氯化苦熏蒸处理对土壤氮素和微量元素转化的影响

王前 黄斌 颜冬冬

摘要 利用室内培养试验研究农药市场使用广泛的氯化苦熏蒸剂对土壤氮素和微量元素转化的影响。结果表明，低中高三种浓度的氯化苦药剂熏蒸处理后均能显著增加土壤中无机氮总量和有效态锰素、钴素的含量，对无机氮的影响主要是增加土壤中铵态氮（NH+4-N）含量，而对硝态氮（NO-3-N）影响较小。相比于对照组，氯化苦低量、常量和高量处理后土壤中无机氮总量分别增加了17.25、30.8 mg/kg和34.16 mg/kg；氯化苦低量、常量和高量处理后土壤中有效态锰素含量分别增加了18.21、22.84 mg/kg和26.92 mg/kg；氯化苦低量、常量和高量处理后土壤有效态钴素含量分别增加了50.06、66.98 μg/kg和87.36 μg/kg。显然，氯化苦药剂熏蒸处理短期内会增加土壤中植物易于利用形态氮素、锰素和钴素含量，出现“肥料效应”。

关键词 熏蒸剂；氯化苦；氮素；微量元素；有效态

中图分类号： S 482.6

文献标识码： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2018078

Abstract Laboratory incubation was used to study the effects of chloropicrin on the transformation of soil nitrogen and trace elements， which was of wide application in pesticide market. The experimental results showed that low， standard and high concentrations of chloropicrin treatment significantly increased the total inorganic nitrogen content and available manganese and cobalt content in soil. Chloropicrin fumigation mainly had impact on the content of ammonium nitrogen （NH+4-N） and had little effect on nitrate nitrogen （NO-3-N） content in soil. Compared with the control group，

the total content of inorganic nitrogen in the soil treated with low， standard and high concentration of chloropicrin increased by 17.25 mg/kg， 30.8 mg/kg and 34.16 mg/kg， respectively.

The content of available manganese in the soil treated with low， standard and high concentration of chloropicrin increased by 18.21 mg/kg， 22.84 mg/kg and 26.92 mg/kg， respectively.

The content of available cobalt in the soil treated with low， standard and high concentration of chloropicrin increased by 50.06 μg/kg， 66.98 μg/kg and 87.36 μg/kg， respectively.

It is evident that chloropicrin fumigation treatment increased the available form of nitrogen， manganese and cobalt content in plants in the short term， which is called “fertilizer effect”.

Key words fumigation； chloropicrin； nitrogen； trace element； available

土壤熏蒸消毒作為一种防治保护地作物种植中病虫草害的技术，能够极为有效地控制连作条件下的土传病害[1-2]。溴甲烷曾作为一种药效极佳的土壤熏蒸剂在全世界范围广泛使用，但由于其对臭氧层的破坏作用而被逐渐淘汰[3]。近年来，随着溴甲烷被淘汰，一些相应的替代品和替代技术不断被开发利用以防治日益严重的土传病虫害[2，4]。这其中，氯化苦（chloropicrin， PIC）作为蔬菜、粮食和药材的熏蒸剂，在定植前使用能够高效地防治土传病害和地下害虫[5-6]。目前，氯化苦土壤熏蒸技术已经在包括美国、以色列、日本和欧洲各国在内的许多国家广泛推广使用[6-7]。世界范围内对氯化苦熏蒸后土传病虫害杀灭作用和作物增产作用的研究也越来越多[6-8]。氯化苦近年来在中国也得到了极为广泛的使用，目前已有报道氯化苦在许多作物上有很好的防治效果，例如草莓、生姜、黄瓜、番茄和许多观赏植物[8-10]。

氯化苦熏蒸剂具有极强的广谱性，使用氯化苦进行土壤熏蒸的过程中不可避免地会对土壤中多种非目标微生物的生长和生物活性物质产生影响[11]，改变整个土壤生态系统的微生物群落组成。而由于微生物是土壤氮素和微量元素等多种元素循环转化的主要动力，例如厚壁菌门、变形菌和放线菌等多种微生物种群均能够影响土壤中锰和钴等多种元素形态的转化[12-13]。

