周垂帆 林靜雯 李 瑩 劉愛琴

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院 國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心 福州 350002)

?

土壤殘存草甘膦對杉木幼苗生理及養(yǎng)分吸收的影響*

周垂帆 林靜雯 李 瑩 劉愛琴

(福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院 國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心 福州 350002)

【目的】 基于林地除草導(dǎo)致的草甘膦殘留問題，通過杉木盆栽探究杉木對土壤殘存草甘膦的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)響應(yīng)，分析土壤殘存草甘膦對杉木養(yǎng)分吸收的影響機制，為林業(yè)生產(chǎn)中草甘膦的合理施用提供理論依據(jù)，為杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供基礎(chǔ)資料?！痉椒ā?參考土壤殘存草甘膦含量在培養(yǎng)基質(zhì)中添加不同濃度草甘膦 (0、2、5、10、20、50 mg·kg-1)，通過盆栽試驗，測定杉木對草甘膦的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)響應(yīng)，分析草甘膦對杉木養(yǎng)分吸收的影響機制?！窘Y(jié)果】 草甘膦對杉木幼苗的生長發(fā)育產(chǎn)生影響，在高濃度草甘膦處理下，杉木幼苗生物量增量顯著低于對照，同時葉片出現(xiàn)黃化現(xiàn)象。不同濃度草甘膦處理下杉木幼苗葉片生理學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)為： 隨著草甘膦濃度增加，葉片相對電導(dǎo)率、MDA含量、SOD活性、POD活性、脯氨酸含量總體均呈上升趨勢，可溶性蛋白呈下降趨勢，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均先升后降，而莽草酸含量無顯著變化。草甘膦對杉木根系和葉片元素的吸收和利用影響顯著，隨著草甘膦濃度增加，杉木幼苗根系Cu、Mg和Ca含量均呈上升趨勢。杉木葉片Cu含量增加，Mn含量先上升后下降，Zn含量則呈先降后增?！窘Y(jié)論】 高濃度草甘膦對杉木生長有負(fù)面作用，造成杉木幼苗生理紊亂，引起其養(yǎng)分吸收失衡，最終導(dǎo)致杉木幼苗生長量和成活率降低，因此在林業(yè)除草過程中應(yīng)合理控制草甘膦用量，且在撫育過程中噴施草甘膦應(yīng)遠(yuǎn)離杉木根系，以減少根系對草甘膦的吸收，降低其不利影響。

杉木； 草甘膦； 生理響應(yīng)； 養(yǎng)分吸收

除草是營林生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，美國孟山都公司研發(fā)的林用除草劑——草甘膦具有殺草廣譜、內(nèi)吸傳導(dǎo)性強、適用性廣、效果好、經(jīng)濟效益顯著等特點，被廣泛用于林業(yè)生產(chǎn)并在各個環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用(賀利中等, 2010)。資料表明，國外人工林撫育化學(xué)除草技術(shù)應(yīng)用和研究較早，且發(fā)展較快，擁有較高的水平和完善的化學(xué)除草技術(shù)， 業(yè)已取得明顯的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益。瑞典曾大量使用草甘膦消滅歐洲云杉(Piceaabies) 幼林地雜灌草，除草效果明顯，印尼、菲律賓等以經(jīng)濟林為主的國家在橡膠(Heveabrasiliensis)、咖啡(Coffeaarabica)等種植園噴施草甘膦用于清除熱帶叢生雜草(陳國海等, 1993)。草甘膦在我國林業(yè)中的應(yīng)用也取得了明顯成效，如廣東省1985—1995年10年間林業(yè)、果園使用草甘膦除草面積由300萬hm2上升至666.7萬hm2，安徽省涇縣從2002年起使用草甘膦除草開設(shè)與維護森林防火線，有效降低了林火發(fā)生率(林靜雯等, 2015)。在我國南方，杉木(Cunninghamialanceolata)是重要速生用材樹種之一，在我國林業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。近年來， 由于煉山清理林地雜灌草易引起霧霾、水土流失、地力衰退等系列生態(tài)問題被許多地方禁用，草甘膦開始廣泛用于采伐跡地清理和幼苗撫育雜草的清除，成為杉木人工林生產(chǎn)中使用量最大的除草劑之一(林德喜等, 1998; 應(yīng)金花, 2001)。草甘膦清除雜草的機制為: 通過噴施在植物的綠色部分，抑制5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸酯合成酶的活性，阻礙莽草酸-3-磷酸與磷酸烯醇丙酮酸生成5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸酯，使植物生存必需的芳香氨基酸合成途徑受阻，同時引起莽草酸及其衍生物在植物體內(nèi)大量積累，最終導(dǎo)致植株黃化干枯直至死亡。雖然草甘膦的使用大大提高了除草效率，降低了生產(chǎn)成本，促進(jìn)了林業(yè)生產(chǎn)，但草甘磷是具有毒性、用量大、影響范圍廣的有機污染物，在保護林木免受雜草危害的同時也污染土壤環(huán)境，制約了杉木人工林的可持續(xù)發(fā)展。

