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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 15 期摇 摇 2013 年 8 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
红树林生态系统遥感监测研究进展 孙永光,赵冬至,郭文永,等 (4523)…………………………………………
基于能值分析方法的城市代谢过程研究———理论与方法 刘耕源,杨志峰,陈摇 彬 (4539)……………………
关于生态文明建设与评价的理论思考 赵景柱 (4552)……………………………………………………………
个体与基础生态
长江口及邻近海域秋冬季小型底栖动物类群组成与分布 于婷婷,徐奎栋 (4556)………………………………
灌河口邻近海域春季浮游植物的生态分布及其营养盐限制 方摇 涛,贺心然,冯志华,等 (4567)………………
春季海南岛近岸海域尿素与浮游生物的脲酶活性 黄凯旋,张云,欧林坚,等 (4575)……………………………
模拟酸雨对蒙古栎幼苗生长和根系伤流量的影响 梁晓琴,刘摇 建,丁文娟,等 (4583)…………………………
有机酸类化感物质对甜瓜的化感效应 张志忠,孙志浩,陈文辉,等 (4591)………………………………………
稻田土壤氧化态有机碳组分变化及其与甲烷排放的关联性 吴家梅,纪雄辉,霍莲杰,等 (4599)………………
双氰胺单次配施和连续配施的土壤氮素形态和蔬菜硝酸盐累积变化 王煌平,张摇 青,翁伯琦,等 (4608)……
不同类型土壤中分枝杆菌噬菌体分离率的比较 徐凤宇,苏胜兵,马红霞,等 (4616)……………………………
模拟酸雨对小麦产量及籽粒蛋白质和淀粉含量及组分的影响 卞雅姣, 黄摇 洁,孙其松,等 (4623)…………
麻花秦艽种子休眠机理及其破除方法 李兵兵,魏小红,徐摇 严 (4631)…………………………………………
4 种金色叶树木对 SO2胁迫的生理响应 种培芳,苏世平 (4639)…………………………………………………
硫丹及其主要代谢产物对紫色土中酶活性的影响 熊佰炼,张进忠,代摇 娟,等 (4649)…………………………
种群、群落和生态系统
群落水平食物网能流季节演替特征 徐摇 军,周摇 琼,温周瑞,等 (4658)…………………………………………
千岛湖岛屿社鼠的种群数量动态特征 张摇 旭,鲍毅新,刘摇 军,等 (4665)………………………………………
黄土丘陵沟壑区不同植被区土壤生态化学计量特征 朱秋莲,邢肖毅,张摇 宏,等 (4674)………………………
青藏高原高寒草甸退化与人工恢复过程中植物群落的繁殖适应对策 李媛媛,董世魁,朱摇 磊,等 (4683)……
杉木人工林土壤质量演变过程中土壤微生物群落结构变化 刘摇 丽,徐明恺,汪思龙,等 (4692)………………
不同玉米品种(系)对玉米蚜生长发育和种群增长的影响 赵摇 曼,郭线茹,李为争,等 (4707)………………
伏牛山自然保护区森林冠层结构对林下植被特征的影响 卢训令,丁圣彦,游摇 莉,等 (4715)…………………
内蒙古武川县农田退耕还草对粪金龟子群落的影响 刘摇 伟,门丽娜,刘新民 (4724)…………………………
铜和营养缺失对海州香薷两个种群生长、耐性及矿质营养吸收的差异影响
柯文山,陈世俭,熊治廷,等 (4737)
……………………………………
……………………………………………………………………………
新疆喀纳斯国家自然保护区植被叶面积指数观测与遥感估算 昝摇 梅,李登秋,居为民,等 (4744)……………
景观、区域和全球生态
基于 LUCC的生态系统服务空间化研究———以张掖市甘州区为例 梁友嘉,徐中民,钟方雷,等 (4758)………
人工管理和自然驱动下盐城海滨湿地互花米草沼泽演变及空间差异 张华兵,刘红玉,侯明行 (4767)………
基于 PCA的滇西北高原纳帕海湿地退化过程分析及其评价 尚摇 文,杨永兴, 韩大勇 (4776)………………
基于遥感和地理信息系统的图们江地区生态安全评价 南摇 颖,吉摇 喆,冯恒栋,等 (4790)……………………
呼中林区森林景观的历史变域模拟及评价 吴志丰,李月辉,布仁仓,等 (4799)…………………………………
降水时间对内蒙古温带草原地上净初级生产力的影响 郭摇 群,胡中民,李轩然,等 (4808)……………………
研究简报
我国中东部不同气候带成熟林凋落物生产和分解及其与环境因子的关系
王健健,王永吉,来利明,等 (4818)
………………………………………
……………………………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*304*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*32*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄08
封面图说: 石质山区的退耕还林———桂西北地区是我国喀斯特集中分布的地区之一,这里的石漠化不仅造成土地退化、土壤资
源逐步消失、干旱缺水和土地生产力下降,而且还导致生态系统退化和植被消亡。 桂西北严重的地质生态环境问
题,威胁着当地居民的基本生存,严重制约了当地社会经济的发展。 增加植被覆盖是防治石漠化的重要举措。 随着
国家退耕还林、生态移民等治理措施的实施,区域植被碳密度显著增加,生态环境有所好转。 图为喀斯特地区农民
见缝插针用来耕种的鸡窝地(指小、碎、分散的土地),已经退耕还林了。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 15 期
2013 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 15
Aug. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:公益性行业(农业)科研专项经费项目(200903056);国家高技术研究发展计划项目(2012AA101405);现代农业产业技术体系建设专
项(NYCYTX鄄35鄄GW16)
收稿日期:2012鄄05鄄08; 摇 摇 修订日期:2013鄄03鄄15
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: jzhzhang@ swu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201205080673
熊佰炼,张进忠,代娟,邢赜,徐卫红.硫丹及其主要代谢产物对紫色土中酶活性的影响.生态学报,2013,33(15):4649鄄4657.