熏蒸处理显著影响土壤微生物种类、数量和群落活性的同时必然会影响土壤系统的结构和功能，尤其是土壤元素的转化过程[12-13]。已有的研究已经表明某些化学和物理灭菌方式会改变土壤氮素和几种土壤微量元素（主要是锰和钴）的形态转化[12，14-15]，但氯化苦熏蒸的相关研究仍少见报道。

熏蒸会显著影响土壤氮的矿化，抑制氨的氧化[14]。化学熏蒸和物理灭菌的方式同样会影响土壤中锰（Mn）和钴（Co）元素的形态转化，改变土壤中有效态锰和钴元素含量[15-16]。然而，氯化苦熏蒸对土壤元素转化过程尤其是氮素、锰元素和钴元素具体有哪些作用还尚未有详细研究。本试验旨在研究说明氯化苦熏蒸对氮素、锰素和钴素在土壤中的转化作用，对其有效性的影响，为更加合理地调整氯化苦熏蒸土地肥料使用的种类和数量以及评价氯化苦熏蒸对土壤生态环境的影响提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤为北京市延庆区大榆树镇连续种植番茄5年以上的0～20 cm深度的保护地土壤，其基本理化性质为含水量14.82%、有机质34.38 g/kg、速效钾163.51 mg/kg、pH为7.19。土壤采回后，剔除土壤中的杂物和残留根系，过2 mm筛后将土壤放置在恒定的室温环境中。为了保持土壤中的微生物活性，取回土壤处理后的样品于1个月之内用于氯化苦熏蒸试验。

供试熏蒸剂为99.5%氯化苦（PIC），大连染化集团有限公司；其他药品均为国产分析纯试剂。

1.2 方法

室内氯化苦土壤熏蒸处理方法：称取300 g土壤放入500 mL广口瓶中，按照表1中所示的药剂用量加入99.5%的氯化苦，不同剂量氯化苦熏蒸处理设置3个药剂浓度，同时设置一组不做任何药剂处理的对照，使用凡士林和保鲜膜密封后放置在25℃恒温培养箱中，每个处理设置3次重复。氯化苦低量、常量和高量3种浓度的用量及施药方法等详细数据记录见表1。封闭处理7 d后，将广口瓶置于通风橱下30 min，除去残留的药剂，之后再取样测定。

土壤中铵态氮和硝态氮用2 mol/L KCl浸提，使用氮素流动分析仪测定[14]。准确称取10.00 g处理后新鲜土壤，加入50 mL的2 mol/L KCl浸提液，在200 r/min和28℃恒温的条件下振荡30 min，过滤后使用流动分析仪检测溶液中铵态氮和硝态氮浓度。

土壤中有效态锰素（Mn）和钴素（Co）用DTPA浸提液提取，DTPA浸提液中含有0.1 mol/L的三乙醇胺（TEA）、0.01 mol/L的氯化钙（CaCl2）和0.005 mol/L的二乙烯三胺五乙酸（DTPA），并使用盐酸溶液调节pH至7.3±0.2。使用电感耦合等離子体质谱仪（ICP-MS）测定，型号为7700号安捷伦ICP-MS。取出部分处理后土样，在干净的环境下自然风干，准确称取10.00 g风干土样，加入20 mL的DTPA浸提液，在260 r/min和28℃恒温的条件下振荡16 h，然后在3 600 r/min的条件下离心10 min，将上清液过滤后使用ICP-MS测定微量元素浓度。

