种植作物对土壤草甘膦农药的降解效应研究

The degradation effects of soil glyphosate pesticide by plant crops

摘要

草甘膦已成为全球使用量最大和使用范围最广的除草剂之一，但其过度使用会威胁生态环境，如何降解土壤中草甘膦农药残留已成为人类面临的重大难题之一。本试验以大豆、油菜、野豌豆、二月兰、葱和板蓝根6种植物为研究对象，测定其生长45和90 d后对两种浓度草甘膦（0.05和0.25 mg·kg^-1）的降解效应，并用土壤微生物量碳氮和土壤酶活性表征其对土壤的修复效应。结果表明：生长45 d后，草甘膦浓度为0.05 mg·kg^-1时，油菜、大豆和野豌豆对草甘膦的降解率分别为49.1%、48.4%和48.1%；草甘膦浓度为0.25 mg·kg^-1时，降解率分别为66.9%、61.2%和62.2%，其他植物对草甘膦的降解率影响效果不理想；大豆和野豌豆可显著提高草甘膦残留土壤的微生物量碳氮含量（P<0.05），表明其可促进土壤微生物的繁衍；大豆和野豌豆可显著提高草甘膦残留土壤的β-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、N-乙酰-氨基半乳糖苷酶和土壤碱性磷酸酶活性。表明其可促进土壤碳、氮、磷元素的循环，其他植物对草甘膦残留土壤的微生物量碳氮和酶活性影响效果不显著。因此，果树行间种植大豆和野豌豆可通过促进微生物的繁衍，加速土壤营养元素的循环，进而降解土壤草甘膦农药的残留，达到改良土壤质量的效果。

Abstract

Glyphosate has become one of the most widely used herbicides globally in both application and coverage， but its excessive poses threatens the ecological environment. How to degrade the glyphosate residues in soil has become one of the major challenges facing humanity. To degrade the soil glyphosate with different concentrations （0.05 and 0.25 mg·kg^-1）， six plants（i.e.， Glycine max， Brassica napus， Vicia sepium， Orychophragmus violaceus， Allium fistulosum， and Radix isatidis）acted as research subjects. The degradation ratio， soil microbial biomass carbon and nitrogen， and soil enzyme activities were measured after 45 and 90 days of plant growth to evaluate their remediation effect. The results showed that： B. napus， G. max and V. sepium had significant degradation effects on glyphosate in soil （P<0.05）. After growing for 45 days， the degradation rates of B. napus， G. max and V. sepium were 49.1%， 48.4% and 48.1% at the glyphosate concentration of 0.05 mg·kg^-1， respectively， and 66.9%， 61.2% and 62.2% at the glyphosate concentration of 0.25 mg·kg^-1， respectively. The effects of other plants on the degradation rate of glyphosate are not satisfactory. G. max and V. sepium could significantly increase the microbial biomass carbon and nitrogen in glyphosate-contaminated soil （P<0.05）， indicating that they can promote the growth and reproduction of soil microorganisms； G. max and V. sepium significantly increased the activities of β-glucosidase， β-galactosidase， N-acetyl-glucosaminidase， N-acetyl-galactosaminidase， and soil alkaline phosphatase in glyphosate-contaminated soil. This suggests that they can enhance soil carbon， nitrogen， and phosphorus cycling， the effects of other plants on the microbial biomass carbon and nitrogen， as well as the enzyme activities in the glyphosate-residual soil， were not significant. Therefore， planting G. max and V. sepium between rows of fruit trees could promote microbial reproduction， accelerate soil nutrient cycling， further degrade soil glyphosate pesticide residues， and improve soil quality.

Graphical abstract

关键词

种植作物 / 草甘膦农药 / 降解效应 / 微生物量 / 酶活性

Key words

plant crops / glyphosate pesticide / degradation effect / microbial biomass / enzyme activity

