莠去津土壤殘留生物修復(fù)菌肥作用原理與田間應(yīng)用

丁偉 辛睿瀅

摘要 ：莠去津是玉米田應(yīng)用的優(yōu)秀除草劑品種，然而由于其在土壤中殘留時(shí)間長(zhǎng)，常對(duì)輪作后茬敏感作物造成嚴(yán)重毒害。采用生物修復(fù)菌肥做種肥、結(jié)合菌肥拌種和葉面噴施方法，研究對(duì)玉米后茬旱直播水稻生長(zhǎng)發(fā)育及藥害修復(fù)機(jī)理，對(duì)土壤中莠去津殘留量、水稻生長(zhǎng)和生理指標(biāo)、土壤酶活性進(jìn)行測(cè)定。結(jié)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(fù)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(duì)照顯著增加22.33%、67.51%和74.80%，根系鮮重和干重分別比對(duì)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(guān)鍵詞 ：莠去津; 生物修復(fù)菌肥; 旱直播水稻; 抗逆酶; 土壤酶

中圖分類號(hào)：

S 156.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(nèi)吸性除草劑，生產(chǎn)成本低、除草效果好[1]，但其在土壤中的流動(dòng)性較高且殘效期長(zhǎng)[23]，易對(duì)后茬敏感作物產(chǎn)生藥害和造成環(huán)境污染[45]。在治理莠去津殘留毒害的過程中，生物修復(fù)以操作簡(jiǎn)便和無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為眾多治理方法中的首選[6]。

目前國(guó)內(nèi)外已有多種莠去津降解菌的篩選及生物修復(fù)效果報(bào)道[78]，但都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用菌株對(duì)含莠去津的土壤或水進(jìn)行純培養(yǎng)降解試驗(yàn)，沒有考慮作物和田間環(huán)境條件對(duì)降解效果的影響，研究結(jié)果尚無法應(yīng)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(jìn)行了溫室試驗(yàn)，初步探討了作物和土壤微生物因素相結(jié)合條件下的降解效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)生物強(qiáng)化和植物修復(fù)相結(jié)合時(shí)，莠去津降解效率更高，根際微生物的生物強(qiáng)化在降解中發(fā)揮著重要作用[10]。劉丹丹等將研制的生物修復(fù)菌劑應(yīng)用于黃瓜盆栽試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)以硅藻土為載體制備的修復(fù)菌劑對(duì)土壤中的莠去津殘留及黃瓜的毒害有較好的修復(fù)效果，實(shí)現(xiàn)了菌劑的制備與盆栽中的應(yīng)用[11]。雖然莠去津的生物降解和修復(fù)已受到廣泛關(guān)注，但由于降解菌的生存適應(yīng)性和降解效果受環(huán)境因素的制約，如降解菌所需營(yíng)養(yǎng)、接種量難以把握，降解菌與土壤微生物相比是否具有養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和受不同作物影響等多方面原因[1213]，莠去津生物修復(fù)菌肥或菌劑的田間應(yīng)用研究依然很少，更多的是菌株篩選后的實(shí)驗(yàn)室和盆栽研究[1415]，對(duì)作物和土壤等修復(fù)效果評(píng)價(jià)也不夠完善。應(yīng)用于大田試驗(yàn)的研究除馬秀蘭等[16]對(duì)栽培人參土壤中莠去津殘留修復(fù)的田間模擬試驗(yàn)外，至今未有其他報(bào)道。

本試驗(yàn)以多年施用莠去津的玉米田土壤進(jìn)行旱直播水稻栽培，利用莠去津殘留生物修復(fù)菌肥同時(shí)做種肥、拌種和葉面噴施，綜合考慮作物和田間環(huán)境條件進(jìn)行莠去津田間殘留修復(fù)和對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的安全性研究。本文進(jìn)行菌肥施用后田間土壤莠去津殘留檢測(cè)、水稻生理指標(biāo)和土壤酶活性測(cè)定，探究對(duì)玉米田殘留莠去津?qū)λ径竞π迯?fù)機(jī)理并確定菌肥最佳施用方法，為莠去津殘留生物修復(fù)菌肥應(yīng)用于大田生產(chǎn)實(shí)際提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為‘龍慶稻5號(hào)。

