生物改良劑在修復(fù)水稻鎘污染上的應(yīng)用研究

張志鵬 蔡燕飛 段繼賢 王宗抗 吳書鳳 魏浩

摘要：為了探究生物改良劑在修復(fù)水稻鎘污染中的應(yīng)用效果，選取早稻品種株優(yōu)819為研究對象，通過田間試驗(yàn)對其修復(fù)水稻鎘污染能力和促生能力進(jìn)行評價(jià)。共設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)試點(diǎn)3個(gè)試驗(yàn)組，分別為常規(guī)施肥組、常規(guī)施肥+生石灰1 200 kg/hm2組、常規(guī)施肥+生物改良劑600 kg/hm2組，測定各組中水稻的株高、莖粗、葉寬、根粗、主根長、單株次生根數(shù)量、各小區(qū)單收單打測產(chǎn)、稻米中的鎘含量和秸稈中的鎘含量，對比各試驗(yàn)組間的差異。結(jié)果表明，施用生物改良劑后，水稻的株高、莖粗、葉寬、主根長、根粗和單株次生根數(shù)量相比常規(guī)施肥+生石灰1 200 kg/hm2組和常規(guī)施肥組均有顯著提升。在產(chǎn)量上，相比常規(guī)施肥+生石灰1 200 kg/hm2組和常規(guī)施肥組，施用生物改良劑后分別增加了6.33%～7.59%和7.71%～7.81%。同時(shí)，施用生物改良劑還能有效降低水稻植株和稻米中的鎘含量，相比于常規(guī)施肥+生石灰1 200 kg/hm2組和常規(guī)施肥組，稻米中的鎘含量分別下降30.43%～36.00%，水稻秸稈中的鎘含量分別下降32.80%～35.80%。綜上所述，施用生物改良劑能夠有效促進(jìn)水稻生長，顯著提高水稻產(chǎn)量，降低水稻植株及稻米中的鎘含量，修復(fù)水稻鎘污染。

關(guān)鍵詞：鎘污染;水稻;生物改良劑;生物修復(fù);增產(chǎn)

中圖分類號： X53? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）14-0274-04

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程加速，我國的土壤重金屬污染問題也越來越嚴(yán)重。與其他重金屬相比，鎘的毒性較高，污染的范圍較大，且極易被植物吸收利用，被稱為“五毒之首”[1]。水稻是世界第二大糧食作物，也是我國第一大糧食作物，其糙米成分與人體健康密切相關(guān)[2]。而水稻被認(rèn)為是易于吸收鎘的大宗類作物之一，稻米鎘污染問題對糧食生產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅[3-7]。因此，采用有效措施來降低稻米內(nèi)鎘含量是目前土壤、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

