莠去津土壤殘留生物修復菌肥作用原理與田間應用

丁偉 辛睿瀅

摘要 ：莠去津是玉米田應用的優秀除草劑品種，然而由于其在土壤中殘留時間長，常對輪作后茬敏感作物造成嚴重毒害。采用生物修復菌肥做種肥、結合菌肥拌種和葉面噴施方法，研究對玉米后茬旱直播水稻生長發育及藥害修復機理，對土壤中莠去津殘留量、水稻生長和生理指標、土壤酶活性進行測定。結果表明：顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施是莠去津土壤殘留毒害修復的最佳方法，土壤中莠去津含量在噴施菌肥后7 d從施用菌肥前的0.9 mg/kg下降到0.1 mg/kg，水稻葉片葉綠素含量顯著增加33.74%，超氧化物歧化酶和過氧化物酶酶活性分別顯著提高23.39%和92.57%，丙二醛含量則顯著降低48.01%;水稻株高、地上部鮮重、干重分別比對照顯著增加22.33%、67.51%和74.80%，根系鮮重和干重分別比對照顯著增加33.98%和55.43%;土壤磷酸酶、脲酶及纖維素酶含量分別顯著增加49.17%、528.65%和35.21%。

關鍵詞 ：莠去津; 生物修復菌肥; 旱直播水稻; 抗逆酶; 土壤酶

中圖分類號：

S 156.6

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2020391

The mechanism and field application effect of bacterial fertilizers for

bioremediation of atrazine residues in soil

DING Wei*， XIN Ruiying

（College of Agriculture， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China）

Abstract

Atrazine is an excellent herbicide applied in maize fields. However， it often causes serious toxicity to sensitive crops after rotation due to its long residual time in soil. Using bacterial fertilizer as seed fertilizer， combined with seed dressing and foliar spraying， the growth of succeeding dry direct seeding rice after corn， and the repair mechanism of herbicide damage were studied， and the residue of atrazine in soil， growth and physiological indices of rice and enzyme activity in soil were measured. The results showed that the treatment using seed dressing with bacterial powder+repairing bacterial fertilizer as seed fertilizer+foliar spraying of bacterial solution was the best way to reduce the soil residual toxicity of atrazine. Seven days after application the content of atrazine in soil decreased from 0.9 mg/kg to 0.1 mg/kg. The chlorophyll content， superoxide dismutase activity and peroxidase activity in the rice leaves increased by 33.74%， 23.39%， 92.57%， respectively， while the content of malondialdehyde decreased by 48.01%， compared with the control. The growth indices and quality of rice were also improved significantly： the plant height， fresh weight and dry weight of shoots increased by 22.33%， 67.51% and 74.80%seven days after application， and the fresh weight and dry weight of roots increased by 33.98% and 55.43% compared with the control， respectively. Concurrently， the content of soil phosphatase， urease and cellulase increased by 49.17%， 528.65% and 35.21%， respectively.

Key words

atrazine; bacterial fertilizer; dry direct seeding rice; stress-resistant enzyme; soil enzyme

莠去津是三嗪類內吸性除草劑，生產成本低、除草效果好[1]，但其在土壤中的流動性較高且殘效期長[23]，易對后茬敏感作物產生藥害和造成環境污染[45]。在治理莠去津殘留毒害的過程中，生物修復以操作簡便和無二次污染等優點，成為眾多治理方法中的首選[6]。

目前國內外已有多種莠去津降解菌的篩選及生物修復效果報道[78]，但都是在實驗室內利用菌株對含莠去津的土壤或水進行純培養降解試驗，沒有考慮作物和田間環境條件對降解效果的影響，研究結果尚無法應用于田間。王志剛等以高嶺土和腐殖酸為載體材料，研制出菌劑的最佳載體材料配比，為降解菌提供適宜的載體條件[9]。Madariaga-Navarrete等進行了溫室試驗，初步探討了作物和土壤微生物因素相結合條件下的降解效果，發現當生物強化和植物修復相結合時，莠去津降解效率更高，根際微生物的生物強化在降解中發揮著重要作用[10]。劉丹丹等將研制的生物修復菌劑應用于黃瓜盆栽試驗中，發現以硅藻土為載體制備的修復菌劑對土壤中的莠去津殘留及黃瓜的毒害有較好的修復效果，實現了菌劑的制備與盆栽中的應用[11]。雖然莠去津的生物降解和修復已受到廣泛關注，但由于降解菌的生存適應性和降解效果受環境因素的制約，如降解菌所需營養、接種量難以把握，降解菌與土壤微生物相比是否具有養分競爭優勢和受不同作物影響等多方面原因[1213]，莠去津生物修復菌肥或菌劑的田間應用研究依然很少，更多的是菌株篩選后的實驗室和盆栽研究[1415]，對作物和土壤等修復效果評價也不夠完善。應用于大田試驗的研究除馬秀蘭等[16]對栽培人參土壤中莠去津殘留修復的田間模擬試驗外，至今未有其他報道。

