摘 要：為了解厭氧混合菌群、紅麻種植及紅麻骨炭粉對鎘污染土壤修復(fù)的影響，本研究采用灑菌后盆栽薄膜覆蓋封閉、盆栽無薄膜覆蓋封閉及大田無薄膜覆蓋封閉進(jìn)行處理，通過對盆栽水稻收割后的株高等10個(gè)性狀進(jìn)行考種調(diào)查及對三套方案各處理的水稻糙米重金屬Cd含量進(jìn)行檢測，并檢測各處理在灑菌時(shí)(前期)、收割時(shí)(后期)土壤Cd化學(xué)形態(tài)。結(jié)果表明：無薄膜封閉處理比有薄膜封閉處理后的農(nóng)藝性狀較好，性狀大小順序?yàn)?/font>HYT>HY>Y>CK，干谷產(chǎn)量與對照相比，HYT的產(chǎn)量增加49.65%，HY增加35.45%，Y的產(chǎn)量增加21.24%；各處理對谷子糙米Cd含量降低具有一定作用，糙米Cd含量高低順序均為HYT<HY<Y<CK，與對照CK處理相比，其中盆栽無薄膜封閉的HYT處理降低了93.13%，HY處理降低了83.26%，大田無薄膜封閉的HYT處理降低了63.36%，HY處理降低了34.91%；三套試驗(yàn)的各處理對土壤重金屬Cd都具有一定的降低轉(zhuǎn)移能力，有薄膜封閉處理為Y降低轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)，其次是HYT。盆栽無薄膜封閉處理和大田無薄膜封閉處理均為HYT降低轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)，HY次之。各處理土壤鎘金屬形態(tài)中的可利用形態(tài)均降低，并且不可利用形態(tài)增加，從而降低植物對其的吸收。盆栽無薄膜封閉處理和大田無薄膜封閉處理的變化趨勢相似。
關(guān)鍵詞：T-Abs菌;紅麻;紅麻骨炭粉;水稻產(chǎn)量;Cd含量
土壤是人類社會健康發(fā)展的重要自然資源，隨著各種工農(nóng)業(yè)活動的不斷開展，導(dǎo)致重金屬大量輸入土壤，造成耕地被重金屬污染嚴(yán)重(吳佳等,2018)，并嚴(yán)重威脅著農(nóng)產(chǎn)品安全，對人類健康產(chǎn)生極大的危害(阮玉龍等,2015;張益碩等,2022)。據(jù)調(diào)查中國南方如湖南、廣東、廣西、福建、浙江等地均存在大米鎘超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)率約在5%～15%(魏益民等,2013)。鎘(Cd)具有極高的生物毒性，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的破壞作用(龍嬋等,2017;許艷萍等,2020)。
植物修復(fù)技術(shù)具備潛在的高效性、成本低、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、操作簡便、對土壤擾動性小，是目前研究最多，并不造成二次污染(時(shí)唯偉等,2022)。紅麻(Corchoruscapsularis)因其生長周期短、生物量大、抗逆性強(qiáng)及重金屬耐性高(Wang et al.,2016;李文略等,2018)，并且具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)紅麻能吸收多種重金屬，如Fe、Zn、Mn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni和Hg等，與其他農(nóng)作物相比紅麻對重金屬的富集較高，并在Cd有效含量為1.83的淤泥中進(jìn)行紅麻和玉米的修復(fù)能力試驗(yàn)，結(jié)果顯示，紅麻莖中鎘的含量均高于玉米莖中鎘和鋅的含量(Arbaoui et al.,2013)。因此紅麻可用于鎘污染土壤替代種植(李文略等,2022)，既可以達(dá)到治理土壤污染目的，又能保證較高的經(jīng)濟(jì)效益。
微生物對重金屬有吸附、富集、堆浸、轉(zhuǎn)化降解和礦化能力(王陶等,2022;周敏等,2022)。微生物修復(fù)技術(shù)對土壤擾動少，成本低，可一定程度改良土壤理化性質(zhì)(劉文超等,2015)。諸多研究發(fā)現(xiàn)微生物對重金屬污染土壤有修復(fù)能力(許燕波等,2013;Hassan et al.,2020;楊雍康等,2020)，厭氧混合菌群(T-ABs)是從重金屬污泥中培養(yǎng)馴化出來的，具有互生或共生關(guān)系，對重金屬有良好的抗性和對重金屬離子有良好的吸附及礦化固結(jié)作用。
