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Eco-toxicological effect of fenvalerate on soil urease activity in subtropical orchards

杀灭菊酯对亚热带果园红壤脲酶活性的生态毒理效应



全 文 :中国生态农业学报 2008 年 11 月 第 16 卷 第 6 期
Chinese Journal of Eco唱Agriculture,Nov.2008,16(6):1504唱1507   
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2008.01504
 
杀灭菊酯对亚热带果园红壤脲酶活性的生态毒理效应倡 倡
傅丽君1,2 杨文金1,2 韦杨烨1 张虹萍1
(1.莆田学院环境与生命科学系 莆田 351100; 2.生态环境及其信息图谱福建省高等学校重点实验室 莆田 351100)
摘 要 通过模拟方法,系统研究杀灭菊酯对亚热带果园红壤脲酶活性的影响。 结果表明:杀灭菊酯对土壤
脲酶活性表现出先激活后抑制趋势,处理前 3 d土壤脲酶活性升高,处理 3 d后土壤脲酶活性受到抑制,7 d后
低于对照水平;激活、抑制程度与处理浓度呈正相关。 底物(尿素)浓度饱和前,土壤脲酶活性随尿素浓度增加
而升高。 模型 U =β0 +β1 ×C能较好拟合土壤脲酶活性(U)和尿素浓度 (C)、杀灭菊酯浓度 (C)之间关系,揭
示出土壤酶促反应过程存在吸附 -解吸的机制,证实不同肥力土壤脲酶活性受杀灭菊酯影响差异较大,高肥
力土壤对土壤脲酶活性具有一定的缓冲作用,受杀灭菊酯影响较小。
关键词 亚热带 果园红壤 脲酶活性 杀灭菊酯 底物(尿素)浓度 作用时间
中图分类号:S154.2  文献标识码:A  文章编号:1671-3990(2008)06-1504-04
Eco唱toxicological effect of fenvalerate on soil urease activity in subtropical orchards
FU Li唱Jun1,2, YANG Wen唱Jin1,2, WEI Yang唱Ye1, ZHANG Hong唱Ping1
(1.Department of Environment and Life Sciences, Putian University, Putian 351100, China;
2.Key Laboratory for Ecological Environment and Information Atlas of Fujian Province University, Putian 351100, China)
Abstract Through simulation, the effect of fenvalerate on red soil urease activity in subtroptical fruit gardens was investigated.
The results show that soil urease activity in the first three days is increased and followed by inhibition, after seven days it is lower
than the control.The degree of activation and inhibition is directly related with fenvalerate concentration.As the reaction concen唱
tration of substrate (urea) is below the saturation, urease activity improves with the increase of urea concentration.The relation唱
ship between soil urease activity (U) and urea concentration (C) as well as fenvalerate concentration (C) can be expressed in
the given regression model as: U =β0 +β1 ×C .This implies that adsorption and desorption are the basic mechanisms of soil reac唱
tion catalyzed by urease; that soil fertility is an important element in the relationship between soil urease and fenvaleraten; thus
soils with higher fertility amortizes the effect of fenvalerate on soil urease and therefore less affected by fenvalerate.
Key words Subtropical, Red soil fruit garden, Urease activity, Fenvalerate, Substrate (urea) concentration, Reaction time
(Received Dec.10,2007; accepted Feb.25,2008)
  杀灭菊酯(Fenvalerate)又名氰戊菊酯、速灭杀
丁、速灭菊酯、敌虫菊酯,也称速灭虫净,化学名为
α-氰基 -3 -苯氧苄基(R,S) -2 -(4 -氯苯基)
-3 -甲基丁酸酯,是 20 世纪 70 年代研发的农药新
品种,属拟除虫酯类杀虫剂,杀虫谱广,但对螨类无
效,对天敌无选择性,是果园中最常用的杀虫剂 [1] 。
目前欧盟发布的修订菊酯类农药的最高残留限量
