3种硝化抑制剂对小麦幼苗生长毒性的比较

奉小忧，曾清如，皮荷杰，王文，孙毓临，张伟华，廖建宇

湖南农业大学资源环境学院，长沙410128

3种硝化抑制剂对小麦幼苗生长毒性的比较

奉小忧，曾清如*，皮荷杰，王文，孙毓临，张伟华，廖建宇

湖南农业大学资源环境学院，长沙410128

在土壤（山西土）中加入不同种类、不同浓度的硝化抑制剂（氢醌、硫脲、双氰胺），研究了其对小麦发芽势、发芽率和幼苗生长的影响.结果表明：双氰胺对小麦发芽势和发芽率的抑制作用不明显，硫脲对小麦发芽势和发芽率有一定的抑制作用，而氢醌对小麦发芽势和发芽率抑制明显；双氰胺和氢醌对小麦幼苗生长的影响不大，而硫脲能显著降低小麦幼苗的根长、茎长、根重和茎重；双氰胺对小麦种子和幼苗毒性相对较小，硫脲毒性相对较大，小麦的根重、茎重和根伸长可以作为硫脲对小麦危害的敏感指标.

硝化抑制剂；发芽率；小麦；抑制率

Abstract： Laboratory investigations were conducted to study the influence of threetypesofnitrification inhibitors（hydroquinone,thiourea and dicyandiamide）on seed germination and growth of wheat.Results showed that dicyandiamide had little effect on seed germination while thiourea inhibited the seed germination to a certain extent,and hydroquinone retarded the germination of wheat seeds significantly.The pot experiment indicated that hydroquinone and dicyandiamide had little influence on wheat growth while thiourea could reduce length and strength of root and stem significantly. Hydroquinone had low toxicity to seed germination and growth of wheat,while thiourea demonstrated high toxicity.The root length,height and stem height could be used as the sensitive indexes of effects of thiourea on wheat.

Keywords：nitrification inhibitor；seed germination；wheat；inhibition rate

1 引言（Introduction）

氮肥对农业生产十分重要，但普通氮肥也有两个不可忽视的缺点，一是肥效过猛，所以施肥必须少量多次；二是损失严重，即使精心管理，普通氮肥的利用率也一般只有50%～70%左右（许超等，2004）.为了克服氮肥的上述缺点，许多国家已着手使用硝化抑制剂（Nitrification inhibitor），即氮肥增效剂.研究表明，从土壤中氮素的生物化学转化过程入手，通过硝化抑制剂的施用来调控氮素转化，减缓硝化过程，是实现氮肥高效利用的有效手段（陈振华等，2005;Clough et al.,2007;Moir et al.,2007）；此外，在减少硝酸盐淋溶损失和氮氧化物排放方面，硝化抑制剂也具有显著作用（Clough et al., 2007; Di and Cameron, 2005; 2006; Menendez et al.,2006）.硝化反应过程被抑制后，氮肥将长时间以NH4+的形式存在于土壤中，从而避免了高浓度NO2-和NO3-的出现，达到减少NO2-和NO3-淋溶损失及反硝化过程中N2O释放的目的（Amberger et al.,1989）.同时，有研究报道，硝化抑制剂在提高肥效和减少环境污染的同时，还能改善作物品质（Pasda et al.,2001;许超等，2004）.

迄今为止，世界各国对硝化抑制剂的研究报道不少，尽管已发现的具有硝化抑制效应的化合物较多，但真正能够在农业生产中大规模应用的理想硝化抑制剂品种还非常有限.目前已开发的硝化抑制剂主要有：硫脲、乙炔、双氰胺，3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）等.硝化抑制剂在发挥其正面作用同时，也可能会对土壤动植物和微生物等产生毒害作用.如王文等（2009）发现高浓度（5mmol·kg-1）硫脲可对花生植株和根系产生明显抑制作用，可导致叶绿素、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性显著降低，丙二醛（MDA）含量显著升高.目前有关硝化抑制剂的研究多集中在对其效果的研究（许超等，2003;徐星凯和周礼恺，2000），有关其对作物的毒性效应研究较少，通过研究其对作物的负面作用，筛选理想的硝化抑制剂品种具有非常重要的意义.本文研究了3种硝化抑制剂（硫脲、氢醌、双氰胺）对小麦发芽率和小麦幼苗生长的影响，初步探讨了这3种硝化抑制剂对作物的毒性效应，筛选了对小麦毒性较小的硝化抑制剂品种.

2 材料与方法（Materials and methods）

2.1 材料

2.1.1 供试土壤

土样取自山西运城，类型为黄土.自然风干后磨碎，过10目筛备用.土壤基本理化性质如表1所示.

表1 土壤基本理化性质Table 1 The physical and chemical nature of soil

2.1.2 供试种子

供试小麦（Triticum aestivum Linn）种子型号为鄂麦14.

