 Hans Journal of Agricultural Sciences 农业科学, 2012, 2, 85-89 doi:10.4236/hjas.2012.24014 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/hjas.html) Study on Potential Impacts of Genetically Modified Cultivation on Soil Physical and Chemical Properties Mingyun Luo, Hui Chen Institute of Land and Resources, China West Normal University, Nanchong Email: lmy69@126.com Received: Nov. 13th, 2102; revised: Nov. 17th, 2012; accepted: Dec. 5th, 2012 Abstract: With the application and promotion of genetically modified crops, the safe of Bt-transgenic crops on soil had become one of the hot spot. In present study, two parallel experiments were conducted to compare the impacts of transgenic cotton on the rhizosphere soil properties in northern China. Research results show that: the cotton rhizosphere pH value most rise; soil organic matter in a full carbon, total nitrogen, available nitrogen in addition to a sampling point upward, the rest were decreased; available P, K content shows as- cendant trend. In addition, the soil pH value, total carbon, total nitrogen, available nitrogen in inter-specific differences with the strain variation, an d the available P, available K does not exist for this change. Keywords: Transgenic; Cotton; Rhizosphere; Soil Properties 转基因种植对土壤理化性质的潜在影响 罗明云，陈 慧 西华师范大学国土资源学院，南充 Email: lmy69@126.com 收稿日期：2012 年11 月13 日；修回日期：2012 年11 月17 日；录用日期：2012 年12 月5日 摘 要：转Bt 基因作物的释放对土壤的功能影响近年来已成为生物安全研究中的热点问题，弄清其对 土壤功能的具体影响对于生物安全保护至关重要。本文以华北棉区为研究区，通过实验来试图弄清转 基因棉对棉区棉花根际土壤性质的影响。研究结果表明：棉花根际土壤 pH 值大部分上升；土壤有机 质中的全碳、全氮，碱解氮除一取样点上升外，其余均下降；速效 P、速效 K含量则呈上升趋势。另 外，土壤 pH 值、全碳、全氮、碱解氮在种间差异随品系变化而变化，而速效 P，速效 K则不存在此 变化。 关键词：转基因；棉花；根际；土壤性质 1. 引言 基于 DNA 重组技术和植物细胞、组织培养技术 的逐步成熟，在 1983 年诞生了第一例转基因植物—— 转基因烟草。随后，人们对许多作物都进行了转基因 改良的尝试，使用外源基因包括除草基因、抗病、抗 虫基因等以改善作物性状。转基因植物的种植也从实 验室转向田间试验，到 1995 年多种转基因植物进入 大规模商业化应用阶段。转基因作物一旦在生态环境 中稳定下来，随着时间的推移可能会在生态系统中积 累和产生级联效应。转基因生物体对人类和环境的影 响将会是长期的，很多影响可能产生时滞效应，而不 像非生物影响那样随时间而减小，随距离而减弱。随 Copyright © 2012 Hanspub 85  转基因种植对土壤理化性质的潜在影响 着转基因作物的应用和推广，转基因生态风险评估体 系也越来越完善。