草甘膦（N-膦酸甲基甘氨酸）作为一种广谱灭生性除草剂，其具有高效除杂、低毒、广谱、易降解等特点，在全球农业生产中得到了广泛应用^［1］。2019年，草甘膦的全球使用量达73.84万t，占全球农药使用量的17%，全球林业和果园生态系统使用面积超过40亿km^2［2］，且我国草甘膦使用量占全球使用量的7.4%^［3］。然而，草甘膦的过量使用已导致土壤中残留大量草甘膦及其主要代谢物——氨基甲基膦酸（aminomethylphosphonic acid，AMPA），其积累会引起作物基因突变和生态环境破坏^［4］。Tong等^［5］的研究表明，由于茶园中长期施用草甘膦，茶树（Camellia sinensis）的根、茎、叶均能检测到草甘膦含量。近年来，我国各地区果蔬、草药、茶叶等农产品检测出农残超标的现象层出不穷^［6-8］，农残会对包括人类在内的生物产生毒害作用^［9］。密切接触草甘膦会产生DNA损伤，影响胎儿发育，使胎儿畸形或产生生育缺陷^［10-12］。国际癌症研究机构（International Agency for Research on Cancer，IARC）于2017年将草甘膦归类为“人类可能致癌物”^［13］。此外，不仅在土壤和水体等环境中检测到草甘膦，而且在美国纽约的宠物猫和狗的尿液中也普遍存在^［14］。因此，草甘膦对人类和动植物健康及生态环境潜在的危害需引起人们的高度重视。

种植作物可通过光合作用固定碳源，并且能够吸收和转化环境中的污染物，其因成活率高、种植和养护简单而成为生态修复中的优选物种^［15］。李兆君等^［16］研究表明，植物通过直接吸收有机污染物、产生根系分泌物和根际微生物降解有机污染物；汪建飞等^［17］研究表明，杂交苏丹草（Sorghum bicolor×S. sudanense）可有效降解、吸收滴滴涕及其主要降解产物；张淑琴^［18］研究发现，月季（Rosa chinensis）根系分泌物可有效降解有机氯农药，并改变土壤微生物的种群数量及群落结构，进而改善土壤质量。因此，探索种植作物对土壤草甘膦的降解效果，有望为土壤草甘膦残留问题提供一种绿色、可持续的解决方案，而目前关于种植作物对土壤草甘膦农药降解的研究及生态修复效应鲜见报道。

土壤微生物直接参与多种生物化学活动，对土壤养分转化循环及生物分解发挥极其重要的作用^［19］，其能将土壤中的有机质组分转化并增加自身的微生物量。土壤微生物量不仅是有机物质和养分循环的动力，也是植物营养物质的贮藏库^［20］。土壤酶主要来自动植物和微生物残体分解以及它们的代谢分泌物，参与土壤中的物质转化和能量转移，是重要的养分和环境指标^［21］。土壤β-葡萄糖苷酶和β-半乳糖苷酶参与土壤有机质矿化分解过程，乙酰氨基葡萄糖苷酶和乙酰氨基半乳糖苷酶与土壤氮素循环有关^［22］，碱性磷酸酶可以促进土壤有机磷转化为植物生长可吸收的营养^［23］，其可表征土壤碳氮磷循环。土壤微生物量和酶活性可敏感指示土壤健康程度，是衡量土壤肥力最为重要的指标之一。

鉴于此，本试验以西北地区几种田间常见种植作物为研究对象，评价种植作物对果园土壤草甘膦的降解效果及土壤质量的变化，进而筛选具有降解草甘膦污染的理想植物，为我国农田土壤修复及净化提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 盆栽试验

盆栽土样于2023年9月取自天水市秦州区果园，其草甘膦含量为0 mg·kg^-1，人工去除枯枝落叶后将土样按2 kg·盆^-1装入直径为10 cm的塑料花盆中，共56盆。随机分为两组，分别按0.05和0.25 mg·kg^-1草甘膦加入花盆土壤。将筛选的西北地区几种田间常见种植作物野豌豆（Vicia sepium）、油菜（Brassica napus）、板蓝根（Radix isatidis）、二月兰（Orychophragmus violaceus）、大豆（Glycine max）和葱（Allium fistulosum）的种子分别播种到花盆土壤中，每盆10粒种子，每组处理4个重复，共48个处理，以未播种的花盆土为对照。室内光照生长45和90 d采集土样，生长期间保持60%~70%的土壤水分含量。

1.2 草甘膦农药残留及土壤特性指标的测定

1.2.1 土壤理化性质的测定

采集地点土壤的有机质、全氮、速效氮、全磷、全钾含量和pH分别采用重铬酸钾容量法-外加热法^［24］、半微量凯氏法^［24］、碱解扩散法^［24］、高氯酸-硫酸-钼锑抗比色法^［24］、火焰光度计（M410，英国SHERWOOD公司）法^［24］和酸度计［FE28，梅特勒托利多仪器（上海）有限公司］法^［24］测定，其含量分别为9.70 g·kg^-1、0.87 g·kg^-1、164.30 mg·kg^-1、1.83 g·kg^-1、12.73 g·kg^-1和7.45。

