生物改良劑在修復水稻鎘污染上的應用研究

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水稻鎘污染中的應用效果，選取早稻品種株優819為研究對象，通過田間試驗對其修復水稻鎘污染能力和促生能力進行評價。共設置2個試驗點，每個試點3個試驗組，分別為常規施肥組、常規施肥+生石灰1 200 kg/hm2組、常規施肥+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、單株次生根數量、各小區單收單打測產、稻米中的鎘含量和秸稈中的鎘含量，對比各試驗組間的差異。結果表明，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量相比常規施肥+生石灰1 200 kg/hm2組和常規施肥組均有顯著提升。在產量上，相比常規施肥+生石灰1 200 kg/hm2組和常規施肥組，施用生物改良劑后分別增加了6.33%～7.59%和7.71%～7.81%。同時，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，相比于常規施肥+生石灰1 200 kg/hm2組和常規施肥組，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水稻生長，顯著提高水稻產量，降低水稻植株及稻米中的鎘含量，修復水稻鎘污染。

關鍵詞：鎘污染;水稻;生物改良劑;生物修復;增產

中圖分類號： X53? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）14-0274-04

近年來隨著經濟的快速發展，工業化進程加速，我國的土壤重金屬污染問題也越來越嚴重。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[2]。而水稻被認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安全造成了嚴重威脅[3-7]。因此，采用有效措施來降低稻米內鎘含量是目前土壤、環境科學等領域的研究熱點。

湖南省不僅被譽為我國著名的“魚米之鄉”，還是聞名于世的“有色重金屬之鄉”。有色重金屬采集冶煉等工業快速發展的同時，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業大省，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作物品種，受鎘污染影響較大。調查表明，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時可以促進水稻生長;但當鎘含量超過一定濃度時，就會抑制水稻的生長和發育，直觀表現為水稻矮小、葉片發黃，水稻根系生長受抑制，水稻分蘗數減少，整個植株生物量下降[13]。鎘超過一定濃度后，水稻的生殖生長會受到抑制，導致水稻成熟期推遲，結實率、千粒質量降低，產量減少或絕產[14-17] 。高濃度鎘還能抑制種子中蛋白酶、淀粉酶等的活性，從而抑制種子內蛋白質和淀粉的分解，影響種子的萌發[18]。鎘濃度水平高時，還會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]。現階段鎘污染的治理主要有農藝措施，物理、化學及生物治理等方法[21-23]。其中生物修復中的微生物修復作為一種可持續發揮作用的修復方式，可使被污染的環境恢復至自然狀態，具有長期的環境效益和成本效益[24]。楊卓等通過添加2種細菌（膠質芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌）的混合物，產生有機酸并且促進有效態磷、鉀的釋放，使土壤中有效態鎘含量增加了15.02%，同時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]。賈瑩等研究發現了4種菌株均能產生低分子量有機酸從而降低油菜中的鎘含量，其中反硝化利斯特氏菌、環狀芽孢桿菌、格氏利斯特氏菌均能有效增強土壤鎘的活化，使土壤有效態鎘含量分別增加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發展的綠色肥料，不僅可以改良修復土壤，還可以促進植物生長。因此，應加強生物改良劑新技術的研發及推廣，提高農田的綜合生產力，為我國綠色農業的可持續穩定發展提供積極作用。

本研究從湖南省湘潭市雨湖區姜畬鎮重金屬污染土壤中，篩選出1株抗鎘枯草芽孢桿菌，并將其與現有膠凍樣芽孢桿菌進行組合，研發出一款生物改良劑。為探究該生物改良劑在修復水稻鎘污染上的應用效果，進行田間試驗驗證。本研究以早稻品種株優819為研究對象，共設置2個試驗點，每個試點設3個試驗組，分別為常規施肥組、常規施 肥+ 生石灰1 200 kg/hm2組和常規施肥+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、單株次生根數量、各小區單收單打測產、稻米中的鎘含量和秸稈中的鎘含量，對比各試驗組間的差異，分析該生物改良劑的修復水稻鎘污染能力和促生能力。根據田間試驗的數據結果，評價該生物改良劑在修復水稻鎘污染上的應用效果，旨在為今后大面積示范推廣和產品登記提供一定的理論依據和研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試作物為水稻，品種均為優株819。供試生物改良劑由北京世紀阿姆斯生物技術有限公司提供，產品形態為固體顆粒，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≥1.0億個/g。復合肥（N ∶P2O5 ∶K2O=34 ∶45 ∶56）。本試驗于2018年3月15日至8月15日在湖南省湘潭市雨湖區姜畬鎮設置A、B 2個試驗點，土壤理化性狀如表1所示。