2.1.3 主要试剂

双氰胺（纯度99.5%），购自上海凌峰化学试剂有限公司.硫脲（纯度 99.0%）、氢醌（纯度99.0%）、尿素（纯度98.5%）和磷酸二氢钾（纯度99.5%），均购自天津金汇太亚化学试剂有限公司.

2.2 实验内容

2.2.1 硝化抑制剂对小麦种子发芽势和发芽率的影响

通过预备实验确定3种硝化抑制剂的浓度梯度.硫脲、氢醌、双氰胺浓度系列均为0.0、2.5、5.0、10.0、20.0mmol·L-1.小麦种子用 6%的 H2O2消毒5min，阴干备用.用上述浓度梯度的各硝化抑制剂于（28±1）℃在干净的250mL烧杯中浸泡小麦种子24h，然后，用去离子水冲洗种子，晾干，分置于底部垫有两张滤纸的培养皿（Φ150×15mm）中，每个培养皿放置20粒种子，加30mL对应的溶液，放到人工气候箱中培养，保持温度（28±1）℃，湿度为80%.第3d记录发芽势，第7d记录发芽率（以胚芽长度达到种子一半，根长与种子等长作为种子发芽的判断标准（莫测辉等，1997））.每个处理设3个平行.

2.2.2 硝化抑制剂对小麦生长的影响

每种硝化抑制剂配制4个浓度（蒸馏水配制），加一定量N（尿素）、P（磷酸二氢钾）、K（磷酸二氢钾）一起配制成储备液待用.称取土样140g于200mL塑料烧杯中，分别均匀添加上述储备液35mL，使土壤中的N、P、K含量分别为0.42、0.1、0.1g·kg-1（土），3种硝化抑制剂的浓度梯度分别为0.0、1.0、2.5、5.0mmol·kg-1（土）.添加蒸馏水，保持其湿度为最大田间持水量的70%，放入（25± 1）℃气候箱中平衡24h.

用蒸馏水将小麦浸种24h，放入人工气候箱中催芽2～3d后取出，挑取种粒饱满，发芽长度基本一致的种子，播种于上述平衡后的土中，光照9h/黑暗 15h培养.14d后将小麦拔出用蒸馏水洗干净，晾干，分别用钢尺测其株高和根长，称其株重和根重.每个处理设3个平行.

2.3 分析方法

土壤基本理化性质分析方法参照鲁如坤（1999）的方法.

发芽势和发芽率根据如下公式计算（杨持，2003）：

2.4 数据处理

数据采用Excel软件处理，方差分析利用SPSS 11.5数据统计软件，按照one-way ANOVA方法进行分析.

3 结果与分析（Results and analysis）

3.1 硝化抑制剂对小麦发芽势和发芽率的影响

用双氰胺浸泡种子之后，小麦种子的颜色基本没有变化，和对照差异不大.而用硫脲浸泡之后，小麦种子有变黄现象，且随硫脲浓度的增大黄色明显加深.氢醌浸泡后，小麦种子的颜色变黑，随氢醌浓度的增大黑色明显加深.

3种硝化抑制剂对小麦发芽势的影响如图1所示.由图1可见，加入双氰胺后，与对照组相比，小麦发芽势略有下降，且随浓度的升高变化规律不显著，表明双氰胺对小麦发芽势的影响较小.加入硫脲后，小麦发芽势明显降低，且具有一定的剂量-效应关系，表明硫脲对小麦发芽势具有一定影响.加入氢醌后，小麦发芽势显著降低，浓度为2.5、5.0mmol·L-1时，发芽势分别降低了68.3%和83.3%，当浓度达到10.0、20.0mmol·L-1时，发芽势完全受到抑制，表明氢醌对小麦的发芽势具有显著影响.3种硝化抑制剂中氢醌对发芽势的影响最大，这可能是因为醌类是一种发芽抑制物质（余叔文，1992），抑制了种子吸胀过程中SOD、POD、CAT等酶的活性，从而对小麦种子的萌发产生毒害.

图1 3种硝化抑制剂对小麦发芽势的影响（不同字母表示与对照组差异显著，p＜0.05；相同字母表示与对照组差异不显著，p＞0.05）Fig.1 Effects of three nitrification inhibitors on germinating energy of wheat seed（Different letters indicate significant differences compared with the control,p＜0.05）

3种硝化抑制剂对小麦发芽率的影响如图2所示.从图2可以看出，3种硝化抑制剂对小麦发芽率的影响规律与对发芽势的影响基本一致.