目前，转 Bt 基因作物的释放对生态 系统中物质循环和能量转化过程的重要场所——土壤 的功能影响已经成为生物安全性研究的热点之一[1-3]。 有研究表明根际是围绕于植物活根的土壤微域，由于 受根系生理活动的影响，在物理、化学和生物特性上 有不同于原土体的特殊土区，是土壤水分和矿物质进 入根系参与生物循环的门户，同时也是根系自身生命 活动和代谢对土壤影响最直接最强烈的区域[4]。因 此，研究转基因作物对于土壤性质的影响，根际土壤 就成为学者们的首选，这有效推动了根际生态学的发 展。 对于转基因作物对养分及其理化性质的影响，过 去已有报道[5-21]。然而，国内外已有的研究，往往是 针对纯化毒素或实验室内的单因子研究，而转基因作 物释放的现实环境为大田，作物产量的形成亦是土、 肥、气、热、水等多因子综合作用的结果，因而有必 要开展大田条件下的综合研究，将室内与大田研究相 结合，更真实地反映转 Bt 作物对土壤的潜在影响。 因此，本研究着眼于华北 Bt 棉棉田及其亲本常规棉 田苗期根际土壤养分及其理性质变化，以及不同品种 Bt 棉田的差异，旨在为我国转基因抗虫棉生态安全评 价提供科学依据，同时为我国土地的可持续利用提供 理论指导。 2. 材料与方法 2.1. 供试材料 由于近等基因系(Near isogenic lines, NIL)具有相 近的遗传背景。因此，本研究采用 Bt 棉花品种及与 相对应的非转基因近等基因系常规棉为材料，常规棉 除了没有外源 Bt 基因外，其遗传基因与 Bt 棉品种基 本相同的。 试验一所用棉花品种分别是中国农业科学院生 物所采用花粉管导入技术将人工合成 Bt 基因导人泗 棉3号培育而成的高抗棉铃虫棉花品种(含Cry 1 Ac) (种名为国抗 12，简称 GK-12)及与相对应的非转基因 近等基因系常规棉(泗棉 3号，简称 SM-3)。其中 GK-12， 含Bt 基因 Cry l A(Cry l Ac和Cry l Ab的融合基因)， 中国农业科学院生物技术研究所廊坊科研基地 提供；泗棉 3号由江苏省泗阳棉花原种厂提供。 试验二所用新棉 33B是美国岱字棉公司与孟山都 公司合作，利用现代高科技手段将 Bt 基因导入由柯 字312 与DP5415 杂交而育成的高抗鳞翅目害虫的抗 虫棉新品种，其相对应的非转基因近等基因系常规棉 (DP5415)。其中新棉 33B 含Bt 基因CrylAc，杀菌剂 包衣；常规棉 DP5415，含杀菌剂包衣，均由美国孟 山都公司河北省冀岱棉花种子生产有限公司提供。 2.2. 试验设计 试验地设在河北省廊坊市中国农业科学院廊坊 中试基地农场，棉花种植均为地膜覆盖栽培，膜宽 100 cm，膜间距 100 cm。棉花于 2009 年5月4日播种， 种植时每膜种 2行，行距 50 cm，株距 30 cm。Bt 与 非转 Bt 棉分小区种植，每个品种4个重复小区，每 个小区面积约 100 m2，各小区随机排列，小区间留 1 m 种玉米作为保护行。 2.3. 土样采集与分析 取样：采用混合取样法(每个土样由对角线 X形5 个样点混合)。每个样点采样深度为0~15 cm，15~30 cm 两个层次，用环刀采集土样；将混合土样装入袋 中，带回实验室，风干，以备测定土壤 pH 值、有机质、 总N、速效 N、速效 P和速效K。 测定：先将士样中的植物根系、石块等除去，混 匀，风干后过 2 mm筛，用于各项指标测定。土壤pH 值用甘汞复合电极 pH计测定；土壤有机质含量用浓 硫酸–重铬酸钾氧化，硫酸亚铁滴定法；土壤有机碳 采用元素分析仪(Vario El 3，德国)测定，土壤全氮用 Flash EAI112型元素分析仪测定；土壤碱解性氮含量 (1 mol·L-1 NaOH, 40℃，24 h)采用碱解扩散法测定； 土壤速效 N用凯氏定氮分析仪测定；土壤速效 P用盐 酸–氟化氩提取，钼锑抗比色法测定；土壤速效 K用 醋酸铵提取，火焰光度计测定。 2.4. 数据分析与绘制 用DPS(DPS 9.05唐启义)的两组平均数 student T 检测分析棉花品种对于土壤性质的影响差异，并用 origin7.5 绘制柱状图，同时处理间差异的显著水平设 定为 P < 0.05。 Copyright © 2012 Hanspub 86  转基因种植对土壤理化性质的潜在影响 3. 结果 3.1. 土壤 pH 值的变化 由于棉花适宜生长在通气排水良好、土层深厚肥 沃的土壤上，而且以pH6.5~8.0 为宜。因此，pH 的剧 烈变化会影响棉花的生长。本实验结果(图1)在棉花苗 期，不同品种棉田根际土壤 pH值的变化差异显著。 