供試生物修復(fù)顆粒菌肥、粉劑菌肥和水劑菌肥由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)藥學(xué)科研制并提供，包括顆粒生物修復(fù)菌肥：青霉等有益菌數(shù)≥2億/g，N+P2O5+K2O=20%;粉劑生物修復(fù)菌肥：青霉等有益菌數(shù)≥20億/g;水劑生物修復(fù)菌肥：短小芽孢桿菌等有益菌數(shù)≥10億/g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年和2019年在黑龍江省伊春市嘉蔭縣紅光鄉(xiāng)進(jìn)行大田試驗(yàn)。試驗(yàn)田為多年連續(xù)施用莠去津的玉米地塊，后茬作物為旱直播水稻。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理，4次重復(fù)，試驗(yàn)處理見表1。試驗(yàn)各處理土壤莠去津殘留、旱直播水稻生理指標(biāo)和土壤酶活性均4次重復(fù)測(cè)定。

1.3 旱直播水稻的生長(zhǎng)指標(biāo)和生理指標(biāo)的測(cè)定

生物修復(fù)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(diào)查各處理水稻株高、分蘗數(shù)，地上和根系鮮重及干重。干重測(cè)定采用烘干法，105℃殺菌30 min，60℃烘干至恒重。每次調(diào)查和取樣均在各處理小區(qū)中間2行取50株長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻進(jìn)行4次重復(fù)測(cè)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(shí)驗(yàn)室，取水稻新近完全伸展葉片測(cè)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(cè)定;SOD活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法測(cè)定;POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[17]，葉綠素儀測(cè)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(cè)定

噴施菌肥后7 d，每處理取200 g根系附近土壤，風(fēng)干后測(cè)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(cè)定莠去津的土壤殘留量[21]。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010軟件處理原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用DPS 10.15軟件分析數(shù)據(jù)平均值的差異顯著性（P<005）。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌肥不同施用方法對(duì)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(guī)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(duì)照顯著降低88.89%，比常規(guī)施肥+顆粒菌肥做種肥和常規(guī)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(fù)菌肥各處理對(duì)莠去津的土壤殘留量均有顯著的降低作用，且常規(guī)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(fù)菌肥的最佳施用方法（圖1）。

2.2 菌肥不同施用方法對(duì)旱直播水稻生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

施用菌肥后，隨著時(shí)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(shù)先增加后趨于平穩(wěn)。其中，常規(guī)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(shù)、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(shù)分別比對(duì)照增加22.33%和65.22%，地上部

鮮重、干重分別比對(duì)照顯著增加67.51%和7480%，根系鮮重、干重分別比對(duì)照顯著增加3398%和55.43%;到28 d，該處理株高比對(duì)照增加8.6 cm，分蘗數(shù)顯著增加50.0%，地上部鮮重、干重分別比對(duì)照顯著增加230.97%和174.03%，根系鮮重、干重分別比對(duì)照顯著增加134.09%和75.88%（表2，P<0.05）。可見，菌肥對(duì)旱直播水稻生長(zhǎng)具有顯著的促進(jìn)作用，常規(guī)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(duì)旱直播水稻葉片葉綠素含量的影響

隨著水稻生長(zhǎng)，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(duì)照，常規(guī)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(fù)莠去津?qū)θ~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(duì)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(duì)旱直播水稻葉片抗逆酶活性的影響

常規(guī)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(duì)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(shí)間推移，水稻的POD和SOD活性逐漸降低。第28天，常規(guī)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(duì)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(shí)間推移，常規(guī)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(duì)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(duì)細(xì)胞膜的損害程度最小。

2.5 菌肥不同施用方式對(duì)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(guī)施肥+顆粒菌肥做種肥和常規(guī)施肥+顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種的兩個(gè)處理根系土壤纖維素酶活性顯著降低，但常規(guī)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(guī)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(duì)照分別顯著增加528.65%、49.17%、35.21%（圖6），這3種酶與土壤養(yǎng)分釋放直接相關(guān)，酶活性升高，土壤中養(yǎng)分含量增加，對(duì)促進(jìn)水稻生長(zhǎng)具有重要作用。