國內(nèi)外關(guān)于草甘膦的研究表明，按正常使用量 1 kg·hm-2計算，表層 13 cm 土壤中草甘膦殘余量可達(dá) 0.45～2 mg·kg-1； 在草甘膦用量比較大的地區(qū)，其殘存量高達(dá)10～20 mg·kg-1(Zhouetal., 2013)。雖然草甘膦對控制雜草起到關(guān)鍵作用，但在土壤中殘留的草甘膦對后茬作物生長有負(fù)面作用，能夠造成植物生理紊亂，引起植物養(yǎng)分吸收失衡，最終降低作物生長量和產(chǎn)量。如草甘膦對抗草甘膦大豆(Glycinemax)幼苗有顯著傷害，可增加抗草甘膦的超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性，以及丙二醛含量和相對電導(dǎo)率(原向陽等, 2010)。噴施草甘膦后，向日葵(Helianthusannuus)葉片F(xiàn)e、Mn濃度出現(xiàn)顯著降低的癥狀(Ekeretal., 2006)。以往研究均是針對農(nóng)作物，而有關(guān)土壤殘存對林木影響的研究目前鮮有報道。由于林地雜灌眾多，林業(yè)使用草甘膦要比農(nóng)業(yè)使用的劑量更大且更頻繁，林地表層土壤殘余量可能要更高，因此草甘膦在人工林的土壤殘留量及對苗木生長危害更應(yīng)引起關(guān)注。本研究基于草甘膦殘留問題，通過盆栽試驗，探究杉木對草甘膦的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)響應(yīng)，分析土壤殘存草甘膦對杉木養(yǎng)分吸收的影響機制，為林業(yè)生產(chǎn)中草甘膦的合理施用提供理論依據(jù)，為杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 供試杉木苗

試驗所用杉木苗為培育5個月的實生苗，來源于福建漳平五一國有林場杉木半同胞家系。供試苗木于沙床上緩苗1個月，參試苗木為長勢均一、根系完整的無病害苗木。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院玻璃溫室采用沙培方式進(jìn)行。將洗凈河沙過2 mm篩后等量裝入口徑16 cm、高20 cm的種植盆內(nèi)，苗木用清水洗凈根部后移栽至種植盆，每盆1株，澆足水分，馴化培養(yǎng)1周。參考草甘膦在土壤中的殘存量，試驗設(shè)6個草甘膦濃度(0、2、5、10、20、50 mg·kg-1)，每種處理8個重復(fù)，共48株。馴化結(jié)束后將不同濃度草甘膦用等體積的蒸餾水溶解，均勻澆入對應(yīng)處理的沙子中，澆入時避免處理液接觸植株。為保證苗木對水分和養(yǎng)分的需求，每7天澆30 mL 1/2 Hoagland營養(yǎng)液，營養(yǎng)液組成為： 0.136 g·L-1KH2PO4、0.506 g·L-1KNO3、1.181 g·L-1Ca(NO3)2·4H2O、0.493 g·L-1MgSO4·7H2O、37.250 g·L-1Na2EDTA、0.031 g·L-1FeSO4·7H2O、Arnon微量元素(2.863 mg·L-1H3BO3、0.075 mg·L-1CuSO4·5H2O、0.230 mg·L-1ZnSO4·7H2O、1.801 mg·L-1MnCl2·4H2O、0.094 mg·L-1H2MoO4·4H2O)，調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH為5.5，并適時補充蒸餾水。脅迫從2015年9月20日始至2015年10月30日止，為期40天(Zouetal., 2014)。

脅迫結(jié)束后各處理選取苗木生長良好的4個重復(fù)，剪取苗木相同部位葉片，測定相對電導(dǎo)率、丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白、莽草酸和葉綠素含量，以及超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性，并收獲苗木測定根系和葉片P、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn等元素含量。

1.3 生理學(xué)指標(biāo)測定

相對電導(dǎo)率采用上海雷磁DDS-307電導(dǎo)儀測定； MDA含量采用硫代巴比妥酸法(TBA)測定； Pro含量采用酸性茚三酮法測定； 可溶性蛋白含量參考馬斯亮蘭G-250染色法測定；莽草酸含量參考婁遠(yuǎn)來等(2005)的方法測定； 葉綠素含量采用等體積丙酮-無水乙醇提取分光光度法測定； SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測定； POD活性采用愈創(chuàng)木酚法(Lietal., 2012)測定。