本試驗以多年施用莠去津的玉米田土壤進行旱直播水稻栽培，利用莠去津殘留生物修復菌肥同時做種肥、拌種和葉面噴施，綜合考慮作物和田間環境條件進行莠去津田間殘留修復和對水稻生長發育的安全性研究。本文進行菌肥施用后田間土壤莠去津殘留檢測、水稻生理指標和土壤酶活性測定，探究對玉米田殘留莠去津對水稻毒害修復機理并確定菌肥最佳施用方法，為莠去津殘留生物修復菌肥應用于大田生產實際提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為‘龍慶稻5號。

供試生物修復顆粒菌肥、粉劑菌肥和水劑菌肥由東北農業大學農藥學科研制并提供，包括顆粒生物修復菌肥：青霉等有益菌數≥2億/g，N+P2O5+K2O=20%;粉劑生物修復菌肥：青霉等有益菌數≥20億/g;水劑生物修復菌肥：短小芽孢桿菌等有益菌數≥10億/g。

1.2 試驗設計

2018年和2019年在黑龍江省伊春市嘉蔭縣紅光鄉進行大田試驗。試驗田為多年連續施用莠去津的玉米地塊，后茬作物為旱直播水稻。采用隨機區組試驗設計，共設4個處理，4次重復，試驗處理見表1。試驗各處理土壤莠去津殘留、旱直播水稻生理指標和土壤酶活性均4次重復測定。

1.3 旱直播水稻的生長指標和生理指標的測定

生物修復水劑菌肥在旱直播水稻出苗后2葉期噴施。水稻4葉期后，每間隔7 d調查各處理水稻株高、分蘗數，地上和根系鮮重及干重。干重測定采用烘干法，105℃殺菌30 min，60℃烘干至恒重。每次調查和取樣均在各處理小區中間2行取50株長勢一致的水稻進行4次重復測定。

在噴施菌液后的7、14、28 d各處理取樣，保溫箱冷藏帶回實驗室，取水稻新近完全伸展葉片測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）和葉綠素含量。MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測定;SOD活性采用氮藍四唑光化還原法測定;POD活性采用愈創木酚法測定[17]，葉綠素儀測定葉綠素含量。

1.4 旱直播水稻根系土壤酶及莠去津土壤殘留測定

噴施菌肥后7 d，每處理取200 g根系附近土壤，風干后測定土壤脲酶、磷酸酶、纖維素酶活性。土壤脲酶活性用靛酚比色法[18];磷酸酶活性用磷酸苯二鈉法[19];纖維素酶活性用CMC糖化力法[20]。

水稻4葉期，每處理取500 g根系附近土壤冷凍保存，采用乙腈振蕩提取，弗羅里硅土SPE小柱凈化，用氣相色譜測定莠去津的土壤殘留量[21]。

1.5 數據處理方法

采用Excel 2010軟件處理原始數據，應用DPS 10.15軟件分析數據平均值的差異顯著性（P<005）。

2 結果與分析

2.1 菌肥不同施用方法對旱直播水稻根際土莠去津殘留量的影響

施用菌肥后，各處理的根際土中莠去津殘留量存在顯著差異。常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施處理的根際土莠去津殘留量最低，比對照顯著降低88.89%，比常規施肥+顆粒菌肥做種肥和常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種分別顯著降低84.62%和75%，說明生物修復菌肥各處理對莠去津的土壤殘留量均有顯著的降低作用，且常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施處理降低殘留效果最好，是莠去津土壤殘留生物修復菌肥的最佳施用方法（圖1）。

2.2 菌肥不同施用方法對旱直播水稻生長指標的影響

施用菌肥后，隨著時間推移，各處理株高、地上部與根系鮮重、干重均漸漸顯著增加，分蘗數先增加后趨于平穩。其中，常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施處理的水稻株高、分蘗數、地上部莖葉鮮重和根系鮮重及干重都顯著高于其他處理，施用葉面肥7 d后，該處理株高和分蘗數分別比對照增加22.33%和65.22%，地上部

鮮重、干重分別比對照顯著增加67.51%和7480%，根系鮮重、干重分別比對照顯著增加3398%和55.43%;到28 d，該處理株高比對照增加8.6 cm，分蘗數顯著增加50.0%，地上部鮮重、干重分別比對照顯著增加230.97%和174.03%，根系鮮重、干重分別比對照顯著增加134.09%和75.88%（表2，P<0.05）。可見，菌肥對旱直播水稻生長具有顯著的促進作用，常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施為最佳處理。

2.3 菌肥不同施用方法對旱直播水稻葉片葉綠素含量的影響

隨著水稻生長，各處理葉片葉綠素含量都漸漸降低，但施用菌肥的處理葉綠素含量始終高于對照，常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施處理葉綠素含量在處理后7 d 和14 d均顯著高于其他處理，這在菌肥施用后早期快速恢復莠去津對葉綠素的抑制具有重要作用，該處理在7、14、28 d葉綠素含量比對照分別顯著增加了33.74%、30.75%、31.30%（圖2）。