Xiong B L, Zhang J Z, Dai J, Xing Z, Xu W H. Influence of endosulfan and its metabolites on enzyme activities in purple soil. Acta Ecologica Sinica,
2013,33(15):4649鄄4657.
硫丹及其主要代谢产物对紫色土中酶活性的影响
熊佰炼1,张进忠1,2,*,代摇 娟1,邢摇 赜1,徐卫红1
(1. 西南大学资源环境学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆摇 400715;
2. 重庆市农业资源与环境重点实验室,重庆摇 400716)
摘要:采用室内避光培养,研究了硫丹及其主要代谢产物(硫丹硫酸盐和硫丹二醇)在紫色土中的质量浓度变化及其对土壤酶
活性的影响。 结果表明,琢鄄、茁鄄硫丹在紫色土中的消解过程符合一级反应动力学方程,半衰期分别为 32—99d和 69—116 d。 代
谢产物硫丹硫酸盐浓度在前 20 d增加较快,30 d后基本趋于稳定;硫丹二醇浓度先增加后减小,15 d 时达到最大。 5 mg / kg 的
硫丹处理 5 d时对脲酶和硝酸还原酶活性起激活作用,随着培养时间的增加,硫丹处理对脲酶活性从无显著影响逐渐转向抑
制,第 60 天时抑制作用达到最大;高浓度处理(100 mg / kg)强烈抑制脲酶活性,最大降幅达到 94. 5% 。 硫丹处理(除 5 mg / kg
外)对硝酸还原酶活性起抑制作用,浓度越大,抑制作用越强,最大降幅达到 89. 9% 。 5 mg / kg 的处理抑制多酚氧化酶活性,
10—20 mg / kg的处理 30 d后由激活逐渐转向抑制;100 mg / kg的处理起激活作用,第 15 天时酶活性达到最大,随后持续下降,
第 60 天时恢复到对照水平。 偏相关分析表明,脲酶、硝酸还原酶活性与硫丹硫酸盐浓度呈显著负相关,硫丹硫酸盐抑制这两种
酶的活性;多酚氧化酶活性与 琢鄄、茁鄄硫丹、硫丹硫酸盐和硫丹二醇浓度的偏相关性不显著。
关键词:硫丹;硫丹硫酸盐;硫丹二醇;紫色土;土壤酶活性
Influence of endosulfan and its metabolites on enzyme activities in purple soil
XIONG Bailian1, ZHANG Jinzhong1,2,*, DAI Juan1, XING Ze1, XU Weihong1
1 College of Resources and Environment, Southwest University, Key Laboratory of Eco鄄Environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education,
Chongqing 400715, China
2 Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400716, China
Abstract: Purple soil samples were treated with technical grade endosulfan at 5 concentration levels (0, 5, 10, 20 and 100
mg / kg), and incubated in glass flask in dark environment for 60 d so as to study the effect of endosulfan and its main
metabolites on soil enzyme activities, such as urease, nitrate reductase and polyphenol oxidase. Meanwhile, the mass
concentrations of 琢鄄, 茁鄄endosulfan, endosulfan sulfate and endosulfan diol in the soil were determined. The results showed
that both of the degradation processes of 琢鄄 and 茁鄄endosulfan accorded with the first鄄order reaction kinetic equation, and the
half鄄times were obtained as 32—99d and 69—116 d, respectively. The half鄄time increased with the amount of endosulfan
spiked in the soil. The concentration of endosulfan sulfate increased continuously in the first 20 d, and kept basically stable
after incubation for 30 d. While the concentration of endosulfan diol first increased and reached maximum at the 15th day,
and then decreased gradually. Compared with CK (without endosulfan), urease activity in the soil spiked with 5 mg / kg of
endosulfan at the 5th day increased 20. 0% . Besides this, urease activity in the soil spiked with 5—20 mg / kg of endosulfan
gradually turned from no significant change to inhibition with time, and the inhibition reached maximum at the 60th day.