越来越低,杀灭菊酯最高残留限量由 1 mg· kg -1改
为 RR 和 SS 异构 体/RS 和 SR 异 构 体 0.05
mg· kg -1 +0.05 mg· kg -1(0.1 mg· kg -1 ), 标准
严格了 10 倍 [2] 。 土壤脲酶是惟一可转化尿素肥料
的土壤酶类,活性高低与土壤营养物质转化能力、
肥力水平、污染程度诊断与监测密切相关 [ 3 -6] 。 大
量使用化学药剂可能会影响土壤肥力、土壤营养循
环和农产品品质,造成一系列环境生态问题,目前
有关杀灭菊酯生态毒理方面的研究尚未见报道。
为此,本研究采用模拟方法,探讨不同肥力条件下
杀灭菊酯对土壤脲酶活性的影响,从而了解其对土
壤肥力的影响,以为经济合理使用该农药及提高尿
素利用率和减少环境污染提供依据。
倡 福建省自然科学基金( Z0516048) 、福建省教育厅课题( JA06038)和莆田市科技重点项目(2005S02)资助
傅丽君(1975 ~) ,女,博士,讲师,主要从事生态学方向研究。 E唱mail: lijun_fu@ sina.com
收稿日期:2007-12-10   接受日期:2008-02-25
第 6期 傅丽君等:杀灭菊酯对亚热带果园红壤脲酶活性的生态毒理效应
1 材料与方法
1.1 试验材料
采样地果园为位于莆田常太镇利车村的枇杷
园,该园于每年 4 月下旬 ~5 月上旬施用 20%杀灭
菊酯乳油(上海化学农药厂)4 000 倍液防治枇杷瘤
蛾等鳞翅目害虫。 于施药 1 个月后梅花形采样采
集 0 ~20 cm 的表层土壤,土样自然风干后过 1 mm
筛,备用。 常规方法[ 7]测定的土壤理化性质为:有
机质 8.9 g· kg -1 ,全氮 0.38 g· kg -1 ,速效氮 37.5
mg· kg -1 ,有效磷 12.8 mg· kg -1,速效钾 105.80
mg· kg -1 ,有效硼 0.08 mg · kg -1 ,Ca 461 mg ·
kg -1 , Fe 44.97 mg · kg -1, Mn 628 mg · kg -1 ,
Zn 4.60 mg· kg -1 。
1.2 试验方法
1.2.1 杀灭菊酯用量对土壤脲酶活性的影响
取 10 g 风干土若干份,置于 100 mL容量瓶中,
加入 1.5 mL 甲苯,轻摇 15 min 后,加入 20 mL 2%
尿素溶液,然后向容量瓶中分别加入 20%杀灭菊酯
乳油 0.1 mL、0.2 mL、0.3 mL、0.4 mL,配成不同质
量浓度的农药溶液,再加入 pH 6.7 的柠檬酸缓冲
液 10 mL。 摇匀后 37 ℃培养 24 h,测定脲酶活性,
并设无底物(尿素溶液)和无土壤处理作为对照,试
验设 3 组重复。
1.2.2 培养时间对土壤脲酶活性的影响
取风干土 10 g 若干份,加入不同量的 20%杀灭
菊酯乳油,使其在土样中浓度达到 0、10 mg· kg -1 、
100 mg· kg -1和 1 000 mg· kg -1 ,再加入适量蒸馏
水和 20 mL 2%尿素溶液,使土样达到最大含水量
的 60%,于 37 ℃下培养 0、1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、
35 d,测定脲酶活性,设无底物(尿素溶液)和无土
壤处理作为对照,试验设 3 组重复。
1.2.3 底物(尿素)浓度对土壤脲酶活性的影响
10 g 土样中加入 1.5 mL甲苯混匀,静置 15 min
后,分别添加 5.0 mL 不同浓度(0、0.1 mg· L – 1 、
0.2 mg· L – 1 、0.3 mg· L – 1 、0.4 mg· L – 1 、0.5
mg· L – 1) 杀灭菊酯溶液 30 min 后,加入 5.0 mL
不同浓度 (0.020 mol · L – 1 、0.050 mol · L – 1 、
0.100 mol· L – 1 、0.200 mol · L – 1 )尿素溶液和
20.0 mL pH 6.7 磷酸盐缓冲液,共计 24 个处理, 37
℃水浴培养 24 h 后取样测定土壤脲酶活性。
1.3 脲酶活性测定与数据计算
土壤脲酶活性测定采用靛酚蓝比色法[8] ,并计
算脲酶活性抑制率:
脲酶活性抑制率(%) =(A -B) /A ×100% (1)
式中,A 为不加农药土壤脲酶活性,B 为加农药土壤
脲酶活性。其正值和负值分别表示抑制和激活作
用。在 DPS 数据处理软件上进行脲酶活性与农药浓
度之间线性关系的分析。
2 结果与分析
2.1 杀灭菊酯对土壤脲酶活性的影响
不同杀灭菊酯用量下土壤脲酶活性见表 1。 由
表 1 可知,杀灭菊酯施用 24 h 后脲酶活性明显升
高,且与杀灭菊酯浓度呈正相关,即杀灭菊酯对脲
酶活性表现出激活作用。 对表 1 测定结果进行回
归分析,得到杀灭菊酯用量与脲酶活性的回归方程
为: y =6.467 +1.231x ( r =0.956 4倡倡 ),相关性
达显著水平,说明脲酶活性在一定程度上可表征杀
灭菊酯对果园土壤污染的程度。
表 1 不同用量杀灭菊酯处理对土壤脲酶活性的影响
Tab.1 Effects of fenvalerate at different concentrations on soil urease activity
项目
Item
20%杀灭菊酯用量 Dose of 20% fenvalerate (mL)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
脲酶活性 Urease activity (U) 6.36 6.67 6.78 6.86 6.93 7.05
抑制率 Inhibitation rate(%) - -4.87 -6.60 -7.86 -8.96 -10.85
  脲酶活性的单位 U 为 mg(NH +4 唱N) · g -1 (干土) · 24h -1 ,下同。 The unit of urease activity ( U) is mg(NH +4 唱N) · g -1 ( dry soil) · 24h -1.