对于转 Bt 棉GK-12 与其近交系亲本 SM-3 而言，苗 期根际土壤 pH 均成上升趋势，不同品种之间的 pH 值 变化差异显著(F = 0.6429，DF = 1.4，P = 0.0146)；对于 转Bt 棉33B 与其近交系亲本 DP5415 而言，苗期根际 土壤 pH变化趋势相反，33B棉田根际土壤pH值下降， 而DP5415 棉田根际土壤 pH 值上升，不同品种之间 的pH 值变化差异极显著(F = 2.3269，DF = 1.4，P = 0.0001) 3.2. 土壤有机质 土壤有机物质改善了土壤结构、持水性和通气 性，是土壤微生物和细菌的重要营养来源。由于其具 有高度特殊的表面积和离子交换能力，是植物营养 素、重金属和有机物质(例如杀虫剂)的重要吸附剂。 本实验结果(图2)表明，棉花苗期，不同品种棉田根际 12 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 * pH Change 33B DP5415 GK-12 SM-3 ** (Note：*代表P < 0.05，**代表 P < 0.01下同) Figure 1. The pH change of different cotton cultivars in seedling 图1. 不同品种棉田根际 pH 值变化 12 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Organic Matter Change 33B D P5415 GK12 SM 3 ** Figure 2. Organic matter change of different cotton cultivars in seedling 图2. 不同品种棉田根际土壤有机质变化 土壤有机质变化趋势不同。对于转 Bt棉GK-12 与其 近交系亲本SM-3 而言，苗期根际土壤有机质成上升 趋势，SM-3 根际土壤有机质成下降趋势，不同品种 之间的有机质变化差异极显著(F = 0.0518，DF = 1.4，P = 0.0083)；对于转 Bt 棉33B 与其近交系亲本DP5415 而言，苗期根际土壤 pH变化均下降，不同品种之间 的有机质变化差异显著(F = 7.1673，DF = 1.4，P = 0.0027)。 3.3. 土壤全碳和全氮 土壤，作为陆地生态系统中碳和氮素的主要蓄积 库之一，承担着碳和氮的源、汇或转化器的功能，在 全球碳循环和氮循环中发挥着重要作用。土壤全碳和 全氮含量也是土壤肥力和土壤质量(演变)评价的重要 指标，其循环与平衡状况是系统稳定性和持续性的重 要标志。 本文通过 2个平行的试验，结果(图3，图 4)表明 棉花苗期，不同品种棉田根际土壤全碳和全氮变化趋 势不同。对于转 Bt 棉GK-12 与其近交系亲本 SM-3 而言，苗期 GK-12 根际土壤全碳、全氮上升，SM-3 根际土壤全碳、全氮下降，不同品种之间的全碳变化 12 -1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 Total C Change 33B DP5415 GK12 SM 3 * Figure 3. Total C change of different cotton cultivars in s eedling 图3. 不同品种棉田根际土壤全碳变化趋势 12 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 Total N Change 33B DP5415 GK 12SM 3 * Figure 4. Total N change of different cotton cultivars in s eedling 图4. 不同品种棉田根际土壤全氮变化趋势 Copyright © 2012 Hanspub 87  转基因种植对土壤理化性质的潜在影响 差异显著(F = 4.9140，DF = 1.4，P = 0.0010)全氮变化 差异不明显(F = 9.3227，DF = 1.4，P = 0.0523)；对于转 Bt 棉33B 与其近交系亲本 DP5415 而言，苗期根际土 壤全碳均下降，但不同品种之间的全碳变化差异不显 著(F = 6.7197，DF = 1.4，P = 0.0696)，而全氮变化差异 极显著(F = 5.3181，DF = 1.4，P = 0.0001)。 3.4. 土壤中速效养分的变化 土壤碱解氮、速效磷和速效钾是转基因作物生长 发育过程中可利用的土壤氮、磷和钾元素的重要来 源。由于这些指标可以在土壤全量养分变化之前反映 土壤的微小变化，又直接参与土壤生物化学转化过 程，因而它们是评价土壤养分平衡和土壤化学、生物 化学肥力保持的重要指标。 