转基因抗虫玉米对根际土壤主要有机元素含量和酶活性的影响

梁晋刚 辛龙涛 栾颖 宋新元 张正光

摘要：为评估转基因抗虫玉米IE09S034对土壤生态系统的影响，开展转基因玉米IE09S034对土壤主要有机元素含量和酶活性影响的试验研究。连续2年，在玉米苗期、花期和成熟期，采用抖落法采集根际土壤样品，通过室内测定，分析转基因玉米IE09S034对根际土壤含水量、pH值、主要有机元素含量和酶活性的影响。结果表明，转基因玉米IE09S034较对应的非转基因玉米根际土壤含水量、pH值、主要有机元素含量和酶活性无显著性差异，但不同生育期对各指标有显著性影响。结果可为转基因玉米IE09S034的环境安全提供新的依据。

关键词：转基因抗虫玉米;土壤有机元素;土壤酶活性力;土壤生态系统

中图分类号： S153.6+2;S154.2  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）05-0196-03

收稿日期：2017-12-02

基金项目：国家转基因生物新品种培育科技重大专项（编号：2016ZX08011-003）。

作者简介：梁晋刚（1987—），男，山西阳泉人，博士，农艺师，主要从事转基因生物安全评价与检测研究。E-mail：382408162@qq.com。

通信作者：张正光，博士，教授，主要从事转基因生物安全评价与检测研究。E-mail：zhgzhang@njau.edu.cn。

随着转基因作物在全球范围内的大规模种植，其对土壤生态系统的安全性问题逐渐得到重视[1]。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成，对生态系统内的植物多样性及其健康状况具有较大的影响[2-3]。转基因作物可能会通过直接或间接的方式对土壤营养代谢循环产生影响，进而威胁土壤生态系统的安全性，因此评价转基因作物对土壤生态系统的影响具有十分重要的意义[4-5]。

转基因作物可通过其凋落物残体或根际分泌物等影响土壤理化性质、微生物群落结构及功能酶活性，从而在一定程度上对土壤生态系统中的生物化学反应进程产生影响[6-11]。土壤理化性质对土壤酶活性具有深刻的影响，土壤水分、矿质元素含量和pH值等影响着土壤酶的活性及稳定性[12]。土壤酶是土壤新陈代谢的重要因素，对土壤中的营养元素循环具有重要的作用，其活性受地域差异、植物品种、土壤类型、土壤理化性质等多种环境因素的影响[13-14]。由于土壤中包含了多种多样的酶，因此在研究时有必要选取具有代表性的酶进行分析[15-17]。前人研究报道表明，转基因作物的种植可能导致根际土壤营养状况和酶活性发生变化[18-19]。梁晋刚等前期研究发现，转基因高蛋氨酸大豆ZD91对根际土壤碳、氢、氮等有机元素含量和蔗糖酶、碱性磷酸酶等酶活性均没有显著性的影响[5，20]。

按照个案分析原则，本研究以转基因抗蟲玉米IE09S034和其对应的非转基因玉米Zong31为试验材料，对玉米根际土壤主要有机元素含量和酶活性进行2年的监测，以期为转基因抗虫玉米IE09S034的环境安全性提供新的依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验材料为转cry1Ie基因抗虫玉米IE09S034（IE）以及与其对应的非转基因玉米Zong31（IECK），由转基因抗虫玉米IE的研发单位（中国农业科学院作物科学研究所）提供。试验地点为吉林省农业科学院转基因植物环境安全研究试验圃场（43°30′N，124°49′E），试验年份为2014—2015年，采用随机区组设计，每个品种设置3次重复。整个试验期间按照当地普通农事操作进行田间管理。

1.2 根际土壤样品采集

土壤样品采集分为3个阶段，即苗期（seedling stage，简称SS）、花期（flowering stage，简称FS）和成熟期（maturity-setting stage，简称MS），采用抖落法采集根际土壤[20]。采用5点取样法进行取样，将每个小区5点的土壤样品混合为1个重复，过2 mm筛，-20 ℃保存备用。