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Urease activity was significantly inhibited and the highest decrease percent reached 94. 5% at the 5th day in the soil spiked
with 100 mg / kg of endosulfan. Pearson correlation analysis indicated that there was significantly negative correlation
between urease activity and the concentration of 琢鄄, 茁鄄endosulfan, endosulfan sulfate, and endosulfan diol, while that was
negatively related to the concentration of endosulfan sulfate at the confidence level of 0. 05 based on partial correlation
analysis. The partial correlation between urease activity and the concentration of 琢鄄, 茁鄄endosulfan, and endosulfan diol was
not significant. It revealed that endosulfan sulfate was an inhibitor to urease. Nitrate reductase activity in the soil spiked
with 5 mg / kg of endosulfan increased significantly at the 5th day, and was inhibited with the increases of endosulfan
concentration and incubated time, and the highest decrease percent in the soil spiked with 100 mg / kg of endosulfan reached
89. 9% at the 60th day. Pearson correlation analysis indicated that there was significantly negative correlation between
nitrate reductase activity and the concentration of 琢鄄, 茁鄄endosulfan, endosulfan sulfate, and endosulfan diol at the
confidence level of 0. 01, while that was negatively related to the concentration of endosulfan sulfate at the confidence level
of 0. 01 based on partial correlation analysis. The partial correlation between nitrate reductase activity and the concentration
of 琢鄄, 茁鄄endosulfan, and endosulfan diol was not significant. It revealed that endosulfan sulfate was an inhibitor to nitrate
reductase. Polyphenol oxidase activity in the soil spiked with endosulfan changed greatly with time. In general, polyphenol
oxidase activity in the soil spiked with 5 mg / kg of endosulfan was inhibited, and that spiked with 10 mg / kg of endosulfan
was similar to that of CK, whereas that was significantly lower than that of CK at the 60th day. Compared with CK,
polyphenol oxidase activity in the soil spiked with 20 mg / kg of endosulfan had no significant change at the 5th and 30th
day, and significantly increased at the 10th and 15th day, and then reached maximum at the 20th day, which was
significantly lower at the 60th day, and that in the soil spiked with 100 mg / kg of endosulfan was much higher before the
60th day, and the increase percent reached maximum (139. 9% ) at the 15th day, and then decreased continuously, finally
reached CK level at the 60th day. Pearson correlation analysis indicated that there was significantly positive correlation
between polyphenol oxidase activity and the concentration of 琢鄄, 茁鄄endosulfan, endosulfan sulfate, and endosulfan diol at
the confidence level of 0. 01, while the partial correlation between polyphenol oxidase activity and their concentration was
not significant. These results indicated that the concentrations of 琢鄄, 茁鄄endosulfan, endosulfan sulfate, and endosulfan diol