湖南省不僅被譽(yù)為我國著名的“魚米之鄉(xiāng)”，還是聞名于世的“有色重金屬之鄉(xiāng)”。有色重金屬采集冶煉等工業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，也帶來了很多污染問題，其中鎘污染問題最為突出[8-11]。湖南省作為我國的農(nóng)業(yè)大省，擁有廣大的水稻種植面積，在我國的糧食安全中占有重要地位[12]。水稻作為高鎘積累的農(nóng)作物品種，受鎘污染影響較大。調(diào)查表明，湖南省各地市場的大米樣品中，鎘的平均含量為0.28 mg/kg[9]。周全等的研究表明，鎘濃度為001 mg/kg時(shí)可以促進(jìn)水稻生長;但當(dāng)鎘含量超過一定濃度時(shí)，就會(huì)抑制水稻的生長和發(fā)育，直觀表現(xiàn)為水稻矮小、葉片發(fā)黃，水稻根系生長受抑制，水稻分蘗數(shù)減少，整個(gè)植株生物量下降[13]。鎘超過一定濃度后，水稻的生殖生長會(huì)受到抑制，導(dǎo)致水稻成熟期推遲，結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量降低，產(chǎn)量減少或絕產(chǎn)[14-17] 。高濃度鎘還能抑制種子中蛋白酶、淀粉酶等的活性，從而抑制種子內(nèi)蛋白質(zhì)和淀粉的分解，影響種子的萌發(fā)[18]。鎘濃度水平高時(shí)，還會(huì)抑制水稻的光合作用和呼吸作用[19]。鎘對水稻生長的抑制作用在不同品種中也存在差異，在同等鎘脅迫污染條件下，不同水稻品種生長的受抑制程度不同。彭鷗等研究表明，在鎘脅迫下，水稻生長的不同時(shí)期對鎘的積累速率不同，分蘗期和乳熟期水稻積累鎘的速率較快[20]?，F(xiàn)階段鎘污染的治理主要有農(nóng)藝措施，物理、化學(xué)及生物治理等方法[21-23]。其中生物修復(fù)中的微生物修復(fù)作為一種可持續(xù)發(fā)揮作用的修復(fù)方式，可使被污染的環(huán)境恢復(fù)至自然狀態(tài)，具有長期的環(huán)境效益和成本效益[24]。楊卓等通過添加2種細(xì)菌（膠質(zhì)芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌）的混合物，產(chǎn)生有機(jī)酸并且促進(jìn)有效態(tài)磷、鉀的釋放，使土壤中有效態(tài)鎘含量增加了15.02%，同時(shí)也增加了印度芥菜的生物量，使印度芥菜地上部分中的鎘含量與對照組相比增加了1793%[25]。賈瑩等研究發(fā)現(xiàn)了4種菌株均能產(chǎn)生低分子量有機(jī)酸從而降低油菜中的鎘含量，其中反硝化利斯特氏菌、環(huán)狀芽孢桿菌、格氏利斯特氏菌均能有效增強(qiáng)土壤鎘的活化，使土壤有效態(tài)鎘含量分別增加25.9%、592%、41.9%，油菜地上部的鎘含量與對照相比增加26.8%、48.8%、65.9%[26]。由此可見，生物改良劑作為一種無污染可持續(xù)發(fā)展的綠色肥料，不僅可以改良修復(fù)土壤，還可以促進(jìn)植物生長。因此，應(yīng)加強(qiáng)生物改良劑新技術(shù)的研發(fā)及推廣，提高農(nóng)田的綜合生產(chǎn)力，為我國綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供積極作用。

本研究從湖南省湘潭市雨湖區(qū)姜畬鎮(zhèn)重金屬污染土壤中，篩選出1株抗鎘枯草芽孢桿菌，并將其與現(xiàn)有膠凍樣芽孢桿菌進(jìn)行組合，研發(fā)出一款生物改良劑。為探究該生物改良劑在修復(fù)水稻鎘污染上的應(yīng)用效果，進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究以早稻品種株優(yōu)819為研究對象，共設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)試點(diǎn)設(shè)3個(gè)試驗(yàn)組，分別為常規(guī)施肥組、常規(guī)施 肥+ 生石灰1 200 kg/hm2組和常規(guī)施肥+生物改良劑600 kg/hm2組，測定各組中水稻的株高、莖粗、葉寬、根粗、主根長、單株次生根數(shù)量、各小區(qū)單收單打測產(chǎn)、稻米中的鎘含量和秸稈中的鎘含量，對比各試驗(yàn)組間的差異，分析該生物改良劑的修復(fù)水稻鎘污染能力和促生能力。根據(jù)田間試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，評價(jià)該生物改良劑在修復(fù)水稻鎘污染上的應(yīng)用效果，旨在為今后大面積示范推廣和產(chǎn)品登記提供一定的理論依據(jù)和研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試作物為水稻，品種均為優(yōu)株819。供試生物改良劑由北京世紀(jì)阿姆斯生物技術(shù)有限公司提供，產(chǎn)品形態(tài)為固體顆粒，生物改良劑中包含菌種為枯草芽孢桿菌、膠凍樣類芽孢桿菌，有效活菌 數(shù)≥1.0億個(gè)/g。復(fù)合肥（N ∶P2O5 ∶K2O=34 ∶45 ∶56）。本試驗(yàn)于2018年3月15日至8月15日在湖南省湘潭市雨湖區(qū)姜畬鎮(zhèn)設(shè)置A、B 2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，土壤理化性狀如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理組，每個(gè)處理組3次重復(fù)。每個(gè)處理小區(qū)面積24 m2，各小區(qū)隨機(jī)排列，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)為處理a，常規(guī)施肥+生物改良劑 600 kg/hm2;處理b，常規(guī)施肥+生石灰 1 200 kg/hm2;處理c，常規(guī)施肥。

