بررسی آثار استفاده از علف‌کش‌ها بر شاخص‌های تولید و دوام آنزیم اوره‌آز خاک

STUDENT

DEGREE

YEAR

The activities of soil microorganisms are central to soil sustainability and resilience. Soil microbial populations and the enzymes synthesized by the microorganisms play vital roles in soil organic matter decomposition and nutrient cycling and hence, the sustainability of agroecosystems is directly related to soil biodiversity and functional biodiversity. Application of pesticides is a common management practice in most of the agroecosystems. Exceptionally, in organic farming systems the entrance of whole chemicals is exclusively restricted. Other agricultural ecosystems receive pesticides to different extents. Herbicides are widely used in order to control or eradicate the weeds and therefore have attracted increasing attention due to environmental concerns. It has been suggested that they not only influence the target plants but also negatively affect other biological performance in soils. Urease is among amidohydrolases which contribute to nitrogen mineralization in soils and consequently plays an important role in providing inorganic nitrogen to plants and soil microorganisms. Urease catalyzes the hydrolysis of urea to ammonia and carbon dioxide. Generally speaking, it is thought that enzyme activities are sensitive soil biological sensors and that is why they have been widely used as indicators of soil biological quality. We hypothesized that i) the effect of herbicides on soil urease activity is a function of type and concentration of the herbicide and ii) herbicides limit either the production and the persistence of urease in soil. The later hypothesis was made on the basis that in a preliminary experiment we showed that the herbicides adversely influence the rate of soil microbial respiration. Therefore, the objective of this study were to identify first, the effect of Oxyfluorfen, Butachlor, Trifluralin, Glyphosate, Metribuzin, Nicosulfuron and Haloxyfop – R methyl at different concentration levels on soil urease activity and second, the effect of two most inhibitory herbicides on the production and persistence of the urease. Two soil samples were collected from calcareous soils of Isfahan province. The soils were crushed and passed through 2-mm sieve. A 5 g soil sample was treated with the herbicide at 0, 10, 20, 30, 40 and 50 mg kg -1 soil. After 30 minutes of equilibration the activity of urease was assayed according to the standard method. In order to evaluate the effect of herbicides on the production and persistence of urease in soils, the soils were first amended with adequate amounts of carbon and nitrogen and then treated with different levels of the selected herbicides. Urease activity was assayed at 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 12, 15, 20, 25, 30 days of incubation. The respired CO 2 -C was also determined in a parallel experiment. Results indicated that soil urease was consistently insensitive to all herbicides at the concentration of 10 mg kg -1 . In greater concentration herbicides inhibited soil urease to different extents so that Oxyfluorfen and Trifluralin were detected as the most toxic herbicides. Therefore the production and the persistence of soil urease were assayed in soils treated with the two herbicides. In most of the cases urease production was not limited at the 0.5 mg kg -1 . Both herbicides showed to restrict urease production in soils. Interestingly the ideal pattern of enzyme production was changed when soils were first treated with the herbicides. We could not find a clear description for the pattern shift. The similar pattern of the urease activity and soil respiration in soils treated with the herbicides support the hypothesis suggesting that herbicides may influence the soil enzyme activities either by affecting the enzyme protein molecules or affecting the microorganisms which are responsible for the enzyme synthesis.