have little effect on polyphenol oxidase when they exist alone in the soil.
Key Words: endosulfan; endosulfan sulfate; endosulfan diol; purple soil; soil enzyme activity
硫丹(endosulfan)是一种广泛使用的有机氯农药,2011 年被列入持久性有机污染物(POPs)控制清单[1]。
我国从 1994 年开始生产和使用硫丹,多年的施用使得我国大部分地区土壤中都有不同程度的硫丹残留和积
累[2鄄3]。 土壤酶是土壤生化反应的重要催化剂,对土壤物质代谢和养分转化都有显著影响[4鄄5]。 土壤酶对环
境变化非常敏感,可以作为预警土壤环境质量变化和外源性化学污染物的生物指标[6鄄7]。 硫丹在土壤中的残
留势必影响土壤酶活性,相关研究主要涉及的土壤酶有脱氢酶、荧光素二乙酸脂水解酶、酸性磷酸酶、碱性磷
酸酶、固氮酶、芳基硫酸酯酶和 茁鄄d鄄葡萄糖苷酶等[8鄄9]。 但是,关于硫丹及其主要代谢产物(硫丹硫酸盐和硫
丹二醇)对土壤脲酶、硝酸还原酶和多酚氧化酶活性的影响尚不清楚,且未见报道。
土壤脲酶催化尿素水解成 CO2 和 NH3,常作为土壤响应环境干扰的重要指标[10鄄12]。 硝酸还原酶催化硝
态氮还原为亚硝态氮,是反硝化过程中的一种重要酶,参与土壤氮素循环[13鄄14]。 土壤多酚氧化酶将木质素分
解产生的酚类物质氧化为醌类物质,随后形成腐殖质等有机物,其活性高低与土壤有机质的形成和腐殖化程
度密切相关[15鄄16]。 紫色土是长江上游最常见的土壤类型,分布区地形多为丘陵、低山,土壤有机质含量普遍
不高,水土流失较为严重[17],该地区在防治农作物虫害时大量施用硫丹[2],使得土壤中硫丹残留较为严重[3]。
为此,本研究采用室内避光培养实验,模拟研究硫丹及其主要代谢产物(硫丹硫酸盐和硫丹二醇)对紫色土中
上述 3 种酶活性的影响,为探讨硫丹对土壤环境质量的影响和评估农药施用的生态风险提供科学依据。
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1摇 材料与方法
1. 1摇 供试土壤
供试紫色土采自西南大学实验农场 0—20 cm土层,该农场无使用硫丹类农药的历史,且未检出硫丹及其
代谢产物。 采集的土壤样品经自然风干、研磨、分别过 1 mm和 0. 25 mm筛后备用,其基本理化性质见表 1。
表 1摇 供试土壤的基本理化性质(0—20 cm土层)
Table 1摇 Basic physicochemical property of the tested soil (0—20 cm depth)
pH
有机质
Organic matter
/ (g / kg)
阳离子交换量
CEC
/ (cmol / kg)
全氮
Total nitrogen
/ (g / kg)
全磷
Total phosphorous
/ (g / kg)
土壤机械组成 Soil mechanical composition / %
砂粒
Sand grain
粉粒
Particle
黏粒
Clay fraction
6. 23 23. 51 28. 02 0. 65 0. 38 42 50 8
1. 2摇 主要试剂和材料
琢鄄硫丹(98% )、茁鄄硫丹(98. 7% )标准品购自美国 Sigma 公司;硫丹硫酸盐(98. 5% )、硫丹二醇(99. 4% )
标准品购自德国 Dr. Ehrenstorfer公司;
硫丹原药购自河南春光农化有限公司,纯度为 96% ,经测定 琢、茁鄄硫丹的质量比为 62. 66颐37. 34;
乙腈、甲醇均为色谱纯(美国 Thermo Fisher公司);其余试剂均为分析纯;
Florisil固相萃取小柱(美国 Welch公司):500 mg / 6 mL,用前经正己烷活化。
1. 3摇 实验步骤和方法
1. 3. 1摇 土壤培养与酶活性测定
向过 0. 25 mm 筛的土壤中加入溶于石油醚的硫丹原药,充分搅拌混匀,待石油醚完全挥发后,得到质量
浓度为 1. 00 g / kg的硫丹污染母土。 在过 1 mm筛的土壤中加入适量的污染母土,多级稀释混匀,使土壤中原
药浓度分别为 0、5、10、20 和 100 mg / kg,得到 CK、T1—T4 共 5 种处理。 称取制得的土样 300 g,调节含水量至
田间最大持水量的 60% ,装入广口瓶中,盖上棉塞,在(25 ±1)益的生化培养箱中避光培养,每个处理做 3 次
重复。 培养过程中用高温灭菌去离子水补水,维持土样含水量的恒定。 第 5、10、15、20、30 和 60 天时采集土
样,立即测定土壤酶活性。 脲酶、硝酸还原酶和多酚氧化酶的活性分别用尿素残留法、邻苯三酚比色法和酚二
磺酸比色法测定[18],设置无土壤的底物和无底物的土壤为对照。 上述方法测定脲酶、硝酸还原酶和多酚氧化
酶活性的相对标准偏差(RSD)分别为 5. 1% 、4. 2%和 4. 4% (n = 5)。
1. 3. 2摇 土壤中硫丹及其代谢产物的提取与净化
土壤中硫丹及其代谢产物的提取在马辉等[19]和 Kumar 等[20]方法的基础上加以改进。 在培养 0、5、10、
15、20、30 和 60 d时称取相当于 20 g干土的培养土样,加入 50 mL丙酮,超声提取 30 min,Whatman 42 号定性
滤纸过滤,用少量丙酮多次洗涤滤渣,全部滤液转移至分液漏斗中,加入 10%的 NaCl溶液 100 mL,分别用 50、
50 和 30 mL石油醚振荡提取 3 次,每次振摇 5 min 以上,静置分层,弃去下层丙酮水互溶相。 提取液经无水
Na2SO4 柱脱水后转移至旋蒸瓶,40 °C水浴减压浓缩至近干,加入 2 mL石油醚,旋涡振荡溶解。 将 2 mL浓缩
液转移至预先活化的 Florisil固相萃取小柱,用 10 mL甲苯 /正己烷(65颐35)淋洗,收集流出液,氮气吹干,准确
加入 2 mL乙腈,涡旋振荡溶解,供高效液相色谱(HPLC)分析。
1. 3. 3摇 硫丹及其代谢产物的测定与质量控制
采用 HPLC ( Shimadzu Sil鄄20A) 分离、 SPD鄄20A 检测器测定硫丹及其代谢产物的含量。 色谱柱:
DiamonsilTM(钻石二代)C18 液相色谱柱(4. 5 滋m,250 mm 伊 4. 6 mm);流动相:乙腈颐水(70颐30 体积分数),等度
洗脱,流速为 1. 0 mL / min;进样体积 20 滋L;检测波长 214 nm[21];外标法定量。 琢、茁鄄硫丹、硫丹硫酸盐和硫丹
二醇的检测限均为 0. 1 mg / L,4 种化合物在 6 个加标水平获得的平均回收率分别为 96. 67% 、95. 17% 、