使用方法：生物修復(fù)劑于土壤翻耕前一次性施入（水稻移栽前1周以上），然后施用基肥，翻耕后充分耕勻，移栽水稻秧苗。

田間管理采用露天種植，期間2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的田間管理及水肥管理措施相同。水稻成熟后，測定水稻的株高、莖粗、葉寬、根粗、主根長、單株次生根數(shù)量、各小區(qū)單收單打測產(chǎn)、稻米中的鎘含量和秸稈中的鎘含量，稻米及植株樣品采用微波消解后用ICP-MS進(jìn)行重金屬含量的測定，數(shù)據(jù)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 15.0軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻生物學(xué)性狀的影響

不同處理對水稻生物學(xué)性狀影響的結(jié)果如表2所示。數(shù)據(jù)表明施用生物改良劑能顯著促進(jìn)水稻的生長發(fā)育。在試驗(yàn)點(diǎn)A中，處理a相比于處理b、處理c，株高分別增加7.93、8.92 cm;莖粗分別增加1.08、1.09 mm;單株次生根分別增加6、8條;葉寬分別增加8.83、8.29 mm;主根長分別增加381、357 mm;根粗分別增加0.17、0.25 mm。試驗(yàn)點(diǎn)B中，處理a相比于處理b、處理c，株高分別增加631、6.61 cm;單株次生根分別增加4、5條;莖粗分別增加0.51、0.52 mm;葉寬分別增加2.55、3.10 mm;主根長分別增加2.07、2.17 mm;根粗分別增加0.12 、0.10 mm。

2.2 不同處理對水稻產(chǎn)量的影響

各小區(qū)單打單收測產(chǎn)結(jié)果如表3所示。從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，試驗(yàn)點(diǎn)A和B中，處理a與其他處理相比，水稻穗數(shù)及穗粒數(shù)都多。從產(chǎn)量結(jié)果看，在試驗(yàn)點(diǎn)A中，處理a水稻施用生物改良劑后，其產(chǎn)量比處理b、處理c分別增加461.55、547.20 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為6.33%、7.59%。在試驗(yàn)點(diǎn)B中，處理a水稻施用生物改良劑后，其產(chǎn)量比處理b、處理c分別增加562.35、568.95 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為7.71%、7.81%。結(jié)果表明，施用生物改良劑能夠有效提升水稻的穗數(shù)及穗粒數(shù)，增加水稻的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)水稻的增產(chǎn)增收。

2.3 各處理方差分析

對2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的產(chǎn)量進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)點(diǎn)A的方差分析結(jié)果表明，重復(fù)間 F=038≤F0.05=6.94，說明重復(fù)間差異不顯著，試驗(yàn)安排合理;處理間F=48.47≥F0.01=18.0，處理間差異達(dá)極顯著水平，說明增產(chǎn)效果呈極顯著差異。試驗(yàn)點(diǎn)B的方差分析結(jié)果表明，重復(fù)間F=041≤F0.05=6.94，說明重復(fù)間差異不顯著，試驗(yàn)安排合理;處理間F=373.43≥F0.01=18.0，處理間差異達(dá)極顯著水平，說明增產(chǎn)效果呈極顯著差異。