1.4 杉木養(yǎng)分含量測定

將杉木幼苗根和葉分別經(jīng)105 ℃殺青后用80 ℃烘干至恒質(zhì)量，采用HNO3-HClO4消煮，用鉬銻抗比色法測定P含量(汪攀等, 2015)，采用原子吸收分光光度法測定Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn含量(Wuetal., 2011)。

1.5 分析方法

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較，LSD法對處理間數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 草甘膦對杉木幼苗生長的影響

從圖1可看出，草甘膦處理10天后，大于20 mg·kg-1草甘膦濃度處理的杉木幼苗頂部新葉均出現(xiàn)明顯發(fā)黃的現(xiàn)象，這可能是草甘膦抑制了杉木根系吸收養(yǎng)分而引起的缺素癥。40天后，低濃度草甘膦處理的杉木幼苗長勢較好，一級分枝多且根系發(fā)達(dá)，而高濃度草甘膦處理的杉木幼苗植株矮小、主根縮短、側(cè)根減少；50 mg·kg-1草甘膦處理的杉木幼苗甚至出現(xiàn)葉片褐化萎蔫、根部腐爛的現(xiàn)象(圖2)。

圖1 草甘膦處理10天后杉木幼苗葉片形態(tài)變化Fig.1 Morphological changes of Chinese fir seedling leaf under glyphosate treatment after 10 days

圖2 不同濃度草甘膦對杉木幼苗單株形態(tài)的影響Fig.2 Effect of glyphosate on Chinese fir seedling individual modally

草甘膦處理40天后杉木幼苗的生長情況如表1所示?？梢钥闯?，0～10 mg·kg-1草甘膦處理的杉木幼苗死亡率較低， 20 mg·kg-1處理死亡率達(dá)50%，50 mg·kg處理杉木幼苗全部死亡。此外，2 mg·kg-1和5 mg·kg-1草甘膦處理的杉木幼苗生物量增量極顯著高于對照杉木苗(P<0.01)，而10 mg·kg-1和20 mg·kg-1草甘膦處理的杉木幼苗生物量增量則顯著低于對照(P<0.05)，這說明低濃度草甘膦對杉木幼苗生長具有一定促進(jìn)作用，而高濃度草甘膦則顯著抑制幼苗生長。

2.2 草甘膦對杉木幼苗葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)和葉綠素含量的影響

從圖3可看出，隨著草甘膦濃度升高，杉木幼苗葉片相對電導(dǎo)率和MDA含量均呈上升趨勢。草甘膦濃度在2～5 mg·kg-1時，葉片相對電導(dǎo)率與對照之間差異不顯著(P>0.05)，當(dāng)草甘膦濃度大于5 mg·kg-1時，葉片相對電導(dǎo)率極顯著高于對照(P<0.01)，而幼苗葉片MDA含量除低濃度草甘膦(2 mg·kg-1和5 mg·kg-1)處理外均顯著高于對照(P<0.05)，這說明高濃度草甘膦會導(dǎo)致杉木幼苗葉片細(xì)胞膜通透性增加，同時增加細(xì)胞膜脂過氧化程度，使杉木幼苗的細(xì)胞膜系統(tǒng)受到損傷。

① 不同小寫字母表示不同處理間在P< 0.05水平差異顯著，下同。Different lowercase letters indicate significant differences at theP<0.05 level between treatments. The same below.

圖3 不同濃度草甘膦對杉木幼苗MDA含量和相對電導(dǎo)率的影響Fig.3 Effect of glyphosate on MDA content and relative conductivity of Chinese fir seedling

由表2可知，隨著草甘膦濃度增大，杉木幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量先增后降，以5 mg·kg-1處理為最大，且均顯著高于對照(P<0.05)。葉綠素a/b處理間差異不顯著(P>0.05)。5 mg·kg-1草甘膦處理葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量較對照分別提高11.9%、26.9%和16.5%，葉綠素a/b較對照降低11.9%。

2.3 草甘膦對杉木幼苗葉片抗氧化酶活性、葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和莽草酸含量的影響

從圖4可看出，隨著草甘膦濃度增加，杉木幼苗SOD活性先降后升，POD活性呈上升趨勢。高濃度草甘膦(10 mg·kg-1和20 mg·kg-1)處理杉木幼苗均保持較高的SOD活性和POD活性，在20 mg·kg-1草甘膦處理時達(dá)到最大，2種酶活性分別較對照提高50.0%和66.2%；而低濃度草甘膦(2 mg·kg-1和5 mg·kg-1)處理與對照差異不顯著(P>0.05)，說明杉木幼苗體內(nèi)的2種抗氧化酶對高濃度草甘膦反應(yīng)敏感。