1.3 数据分析

采用SPSS 17.0软件进行数据统计分析，Duncan氏新复极差法进行差异显著性检验，差异显著性检验水平为P<0.05，用Origin 8.0绘图。

2 结果与分析

2.1 氮素变化

图1为3种浓度氯化苦处理后土壤中铵态氮（NH+4-N）和硝态氮（NO-3-N）的影响。由图1可知，低量、常量和高量的氯化苦熏蒸处理后土壤中氮累积矿化量均显著高于对照组（P<0.05）。熏蒸处理后土壤中无机氮总量（铵态氮与硝态氮含量之和）相比于对照组显著上升，对照组、低量氯化苦、常量氯化苦和高量氯化苦处理后无机氮总量分别为147.50、164.75、178.30 mg/kg和181.66 mg/kg。

不同浓度氯化苦熏蒸处理后土壤铵态氮变化如图1a所示，对照组土壤铵态氮含量（ammonium nitrogen concentration）为8.57 mg/kg；对比低量、常量和高量氯化苦3种不同浓度的处理方式，高量氯化苦熏蒸处理后土壤铵态氮的增加量最大，达到40.52 mg/kg；其次是常量氯化苦处理，为35.89 mg/kg；增加量最小的是低量氯化苦处理，只有30.27 mg/kg。低量和高量氯化苦处理后铵态氮含量变化同样差异显著（P<0.05）。而土壤硝态氮含量（nitrate nitrogen concentration）变化如图1b所示，不同浓度氯化苦处理相较于对照组则均未出现显著差异（P>0.05）。药剂熏蒸处理后会杀死土壤中的多种微生物，大多数的微生物种群受到抑制，这使得熏蒸过后微生物体内的有机氮会释放到环境中转化为无机氮，而这部分转化来的无机氮主要以铵态氮形态存在，从而能够增加土壤中无机态氮的含量，这与国际上DeNeve和Ruzo以及国内马涛涛等的研究结果一致[17-19]。

2.2 微量元素变化

图2为3种浓度氯化苦熏蒸处理对土壤中锰元素（Mn）的影响。由图2可见，3种浓度氯化苦熏蒸处理后土壤中的DTPA浸提有效态锰和钴元素含量出现了显著的变化。相比于对照组，3种浓度氯化苦处理后土壤有效态锰元素含量均出现显著增加，且高浓度药剂处理后有效态锰元素变化量显著大于较低浓度的药剂处理。低量、常量和高量的氯化苦处理后，与对照组相比较土壤有效态锰元素分别增加了18.21、22.84 mg/kg和26.92 mg/kg。这种土壤锰元素变化与Suda和Mcnamara等人使用溴甲烷、γ射线等灭菌方式得到的结果相同[15-16]，同样本研究表明氯化苦熏蒸处理显著活化了土壤中的锰元素，使得有效态锰元素的含量出现了显著的增加。

同样，3种浓度氯化苦处理后土壤有效态钴元素含量变化如图3所示，有效态钴元素含量出现了显著升高，并且浓度较高的氯化苦处理对土壤有效态钴元素含量的影响显著高于较低浓度的处理组。低量、常量和高量的氯化苦处理后，与对照组相比较土壤有效态钴元素分别增加了50.06、66.98 μg/kg和87.36 μg/kg。相比于溴甲烷等一些土壤熏蒸灭菌方式，结果表明氯化苦熏蒸同样会显著增加土壤中有效态钴元素的含量。氯化苦熏蒸对土壤钴元素的活化效果显著，且浓度越高的氯化苦处理对土壤钴元素的影响越大。

目前，已有许多研究表明土壤中锰元素和钴元素的形态转化跟土壤微生物的变化有很大的关系[13，15]。土壤中与锰和钴元素形态转化的微生物种类和种群数量的多少直接影响不同形态锰和钴元素的转化。氯化苦熏蒸杀灭了土壤中的多种微生物，大多数的微生物种群受到抑制，使得熏蒸过后微生物体内释放出部分微量元素和有机物质[15-16]。这些因素均会在不同程度上影响土壤中不同形态锰和钴元素之间的转化，增加土壤有效态锰和钴元素的含量。