苗期 GK-12 根际土壤碱解氮上升，SM-3 根际土 壤碱解氮下降，不同品种之间的碱解氮变化差异极显 著(F = 4.9140，DF = 1.4，P = 0.0010)全氮变化差异不 明显(F = 9.3227，DF = 1.4，P = 0.0523)；对于转 Bt 棉 33B 与其近交系亲本 DP5415而言，苗期根际土壤碱 解氮均下降，但不同品种之间的碱解氮变化差异不显 著(F = 6.7197，DF = 1.4，P = 0.0696)，而碱解氮变化差 异极显著(F = 5.3181，DF = 1.4，P = 0.0001)( 见图 5)。 研究表明(图6)根际土壤速效磷变化趋势一致，但 变化幅度不一样。GK-12 与SM-3 根际土壤速效磷均 上升，而且不同品种之间的速效磷变化差异不显著(F = 0.1737，DF = 1.4，P = 0.0212)；对于转Bt 棉33B 与 其近交系亲本DP5415 而言，苗期根际土壤速效磷均 上升，但不同品种之间的全碳变化差异不显著(F = 0.4200，DF = 1.4，P = 0.0059)。 研究表明(图7)根际土壤速效钾变化趋势一致，但 12 -35 0 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 Alkali-hydrolyzable N Change 33B DP5415 GK12 SM 3 ** Figure 5. Alkali-hydrolyzable N change of different cotton cu ltivars in seedling 图5. 不同品种之间的碱解氮变化 12 0 10 20 30 40 50 60 70 Available P Change 33B DP5415 GK 12SM 3 Figure 6. Available P change of different cotton cultivars in seed- ling 图6. 根际土壤速效磷变化趋势 12 0 20 40 60 80 100 120 140 Available K Change * 33B DP5415 GK 12SM 3 Figure 7. Available K change of different cotton cultivars in seed- ling 图7. 根际土壤速效钾变化趋势 变化幅度不一样。GK-12 与SM-3 根际土壤速效磷均 上升，而且不同品种之间的速效钾变化差异显著(F = 0.3289，DF = 1.4，P = 0.0025)；对于转 Bt 棉33B 与其 近交系亲本DP5415 而言，苗期根际土壤速效钾均上 升，但不同品种之间的全碳变化差异不显著(F = 5.9168，DF = 1.4，P = 0.0972)。 4. 讨论 本文的研究表明：棉花根际土壤pH 值除 33B 外 均上升，而且转 Bt 基因抗虫棉与非 Bt 棉品种间的差 异随品系变化而变化；土壤养分中的有机质全碳、全 氮，碱解氮除 GK-12 外均下降；转 Bt 基因抗虫棉与 非Bt 棉品种间的差异显著程度随品系变化而变化； 速效 P，速效 K在所有供试品种根际土壤中含量均上 升，而且转 Bt 基因抗虫棉与非 Bt 棉之间差异不显著， 这与孙彩霞等[21]的结论一致。 通过比较不同品系的转 Bt 棉与其近交非Bt 棉棉 苗期根际土壤性质的差异，结果表明转 Bt 棉对土壤 Copyright © 2012 Hanspub 88  转基因种植对土壤理化性质的潜在影响 Copyright © 2012 Hanspub 89 性质的影响随棉花品系不同而不同。因而，广泛开展 转Bt 对土壤养分的研究是必要的。同时，在评价特 定条件下转基因作物种植的潜在影响时，需要获得足 够的不同条件下的生态系统的基本信息；转基因作物 种植对土壤营养元索的影响也需要开展针对不同种 植条件的广泛研究。但转基因作物种植对土壤中上述 养分及其它营养元素含量的影响仍需长期试验进一 步验证。 参考文献 (References) [1] F. S. Betz, B. G. Hammond and R. L.Fuchs. Safety and advan- tages of Bacillus thuringiensis protected plants to control insect pest. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2000, 32(2): 156- 173. [2] C.-X. 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