《Journal of Hazardous Materials》：The Effect of Urea and Glyphosate Co-application on Glyphosate Degradation and Soil Nutrient Cycling Functions
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本研究通过实验室土壤实验，探讨尿素共施用对草甘膦降解及土壤生态风险的影响，发现尿素显著延长草甘膦半衰期，改变土壤氮含量，抑制降解相关微生物及酶活性，增加微生物网络复杂性但降低土壤稳定性。
李鹏曦|刘学科|翟王静|范佳佳|李冰雪|郑丽|赵凡荣|周志强|王鹏|刘东辉
中国农业大学理学院应用化学系，北京 Yuanmingyuan 西路2号，邮编100193
摘要
草甘膦在农业中广泛使用，通常与尿素共同施用。然而，尿素对草甘膦降解的影响及其潜在的土壤毒性仍不清楚。本研究通过实验室土壤实验，探讨了尿素（每公顷240公斤纯氮）共同施用对草甘膦降解及相关生态风险的影响。结果表明，尿素使草甘膦的半衰期延长了1.99倍。共同施用改变了土壤中可利用氮的水平，减少了包括Pseudomonas和Bacillus在内的微生物数量，并显著降低了草甘膦降解基因（如goxB）的相对丰度。偏最小二乘结构方程建模（PLS-SEM）证实，土壤中可利用氮的含量是影响草甘膦残留的主要因素。共同施用还降低了β-D-纤维素酶的活性，阻碍了有机碳的分解，并破坏了土壤碳氮循环的耦合。脲酶和亮氨酸氨基肽酶的活性受到抑制，氮循环微生物（如Methylomirabilota）的数量减少，氮的可用性下降。共同施用下微生物网络的复杂性增加，但恢复力下降，表明土壤生态稳定性降低。本研究揭示了尿素影响草甘膦降解的机制，为合理施用尿素和草甘膦提供了理论支持。
引言
草甘膦（N-膦甲基甘氨酸）是全球使用最广泛的广谱、非选择性除草剂，其环境行为和归趋受到了广泛关注[1]。自1996年引入抗草甘膦作物以来[2]，全球草甘膦的使用量稳步增加，预计到2025年年使用量将达到92万吨[3]。草甘膦主要通过地表径流、淋溶和喷雾漂移进入土壤[4]、水体[6]和沉积物[8]，导致环境残留。在土壤中，其降解速率差异很大，半衰期在2到215天之间[9]、[10]、[11]。其主要代谢物氨基甲基膦酸（AMPA）通常比草甘膦更持久[12]，半衰期为60-240天[13]、[14]。草甘膦的降解通过化学和生物过程进行，其中微生物降解是主要途径[15]、[16]、[17]。化学降解效率受土壤pH值[18]、有机质含量[18]、水分[13]和矿物组成的影响。例如，磷酸盐会通过竞争土壤吸附位点来抑制降解[21]，而氧化锰则可以促进降解[22]。相比之下，微生物降解依赖于土壤微生物群落[15]，并通过C-P键断裂（肌肽途径）或C-N键断裂（AMPA途径）进行[23]。C-P键断裂产生肌肽和磷酸盐[24]，而C-N键断裂产生AMPA和草酰酸，后者在草酰酸循环中进一步代谢[25]。尽管一些研究表明，在湿地土壤中C-P裂解酶（phnJ）占主导地位并减少AMPA的积累[26]，但大多数研究认为AMPA途径更为普遍，是土壤中微生物降解草甘膦的主要途径[17]、[24]、[27]、[28]。
草甘膦的微生物降解受土壤养分状况和微生物群落组成的调节。研究表明，土壤中的碳、氮和磷的可用性影响降解细菌的降解能力。例如，低磷条件可以激活C-P裂解酶[29]。相反，富营养化可能会抑制降解相关基因的表达[24]。此外，外源物质可以改变微生物群落结构和酶活性，从而影响草甘膦的降解。例如，50微摩尔的H2O2可以通过芬顿反应在无菌土壤中增强草甘膦的降解。然而，在非无菌土壤中，它会通过抑制磷酸酶活性和减少关键降解菌（如Afipia、Microcoleus和Pseudomonas）的相对丰度来显著抑制降解，导致AMPA积累增加[11]。因此，农业管理措施（如施肥）可能通过调节微生物群落和养分循环进一步影响草甘膦的降解。最近关于施肥对草甘膦降解影响的研究主要集中在磷肥和氮肥上[30]。磷肥可以竞争土壤吸附位点，提高草甘膦的生物可利用性和移动性，从而影响其降解[31]、[32]。相比之下，关于氮肥的研究仍然有限，尽管有证据表明尿素过氧化物可以增强草甘膦的降解[33]。氮肥可能促进草甘膦的降解，并增加生物不可提取残留物的形成，尽管可能导致短期内AMPA积累[34]。值得注意的是，尿素是最常用的氮肥[35]，在抗草甘膦作物系统中广泛用作基肥和追肥[36]，在空间和时间上与草甘膦的施用同时进行[37]。在抗草甘膦玉米生产中，草甘膦的施用通常发生在生长早期和拔节期[38]，而尿素通常在播种前和拔节期分次施用（总量约为每公顷180–240公斤氮）[36]。这些做法在土壤中创造了两个输入同时存在的重叠窗口。这种重叠在农学上很重要，因为尿素引起的土壤氮周转变化会影响草甘膦的消散及其相关的生物地球化学功能[39]。以往的肥料相关研究主要强调磷酸盐驱动的吸附竞争或反应性氮制剂（如尿素过氧化物）。相比之下，本研究考察了尿素这种在田间管理中经常与草甘膦同时存在的氮肥。明确尿素对草甘膦和AMPA降解的影响对于预测它们在土壤中的消散和评估潜在的生态风险至关重要。