1.2.2 土壤草甘膦农药残留的测定方法

根据标准HJ 1055-2019^［25］先取10 g样品加入50 mL磷酸钠和柠檬酸钠混合液进行超声提取30 min，用高速离心机10000 r·min^-1离心5 min后，取上清液过滤后用盐酸调节pH至9，再用50 mL正己烷萃取两次，取1 mL净化后的水溶液加入0.12 mL四硼酸钠溶液和0.2 mL 9-芴甲基氯甲酸酯溶液，常温下用振荡器（ZHWY-2102c，上海智诚分析仪器制造有限公司）混匀衍生4 h，用0.22 μm针式过滤器（0.22 μm×13 mm，PTFE材质，上海楚定分析仪器有限公司）过滤后待测。使用高效液相色谱设置254 nm激发波长和301 nm发射波长，并按1~5 μL进样量进样，流动相A（乙腈）和流动相B（磷酸溶液）分别按35%和65%梯度洗脱20 min。

草甘膦降解率（Q）计算公式为：

Q(\mathrm{\%})=(C_{\mathrm{0}}-C_{\mathrm{t}})/C_{\mathrm{0}}\times \mathrm{100}

式中：C₀为草甘膦的初始浓度（mg·kg^-1）；C_t为草甘膦的最终浓度（mg·kg^-1）。

1.2.3 土壤特性指标的测定

土壤微生物量碳和氮含量采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提后分别用重铬酸钾氧化滴定法^［26］和凯氏定氮法^［27］测定。土壤β-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶和N-乙酰-氨基半乳糖苷酶活性采用96微孔酶标板荧光分析法^［28］测定，用Thermo多功能酶标仪（INFINITE 200 PRO，奥地利）设置365 nm激发波长和450 nm检测波长检测样品荧光，其单位为mmol·h^-1·g^-1。土壤碱性磷酸酶（alkaline phosphatase）活性用对硝基酚磷酸钠比色法^［29］测定。

1.3 数据处理

通过Excel整理数据后，使用SPSS 27.0软件对植物类型以及不同浓度草甘膦对农药残留土壤的降解率、微生物量和酶活性进行单因素方差分析，并将不同植物和不同浓度草甘膦降解残留土壤后对土壤微生物碳氮和酶活性的影响进行多因素方差分析，P<0.05表示处理间差异显著。用Origin 2022软件绘图。

2 结果与分析

2.1 种植作物对土壤草甘膦农药残留的降解率分析

供筛选的6种植物对土壤草甘膦均有一定的降解作用（图1）。草甘膦浓度为0.05 mg·kg^-1时，大豆、油菜、野豌豆、二月兰、板蓝根和葱6种植物生长45和90 d后均对土壤草甘膦有降解效果，其中，45 d后油菜、大豆和野豌豆的降解效果较好，降解率分别为49.1%、48.4%和48.1%，且与对照间差异显著（P<0.05）；草甘膦浓度为0.25 mg·kg^-1时，6种植物生长45和90 d后均对土壤草甘膦有降解效果，其中，45 d后油菜、野豌豆和大豆的降解效果较好，降解率分别达到66.9%、61.2%和62.2%，且与对照间差异显著（P<0.05）；可见，无论0.05还是0.25 mg·kg^-1草甘膦，大豆、野豌豆和油菜均对草甘膦农药有一定的降解效果。

2.2 种植作物对草甘膦残留土壤的微生物量碳氮的影响

供筛选的6种植物降解土壤草甘膦后均可提高土壤的微生物量碳含量（图2）。0.05 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆、野豌豆、油菜和板蓝根可提高土壤微生物量碳含量，分别为168.42、163.16、147.37和126.32 mg·kg^-1，且与对照间差异显著（P<0.05）；0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，与对照相比，6种作物均可显著提高土壤的微生物量碳含量（P<0.05）。可见，无论是0.05还是0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆和野豌豆均可显著提高草甘膦残留土壤的微生物量碳含量。

供筛选的6种植物降解土壤草甘膦后，仅大豆、野豌豆和葱可提高土壤的微生物量氮含量（图3）。0.05 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆和野豌豆可提高土壤的微生物量氮含量，分别为189.85和72.64 mg·kg^-1，且与对照间差异显著（P<0.05）；0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆和野豌豆均可显著提高土壤的微生物量氮含量，且与对照间差异显著（P<0.05）。可见，无论是0.05还是0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆和野豌豆均可显著提高草甘膦残留土壤的微生物量氮含量。

对降解草甘膦后土壤微生物量碳氮的多因素分析结果表明，植物类型和草甘膦农药浓度均显著影响草甘膦残留土壤的微生物量碳氮含量（P<0.05），且草甘膦的浓度和植物类型对土壤微生物量碳存在显著的互作关系（P<0.001，表1）。