95郾 33%和 97. 50% ,相对标准偏差(RSD)分别为 6. 91% 、6. 03% 、6. 81%和 7. 24% 。
1564摇 15 期 摇 摇 摇 熊佰炼摇 等:硫丹及其主要代谢产物对紫色土中酶活性的影响 摇
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1. 4摇 数据处理
采用 SPSS 16. 0 对实验数据进行拟合、Pearson相关分析和偏相关分析,Origin 8. 5 软件绘图。
2摇 结果与分析
2. 1摇 硫丹在紫色土中的降解过程
琢、茁鄄硫丹、硫丹硫酸盐和硫丹二醇浓度随时间的变化过程如图 1 所示。 从图 1 可以看出,土壤中 琢、茁鄄硫
丹的浓度均随培养时间的增加而逐渐减少;前 20 d硫丹硫酸盐浓度增加较快,30 d 后基本趋于稳定;硫丹二
醇浓度呈现先增加后减小的趋势,在 15 d时达到最大。
图 1摇 土壤中硫丹及其代谢产物浓度随时间的变化
Fig. 1摇 Variations of the concentrations of endosulfan and its metabolites in soil with time
采用一级反应动力学模型拟合土壤中硫丹随培养时间的降解过程,获得如表 2 所示的结果。 一级降解反
应动力学方程为:
C t = C0 e
-kt (1)
土壤中硫丹的半衰期为:
t1 / 2 = ln2 / k (2)
式中,t为降解反应时间(d);C0 和 C t 分别为土壤中硫丹的初始浓度和 t 时刻的浓度(mg / kg);k 为反应速率
常数(d-1)。
从表 2 可以看出,可用一级反应动力学模型描述 琢鄄、茁鄄硫丹在紫色土中的降解过程,获得的决定系数在
0. 935—0. 995 之间。 硫丹初始浓度对降解反应速率常数有一定影响,T1—T3 处理时 琢鄄硫丹的降解速率常数
相差不大,T4 处理的速率常数明显变小;T2—T4 处理的 茁鄄硫丹降解速率常数十分接近,明显小于 T1 处理的
0郾 01 / d。 获得 琢鄄、茁鄄硫丹的半衰期分别为 32—99 d和 69—116 d,高浓度的硫丹在紫色土中降解更慢。
2. 2摇 硫丹处理对土壤酶活性的影响
硫丹处理对土壤酶活性的影响如图 2—图 4 所示。 从图 2 可知,CK 处理时脲酶活性为 0. 13—0郾 14
mg·g-1·24 h-1;添加硫丹的初始浓度越大,脲酶活性越低。 第 5 天时,T1 处理对脲酶起激活作用,较 CK增加
2564 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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20郾 0% (n = 3, P < 0. 05),T2 处理对脲酶也表现出激活作用,但与 CK差异不显著;除此之外,硫丹处理对脲
酶不再表现出激活作用。 第 5—20 天时 T1—T3 处理脲酶活性随时间发生波动,且大部分与 CK差异不显著,
仅 T3 处理在第 10 天时较 CK下降 16. 2% (n = 3, P < 0. 05);第 20—60 天时 T1—T3 处理脲酶活性随时间持
续下降,第 60 天时受到明显抑制,较 CK分别下降 19. 2% 、34. 8%和 46. 9% (n = 3, P < 0. 01)。 T4 处理对脲
酶活性有强烈的抑制作用,第 5、10、15、20、30 和 60 天时分别下降 94. 5% 、85. 0% 、68. 8% 、90. 1% 、56. 7%和
71郾 9% (n = 3, P < 0. 01)。
表 2摇 土壤中 琢、茁鄄硫丹降解的动力学方程(n=7)
Table 2摇 Dynamic equations of endosulfan degradation in soil
硫丹
Endosulfan
处理
Treatment
动力学方程
Dynamical equation
速率常数
Rate constant / d-1
决定系数
Determination coefficient
半衰期
Half鄄time / d
琢鄄硫丹 T1 Ct = 2. 965exp(-0. 02t) 0. 020 0. 976 35
T2 Ct = 6. 149exp(-0. 022t) 0. 022 0. 993 32
T3 Ct = 12. 062exp(-0. 017t) 0. 017 0. 995 41
T4 Ct = 57. 850exp(-0. 007t) 0. 007 0. 966 99
茁鄄硫丹 T1 Ct = 1. 747exp(-0. 01t) 0. 010 0. 983 69
T2 Ct = 3. 453exp(-0. 007t) 0. 007 0. 978 99
T3 Ct = 6. 803exp(-0. 007t) 0. 007 0. 935 99
T4 Ct = 34. 660exp(-0. 006t) 0. 006 0. 974 116
从图 3 可知,CK处理时硝酸还原酶活性为 0. 950—1. 161 mg·g-1·24 h-1。 T1 处理,第 5 天对硝酸还原酶
起激活作用,较 CK增加 12. 3% (n = 3, P < 0. 05);第 20 和 60 天,酶活性与 CK差异不显著。 除此之外,硫
丹处理对硝酸还原酶活性表现出明显的抑制作用,抑制作用随添加硫丹初始浓度的增加而逐渐增强。 T1—T3
处理酶活性变化的趋势基本相同,说明这 3 个处理对硝酸还原酶活性的作用机理可能相同;T4 处理第 5、10、
15、20、30 和 60 天时酶活性较 CK 分别下降 54. 8% 、70. 1% 、72. 8% 、84. 3% 、88. 8%和 89. 9% (n = 3, P <
0郾 01),表明高浓度硫丹对酶活性的作用方式可能发生了变化。
图 2摇 硫丹对土壤脲酶活性的影响
Fig. 2摇 Effect of endosulfan on urease activity in soil
图中数据为 軃x ±S
图 3摇 硫丹对土壤硝酸还原酶活性的影响
Fig. 3摇 Effect of endosulfan on nitrate reductase activity in soil
从图 4 可知,CK处理时多酚氧化酶活性为 0. 57—0. 72 mg·g-1·2 h-1,除 T4 处理的酶活性峰值出现在第
15 天,T1—T3 处理均出现在第 20 天。 T1 处理对多酚氧化酶表现出一定的抑制作用,第 10、15、30 和 60 天时
酶活性较 CK分别下降 12. 6% 、12. 3% 、25. 3%和 22. 7% (n = 3, P < 0. 05),但第 5 和 20 天时对酶活性影响
不显著。 T2 处理对多酚氧化酶活性的影响不大,仅第 60 天时表现出较强的抑制作用,酶活性较 CK 下降 14.