1.2 試驗方法

試驗共設置3個處理組，每個處理組3次重復。每個處理小區面積24 m2，各小區隨機排列，具體試驗設計為處理a，常規施肥+生物改良劑 600 kg/hm2;處理b，常規施肥+生石灰 1 200 kg/hm2;處理c，常規施肥。

使用方法：生物修復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個試驗點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、單株次生根數量、各小區單收單打測產、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進行重金屬含量的測定，數據結果取平均值。試驗數據采用SPSS Statistics 15.0軟件進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻生物學性狀的影響

不同處理對水稻生物學性狀影響的結果如表2所示。數據表明施用生物改良劑能顯著促進水稻的生長發育。在試驗點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。試驗點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 不同處理對水稻產量的影響

各小區單打單收測產結果如表3所示。從產量構成因素看，試驗點A和B中，處理a與其他處理相比，水稻穗數及穗粒數都多。從產量結果看，在試驗點A中，處理a水稻施用生物改良劑后，其產量比處理b、處理c分別增加461.55、547.20 kg/hm2，增產率分別為6.33%、7.59%。在試驗點B中，處理a水稻施用生物改良劑后，其產量比處理b、處理c分別增加562.35、568.95 kg/hm2，增產率分別為7.71%、7.81%。結果表明，施用生物改良劑能夠有效提升水稻的穗數及穗粒數，增加水稻的產量，實現水稻的增產增收。

2.3 各處理方差分析

對2個試驗點的產量進行方差分析，結果如表4所示。試驗點A的方差分析結果表明，重復間 F=038≤F0.05=6.94，說明重復間差異不顯著，試驗安排合理;處理間F=48.47≥F0.01=18.0，處理間差異達極顯著水平，說明增產效果呈極顯著差異。試驗點B的方差分析結果表明，重復間F=041≤F0.05=6.94，說明重復間差異不顯著，試驗安排合理;處理間F=373.43≥F0.01=18.0，處理間差異達極顯著水平，說明增產效果呈極顯著差異。

2.4 不同處理對水稻中重金屬鎘含量的影響

生物改良劑修復水稻鎘污染的結果如表5所示。數據表明，在試驗點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。其中試驗點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%;試驗點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 討論與結論

生物改良劑中的微生物對重金屬的治理主要分為2個方面：一是利用微生物對重金屬的親和吸附作用，將其轉化為低毒產物，從而降低污染程度，雖然微生物修復法中，生物不能直接降解重金屬，但可以改變重金屬的理化特性，進而影響重金屬遷移與轉化;二是利用菌根對重金屬進行修復，主要包括真菌、固氮菌和放線菌等[27]。Kuroda等利用細胞表面展示技術，將酵母金屬硫蛋白串聯體表達在酵母細胞表面，使得酵母細胞吸附重金屬的能力大大提高[28]。研究發現，施用百泰微生物菌劑后能夠顯著提高糙米率、堿消值、蛋白質含量和質量指數，降低水稻對鎘、汞、砷、鈣、鋅等元素的吸收[29]。已有研究表明，在對湖南地區晚稻進行田間隨機區組試驗中，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結果相似。本研究發現，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，富含有益微生物的生物改良劑能夠提高土壤供肥能力，增強根系活力，改善植物的營養，促進礦質營養釋放，協助養分吸收，刺激植株生長，減少病蟲害，使作物增產，對水稻各項生育指標均有較好影響。本研究中，施用生物改良劑后，試點A與試點B中水稻的株高、莖粗、葉寬、根粗、主根長、單株次生根數量均顯著高于常規施肥組和常規施肥+生石灰 1 200 kg/hm2 組，增產率可 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，同時還可促進水稻生長，提高水稻產量，表明該生物改良劑在修復水稻鎘污染促進水稻增產上具有良好的開發潛力和應用前景，適合大面積推廣。

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收稿日期：2020-02-10

基金項目：國家重點研發計劃 （編號：2016YFD0200402）;深圳市芭田生態工程股份有限公司博士后工作站項目。

作者簡介：張志鵬（1990—），男，黑龍江鶴崗人，博士，工程師，研究方向為微生物菌劑的開發與利用。E-mail：250895327@qq.com。

通信作者：蔡燕飛，博士，教授，研究方向為微生物菌劑的開發與利用。E-mail：yanfeicai@scau.edu.cn。