生物改良剂在修复水稻镉污染上的应用研究

张志鹏 蔡燕飞 段继贤 王宗抗 吴书凤 魏浩

摘要：为了探究生物改良剂在修复水稻镉污染中的应用效果，选取早稻品种株优819为研究对象，通过田间试验对其修复水稻镉污染能力和促生能力进行评价。共设置2个试验点，每个试点3个试验组，分别为常规施肥组、常规施肥+生石灰1 200 kg/hm2组、常规施肥+生物改良剂600 kg/hm2组，测定各组中水稻的株高、茎粗、叶宽、根粗、主根长、单株次生根数量、各小区单收单打测产、稻米中的镉含量和秸秆中的镉含量，对比各试验组间的差异。结果表明，施用生物改良剂后，水稻的株高、茎粗、叶宽、主根长、根粗和单株次生根数量相比常规施肥+生石灰1 200 kg/hm2组和常规施肥组均有显著提升。在产量上，相比常规施肥+生石灰1 200 kg/hm2组和常规施肥组，施用生物改良剂后分别增加了6.33%～7.59%和7.71%～7.81%。同时，施用生物改良剂还能有效降低水稻植株和稻米中的镉含量，相比于常规施肥+生石灰1 200 kg/hm2组和常规施肥组，稻米中的镉含量分别下降30.43%～36.00%，水稻秸秆中的镉含量分别下降32.80%～35.80%。综上所述，施用生物改良剂能够有效促进水稻生长，显著提高水稻产量，降低水稻植株及稻米中的镉含量，修复水稻镉污染。

关键词：镉污染;水稻;生物改良剂;生物修复;增产

中图分类号： X53  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）14-0274-04

近年来随着经济的快速发展，工业化进程加速，我国的土壤重金属污染问题也越来越严重。与其他重金属相比，镉的毒性较高，污染的范围较大，且极易被植物吸收利用，被称为“五毒之首”[1]。水稻是世界第二大粮食作物，也是我国第一大粮食作物，其糙米成分与人体健康密切相关[2]。而水稻被认为是易于吸收镉的大宗类作物之一，稻米镉污染问题对粮食生产安全造成了严重威胁[3-7]。因此，采用有效措施来降低稻米内镉含量是目前土壤、环境科学等领域的研究热点。

湖南省不仅被誉为我国著名的“鱼米之乡”，还是闻名于世的“有色重金属之乡”。有色重金属采集冶炼等工业快速发展的同时，也带来了很多污染问题，其中镉污染问题最为突出[8-11]。湖南省作为我国的农业大省，拥有广大的水稻种植面积，在我国的粮食安全中占有重要地位[12]。水稻作为高镉积累的农作物品种，受镉污染影响较大。调查表明，湖南省各地市场的大米样品中，镉的平均含量为0.28 mg/kg[9]。周全等的研究表明，镉浓度为001 mg/kg时可以促进水稻生长;但当镉含量超过一定浓度时，就会抑制水稻的生长和发育，直观表现为水稻矮小、叶片发黄，水稻根系生长受抑制，水稻分蘖数减少，整个植株生物量下降[13]。镉超过一定浓度后，水稻的生殖生长会受到抑制，导致水稻成熟期推迟，结实率、千粒质量降低，产量减少或绝产[14-17] 。高浓度镉还能抑制种子中蛋白酶、淀粉酶等的活性，从而抑制种子内蛋白质和淀粉的分解，影响种子的萌发[18]。镉浓度水平高时，还会抑制水稻的光合作用和呼吸作用[19]。镉对水稻生长的抑制作用在不同品种中也存在差异，在同等镉胁迫污染条件下，不同水稻品种生长的受抑制程度不同。彭鸥等研究表明，在镉胁迫下，水稻生长的不同时期对镉的积累速率不同，分蘖期和乳熟期水稻积累镉的速率较快[20]。现阶段镉污染的治理主要有农艺措施，物理、化学及生物治理等方法[21-23]。其中生物修复中的微生物修复作为一种可持续发挥作用的修复方式，可使被污染的环境恢复至自然状态，具有长期的环境效益和成本效益[24]。杨卓等通过添加2种细菌（胶质芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌）的混合物，产生有机酸并且促进有效态磷、钾的释放，使土壤中有效态镉含量增加了15.02%，同时也增加了印度芥菜的生物量，使印度芥菜地上部分中的镉含量与对照组相比增加了1793%[25]。贾莹等研究发现了4种菌株均能产生低分子量有机酸从而降低油菜中的镉含量，其中反硝化利斯特氏菌、环状芽孢杆菌、格氏利斯特氏菌均能有效增强土壤镉的活化，使土壤有效态镉含量分別增加25.9%、592%、41.9%，油菜地上部的镉含量与对照相比增加26.8%、48.8%、65.9%[26]。由此可见，生物改良剂作为一种无污染可持续发展的绿色肥料，不仅可以改良修复土壤，还可以促进植物生长。因此，应加强生物改良剂新技术的研发及推广，提高农田的综合生产力，为我国绿色农业的可持续稳定发展提供积极作用。