3564摇 15 期 摇 摇 摇 熊佰炼摇 等:硫丹及其主要代谢产物对紫色土中酶活性的影响 摇
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图 4摇 硫丹对土壤多酚氧化酶活性的影响
Fig 4摇 Effect of endosulfan on polyphenol oxidase activity in soil
2% (n = 3, P < 0. 01)。 T3 处理对多酚氧化酶活性的
影响随时间变化较大,表现为“无显著影响(第 5 天)—
激活(第 10、15、20 天)—无显著影响(第 30 天)—抑制
(第 60 天)冶的变化趋势。 第 5、10、15、20 和 30 天,T4
处理对多酚氧化酶起激活作用,酶活性较 CK 分别增加
92. 6% 、93. 6% 、139. 9% 、83. 8%和 31. 3% (n = 3, P<
0. 01);第 60 天,多酚氧化酶活性恢复到 CK 水平。 总
体来说,随着添加硫丹初始浓度的增大,多酚氧化酶活
性呈“抑制(T1 处理)—无影响(T2 处理)—激活(T3 和
T4 处理)冶的变化趋势。
2. 3摇 硫丹残留与土壤酶活性的关系
硫丹在土壤中以多种途径转化,硫丹硫酸盐和硫丹
二醇是其主要代谢产物。 将酶活性与硫丹及其主要代
谢产物浓度进行 Pearson相关分析和偏相关分析,结果见表 3。
表 3摇 土壤酶活性与硫丹及其代谢产物浓度的相关关系
Table 3摇 Correlations between the enzyme activity and the concentration of endosulfan and its metabolites in soil
化合物
Compound
脲酶 Urease
Pearson相关系数
Pearson correlation
coefficient
偏相关系数
Partial correlation
coefficient
硝酸还原酶 Nitrate reductase
Pearson相关系数
Pearson correlation
coefficient
偏相关系数
Partial correlation
coefficient
多酚氧化酶 Polyphenol oxidase
Pearson相关系数
Pearson correlation
coefficient
偏相关系数
Partial correlation
coefficient
琢鄄硫丹 -0. 587** 0. 098 -0. 683** 0. 206 0. 823** 0. 034
茁鄄硫丹 -0. 661** -0. 290 -0. 743** -0. 170 0. 813** 0. 022
硫丹硫酸盐 -0. 795** -0. 522* -0. 876** -0. 691** 0. 628** 0. 109
硫丹二醇 -0. 475* 0. 260 -0. 639** -0. 177 0. 842** 0. 363
摇 摇 ** 显著性水平 0. 01;* 显著性水平 0. 05
从 Pearson相关系数来看,土壤脲酶和硝酸还原酶活性与 琢鄄、茁鄄硫丹、硫丹硫酸盐和硫丹二醇浓度均呈显
著负相关,多酚氧化酶活性与其呈显著正相关。 可见,土壤中这 4 种化合物对脲酶和硝酸还原酶活性均起抑
制作用,对多酚氧化酶活性起激活作用。 但是,当多个影响因素同时存在时,Pearson 相关分析不能真实反映
变量间的相关关系。 因此,在考察土壤酶活性与硫丹或其代谢产物浓度的相关关系时,需要控制其它变量的
影响,进行偏相关分析。
从表 3 的偏相关分析结果可以看出,脲酶活性与 琢鄄、茁鄄硫丹和硫丹二醇浓度间的偏相关系数均未达到显
著水平,表明这 3 种化合物单独作用时对脲酶活性的影响均不大;脲酶活性与硫丹硫酸盐浓度间的偏相关系
数为-0. 522,呈显著负相关,对脲酶活性起抑制作用。 硝酸还原酶活性与 琢鄄、茁鄄硫丹和硫丹二醇浓度的偏相
关性不显著,表明这 3 种化合物单独作用时对其活性的影响较弱;硝酸还原酶活性与硫丹硫酸盐间的偏相关
系数为-0. 691,呈显著负相关,对硝酸还原酶活性起抑制作用。 多酚氧化酶活性与 琢鄄、茁鄄硫丹、硫丹硫酸盐和
硫丹二醇浓度间的偏相关系数均未达到显著水平,表明这 4 种化合物单独作用时对多酚氧化酶活性的直接影
响较小。
3摇 讨论
在农业土壤环境中,农药的迁移转化主要有挥发、淋溶、水解、光解、微生物降解和生物吸收等途径,其中
许多过程不受农药初始浓度的影响,符合一级反应动力学特征,半衰期通常是一个常数[22]。 但本研究中 琢鄄、
茁鄄硫丹的半衰期分别为 32—99 d和 69—116 d,随硫丹初始浓度不同而发生改变。 Awasthi 等[23]的研究也表
明,硫丹在土壤中的降解速率会随其初始浓度的增加而减慢。 其原因可能是在室内培养条件下,土壤微生物
和酶活性是影响硫丹降解的主要因素。 硫丹具有生物毒性,高浓度硫丹处理对微生物和酶活性的毒害作用更
4564 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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大,抑制了微生物和酶对硫丹的降解。
脲酶活性与 琢鄄、茁鄄硫丹和硫丹硫酸盐浓度间的 Pearson相关系数(-0. 587、-0. 661 和-0. 795)大于偏相关
系数(0. 098、-0. 290 和-0. 522),表明这 3 种化合物同时存在时对脲酶活性的影响比其单独存在时强。 Soto
等[24]和 Wan等[25]的研究表明,琢鄄、茁鄄硫丹和硫丹硫酸盐对陆生和水生生物、人体的联合毒性高于单一化合
物,表现出毒性的协同作用。 由此看来,琢鄄、茁鄄硫丹和硫丹硫酸盐共存时对脲酶活性的抑制作用高于单一化合
物,使得硫丹处理能显著降低土壤脲酶的活性。 但是,图 2 中 T1 处理 5 d时脲酶活性高于 CK,表现出激活作
用,与相关分析获得的结论不符。 这可能是因为土壤中存在两种形式的脲酶[26]:一是吸附在土壤有机质和土
壤矿物中的胞外脲酶;二是以游离态存在于微生物细胞中的胞内脲酶。 有机氯农药对微生物具有毒性,可破
坏甚至杀死土壤微生物细胞,使部分胞内脲酶释放出来,增大脲酶的浓度,进而增强土壤中脲酶的活性[27]。
T1 处理 5 d时,硫丹及其代谢产物可能破坏微生物细胞,释放出的胞内脲酶增加了土壤中的酶浓度,导致脲酶
活性比 CK大。 随着培养时间的增加,不适应硫丹胁迫的微生物细胞被全部破坏,适应硫丹胁迫的微生物不
再释放胞内脲酶,硫丹处理对脲酶活性不再表现出激活作用。 T2、T3 和 T4 处理 5 d时脲酶活性未表现激活作
用,可能与硫丹的浓度较高有关。 Nasreen 等[28]的研究表明,硫丹施用量为 1. 0—7. 5 kg / hm2(约为 10—75
mg / kg[29])时对黑粘土(Black clay soil)中脲酶起激活作用,本研究却发现 10—100 mg / kg 硫丹处理可抑制紫
色土中脲酶活性;当硫丹浓度增大到 10. 0 kg / hm2(约为 100 mg / kg[29])时,对脲酶活性的影响由激活转向抑
制[28],与本研究 100 mg / kg硫丹抑制紫色土中脲酶活性的结果一致。 Sannino等[30]发现,在同一种农药(草甘
膦或百草枯)的作用下,不同类型土壤中脲酶活性出现被抑制和激活的两种截然不同结果。 由此看来,硫丹
对土壤脲酶活性的影响可能与土壤类型有关。
硝酸还原酶活性与 茁鄄硫丹、硫丹硫酸盐和硫丹二醇浓度间的 Pearson 相关系数( -0. 743、-0. 876 和
-0. 639)大于偏相关系数(-0. 170、-0. 691 和-0. 177),表明这 3 种化合物同时存在时对硝酸还原酶活性的抑
制作用强于单一化合物,对酶活性的影响类似于毒物之间的协同作用。 图 3 中 T1 处理 5 d 时硝酸还原酶活
性高于 CK,其原因还有待进一步研究。 硫丹影响土壤酶活性可长达数月,作用结果表现为持续抑制、持续激
活、激活与抑制作用随时间变化等 3 种形式[8鄄9, 31鄄32]。 Kalyani等[9]发现,硫丹在 98 d 内可持续抑制土壤固氮
菌产生的固氮酶。 Buff等[33]认为,硫丹可以吸附于固氮菌细胞膜,并进入细胞内部与胞内蛋白质结合,对固