表2 不同濃度草甘膦對杉木幼苗葉綠素含量的影響Tab.2 Effect of glyphosate chlorophyll content of Chinese fir seedling

圖4 不同濃度草甘膦對杉木幼苗SOD和POD活性的影響Fig.4 Effect of glyphosate on SOD and POD of Chinese fir seedling

圖5可看出，隨著草甘膦濃度增加，杉木幼苗葉片脯氨酸含量大體呈上升趨勢，而可溶性蛋白呈下降趨勢。其中， 20 mg·kg-1草甘膦濃度處理杉木幼苗葉片脯氨酸含量最大，約為對照的3倍，當(dāng)草甘膦濃度在2～10 mg·kg-1時幼苗葉片脯氨酸含量均略低于對照，但二者之間不存在顯著差異(P>0.05)，說明低濃度草甘膦對杉木幼苗葉片脯氨酸積累的影響不明顯。幼苗葉片可溶性蛋白以草甘膦濃度20 mg·kg-1處理降幅最大，比對照葉片減少37.3%。因此，草甘膦濃度過高會誘導(dǎo)脯氨酸合成和積累，同時阻礙細(xì)胞內(nèi)可溶性蛋白的合成。

圖5 不同濃度草甘膦對杉木幼苗脯氨酸和可溶性蛋白含量的影響Fig.5 Effect of glyphosate on contents of proline and soluble protein of Chinese fir seedling

從圖6可看出，草甘膦濃度較低(2 mg· kg-1和5 mg·kg-1)時，杉木幼苗葉片莽草酸含量略低于對照；草甘膦濃度較高時，莽草酸含量雖有所增加，但各處理之間差異不顯著(P>0.05)。表明試驗濃度范圍內(nèi)，杉木幼苗葉片莽草酸含量受草甘膦影響較小，可能是由于莽草酸合成是在植物葉綠體中進(jìn)行的，而草甘膦作為大分子結(jié)構(gòu)化合物被杉木根系吸收后，大量積累在根尖細(xì)胞，運輸?shù)降厣喜糠值妮^少，因此對葉片細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu)和功能的破壞較小。

圖6 不同濃度草甘膦對杉木幼苗莽草酸含量的影響Fig.6 Effect of glyphosate on shikimic acid content of Chinese fir seedling

2.4 草甘膦對杉木幼苗養(yǎng)分吸收的影響

圖7所示為不同濃度草甘膦處理下微量元素Cu、Mn、Zn、Fe和大量元素Ca、Mg在杉木幼苗根系和葉片中的積累量?？梢钥闯?，隨著草甘膦濃度增加，杉木幼苗根系Cu、Mg和Ca含量均呈上升趨勢，且20 mg·kg-1處理與對照之間差異極顯著(P<0.01)，說明草甘膦可有效提高杉木幼苗根系對Cu、Mg、Ca元素的吸收。相反，根系Mn和Fe含量則有所下降，Zn含量先升后降，但各處理之間差異不顯著(P>0.05)。杉木幼苗葉片僅Cu含量隨著草甘膦濃度升高而呈顯著上升趨勢，Mn含量呈先上升后下降的趨勢。Zn含量與Mn含量的變化趨勢相反，當(dāng)草甘膦濃度為5 mg·kg-1時Mn含量顯著高于對照(P<0.05)，Zn含量則顯著低于對照(P<0.05)。Fe、Mg、Ca含量在不同濃度草甘膦處理時基本無明顯變化。

值得注意的是，杉木幼苗根系Cu、Zn、Fe、Mg含量在不同濃度草甘膦處理時均大于葉片，而幼苗葉片Mn和Ca含量大于根系。然而當(dāng)草甘膦濃度上升至10 mg·kg-1時其根系Ca含量超過葉片，這可能是由于草甘膦濃度升高使Ca元素在植物體中的傳導(dǎo)途徑受阻，根系對Ca元素的吸收速率大于其傳導(dǎo)速率。

圖7 不同濃度草甘膦對杉木幼苗根、葉金屬元素養(yǎng)分含量的影響Fig.7 Effect of glyphosate on metal nutrient contents in root and leaf of Chinese fir seedling

草甘膦還影響杉木幼苗根系和葉片P含量，即影響杉木對P元素的吸收和運輸。由圖8可知，隨著草甘膦濃度增加，根系P含量有所減少，但處理間差異不顯著(P>0.05)；葉片P含量呈上升趨勢，且不同濃度草甘膦處理葉片P含量均高于對照。