本研究从湖南省湘潭市雨湖区姜畲镇重金属污染土壤中，筛选出1株抗镉枯草芽孢杆菌，并将其与现有胶冻样芽孢杆菌进行组合，研发出一款生物改良剂。为探究该生物改良剂在修复水稻镉污染上的应用效果，进行田间试验验证。本研究以早稻品种株优819为研究对象，共设置2个试验点，每个试点设3个试验组，分别为常规施肥组、常规施 肥+ 生石灰1 200 kg/hm2组和常规施肥+生物改良剂600 kg/hm2组，测定各组中水稻的株高、茎粗、叶宽、根粗、主根长、单株次生根数量、各小区单收单打测产、稻米中的镉含量和秸秆中的镉含量，对比各试验组间的差异，分析该生物改良剂的修复水稻镉污染能力和促生能力。根据田间试验的数据结果，评价该生物改良剂在修复水稻镉污染上的应用效果，旨在为今后大面积示范推广和产品登记提供一定的理论依据和研究基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试作物为水稻，品种均为优株819。供试生物改良剂由北京世纪阿姆斯生物技术有限公司提供，产品形态为固体颗粒，生物改良剂中包含菌种为枯草芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌，有效活菌 数≥1.0亿个/g。复合肥（N ∶P2O5 ∶K2O=34 ∶45 ∶56）。本试验于2018年3月15日至8月15日在湖南省湘潭市雨湖区姜畲镇设置A、B 2个试验点，土壤理化性状如表1所示。

1.2 试验方法

试验共设置3个处理组，每个处理组3次重复。每个处理小区面积24 m2，各小区随机排列，具体试验设计为处理a，常规施肥+生物改良剂 600 kg/hm2;处理b，常规施肥+生石灰 1 200 kg/hm2;处理c，常规施肥。

使用方法：生物修复剂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，翻耕后充分耕匀，移栽水稻秧苗。

田间管理采用露天种植，期间2个试验点的田间管理及水肥管理措施相同。水稻成熟后，测定水稻的株高、茎粗、叶宽、根粗、主根长、单株次生根数量、各小区单收单打测产、稻米中的镉含量和秸秆中的镉含量，稻米及植株样品采用微波消解后用ICP-MS进行重金属含量的测定，数据结果取平均值。试验数据采用SPSS Statistics 15.0软件进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻生物学性状的影响

不同处理对水稻生物学性状影响的结果如表2所示。数据表明施用生物改良剂能显著促进水稻的生长发育。在试验点A中，处理a相比于处理b、处理c，株高分别增加7.93、8.92 cm;茎粗分别增加1.08、1.09 mm;单株次生根分别增加6、8条;叶宽分别增加8.83、8.29 mm;主根长分别增加381、357 mm;根粗分别增加0.17、0.25 mm。试验点B中，处理a相比于处理b、处理c，株高分别增加631、6.61 cm;单株次生根分别增加4、5条;茎粗分别增加0.51、0.52 mm;叶宽分别增加2.55、3.10 mm;主根长分别增加2.07、2.17 mm;根粗分别增加0.12 、0.10 mm。