2.4 不同處理對水稻中重金屬鎘含量的影響

生物改良劑修復(fù)水稻鎘污染的結(jié)果如表5所示。數(shù)據(jù)表明，在試驗(yàn)點(diǎn)A和B中，相比于處理b、處理c，處理a均能顯著降低水稻秸稈和稻米中的鎘含量。其中試驗(yàn)點(diǎn)A中處理a與處理b、處理c相比，稻米中的鎘含量分別下降了33.3%、36.0%，水稻秸稈中的鎘含量分別下降了32.8%、34.8%;試驗(yàn)點(diǎn)B中處理a與處理b、處理c相比，稻米中的鎘含量分別下降了30.43%、33.30%，水稻秸稈中的鎘含量分別下降了33.84%、35.80%。

3 討論與結(jié)論

生物改良劑中的微生物對重金屬的治理主要分為2個(gè)方面：一是利用微生物對重金屬的親和吸附作用，將其轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，從而降低污染程度，雖然微生物修復(fù)法中，生物不能直接降解重金屬，但可以改變重金屬的理化特性，進(jìn)而影響重金屬遷移與轉(zhuǎn)化;二是利用菌根對重金屬進(jìn)行修復(fù)，主要包括真菌、固氮菌和放線菌等[27]。Kuroda等利用細(xì)胞表面展示技術(shù)，將酵母金屬硫蛋白串聯(lián)體表達(dá)在酵母細(xì)胞表面，使得酵母細(xì)胞吸附重金屬的能力大大提高[28]。研究發(fā)現(xiàn)，施用百泰微生物菌劑后能夠顯著提高糙米率、堿消值、蛋白質(zhì)含量和質(zhì)量指數(shù)，降低水稻對鎘、汞、砷、鈣、鋅等元素的吸收[29]。已有研究表明，在對湖南地區(qū)晚稻進(jìn)行田間隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)中，相較對照組，施用微生物菌劑處理，其谷殼、糙米中鎘含量降低幅度分別為65.52%、6957%[30]。上述研究成果與本試驗(yàn)結(jié)果相似。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物改良劑能顯著降低水稻中的鎘含量，其中水稻秸稈中鎘含量降低32.80%～3580%，稻米中的鎘含量降低了30.43%～3600%。同時(shí)，富含有益微生物的生物改良劑能夠提高土壤供肥能力，增強(qiáng)根系活力，改善植物的營養(yǎng)，促進(jìn)礦質(zhì)營養(yǎng)釋放，協(xié)助養(yǎng)分吸收，刺激植株生長，減少病蟲害，使作物增產(chǎn)，對水稻各項(xiàng)生育指標(biāo)均有較好影響。本研究中，施用生物改良劑后，試點(diǎn)A與試點(diǎn)B中水稻的株高、莖粗、葉寬、根粗、主根長、單株次生根數(shù)量均顯著高于常規(guī)施肥組和常規(guī)施肥+生石灰 1 200 kg/hm2 組，增產(chǎn)率可 6.33%～7.81%。

綜上所述，施用生物改良劑能顯著降低水稻秸稈及稻米中的鎘含量，同時(shí)還可促進(jìn)水稻生長，提高水稻產(chǎn)量，表明該生物改良劑在修復(fù)水稻鎘污染促進(jìn)水稻增產(chǎn)上具有良好的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景，適合大面積推廣。

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收稿日期：2020-02-10

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 （編號：2016YFD0200402）;深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司博士后工作站項(xiàng)目。

作者簡介：張志鵬（1990—），男，黑龍江鶴崗人，博士，工程師，研究方向?yàn)槲⑸锞鷦┑拈_發(fā)與利用。E-mail：250895327@qq.com。

通信作者：蔡燕飛，博士，教授，研究方向?yàn)槲⑸锞鷦┑拈_發(fā)與利用。E-mail：yanfeicai@scau.edu.cn。