2.3 种植作物对草甘膦残留土壤的酶活性影响

供筛选的6种植物降解土壤草甘膦后均可提高土壤的β-葡萄糖苷酶活性（图4）。0.05 mg·kg^-1草甘膦处理下，种植大豆、油菜、野豌豆和板蓝根的土壤β-葡萄糖苷酶活性较高，分别为58.20、29.83、25.28和25.03 mmol·h^-1·g^-1，均与对照间差异显著（P<0.05）；0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆、油菜、葱、二月兰和野豌豆也可提高土壤β-葡萄糖苷酶活性，且均与对照间差异显著（P<0.05）。可见，无论是0.05还是0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆、油菜和野豌豆均可显著提高草甘膦残留土壤的β-葡萄糖苷酶活性。

供筛选的6种植物降解土壤草甘膦后仅大豆和野豌豆可提高土壤的β-半乳糖苷酶活性（图5）。0.05 mg·kg^-1草甘膦处理下，种植野豌豆、葱和大豆的土壤β-半乳糖苷酶活性较高，其值分别为22.30、12.26和12.22 mmol·h^-1·g^-1，均与对照间差异显著（P<0.05）；0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，种植野豌豆、大豆和二月兰的土壤β-半乳糖苷酶活性较高，且与对照间差异显著（P<0.05）。可见，无论是0.05还是0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，野豌豆和大豆均可显著提高草甘膦残留土壤的β-半乳糖苷酶活性。

大豆和葱降解土壤草甘膦后均可提高土壤N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性（图6）。0.05 mg·kg^-1草甘膦处理下，种植大豆的土壤N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性最高，为17.89 mmol·h^-1·g^-1，且与对照间差异显著（P<0.05）；0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆和葱2种植物均可提高土壤的N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性，且与对照之间差异显著（P<0.05）。可见，无论是0.05还是0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆均可提高草甘膦残留土壤的N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性。

供筛选的6种植物降解0.05 mg·kg^-1草甘膦后仅大豆和葱可显著提高土壤N-乙酰-氨基半乳糖苷酶活性（图7），分别为47.91和44.24 mmol·h^-1·g^-1，且与对照间差异显著（P<0.05）；0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，与对照相比，种植大豆、葱、野豌豆、板蓝根和二月兰均可显著提高土壤N-乙酰-氨基半乳糖苷酶活性（P<0.05）。可见，无论是0.05还是0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆和葱均可显著提高草甘膦残留土壤的N-乙酰-氨基半乳糖苷酶活性。

供筛选的6种植物降解土壤草甘膦后均可提高土壤碱性磷酸酶活性（图8）。0.05 mg·kg^-1草甘膦处理下，种植野豌豆、大豆、板蓝根、二月兰、葱和油菜的土壤碱性磷酸酶活性较高，其值分别为1.27、1.10、0.75、0.64、0.62和0.59 mg·g^-1·h^-1，均与对照间差异显著（P<0.05）；0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆、油菜、二月兰、野豌豆、板蓝根和葱这6种植物均可提高土壤的碱性磷酸酶活性，其中大豆和野豌豆的土壤碱性磷酸酶活性较高，且与对照间差异显著（P<0.05），二月兰、油菜、板蓝根和葱的碱性磷酸酶活性高于对照但差异不显著。可见，无论是0.05还是0.25 mg·kg^-1草甘膦处理下，大豆和野豌豆均可显著提高草甘膦残留土壤的碱性磷酸酶活性。

3 讨论

本研究发现，供筛选的大豆、油菜、野豌豆、葱、板蓝根和二月兰均对土壤草甘膦农药具有一定的降解作用，其中大豆和野豌豆的降解效果较好。刘健等^［30］的研究表明，大豆可促进土壤中石油烃污染物的去除；李兆君等^［16］研究表明，豆科植物通过根瘤和菌根可降解土壤的四氯乙烯污染物。大豆和野豌豆可降解土壤草甘膦农药残留，其原因可能为：大豆和野豌豆作为豆科植物，由于根瘤菌的作用，对草甘膦表现出较强的耐药性，与它们共生的根瘤菌能打断草甘膦的碳磷键生成代谢中间产物肌氨酸，并以其为磷源供自身生长所需，从而实现对草甘膦的生物降解^［31］；此外，根瘤和菌根可促进大豆和野豌豆的生长，这些豆科植物在生长过程中释放根系分泌物等化学物质（酶类、糖类、醇类和酸类），这些物质与微生物协同作用，促进土壤草甘膦的降解^［32］，进而改善土壤质量。