2.2 不同处理对水稻产量的影响

各小区单打单收测产结果如表3所示。从产量构成因素看，试验点A和B中，处理a与其他处理相比，水稻穗数及穗粒数都多。从产量结果看，在试验点A中，处理a水稻施用生物改良剂后，其产量比处理b、处理c分别增加461.55、547.20 kg/hm2，增产率分别为6.33%、7.59%。在试验点B中，处理a水稻施用生物改良剂后，其产量比处理b、处理c分别增加562.35、568.95 kg/hm2，增产率分别为7.71%、7.81%。结果表明，施用生物改良剂能够有效提升水稻的穗数及穗粒数，增加水稻的产量，实现水稻的增产增收。

2.3 各处理方差分析

对2个试验点的产量进行方差分析，结果如表4所示。试验点A的方差分析结果表明，重复间 F=038≤F0.05=6.94，说明重复间差异不显著，试验安排合理;处理间F=48.47≥F0.01=18.0，处理间差异达极显著水平，说明增产效果呈极显著差异。试验点B的方差分析结果表明，重复间F=041≤F0.05=6.94，说明重复间差异不显著，试验安排合理;处理间F=373.43≥F0.01=18.0，处理间差异达极显著水平，说明增产效果呈极显著差异。

2.4 不同处理对水稻中重金属镉含量的影响

生物改良剂修复水稻镉污染的结果如表5所示。数据表明，在试验点A和B中，相比于处理b、处理c，处理a均能显著降低水稻秸秆和稻米中的镉含量。其中试验点A中处理a与处理b、处理c相比，稻米中的镉含量分别下降了33.3%、36.0%，水稻秸秆中的镉含量分别下降了32.8%、34.8%;试验点B中处理a与处理b、处理c相比，稻米中的镉含量分别下降了30.43%、33.30%，水稻秸秆中的镉含量分别下降了33.84%、35.80%。

3 讨论与结论

生物改良剂中的微生物对重金属的治理主要分为2个方面：一是利用微生物对重金属的亲和吸附作用，将其转化为低毒产物，从而降低污染程度，虽然微生物修复法中，生物不能直接降解重金属，但可以改变重金属的理化特性，进而影响重金属迁移与转化;二是利用菌根对重金属进行修复，主要包括真菌、固氮菌和放线菌等[27]。Kuroda等利用细胞表面展示技术，将酵母金属硫蛋白串联体表达在酵母细胞表面，使得酵母细胞吸附重金属的能力大大提高[28]。研究发现，施用百泰微生物菌剂后能够显著提高糙米率、碱消值、蛋白质含量和质量指数，降低水稻对镉、汞、砷、钙、锌等元素的吸收[29]。已有研究表明，在对湖南地区晚稻进行田间随机区组试验中，相较对照组，施用微生物菌剂处理，其谷壳、糙米中镉含量降低幅度分别为65.52%、6957%[30]。上述研究成果与本试验结果相似。本研究发现，施用生物改良剂能显著降低水稻中的镉含量，其中水稻秸秆中镉含量降低32.80%～3580%，稻米中的镉含量降低了30.43%～3600%。同时，富含有益微生物的生物改良剂能够提高土壤供肥能力，增强根系活力，改善植物的营养，促进矿质营养释放，协助养分吸收，刺激植株生长，减少病虫害，使作物增产，对水稻各项生育指标均有较好影响。本研究中，施用生物改良剂后，试点A与试点B中水稻的株高、茎粗、叶宽、根粗、主根长、单株次生根数量均显著高于常规施肥组和常规施肥+生石灰 1 200 kg/hm2 組，增产率可 6.33%～7.81%。

综上所述，施用生物改良剂能显著降低水稻秸秆及稻米中的镉含量，同时还可促进水稻生长，提高水稻产量，表明该生物改良剂在修复水稻镉污染促进水稻增产上具有良好的开发潜力和应用前景，适合大面积推广。

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收稿日期：2020-02-10

基金项目：国家重点研发计划 （编号：2016YFD0200402）;深圳市芭田生态工程股份有限公司博士后工作站项目。

作者简介：张志鹏（1990—），男，黑龙江鹤岗人，博士，工程师，研究方向为微生物菌剂的开发与利用。E-mail：250895327@qq.com。

通信作者：蔡燕飞，博士，教授，研究方向为微生物菌剂的开发与利用。E-mail：yanfeicai@scau.edu.cn。