1.3 根际土壤含水量、pH值和有机元素含量的测定

土壤含水量采用烘干称质量法测定[21]：取土壤样品于105 ℃烘干至恒质量，利用以下公式来计算土壤含水量：含水量=（湿土质量-干土质量）/干土质量×100%。

土壤pH值测定：取风干土壤样品10 g置于50 mL锥形瓶中（水土体积比2.5 ∶ 1），间歇性搅拌或摇动30 min，静置 30 min，待澄清后，用pH计测定悬池液的pH值[22]。

土壤主要有机元素含量测定：根际土壤全碳含量、全氮含量测定委托南京大学现代分析中心完成，运用Vario MICRO元素分析仪进行检测。

1.4 土壤主要酶活性测定

根际脲酶和碱性磷酸酶分别参照关松荫等的方法[14，23]进行测定。脲酶活性以反应中释放出的游离态氨含量表示，碱性磷酸酶活性以反应中释放出的酚含量表示，单位为mg/（g·d）。

1.5 数据分析

所有数据通过SPSS 17.0软件进行统计分析，多处理间差异分析采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncans多重比较。另外，在不同生育期、不同栽培品种间，选择单因素方差分析对土壤酶进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 根际土壤主要理化性质变化

由图1可知，在相同生育期内，转基因抗虫玉米IE的根际土壤含水量、土壤pH值与受体玉米IECK之间均没有显著性差异，说明转基因抗虫玉米IE对根际土壤含水量、土壤pH值无显著性影响。通过表1的ANVOA分析发现，玉米不同生长时期之间土壤含水量、土壤pH值存在显著性差异。

由图2可知，在相同生育期内，转基因抗虫玉米IE的根

际土壤碳元素、氮元素含量与受体玉米IECK之间均没有显著性差异，说明转基因抗虫玉米对根际土壤碳元素、氮元素含量无显著性影响。通过表2的ANVOA分析发现，2014年，玉米不同生育期之间土壤碳元素含量存在显著性差异。

2.2 根际土壤主要功能酶活性变化

由图3可知，在相同生长时期内，转基因抗虫玉米IE的根际土壤脲酶、碱性磷酸酶活性与受体玉米IECK之间均没有显著性差异，说明转基因抗虫玉米IE对根际土壤脲酶、碱性磷酸酶活性无显著性影响。通过表3中的ANVOA分析发现，玉米根际土壤脲酶、碱性磷酸酶活性均受玉米生长时期的显著性影响。

3 结论与讨论

本研究发现转基因抗虫玉米IE与受体玉米IECK之间土壤含水量、pH值、碳元素含量、氮元素含量等主要理化性质没有显著性差异，土壤脲酶、碱性磷酸酶活性等主要功能酶活性没有显著性差异，说明转基因抗虫玉米IE对土壤主要理化性质和酶活性没有产生显著性影响。此外，进一步通过ANVOA分析发现，玉米不同生长时期之间，根际土壤含水量、土壤pH值、酶活性具有显著性差异，说明玉米生长时期是主要影响因素。

有研究报道，转基因作物与受体作物相比可能会在养分组成以及残体降解方面存在一定的差异，进而对土壤理化性质产生影响[21]。然而，杜鹃等发现，转基因作物对根际土壤理化性质各指标无显著性影响[24]。本研究发现，转基因抗虫玉米IE与对应的非转基因受体玉米IECK之间根际土壤含水量、pH值以及碳、氮元素含量等均没有显著性差异。

目前，已有很多研究将土壤酶作为衡量土壤健康状况的一个重要参量，并将其应用到转基因作物的环境安全评价中，大量研究结果表明， 转基因作物对土壤主要功能酶活性没有产生显著性影响[25-30]。土壤功能酶活性主要受土壤类型和

作物生长时期的影响[31]。本研究结果表明，转基因抗虫玉米IE对土壤脲酶、碱性磷酸酶活性没有产生显著性影响，且发现不同生育期是造成土壤酶活性产生差异的主要因素，这与之前转基因作物对酶活性影响研究的结果相似。

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