پایداری و باروری اکوسیستم‌های خاک وابستگی زیادی به میکروارگانیسم های خاک و فعالیت آنها دارد. جامعه میکروبی خاک و آنزیم های ساخته شده توسط آنها نقش بسیار مهمی در فرآیندهای تجزیه مواد آلی و سایر واکنش های بیوشیمیایی خاک و در نتیجه بازچرخ عناصر غذایی ایفا می کنند و لذا سیستم های مدیریت کشاورزی تنها زمانی پایدار خواهند بود که کیفیت و تنوع زیستی خاک حفظ گردد. استفاده از سموم شیمیایی جهت دفع آفات محصولات کشاورزی می تواند باعث برهم زدن تعادل فعالیت های زیستی خاک شود. علف کش ها از جمله این سموم هستند که امروزه به طور گسترده‌ای برای حذف علف های هرز مورد استفاده قرار می گیرند. آنزیم اوره آز آنزیمی است که با هیدرولیز اوره به دی‌اکسید کربن و آمونیاک، بخشی از آمونیوم مورد استفاده برای میکروارگانیسم های خاک و همچنین گیاهان را تامین می کند. در این تحقیق ابتدا اثر گروهی از علف کش ها شامل اکسی فلورفن، بوتاکلر، تریفلورالین، گلایفوزیت، متری بوزین، نیکوسولفورون و هالوکسی فوپ آرمتیل بر فعالیت آنزیم اوره آز خاک بررسی شد. بدین منظور نمونه های 5 گرمی خاک سطحی (cm 15-0) که از منطقه شرودان به صورت مرکب نمونه برداری شد، با غلظت های 0، 10، 20، 30، 40 و 50 میلی‌گرم ماده موثر بر کیلوگرم هر کدام از این علف کش ها به مدت 30 دقیقه تیمار شد. نتایج نشان داد که غلظت 10 میلی گرم بر کیلوگرم علف کش ها اثر منفی بر فعالیت اوره آز نداشت اما غلظت های بیشتر باعث کاهش فعالیت این آنزیم شدند و در بین علف کش ها، اکسی فلورفن و تریلفورالین بیشترین درصد بازدارندگی را بر فعالیت اوره آز داشتند. در ادامه از میان این 7 علف کش، تاثیر اکسی‌فلورفن و تریفلورالین بر شاخص های تولید و دوام آنزیم اوره آز و همچنین تنفس میکروبی و پتانسیل معدنی شدن کربن مورد بررسی قرار گرفت. برای ارزیابی تولید و دوام اوره آز تحت تاثیر این دو علف‌کش، نمونه هایی به صورت مرکب از خاک سطحی (cm 15-0) دو منطقه شرودان (اصفهان) و چم آسمان (اصفهان) جمع آوری شد. نمونه های 50 گرمی از این خاک ها به طور مجزا با غلظت های 0، 5/0، 10، 50، 250 و 500 میلی گرم ماده موثر بر کیلوگرم اکسی فلورفن و تریفلورالین و همچنین مقادیر مشخصی از کربن و نیتروژن (جهت تحریک رشد میکروبی و تولید آنزیم) تیمار شده و در انکوباتور قرار گرفتند. سپس فعالیت اوره آز در این تیمارها در زمان های 0، 1، 2، 3، 4، 5، 7، 9، 12، 15، 20، 25 و 30 روز پس از انکوباسیون اندازه‌گیری شد. روند بدست آمده از اندازه گیری فعالیت آنزیم در طول دوره انکوباسیون به گونه ای بود که مقادیر عددی شاخص های تولید و دوام اوره آز، از فعالیت های اندازه گیری شده محاسبه گردید. جهت مطالعه تاثیر اکسی فلورفن و تریفلورالین بر تنفس میکروبی خاک، نمونه خاک های شرودان و چم‌آسمان با غلظت های 0، 5/0، 10 و 50 میلی گرم بر کیلوگرم علف کش به همراه مقادیر معینی از کربن و نیتروژن تیمار گردیده و در انکوباتور قرار داده شدند. سپس CO 2 آزاد شده ناشی از تنفس میکروبی در زمان های 1، 2، 3، 4، 7، 14، 21 و 28 روز پس از انکوباسیون اندازه‌گیری شد. پس از اندازه گیری تنفس میکروبی در زمان های مقرر، مقادیر تجمعی کربن معدنی در این زمان ها محاسبه گردید. معدنی شدن کربن با زمان دارای توزیع نمایی بوده و روند آن از سینتیک رده اول تبعیت نمود و شاخص‌های سینتیکی معدنی شدن کربن شامل پتانسیل معدنی شدن کربن آلی (C 0 ) و شاخص معدنی شدن کربن (kC 0 ) در هر کدام از این تیمارها تعیین شدند. نتایج حاصل از بررسی تولید و دوام آنزیم اوره آز نشان داد که در خاک شرودان غلظت 5/0 میلی گرم بر کیلوگرم اکسی فلورفن و تریفلورالین اثر منفی بر شاخص تولید آنزیم نداشت. در خاک چم آسمان غلظت 5/0 میلی گرم بر کیلوگرم تریفلورالین تاثیری بر تولید اوره آز نداشت اما اکسی فلورفن در این غلظت باعث کاهش تولید آنزیم شد. در غلظت های بیشتر هر دو علف کش، تولید اوره آز در هر دو خاک کاهش یافت. شاخص دوام آنزیم اوره آز در خاک شرودان در تمامی غلظت‌های به کار گرفته شده تریفلورالین و غلظت‌های 5/0، 10، 250 و 500 میلی‌گرم بر کیلوگرم اکسی‌فلورفن کاهش پیدا کرد. در خاک چم آسمان به استثنای غلظت 10 میلی گرم بر کیلوگرم اکسی‌فلورفن، افزودن سایر تیمارها به خاک، کاهش شاخص دوام آنزیم را به دنبال داشت و این کاهش در غلظت 5/0 میلی گرم بر کیلوگرم نیز برای هر دو علف کش مشاهده شد. نتایج تنفس میکروبی نشان داد که در هر دو خاک اضافه کردن علف‌کش ها از شدت تفس می‌کاهد و در غلظت های بیشتر اکسی‌فلورفن و تریفلورالین نه تنها از مقدار بیشینه تنفس در طول انکوباسیون کاسته می‌گردد بلکه بیشینه تنفس با یک تاخیر زمانی اتفاق می افتد. شاخص های معدنی شدن کربن آلی نیز تحت تاثیر علف‌کش‌ها تغییر کردند. در خاک شرودان به استثنای تیمار 5/0 میلی گرم بر کیلوگرم اکسی فلورفن، بقیه تیمارها باعث کاهش C 0 و kC 0 شدند. در خاک چم آسمان نیز همانند خاک شرودان فقط غلظت 5/0 میلی گرم بر کیلوگرم اکسی‌فلورفن تاثیری بر C 0 و kC 0 نداشت، در سایر تیمارها از مقدار این شاخص ها کاسته شد.