草甘膦可以通过改变土壤微生物群落结构和功能间接影响养分循环[40]、[41]。一些适应草甘膦暴露的微生物可能主导群落，影响其他养分循环微生物的丰度[42]。虽然大多数微生物不能直接利用草甘膦作为碳源[43]，但各种细菌（革兰氏阳性和革兰氏阴性）和真菌可以将其作为碳或磷的来源进行代谢[29]、[44]。此外，草甘膦的微生物降解产物可以作为微生物代谢的营养物质[45]。例如，降解草甘膦的微生物可以将其碳和氮同化为生物量[18]、[46]。然而，草甘膦对土壤养分循环的影响仍存在争议。一些研究表明，草甘膦的施用会降低细菌多样性和网络复杂性，并改变细菌和真菌群落组成，但对土壤碳和磷循环没有显著影响[47]。当前的研究主要集中在单一暴露条件下的草甘膦降解及其环境风险上，对草甘膦在其他农用化学品（如氮肥）存在下的降解及其对土壤养分循环的影响关注较少。
鉴于尿素在抗草甘膦作物系统中常用作基肥，并且在空间和时间上与草甘膦的施用同时进行，它可能深刻影响草甘膦的降解和土壤养分循环。本研究进行了土壤培养实验，系统评估了尿素施用对草甘膦降解及其潜在环境影响的效应。研究目标包括：首先，监测草甘膦和AMPA的残留动态；其次，评估土壤pH值和养分含量；第三，评估与碳、氮和磷循环相关的酶活性；第四，分析与碳和氮循环代谢途径相关的细菌群落组成、结构和功能基因的丰度。采用相关性分析和偏最小二乘结构方程建模（PLS-SEM）来阐明尿素影响草甘膦降解的关键途径。本研究提供了在氮肥条件下草甘膦环境归趋的机制见解，并为优化农业系统中的除草剂和氮肥管理策略提供了参考。
实验设计和样品采集
实验设计和样品采集
从中国黑龙江省双鸭山市的非耕地边缘采集了新鲜土壤样本（深度0–20厘米）。根据与当地土地管理者的访谈，在采样区域至少3年内没有施用过任何农药（包括草甘膦）。实验前分析确认采集的土壤中不存在可检测到的草甘膦或AMPA残留。使用前，土壤经过风干处理。
尿素和草甘膦共同施用对土壤中草甘膦降解动态的影响
添加到土壤中的草甘膦及其代谢物AMPA的浓度分别为50、100、1000和10000微克/千克。草甘膦的回收率在93.37%到99.59%之间，相对标准偏差（RSD）为1.76%到3.68%。AMPA的回收率在86.14%到93.37%之间，RSD为0.97%到5.28%。详见表S6和表S7。
在无菌土壤中，草甘膦在98天内的降解量不到16.0%，并且在整个暴露期间未检测到AMPA代谢物。
尿素共同施用抑制草甘膦降解：调控机制
本研究系统揭示了尿素共同施用对土壤中草甘膦降解的抑制机制，包括微生物群落的重构、功能微生物种群丰度的变化以及降解途径的时间调控。使用无菌和非无菌土壤进行的比较实验（图1）证实，草甘膦的降解主要依赖于微生物活性，这与现有结论一致，即微生物主导草甘膦的降解。
结论
本研究显示，尿素施用（每公顷240公斤氮）显著延缓了草甘膦（10毫克/千克）的降解，并通过重塑微生物群落和损害功能过程改变了土壤养分循环。尿素共同施用减少了关键草甘膦降解细菌（如Pseudomonas和Bacillus）的相对丰度，从而不利于草甘膦的代谢。同时，降解相关基因（包括goxB）的抑制也导致了草甘膦的长期存在。
环境影响
草甘膦和尿素的共同施用延长了土壤中草甘膦和AMPA的半衰期，并损害了养分循环功能。尿素抑制了微生物降解，改变了C-、N-和P-循环酶的活性，并增加了微生物网络的复杂性，削弱了土壤C–N耦合和生态稳定性，可能对长期肥力产生负面影响。这些效应可能危及与可持续农业相关的土壤功能。这些结果强调了进行测试的必要性。
作者贡献声明
翟王静：验证、正式分析。郑丽：写作 – 审稿与编辑。赵凡荣：写作 – 审稿与编辑。范佳佳：数据管理。李冰雪：数据管理。刘东辉：写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。周志强：监督。王鹏：写作 – 审稿与编辑、监督。李鹏曦：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、正式分析、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢中国农业大学2115人才发展计划的财政支持。
利益冲突声明
本文为原创作品。本文及其任何形式的内容均未在其他地方发表或接受，也未提交给其他期刊。作者声明没有利益冲突。