氮菌产生毒害作用,抑制固氮酶活性。 图 2 和图 3 中 60 d内土壤脲酶和硝酸还原酶活性受到持续抑制,偏相
关分析表明起抑制作用的主要是残留期比母体化合物更长的硫丹硫酸盐,这两种酶活性的抑制作用机理是否
类似于硫丹持续抑制固氮酶活性,还需要进一步研究。
Pearson相关分析表明,多酚氧化酶活性与 琢鄄、茁鄄硫丹、硫丹硫酸盐和硫丹二醇浓度间均呈显著正相关,而
偏相关分析显示多酚氧化酶活性与它们均无显著相关性,说明这 4 种化合物单独存在时对多酚氧化酶活性影
响较小,对酶活性的影响可能是它们共同作用的结果。 图 4 中 T2—T4 处理,硫丹含量越高,多酚氧化酶的活
性越强,其中 T3 和 T4 处理分别在培养 5—20 d 和 30 d 时显著激活多酚氧化酶活性。 Gianfreda 等[34]和周礼
恺[4]报道,含苯环的化合物能诱导和激活土壤中多酚氧化酶的活性,并促进该类化合物的氧化分解。 Chen
等[35]进一步证实,在一定条件下,土壤中多环化合物的浓度越大,多酚氧化酶的活性越强。 李钠等[36]研究表
明,含杂环的尼古丁和烟焦油能诱导胞内多酚氧化酶向胞外迁移,增加该酶的活性。 硫丹的分子结构中含有
两个五元碳环、一个六元碳环、一个七元杂环,这可能是 T3 和 T4 处理在培养初期可显著激活多酚氧化酶活性
的原因之一。 Defo等[8]的研究显示,硫丹可为某些微生物的生长提供碳源,增加了土壤中酶的活性,使得硫
丹处理初期多酚氧化酶被激活。 图 4 中 T2—T4 处理对多酚氧化酶活性最终都起抑制作用,可能与硫丹的高
毒代谢产物硫丹硫酸盐的积累有关,除第 5 天和 20 天外,T1 处理显著抑制多酚氧化酶活性的原因还有待进
一步研究。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 15 Aug. ,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
A review on the application of remote sensing in mangrove ecosystem monitoring
SUN Yongguang, ZHAO Dongzhi, GUO Wenyong, et al (4523)
………………………………………………………
……………………………………………………………………
Urban metabolism process based on emergy synthesis: Theory and method LIU Gengyuan, YANG Zhifeng, CHEN Bin (4539)……
Theoretical considerations on ecological civilization development and assessment ZHAO Jingzhu (4552)………………………………
Autecology & Fundamentals
Assemblage composition and distribution of meiobenthos in the Yangtze Estuary and its adjacent waters in autumn鄄winter season
Yu Tingting, XU Kuidong (4556)
……
……………………………………………………………………………………………………
Ecological distribution and nutrient limitation of phytoplankton in adjacent sea of Guanhe Estuary in spring
FANG Tao, HE Xinran, FENG Zhihua, et al (4567)
…………………………
………………………………………………………………………………
The distribution of urea concentrations and urease activities in the coastal waters of Hainan Island during the spring
HUANG Kaixuan, ZHANG Yun, OU Linjian, et al (4575)
…………………
………………………………………………………………………
Effects of simulated acid rain on growth and bleeding sap amount of root in Quercus mongolica
LIANG Xiaoqin,LIU Jian,DING Wenjuan,et al (4583)
………………………………………
……………………………………………………………………………
Allelopathic effects of organic acid allelochemicals on melon ZHANG Zhizhong, SUN Zhihao, CHEN Wenhui, et al (4591)………
Fraction changes of oxidation organic carbon in paddy soil and its correlation with CH4 emission fluxes
WU Jiamei, JI Xionghui, HUO Lianjie,et al (4599)
………………………………
………………………………………………………………………………
Changes of soil nitrogen types and nitrate accumulation in vegetables with single or multiple application of dicyandiamide
WANG Huangping, ZHANG Qing, WENG Boqi, et al (4608)
……………
……………………………………………………………………
Comparison of isolation rate of mycobacteriophage in the different type soils
XU Fengyu,SU Shengbing, MA Hongxia, et al (4616)
……………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Effects of different acidity acid rain on yield, protein and starch content and components in two wheat cultivars
BIAN Yajiao, HUANG Jie, SUN Qisong, et al (4623)
………………………
……………………………………………………………………………
The causes of Gentiana straminea Maxim. seeds dormancy and the methods for its breaking
LI Bingbing, WEI Xiaohong, XU Yan (4631)
…………………………………………
………………………………………………………………………………………
Physiological responses of four golden鄄leaf trees to SO2 stress CHONG Peifang, SU Shiping (4639)…………………………………
Influence of endosulfan and its metabolites on enzyme activities in purple soil
XIONG Bailian, ZHANG Jinzhong, DAI Juan, et al (4649)
…………………………………………………………
………………………………………………………………………
Population, Community and Ecosystem