圖8 不同濃度草甘膦對杉木幼苗根、葉磷素養(yǎng)分含量的影響Fig.8 Effect of glyphosate on phosphate content in root and leaf of Chinese fir seedling

3 討論

林業(yè)生產(chǎn)中不合理施用草甘膦清除雜灌草會引發(fā)林地土壤殘留問題，加之草甘膦半衰期較長，可達(dá)數(shù)十天甚至上百天(Zhouetal., 2012; 林靜雯等, 2015)，在土壤環(huán)境中長期積累可能會對營林生產(chǎn)過程中苗木的生長發(fā)育產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，高濃度草甘膦顯著抑制杉木幼苗生長，當(dāng)超過某一濃度范圍甚至引起苗木葉片發(fā)黃、根部死亡；而低濃度草甘膦處理時杉木生物量增量顯著高于對照，這種“低促高抑”現(xiàn)象可能是由于低濃度草甘膦阻礙植物莽草酸代謝途徑，抑制木質(zhì)素等細(xì)胞壁物質(zhì)合成，增大植物細(xì)胞壁的延展性(Dukeetal., 2006)，也有研究認(rèn)為，活性氧分子是實現(xiàn)植物細(xì)胞伸展的必要因子(Rodriguezetal., 2002)，因此低濃度草甘膦誘導(dǎo)下杉木體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧可能促進(jìn)細(xì)胞伸展，但草甘膦濃度增加又使杉木體內(nèi)活性氧過量積累進(jìn)而造成細(xì)胞損傷，抑制杉木生長(Bernardsetal., 2009)。

在逆境條件下，植物通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來提高細(xì)胞保水能力，以維持植物體正常代謝功能。脯氨酸和可溶性蛋白均是細(xì)胞重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，起到保護細(xì)胞膜和細(xì)胞生命物質(zhì)的作用(Oliveiraetal., 2014)。本研究中，杉木幼苗根部受到草甘膦藥劑脅迫后，葉片細(xì)胞內(nèi)的脯氨酸含量不斷積累，而可溶性蛋白含量明顯下降，說明杉木葉片細(xì)胞通過不斷合成脯氨酸來調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)滲透勢，進(jìn)而緩解草甘膦脅迫對植物細(xì)胞造成的傷害，與抗氧化酶系統(tǒng)一樣，這也是細(xì)胞的自我防御機制之一。與本研究結(jié)果相似，黃建麗(2012)發(fā)現(xiàn)草甘膦處理下草本植物紫莖澤蘭(Eupatoriumadenoporum)和白茅(Imperatacylindrica)的脯氨酸含量均顯著升高。杉木幼苗葉片可溶性蛋白含量下降，也進(jìn)一步說明草甘膦抑制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成過程并影響其代謝。然而張磊等(2010)研究認(rèn)為，草甘膦作用下細(xì)胞繁殖速度較慢、體積較大，細(xì)胞內(nèi)碳水化合物含量較高，因此球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)細(xì)胞可溶性蛋白含量隨著草甘膦濃度增加而提高。莽草酸是合成植物芳香族氨基酸的必需物質(zhì)，Pline等(2002)研究發(fā)現(xiàn)噴施草甘膦后棉花(Cossypiumhirsutum)莽草酸含量顯著升高，指出草甘膦能夠阻礙莽草酸途徑，使該途徑的前體物質(zhì)——莽草酸不能繼續(xù)分解生成芳香族氨基酸，導(dǎo)致莽草酸大量積累。因此，莽草酸積累量可反映植物對草甘膦的敏感性。然而本研究中杉木幼苗葉片莽草酸含量在草甘膦處理下基本沒有變化，表現(xiàn)為試驗濃度范圍內(nèi)杉木幼苗對草甘膦具有較強的耐受性。此外，在本研究中草甘膦隨營養(yǎng)液施入沙土，經(jīng)由根系吸收后傳導(dǎo)至葉片細(xì)胞的草甘膦濃度較低，而采用噴霧形式時草甘膦藥劑直接接觸葉面，因此對莽草酸途徑的抑制作用較強。

