环相关微生物功能,影响氮素在土壤中的转化作用。这可能会影响作物对氮肥的利用,导致土壤质量退化,土壤肥力降低,影响整个土壤生态系统且难以恢复。因此进一步研究氯嘧磺隆对土壤微生物的作用机理及探索氯嘧磺隆的科学田间使用模式,是今后研究的重点。