3 讨论

土壤氮素的有机形态和无机形态之间转化的主要动力是土壤中参与氮素转化的多种微生物[20-21]。氯化苦药剂熏蒸处理后将土壤中的微生物杀死，并且由于氯化苦杀菌作用的广谱性，多数微生物均会被杀灭或被抑制[11，22]。室内熏蒸处理是一个较为封闭的系统，土壤系统内的氮素和微量元素总量是一定的，被杀灭的微生物会释放出一部分有机氮至土壤中转化为无机氮，这是土壤无机氮含量增加的一个原因。并且由于氯化苦对不同种微生物的杀灭和抑制作用不同，土壤有机氮和无机氮的转化平衡由于相关微生物的变化而被打破，使得土壤中无机氮含量在3种浓度的氯化苦药剂处理后均得到显著增加。氯化苦熏蒸后土壤中最适合植物吸收的无机氮素的增加显然是有利于熏蒸后地块作物生长的，所以氯化苦熏蒸处理后会出现熏蒸剂的“肥料效应”[19]。同样，氯化苦熏蒸后提高了氮素的利用率，这也能够更好地解释同样的条件下在氯化苦熏蒸后土壤中生长的作物长势更好，生长更旺盛，根系更发达。

相比于氮、磷、钾等一些大量元素，微量元素在土壤和整个自然环境中同样起到了极为重要的作用，维持整个生态系统的正常运行[23]。图2和图3表明氯化苦熏蒸能够显著增加土壤中有效态锰元素和钴元素含量，且浓度越高的氯化苦处理对锰和钴元素的影响越显著。已有许多研究报道了土壤锰和钴元素的形态变化受多种微生物调控，微生物通过分泌具有生物活性的有机物质来影响土壤中锰和钴元素的形态[13，24]。并且自然界中有大量的锰和钴元素在土壤中以锰氧化物的形态存在，微生物分泌释放出的有机物质对锰氧化物存在极大的影响[13，24]。氯化苦熏蒸土壤后，土壤中的多种微生物被杀灭，释放出有机物质会使得锰氧化物被破坏，从而使得吸附在锰氧化物上的锰和钴元素被释放到土壤中，增加了土壤中有效态锰和钴元素的含量。锰是植物不可缺少的必需营养元素，在植物体内参与植物生长代谢，有参与光合作用、作为多种重要酶的组成成分和促进氮素代谢等诸多作用[13，25]；钴是植物和动物生长必需的微量元素之一，在植物整个生命过程中起到举足轻重的作用，影响植物的固氮作用、光合作用以及乙烯（ETH）、生长素（IAA）和细胞分裂素（CTK）等植物激素的合成分泌[26-27]。氯化苦熏蒸后土壤有效态锰和钴元素的增加是对植物可利用形态锰和钴的补充，可见氯化苦熏蒸后在土壤中有效态锰和钴元素方面同样显示出肥料效应。氯化苦熏蒸能够同时增加土壤中有效态氮、锰和钴元素的含量，改变了土壤环境中元素的自然转化过程，短期内补充了植物易于吸收利用的有效态氮、锰和钴元素含量。

本研究进一步阐明了氯化苦熏蒸对土壤氮素的具体影响，并且首次分析明确了氯化苦熏蒸剂对土壤微量元素中锰素和钴素形态转化的作用。试验得出氯化苦熏蒸后在土壤氮素和微量元素方面显著出现肥料效应的结果，指导我们在农田氯化苦熏蒸后初期不必补充过多的氮肥和这几种微肥，使用肥料最好是在熏蒸揭膜一段时间之后，以免造成肥料的浪费和元素毒害。该研究结果为氯化苦熏蒸处理后田间作物根系发达、生长旺盛且产量增加等现象提供了理论支撑，进一步丰富了氯化苦熏蒸的肥料效应作用以及元素相关环境行为的熏蒸剂基础理论。

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（责任编辑：田 喆）