Seasonal dynamics of food web energy pathways at the community鄄level XU Jun, ZHOU Qiong, WEN Zhourui, et al (4658)………
Population dynamics of Niviventer confucianus in Thousand Island Lake ZHANG Xu, BAO Yixin, LIU Jun, et al (4665)……………
Soil ecological stoichiometry under different vegetation area on loess hilly鄄gully region
ZHU Qiulian, XING Xiaoyi, ZHANG Hong, et al (4674)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………
Adaptation strategies of reproduction of plant community in response to grassland degradation and artificial restoration
LI Yuanyuan, DONG Shikui, ZHU Lei,et al (4683)
………………
………………………………………………………………………………
Effect of different Cunninghamia lanceolata plantation soil qualities on soil microbial community structure
LIU Li,XU Mingkai,WANG Silong,et al (4692)
……………………………
……………………………………………………………………………………
Effects of different maize hybrids (inbreds) on the growth, development and population dynamics of Rhopalosiphum maidis Fitch
ZHAO Man, GUO Xianru, LI Weizheng, et al (4707)
…
……………………………………………………………………………
Effects of forest canopy structure on understory vegetation characteristics of Funiu Mountain Nature Reserve
LU Xunling,DING Shengyan,YOU Li,et al (4715)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Influence of restoring cropland to grassland on dung beetle assemblages in Wuchuan County, Inner Mongolia, China
LIU Wei, MEN Lina, LIU Xinmin (4724)
………………
…………………………………………………………………………………………
Cu and nutrient deficiency on different effects of growth, tolerance and mineral elements accumulation between two Elsholtzia
haichouensis populations KE Wenshan, CHEN Shijian, XIONG Zhiting, et al (4737)……………………………………………
Measurement and retrieval of leaf area index using remote sensing data in Kanas National Nature Reserve, Xinjiang
ZAN Mei, LI Dengqiu, JU Weimin, et al (4744)
…………………
…………………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
An spatial ecosystem services approach based on LUCC: a case study of Ganzhou district of Zhangye City
LIANG Youjia,XU Zhongmin,ZHONG Fanglei,et al (4758)
……………………………
………………………………………………………………………
Spatiotemporal characteristics of Spartina alterniflora marsh change in the coastal wetlands of Yancheng caused by natural
processes and human activities ZHANG Huabing, LIU Hongyu, Hou Minghang (4767)…………………………………………
Process analysis and evaluation of wetlands degradation based on PCA in the lakeside of Napahai, Northwest Yunnan Plateau
SHANG Wen, YANG Yongxing, HAN Dayong (4776)
………
……………………………………………………………………………
On eco鄄security evaluation in the Tumen River region based on RS&GIS NAN Ying, JI Zhe,FENG Hengdong, et al (4790)………
Evaluation and simulation of historical range of variability of forest landscape pattern in Huzhong area
WU Zhifeng, LI Yuehui, BU Rencang, et al (4799)
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Effects of precipitation timing on aboveground net primary productivity in inner mongolia temperate steppe
GUO Qun, HU Zhongmin, LI Xuanran, et al (4808)
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Research Notes
Litter production and decomposition of different forest ecosystems and their relations to environmental factors in different climatic
zones of mid and eastern China WANG Jianjian, WANG Yongji, LAI Liming, et al (4818)……………………………………
2315 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
国内邮发代号:82鄄7,国外邮发代号:M670
标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 摇 CN 11鄄2031 / Q
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 15 期摇 (2013 年 8 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 33摇 No郾 15 (August, 2013)
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