作為內(nèi)吸傳導(dǎo)型除草劑，殘留在土壤中的草甘膦可以經(jīng)由根系吸收傳導(dǎo)至整株，不僅會影響葉片的正常生理功能，而且也會影響根系對養(yǎng)分的吸收和傳導(dǎo)(Cakmaketal., 2009)。本研究發(fā)現(xiàn)，草甘膦的存在顯著提高杉木根系對Cu、Mg、Ca元素的吸收，還促進(jìn)Cu和P元素在葉片中的積累，Mn和Zn含量也發(fā)生波動。與本研究結(jié)果不同，Zobiole等(2011)發(fā)現(xiàn)隨著草甘膦濃度增加和脅迫時間推移，大豆(Glycinemax)中的大量元素和微量元素積累量均逐漸減少，并歸因于草甘膦對葉綠素前綴化合物卟啉和δ-氨基乙酰丙酸(ALA)形成的抑制作用。但本研究表明，低濃度草甘膦可促進(jìn)杉木幼苗光合作用，根系吸收更多的Mg和Ca以滿足葉綠素合成的需要。另外，Ca元素還具有穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透性的作用，因此根系細(xì)胞會更多地吸收、利用環(huán)境介質(zhì)中的Ca來減少草甘膦對細(xì)胞膜的破壞。Cu、P和Zn是植物體內(nèi)多種酶的組成成分，Mn能催化許多呼吸酶的活性，因此草甘膦對杉木幼苗葉片酶活性的影響也直接反映葉片細(xì)胞中這幾種元素的積累量變化。此外，杉木幼苗葉片P元素積累過多會導(dǎo)致呼吸作用增強，植物代謝過程消耗大量碳水化合物，莖葉生長受到抑制，這也是高濃度草甘膦抑制杉木幼苗生長的原因之一。

4 結(jié)論

從草甘膦對杉木幼苗形態(tài)的影響情況來看，土壤中草甘膦殘存量過高濃度會抑制杉木幼苗生長，甚至使幼苗全部死亡。這主要是由于草甘膦由根部吸收進(jìn)入杉木地上部分，從而影響杉木幼苗葉片的細(xì)胞膜系統(tǒng)、葉綠素含量、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、莽草酸積累量等生理生化指標(biāo)。此外，草甘膦作用下杉木幼苗細(xì)胞膜脂氧化損傷加劇，膜通透性增加，并誘導(dǎo)SOD和POD活性提高以清除機體內(nèi)氧化損傷產(chǎn)生的活性氧，滲透調(diào)節(jié)劑脯氨酸合成并在細(xì)胞內(nèi)積累以降低細(xì)胞水勢，可溶性蛋白合成受阻。因此，研究結(jié)果證實： 在林業(yè)除草過程中應(yīng)合理控制草甘膦的用量，噴施草甘膦應(yīng)遠(yuǎn)離杉木根系，以減少根系對草甘膦的吸收，降低其不利影響。本研究為實驗室的模擬試驗，可以評估殘存草甘膦對苗木生長的潛在危害，但要確認(rèn)其真實情況，需要進(jìn)一步的野外幼林撫育除草試驗，以更加明確土壤殘留草甘膦對林木幼苗生長的影響機制。

陳國海，李建國. 1993. 除草劑在林業(yè)上的應(yīng)用. 世界林業(yè)研究,(5):29-34.

(Chen G H, Li J G. 1993. The application of herbicide in forestry. World Forestry Research,(5):29-34.[in Chinese])

賀利中, 譚 堅, 龍?zhí)辽? 等. 2010. 化學(xué)除草撫育對未成林造林地植被物種組成的影響. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版, 38(12):148-154.

(He L Z, Tan J, Long T S. 2010.Effects of chemical weed control on the species composition of vegetation of the immature forest land. Journal of Northwest Agriculture and Forestry University，38(12):148-154.[in Chinese])

黃建麗. 2012. 草甘膦對紫莖澤蘭和白茅生理指標(biāo)的影響及草甘膦在植物體內(nèi)生物傳導(dǎo)途徑的研究．金華： 浙江師范大學(xué)碩士學(xué)位論文.

(Huang J L.2012. Efficacy of glyphosate applications on the physiological indices of two weeds,EupatoriumadenoporumandImperatacylindricaL．Jinhua:MS thesis of Zhejiang Normal University. [in Chinese]).

江海瀾, 王俊剛, 鄧小霞，等. 2011. 草甘膦對龍葵苗期生理指標(biāo)的影響. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報, 20(6):186-189.

(Jiang H L, Wang J G, Deng X X. 2011. The effects of glyphosate on morel seedling physiological indicators. Journal of Northwest Agriculture, 20(6):186-189. [in Chinese])

林德喜, 洪長福, 黃龍發(fā). 1998. 杉木幼林地噴施草甘膦后土壤的變化. 土壤,(2):100-102,105.

(Lin D X, Hong C F, Huang L F.1998. The change of the soil after spraying glyphosate in Chinese fir seedling. Soil,(2):100-102,105． [in Chinese])

林靜雯, 李 瑩, 周垂帆，等. 2015. 林用除草劑草甘膦的環(huán)境行為及生態(tài)風(fēng)險研究進(jìn)展. 世界林業(yè)研究，28(4):58-63.