3 討論

莠去津在環(huán)境中的降解包括水解、生物降解、光解等。莠去津三氮苯結(jié)構(gòu)的存在，使其性質(zhì)非常穩(wěn)定，降解緩慢且在土壤中的流動(dòng)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(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、pH和土壤質(zhì)地有關(guān)[2324]。有機(jī)質(zhì)對(duì)莠去津具有較強(qiáng)的吸附作用，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，對(duì)莠去津吸附能力弱，則極易發(fā)生淋溶和遷移，造成對(duì)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(fù)合物， 這種結(jié)合殘留對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在威脅[3]，對(duì)后茬敏感作物造成嚴(yán)重毒害。

水稻對(duì)莠去津十分敏感，歷史上曾多次發(fā)生莠去津?qū)λ镜亩竞Γ瑢?duì)水稻生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟(jì)損失[22]。水稻苗期對(duì)莠去津最敏感，殘留毒害表現(xiàn)為：植株變黃、矮化、根系生長(zhǎng)和葉綠素含量顯著降低，且對(duì)水稻基因的突變和表達(dá)均有影響[2627]。關(guān)于莠去津水體及土壤污染的化學(xué)修復(fù)、植物修復(fù)、微生物修復(fù)等研究已有許多報(bào)道，分別是利用催化劑促進(jìn)莠去津的光解和水解，或通過植物轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試的理論水平，環(huán)境條件結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育等多種因素對(duì)降解效果的影響尚待探究。其中微生物修復(fù)由于污染小、可操性強(qiáng)，更適合用于農(nóng)田莠去津污染的修復(fù)，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(zhì)，恢復(fù)作物生長(zhǎng)環(huán)境，提高土壤肥力，緩解作物受到的毒害。

目前已有一些對(duì)大豆、蔬菜、水稻等敏感作物的盆栽試驗(yàn)研究，證明了降解菌可有效緩解莠去津?qū)ψ魑锏亩竞3132]，然而菌株或菌劑的應(yīng)用方法比較單一，且尚未應(yīng)用于大田生產(chǎn)實(shí)際中。本文采用生物修復(fù)菌肥不同施用方法，篩選最佳方案，在旱直播田水稻生長(zhǎng)早期降解土壤中殘留莠去津，提高土壤酶活性，解除莠去津?qū)λ旧L(zhǎng)的抑制，同時(shí)促進(jìn)水稻自我修復(fù)。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(qiáng)，水稻生長(zhǎng)得到恢復(fù)，這是生物修復(fù)菌肥修復(fù)莠去津?qū)λ径竞Φ闹匾獌?nèi)在原因。

土壤微生物和土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分， 土壤酶催化土壤中的生物化學(xué)反應(yīng)，在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力以及土壤可持續(xù)生產(chǎn)力中占主導(dǎo)地位[33]。脲酶活性升高，土壤中有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為植物可利用無機(jī)氮的能力增強(qiáng)[34];土壤中有機(jī)磷在磷酸酶作用下才能轉(zhuǎn)化成可供植物吸收的無機(jī)磷[35];纖維素酶活性變化可以反映碳素物質(zhì)的降解情況[36]。本研究生物修復(fù)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(zhǎng)量大，促進(jìn)了對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收，是水稻快速恢復(fù)生長(zhǎng)的外在原因。然而，施用生物修復(fù)菌肥后莠去津快速降解及其與土壤酶活性的關(guān)系仍有待做進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

施用生物修復(fù)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(zhǎng)快速恢復(fù)是菌肥修復(fù)莠去津?qū)λ径竞Φ闹匾?。顆粒菌肥做種肥+粉劑菌肥拌種+水劑菌肥葉面噴施是修復(fù)莠去津毒害水稻生長(zhǎng)發(fā)育的最佳施用方法。

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（責(zé)任編輯：楊明麗）