The same below.
  杀灭菊酯不同作用时间对土壤脲酶活性的影
响见图 1。 图 1 表明,10 mg· kg -1 、100 mg· kg -1和
1 000 mg· kg -1杀灭菊酯处理的土壤脲酶活性,与
对照相比呈现先激活后抑制趋势。 施药初期(1 d)
土壤脲酶活性就表现出一定程度的激活,且浓度越
高激活作用越明显;随着时间推移(3 d 以后),土壤
脲酶活性受到抑制,抑制程度亦与处理浓度成正相
关;第 7 d 开始各处理低于对照水平。 说明采用土
壤脲酶活性作为杀灭菊酯对土壤生态毒理学评价
指标时,观察添加杀灭菊酯 3 d 后土壤脲酶活性的
变化是最重要的;同时也表明土壤成分对外来污染
物(杀灭菊酯)具有一定的缓冲作用,但缓冲能力有
限,高浓度的杀灭菊酯会较大程度地改变土壤生态
环境,最终影响植物生长。
2.2 底物(尿素)浓度对土壤脲酶活性的影响
在 10 ~60 ℃温度范围内, 土壤脲酶活性变化
规律类似,为更清楚地了解底物尿素浓度对脲酶活
性的影响,选取 37 ℃的脲酶活性进行研究。 图 2 表
5051
中国生态农业学报 2008 第 16卷
图 1 不同浓度杀灭菊酯对土壤脲酶活性的影响
Fig.1 Effects of fenvalerate of different concentrations on
urease activity at different time
图 2 不同底物(尿素)浓度下杀灭菊酯对土壤
脲酶活性的影响
Fig.2 Effect of fenvalerate on soil urease activity under
different substrate (urea) concentrations
明土壤脲酶活性随底物(尿素)浓度的增加而增加,
且随杀灭菊酯浓度的增加变化辐度越来越小,但与
杀灭菊酯浓度呈正相关。 0.020 mol· L -1尿素浓
度的对照处理组脲酶活性为 4.26 mg(NH +4 -N) ·
g -1 (干土) · 24h -1 ,当尿素浓度为 0.050 mol·
L -1 、0.100 mol· L -1 、0.200 mol· L -1时,脲酶活
性分别增加 35.92%、43.90%、84.74%,表明尿素
浓度饱和前土壤脲酶活性随尿素浓度增加而升高。
由于土壤酶促反应过程存在吸附 -解吸的机
制[ 9,10] ,故采用 U =β0 +β1 ×C 模型对土壤脲酶活
性(U)和尿素浓度 (C)进行线性拟合。 β0 为不添
加杀 灭 菊 酯 时 的 土 壤 酶 活 性; β1 表 征 改 变
1 mol· L -1尿素浓度时土壤脲酶活性的变化值,将
其称为尿素浓度对脲酶活性的贡献率。 土壤脲酶
活性与尿素浓度的线性拟合结果见表 2。
从表 2 可以看出,各杀灭菊酯用量下,土壤脲
酶活性与尿素浓度的相关性均达显著或极显著水
平,说明拟合式能够较好表征土壤脲酶活性和尿素
浓度间的定量关系;尿素浓度贡献率均大于零,说
明在供试浓度范围内,尿素对土壤脲酶活性具有正
效应,主要是土壤脲酶含量较高的缘故;除 0.5 mL
杀灭菊酯处理外,尿素浓度贡献率以对照组最小。
说明在一定浓度范围内,高浓度杀灭菊酯对土壤脲
酶活性表现出较强的激活作用。 从机理上分析,土
壤脲酶大部分是以吸附态固定在土壤有机无机复
合体上[11] ,作为底物的尿素只有吸附到土壤颗粒上
并和活性部位结合才能完成整个酶促反应,即脲酶
复合体与尿素间存在着吸附机制,因此该模型是可
行的。 同时在酶促反应中,随尿素浓度增加,酶活
性中心饱和度增大,酶活性升高。 但由于尿素饱和
是一个渐进过程,加之土壤结构、酶结构及构象等
对尿素的位阻效应,很难完全饱和脲酶活性中心,
同时产物的形成又会抑制酶促反应,故在试验条件
下很难得到某一条件下的最大脲酶活性。
表 3 结果表明:β1 值均大于零,进一步证实了
在供试底物浓度范围内,杀灭菊酯浓度对土壤脲酶
活性具有一定正效应,即短时间杀灭菊酯处理会激
活土壤脲酶活性。 方程的相关系数在 4 组不同底
物浓度下为 0.987 9倡倡 、 0.991 2倡倡 、 0.983 0倡倡 、
0.992 4倡倡 ,均达到极显著正相关,即杀灭菊酯的施
用会较大程度地改变土壤生态环境。 该模型进一
表 2 不同杀灭菌酯用量下土壤脲酶活性与尿素浓度的线性关系