(Lin J W, Li Y, Zhou C F. 2015.Research progress on environmental behavior and ecological risk of glyphosate in forestry. World Forestry Research, 28(4):29-34. [in Chinese])

婁遠(yuǎn)來, 鄧淵鈺, 沈晉良.2005. 甲磺隆和草甘膦對空心蓮子草乙酰乳酸合酶活性和莽草酸含量的影響. 植物保護學(xué)報, 32(2):185-188.

(Lou Y L, Deng Y Y ,Shen J L.2005 Effect of metsulfuron and glyphosate on alternanthera herb acetyl lactic acid synthase activity and the influence of shikimic acid content. Journal of Plant Protection, 32(2):185-188．[in Chinese])

舒 駿, 周俊宏, 成向榮，等. 2015. 草甘膦添加表面活性劑對五節(jié)芒生理生化活性的影響. 林業(yè)科學(xué)研究, 28(5):725-730.

(Shu J, Zhou J H, Cheng X R,etal.2015.Effect of glyphosate with two surfactants on physiological and biochemical characteristics ofMiscanthusfloridulus. Forest Research, 28(5):29-34. [in Chinese])

汪 攀, 吳鵬飛, 馬祥慶. 2015. 杉木根系細(xì)胞壁活化鐵磷能力及其影響因子分析.林業(yè)科學(xué), 51(9):59-64.

(Wang P, Wu P F, Ma X Q. 2015.Mobilization of insoluble iron bound phosphate and effective factors by root cell walls of Chinese fir. Scientia Silvae Sinicae, 51(9):59-64. [in Chinese])

應(yīng)金花. 2001. 用于杉木幼林撫育的化學(xué)除草劑配方優(yōu)化研究. 福建林學(xué)院學(xué)報, 21(1):72-75.

(Ying J H.2001. The study of chemical herbicide formulation optimization used in young Chinese fir forest. Journal of Fujian Forestry College, 21(1): 72-75. [in Chinese])

原向陽, 郭平毅, 張麗光. 2010. 干旱脅迫下草甘膦對抗草甘膦大豆幼苗保護酶活性及脂質(zhì)過氧化作用的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 43(4):698-705.

(Yuan X Y, Guo P Y, Zhang L G. 2010. Glyphosate and post-drought rewatering on protective enzyme activities and membrane lipid peroxidation in leaves of glyphosate-resistant soybean[Glycinemax(L.) Merr.] seedlings. Scientia Agricultura Sinica, 43(4):698-705. [in Chinese])

張靜潮, 楊冬鶴. 2010. 常溫和低溫下草甘膦對鐵皇冠SOD、CAT、POD活性和MDA含量的影響. 哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報, 26(4):90-93.

(Zhang J C, Yang D H.2010. Activity of SOD, CAT, POD and content of MDA inMicrosoriumpteropuscaused by glyphosate stress at normal and low temperature. Natural Science Journal of Harbin Normal University, 26(4):90-93． [in Chinese])

張 磊, 段舜山, 孫凱峰. 2010. 有機磷農(nóng)藥草甘膦異丙胺鹽對球形棕囊藻的刺激效應(yīng). 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 19(1):51-56.

(Zhang L, Duan S S, Sun K F. 2010. Hormesis effect of organophosphorus pesticide Glyphosate is opropylammonium onPhaeocystisglobosa. Ecology and Environmental Sciences, 19(1):51-56. [in Chinese])

Bernards M L, Thelen K D, Penner D. 2009. Glyphosate interaction with manganese in tank mixtures and its effect on glyphosate absorption and translocation. Weed Science,53(6): 787-794.

Cakmak I, Yazici A, Tutus Y,etal. 2009. Glyphosate reduced seed and leaf concentrations of calcium, manganese, magnesium, and iron in non-glyphosate resistant soybean. European Journal of Agronomy, 31(3):114-119.

Cedergreen N，Olesen C F. 2010. Can glyphosate stimulate photosynthesis? Pesticide Biochemistry & Physiology, 96(3):140-148.

Duke S O, Cedergreen N, Velini E D,etal. 2006. Hormesis: Is it an important factor in Herbicide use and Allelopathy? Outlooks on Pest Management, 17(1):29-33.

Eker S, Ozturk L, Yazici A, Erenoglu B,etal. 2006. Foliar-applied glyphosate substantially reduced uptake and transport of iron and manganese in sunflower (HelianthusannuusL.) plants. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 54(26):10019-10025.

Li X, Zhang L, Li Y,etal．2012. Changes in photosynthesis, antioxidant enzymes and lipid peroxidation in soybean seedlings exposed to UV-B radiation and/or Cd. Plant and Soil, 352(1/2):377-387.