土壤微生物量碳氮对环境因子变化和人为活动干扰十分敏感，因此常被作为土壤质量变化的重要评价指标^［33］。本研究发现，大豆、野豌豆降解土壤草甘膦后可提高土壤的微生物量碳氮，这与前人的研究结果相似^{［15，18，33］}。张淑琴^［18］的研究发现，月季根系分泌物降解根际土壤有机氯农药后，可提高土壤的微生物量碳氮；张博文等^［15］研究发现，豆科植物紫花苜蓿（Medicago sativa）和沙打旺（Astragalus adsurgens）可改良土壤性状，使土壤微生物量增加；孙广东^［34］的研究表明，黑麦草（Lolium perenne）根系分泌的有机物可以作为污染物降解菌生长和长期存活的碳源和氮源，刺激好氧微生物的生长和活性，从而提高土壤的微生物量。可见，大豆和野豌豆可以提高草甘膦残留土壤的微生物量，其原因可能是豆科植物的根瘤菌通过固氮活动增加了土壤的N素来源，促进了土壤的各种物质循环和养分供应^［35］，为土壤微生物提供直接的营养来源，进而提高土壤的微生物量碳氮；豆科植物可能与根瘤菌共生形成根瘤促进土壤中磷的高效吸收，并通过根瘤菌的共生固氮过程从而提高根系的生物固氮量^［36］，进一步提高土壤的微生物量碳氮。

土壤酶参与土壤中的物质转化和能量转移，是评价土壤肥力和土壤质量状况的重要指标^［21］。本研究发现，大豆、野豌豆和葱降解土壤草甘膦后，可提高土壤的β-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、N-乙酰-氨基半乳糖苷酶和土壤碱性磷酸酶活性，表明这些植物可以促进土壤的碳氮磷循环。张淑琴^［18］的研究发现，月季根系分泌物降解根际土壤有机氯农药后，土壤蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性提高；胡颖槟等^［23］研究发现，长期生草栽培可提高参与土壤碳和氮养分循环的蔗糖酶、β-1，4-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和蛋白酶活性。可见，大豆和野豌豆提高草甘膦残留土壤的酶活性，其原因可能是豆科植物种植后引入了一些微生物（根瘤菌等）并且自身分泌一些有机物，降解土壤草甘膦农药残留，使得土壤环境和养分条件更有利于微生物的活性^［23］，从而提高土壤酶活性，促进土壤碳氮磷循环，改善了土壤肥力。总之，豆科植物可降解土壤草甘膦农药残留，并提高土壤微生物数量和活性，加速土壤养分循环和能量转化，进而提高土壤质量。

4 结论

本研究表明：油菜、大豆和野豌豆可显著降解土壤草甘膦农药残留（P<0.05）；植物种植45 d后，草甘膦浓度为0.05 mg·kg^-1时，油菜、大豆和野豌豆对土壤中草甘膦的降解率分别为49.1%、48.4%和48.1%；草甘膦浓度为0.25 mg·kg^-1时，其降解率分别为66.9%、61.2%和62.2%。大豆根系发达，根瘤菌数量较多，且植株生物量较大，可能在单位时间内对草甘膦的降解量相对于植株矮小的野豌豆较大；野豌豆虽然也是豆科植物，但因其多为野生，植株相对矮小，生物量较小，根瘤菌数量可能也相对较少，其对草甘膦的降解效率可能低于大豆。植物种植90 d后，6种作物对土壤草甘膦的降解效果部分显著。大豆和野豌豆可显著提高草甘膦残留土壤的微生物量碳氮含量（P<0.05），表明其有利于草甘膦残留土壤的微生物繁衍；此外，大豆、野豌豆和葱可提高土壤的β-葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶、N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶、N-乙酰-氨基半乳糖苷酶和土壤碱性磷酸酶活性，表明其可促进草甘膦残留土壤的碳、氮、磷元素循环；其他植物对草甘膦残留土壤微生物量碳氮和酶活性的影响部分不显著。可见，大豆和野豌豆能显著降解土壤的草甘膦农药，且可提高草甘膦残留土壤的微生物量碳氮和酶活性，表明其可改良土壤质量。因此，建议果园适当混作大豆和野豌豆以有效降低土壤草甘膦农药残留，进而提高土壤质量，促进果树健康生长，为生产绿色环保有机果品提供保障。

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基金资助

天水师范大学研究生创新引导项目(TYCX2455)

天水师范大学研究生创新引导项目(TCXM2537)

甘肃省重点研发计划-农业领域(25YFNE002)