2.4 菌肥不同施用方式對旱直播水稻葉片抗逆酶活性的影響

常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施處理POD和SOD活性最高，施用菌肥7 d后，與對照相比，水稻葉片的POD活性顯著提高92.57%，SOD活性顯著增加23.39%（圖3，圖4）。隨著時間推移，水稻的POD和SOD活性逐漸降低。第28天，常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施處理比對照的POD活性仍顯著升高63.02%，SOD活性則顯著升高629.71%。

菌肥施用后隨時間推移，常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施處理水稻葉片MDA含量始終顯著低于其他處理，在噴施葉面肥7、14、28 d后，比對照分別顯著降低4801%、11.52%、57.43%（圖5）。該菌肥施用方法最大限度地顯著降低了水稻葉片MDA含量，從而對細胞膜的損害程度最小。

2.5 菌肥不同施用方式對旱直播水稻根系土壤酶活性的影響

施用菌肥后，根系土壤脲酶和磷酸酶活性均顯著增加，常規施肥+顆粒菌肥做種肥和常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種的兩個處理根系土壤纖維素酶活性顯著降低，但常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施的處理土壤纖維素酶活性增加，且常規施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施處理根系土壤脲酶、磷酸酶和纖維素酶活性均為最高，比對照分別顯著增加528.65%、49.17%、35.21%（圖6），這3種酶與土壤養分釋放直接相關，酶活性升高，土壤中養分含量增加，對促進水稻生長具有重要作用。

3 討論

莠去津在環境中的降解包括水解、生物降解、光解等。莠去津三氮苯結構的存在，使其性質非常穩定，降解緩慢且在土壤中的流動性較高[2，22]。已有許多研究顯示莠去津在土壤中的降解與土壤有機質、養分、pH和土壤質地有關[2324]。有機質對莠去津具有較強的吸附作用，土壤有機質含量低，對莠去津吸附能力弱，則極易發生淋溶和遷移，造成對地下水資源的污染[25]。莠去津還可以與土壤中銅、鋅等金屬形成復合物， 這種結合殘留對整個生態系統構成潛在威脅[3]，對后茬敏感作物造成嚴重毒害。

水稻對莠去津十分敏感，歷史上曾多次發生莠去津對水稻的毒害，對水稻生產造成重大經濟損失[22]。水稻苗期對莠去津最敏感，殘留毒害表現為：植株變黃、矮化、根系生長和葉綠素含量顯著降低，且對水稻基因的突變和表達均有影響[2627]。關于莠去津水體及土壤污染的化學修復、植物修復、微生物修復等研究已有許多報道，分別是利用催化劑促進莠去津的光解和水解，或通過植物轉化和降解，以及微生物的降解和礦化作用[2830]。然而這些研究基本停留于實驗室測試的理論水平，環境條件結合作物生長發育等多種因素對降解效果的影響尚待探究。其中微生物修復由于污染小、可操性強，更適合用于農田莠去津污染的修復，高效降解菌株可直接接種或制成菌劑，通過代謝或者礦化作用分解土壤中有害物質，恢復作物生長環境，提高土壤肥力，緩解作物受到的毒害。

目前已有一些對大豆、蔬菜、水稻等敏感作物的盆栽試驗研究，證明了降解菌可有效緩解莠去津對作物的毒害[3132]，然而菌株或菌劑的應用方法比較單一，且尚未應用于大田生產實際中。本文采用生物修復菌肥不同施用方法，篩選最佳方案，在旱直播田水稻生長早期降解土壤中殘留莠去津，提高土壤酶活性，解除莠去津對水稻生長的抑制，同時促進水稻自我修復。噴施菌肥7 d后，土壤中莠去津含量顯著降低，水稻的葉綠素含量、株高、鮮重、干重均迅速提高，葉片中SOD酶和POD酶迅速升高而MDA含量迅速降低，水稻清理有害活性氧的能力增強，水稻生長得到恢復，這是生物修復菌肥修復莠去津對水稻毒害的重要內在原因。

土壤微生物和土壤酶是土壤生態系統中重要的組成部分， 土壤酶催化土壤中的生物化學反應，在土壤養分轉化循環、系統穩定性和抗干擾能力以及土壤可持續生產力中占主導地位[33]。脲酶活性升高，土壤中有機態氮轉化為植物可利用無機氮的能力增強[34];土壤中有機磷在磷酸酶作用下才能轉化成可供植物吸收的無機磷[35];纖維素酶活性變化可以反映碳素物質的降解情況[36]。本研究生物修復菌肥施用后，土壤中纖維素酶、磷酸酶和脲酶活性顯著升高，土壤的肥力增加，水稻根系生長量大，促進了對土壤中養分的吸收，是水稻快速恢復生長的外在原因。然而，施用生物修復菌肥后莠去津快速降解及其與土壤酶活性的關系仍有待做進一步深入研究。

4 結論

施用生物修復菌肥后土壤中莠去津含量迅速降低，抗逆酶和土壤酶活性升高，水稻根系生長快速恢復是菌肥修復莠去津對水稻毒害的重要原因。顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施是修復莠去津毒害水稻生長發育的最佳施用方法。

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（責任編輯：楊明麗）