图2 3种硝化抑制剂对小麦发芽率的影响（不同字母表示与对照组差异显著，p＜0.05；相同字母表示与对照组差异不显著，p＞0.05）Fig.2 Effects of three nitrification inhibitors on seed germination（Different letters indicate significant differences compared with the control,p＜0.05）

3.2 硝化抑制剂对小麦幼苗生长的影响

对照组小麦幼苗株高正常，叶片长，根系发达，侧根多，主根长；氢醌和双氰胺组小麦幼苗植株正常，叶片长，叶尖稍有发黄现象，主根长度有所下降，侧根多；硫脲组小麦幼苗株高矮小，叶片短，叶尖有发黄枯萎现象，主根长度有明显的下降，侧根减少.

3.2.1 硝化抑制剂对小麦根长和茎长的影响

3种硝化抑制剂对小麦根长和茎长的影响如表2所示.氢醌和硫脲显著降低了小麦根的长度（p＜0.05）.当土壤中含量为1.0、2.5和5.0mmol·kg-1时，氢醌处理下，小麦根长分别降低了8.1%、 15.1%和43.8%；硫脲处理下，小麦根长分别降低了8.4%、48.3%和74.7%.表明氢醌和硫脲在本文所选浓度范围内对小麦幼苗均具有明显毒害作用，且随浓度的增加毒害作用增大.这与小麦发芽实验得出的结论基本一致.双氰胺对小麦根长的影响相对较小，低浓度组与对照相比无显著差异.

与根长类似，双氰胺处理下，小麦茎长与对照相比均无显著差异.而氢醌和硫脲均可导致小麦茎长显著降低.

表2 3种硝化抑制剂对小麦根长和茎长的影响Table 2 Effects of three nitrification inhibitors on the root and stem length of wheat

3.2.2 硝化抑制剂对小麦根重和茎重的影响

双氰胺和氢醌对小麦根重和茎重的抑制作用不明显.而添加硫脲后，小麦的根重和茎重均有极显著下降，1.0、2.5和5.0mmol·kg-1组根重和茎重分别比对照降低了 36.4%、50.0%、77.3%和30.4%、52.4%、75.4%.表明硫脲对小麦根重和茎重均具有显著抑制作用.

表3 3种硝化抑制剂对小麦根重和茎重的影响Table 3 Effects of three nitrification inhibitors on the root and stem weight of wheat

3.3 硝化抑制剂对小麦发芽和幼苗生长影响的回归分析

3种硝化抑制剂对小麦发芽和幼苗生长影响的回归分析如表4所示.小麦的根长、茎长、根重和茎重均与硫脲浓度呈显著负相关.表明随着硫脲浓度的升高，小麦幼苗各项指标均受到显著抑制，且呈一定剂量-效应关系.除根长外，小麦幼苗各项指标与氢醌和双氰胺浓度均无显著相关性.综合发芽率、根长和茎长、根重和茎重研究结果，双氰胺对小麦种子和幼苗毒性相对较小，硫脲毒性相对较大，小麦各项生理指标对硫脲最为敏感.

氢醌对小麦种子发芽的抑制显著而对小麦幼苗的影响不大，这可能是因为氢醌影响种子的发芽主要是影响种子吸胀过程中各种酶的活性，而对萌发后的小麦幼苗没太大的影响（徐星凯和周礼恺，2000）.硫脲对小麦幼苗生长的毒性效应最显著，可能是因为硫脲在本实验条件下的硝化抑制作用明显，使得土壤中的氮肥长时间的以NH4+的形式保存，而作物对NH4+的吸收会伴随有大量的H+的释放，导致作物的根际周围变酸，从而影响了土壤微生物的活动以及增加降低了对K+、Ca2+、Mg2+的吸收，进而影响了作物的生长（Todd,1974）.将作物苗期生理指标作为污染物临界指标制定依据的研究，国内外开展较少，林匡飞等（2004）提出可以用水稻地上部干重作为土壤硒污染的敏感指标.本文中小麦各项生理指标与硝化抑制剂浓度之间的回归分析表明，小麦的根重、茎重和根伸长可以作为硫脲对小麦危害的敏感指标.

表4 3种硝化抑制剂浓度（x）对小麦生理指标（y）的回归分析Table 4 Regression analysis between three nitrification inhibitor concentrations（x）and physiological indexes（y）of wheat

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Comparison of Toxicity Induced by Three Nitrification Inhibitors on Wheat

FENG Xiao-you，ZENG Qing-ru*，PI He-jie，WANG Wen，SUN Yu-lin，ZHANG Weihua，LIAO Jian-yu
College of Hunan Agricultural University,Hunan Agricultural University,Changsha 410128

1673-5897（2010）2-268-06

S143.1+6，S512.1

AReceived 6 June 2009 accepted 29 July 2009

曾清如（1964—），男，湖南邵阳人，湖南农业大学教授，博士生导师.主要研究方向：环境污染化学.

2009-06-06 录用日期：2009-07-29

国家自然科学基金项目（No.30770389）

奉小忧（1984─），女，硕士研究生；*通讯作者（Corresponding author），E-mail:qrzeng@163.com