Tab.2 Regression equations between soil urease activity and urea concentration under different fenvalerate doses
杀灭菊酯用量
Dose of fenvalerate (mL)
拟合方程 U =β0 +β1 ×C
Regression equation
相关系数
Correlation coefficient
0 U =4.681 6 +13.279 8C 0.949 7倡
0.1 U =4.923 0 +19.238 3C 0.979 4倡倡
0.2 U =5.459 1 +18.847 4C 0.952 2倡倡
0.3 U =6.273 1 +19.075 0C 0.968 0倡倡
0.4 U =7.101 1 +17.285 1C 0.912 1倡
0.5 U =8.352 5 +12.432 4C 0.953 0倡倡
  倡倡代表 1%显著水平, 倡代表 5%显著水平。 下同。 倡倡 and 倡 mean significant difference at 1% and 5% level respectively.The same below.
6051
第 6期 傅丽君等:杀灭菊酯对亚热带果园红壤脲酶活性的生态毒理效应
步证实脲酶活性在一定程度上能很好地表征土壤杀
灭菊酯污染程度。 随着尿素浓度增加, β1 总体呈增
大趋势,表明此模型可定量表征土壤脲酶活性与杀灭
菊酯用量间的关系,进一步佐证了此模型的合理性。
由拟合方程可计算土壤脲酶活性加倍时需要
的外源物质浓度,将其称为倍翻浓度 DIC (Double
Increasing Concentration)。 由表 3 可知随底物浓度
升高,土壤脲酶 DIC 值增大,证实了底物对脲酶的
保护及对杀灭菊酯毒性的缓冲作用,反映出底物浓
度水平较高,酶受杀灭菊酯的影响幅度较小。
表 3 不同底物(尿素)浓度下土壤脲酶活性与杀灭菊酯浓度的线性关系
Tab.3 Regression equations between soil urease activity and fenvalerate concentration under different substrate (urea) concentrations
尿素浓度
Urea concentration (mol· L -1 )
拟合方程 U =β0 +β1 ×C
Regression equation
相关系数
Correlation coefficient
倍翻浓度(DIC)
Double increasing concentration ( g· L -1 )
0.020 U =4.244 3 +7.002 9C 0.987 9倡倡 0.376
0.050 U =5.685 7 +7.657 1C 0.991 2倡倡 0.418
0.100 U =6.022 9 +7.108 6C 0.983 0倡倡 0.480
0.200 U =7.845 2 +7.105 7C 0.992 4倡倡 0.559
3 小结与讨论
不同浓度杀灭菊酯在处理初期(1 d)对土壤脲
酶活性呈不同程度的激活作用,且浓度越高激活作
用越明显,杀灭菊酯的这种激活作用在生产上有利
于尿素分解,提高尿素利用率,促进作物生长。 这
是由于果园经常施用杀灭菊酯后,长期驯化导致出
现大量耐杀灭菊酯的抗性菌株,因此土壤加入杀灭
菊酯初期微生物并未受到毒害,分泌的脲酶数量未
受到影响[ 12] ;另外,脲酶活性短暂升高可能与药剂
分解后增加碳源,提高微生物活性,使微生物细胞
合成酶的数量增加有关;高浓度杀灭菊酯能更长时
间提供微生物生长所需的碳源和能源,故而呈现出
更强的激活作用。 但随作用时间延长(至第 3 d),
土壤通气状况恶化,农药提供的碳源及土壤中其他
营养物质的消耗和有害产物的积累,使微生物和酶
活性降低,开始表现出抑制作用。
模型 U =β0 +β1 ×C 能较好拟合土壤脲酶活性
(U)和尿素浓度 (C)、杀灭菊酯浓度 (C)之间关
系,揭示出土壤酶促反应过程存在吸附 -解吸的机
制。 证实不同肥力土壤脲酶活性受杀灭菊酯影响
差异较大,高肥力土壤对土壤酶活性具有一定的缓
冲作用,受杀灭菊酯影响较小。 因此低肥力土壤需
减少杀灭菊酯使用量。
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