Michalková V，Pekár S. 2009. How glyphosate altered the behaviour of agrobiont spiders (Araneae: Lycosidae) and beetles (Coleoptera: Carabidae). Biological Control, 51(3):444-449.

Oliveira M T, Medeiros C D, Frosi G,etal．2014. Different mechanisms drive the performance of native and invasive woody species in response to leaf phosphorus supply during periods of drought stress and recovery. Plant Physiol Biochem,82C:66-75.

Pline W A, Wilcut J W, Duke S O,etal. 2002. Tolerance and accumulation of shikimic acid in response to glyphosate applications in glyphosate-resistant and nonglyphosate-resistant cotton (GossypiumhirsutumL.). Journal of Agricultural & Food Chemistry, 50(3):506-512.

Rodriguez A A, Grunberg K A，Taleisnik E L. 2002. Reactive oxygen species in the elongation zone of maize leaves are necessary for leaf extension. Plant Physiology, 129(4):1627-1632.

Wu P, Tigabu M, Ma X,etal. 2011. Variations in biomass, nutrient contents and nutrient use efficiency among Chinese fir provenances. Silvae Genetica, 60(3/4):95-105.

Zhou C F, Wang Y J, Yu Y C,etal. 2012. Does glyphosate impact on Cu uptake by, and toxicity to, the earthwormEiseniafetida? Ecotoxicology，21(8):1-9.

Zhou C, Wang Y, Li C,etal. 2013. Subacute toxicity of copper and glyphosate and their interaction to earthworm (Eiseniafetida). Environmental Pollution, 180:71-77.

Zobiole L H S, Kremer R J, Oliveira R S,etal. 2011.Glyphosate affects chlorophyll, nodulation and nutrient accumulation of “second generation” glyphosate-resistant soybean (GlycinemaxL.). Pesticide Biochemistry and Physiology, 99(1):53-60.

Zou X, Wu P, Chen N,etal. 2014. Chinese fir root response to spatial and temporal heterogeneity of phosphorus availability in the soil. Canadian Journal of Forest Research, 45 (4):402-410.

(責(zé)任編輯 王艷娜 郭廣榮)

Effect of Glyphosate Residues in Soil on Physiological Characteristics and Nutrient Absorption of Chinese fir Seedlings

Zhou Chuifan Lin Jingwen Li Ying Liu Aiqin

(EngineeringResearchCenterofChinesefir，StateForestryAdministrationCollegeofForestry,FujianAgricultureandForestryUniversityFuzhou350002)

【Objective】 Glyphosate is usually more or less left over forest land after using for weeding. To explore effects of the glyphosate residues on Chinese fir, a pot experiment was conducted to determine the physiological mechanism of Chinese fir in responses to residual glyphosate in soil, and the effect of glyphosate on the nutrient uptake of Chinese fir. This study aimed to provide the theoretical basis for the rational application of glyphosate in forestry production, and to provide the basic data for the sustainable management of Chinese fir plantation. 【Method】 Chinese fir seedlings were planted in sand with addition of different glyphosate levels (0, 2, 5, 10, 20, 50 mg·kg-1). Morphological and physiological features of Chinese fir were measured, and the nutrient content was determined. 【Result】 The results showed that under high concentrations of glyphosate, biomass of Chinese fir significantly decreased compared to the control (P<0.05), and fir leaves showed chlorosis. At glyphosate level of 50 mg·kg-1, seedlings all died. Physiological parameters of seedlings showed that increasing glyphosate levels led to increased relative conductivity, MDA content, SOD activity, and POD activity in leaves, and decreased proline and soluble protein content. Chlorophyll a, chlorophyll b and total chlorophyll content first rose then declined, while shikimic acid content showed no significant change. The macro and micronutrient accumulation in roots and leaves of Chinese fir seedlings were affected by glyphosate. With the increase in glyphosate, Cu, Ca and Mg levels increased in the roots, while there was no significant change in the accumulation of Mn, Fe and Zn. In addition, the accumulation of Cu in Chinese fir leaves increased and Mn increased first and then decreased, and Zn increased after decline. 【Conclusion】 Overall, we found that glyphosate had negative effect on Chinese fir growth, led to physiological disorder, disturbed plant nutrient absorption, and negatively influenced seeding growth and survival rate. Therefore our findings suggest that reducing herbicide dose for weed control would improve the yield of Chinese fir young plantations.

Chinese fir; glyphosate; physiological character; nutrient absorption

10.11707/j.1001-7488.20170407

2016-03-03；

2016-04-26。

國家自然科學(xué)基金項目(31400465)； 福建省自然科學(xué)基金項目(2015J05050)； 中國博士后科學(xué)基金項目(2015M570550)。

S765.1

A

1001-7488(2017)04-0056-09

劉愛琴為通訊作者。