生物炭主要通過靜電吸引、離子交換、絡(luò)合、沉淀、還原等作用吸附、結(jié)合土壤中的重金屬離子,或者將重金屬從無機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài),降低重金屬的活性及生物可利用性(He et al.,2019)。用生物質(zhì)炭治理重金屬污染的研究已經(jīng)很多：如棉桿炭、小麥秸稈生物炭、玉米秸稈生物炭等對鎘離子有吸附作用(李力等,2012;郭文娟等,2013;馬鋒鋒等,2017)，水稻秸稈生物炭能把土壤中的鎘將可交換態(tài)鎘向較為穩(wěn)定的形式轉(zhuǎn)化(高瑞麗等,2017)。但紅麻骨炭治理重金屬污染的土壤鮮有報(bào)道，應(yīng)用紅麻種植物、厭氧混合菌群及紅麻骨炭聯(lián)合修復(fù)重金屬Cd污染的土壤還末見報(bào)道。本試驗(yàn)在已研究的基礎(chǔ)上增加了紅麻骨炭，并選擇單一的低鎘污染土壤進(jìn)行紅麻種植、厭氧混合菌群及紅麻骨炭粉修復(fù)重金屬方法，通過對水稻的生長、吸收鎘及對土壤鎘修復(fù)的影響分析，篩選最佳修復(fù)方法，以期為鎘污染農(nóng)田修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
1 結(jié)果與分析
1.1不同盆栽厭氧混合菌處理后有無薄膜覆蓋封閉對水稻農(nóng)藝性狀影響
從薄膜封閉處理的株高等10個(gè)性狀來看(表1)，各處理間均存在顯著或不顯著性差異。從整體上看，HYT的處理農(nóng)藝性狀效果最好，其次為Y處理，CK處理的農(nóng)藝性狀最差。不同處理的性狀大小順序?yàn)?/font>HYT>Y>HY>CK。水稻谷子產(chǎn)量與對照相比分析，HYT的產(chǎn)量增加57.33%，Y的產(chǎn)量增加54.46%，HY的產(chǎn)量增加46.82%。從無薄膜封閉處理來看，各處理間同樣存在顯著或不顯著性差異。從整體上看同樣是HYT處理的農(nóng)藝性狀效果最好，其次為HY處理，CK處理的農(nóng)藝性狀同樣最差。不同處理的性狀大小順序?yàn)?/font>HYT>HY>Y>CK。水稻谷子產(chǎn)量與對照相比分析，HYT的產(chǎn)量增加49.65%，HY增加35.45%，Y的產(chǎn)量增加21.24%。單從無膜或有膜封閉里面的水稻谷子產(chǎn)量與對照相比分析，是有膜處理增產(chǎn)幅度要比無膜處理的高。但結(jié)合薄膜封閉與無薄膜封閉的整體來分析，除每蔸株數(shù)和每蔸有效穗數(shù)外，其余的農(nóng)藝性狀均是無薄膜封閉好，因?yàn)闊o膜處理的整體產(chǎn)量要比有膜的高。
表1盆栽處理厭氧后有無薄膜封閉對水稻農(nóng)藝性狀影響
注: 同列不同小寫字母分別表示處理間差異顯著(P<0.05)
1.2不同試驗(yàn)方案對水稻糙米Cd含量影響
各處理對糙米Cd含量均存在顯著性差異(圖1)，盆栽薄膜封閉的HYT、HY、Y處理均比對照CK處理低，且差異顯著，但HYT、HY、Y處理間差異不顯著，高低順序?yàn)?/font>Y<HYT<HY<CK，Y、HYT、HY處理的糙米Cd含量與對照CK相比，Y處理降低了30.77%，HYT處理降低了23.07%，HY處理降低了23.07%；盆栽無薄膜封閉的HYT、HY、Y處理同樣均比對照CK處理的糙米含量低，且均存在顯著性差異，HYT處理最低，其次為HY處理，高低順序?yàn)?/font>HYT<HY<Y<CK，它們的糙米Cd含量與對照CK相比，HYT處理降低了93.13%，HY處理降低了83.26%，H處理降低了79.12%，Y處理降低了38.09%；從大田無薄膜封閉試驗(yàn)看，各處理間同樣存在顯著性差異，糙米含量同樣是HYT處理最低，對照CK處理最高，高低順序?yàn)?/font>HYT<HY<Y<CK，它們的糙米Cd含量與對照CK相比，HYT處理降低了63.36%，HY處理降低了34.91%，Y處理降低了6.47%，變化趨勢與盆栽無薄膜封閉相同。三套試驗(yàn)的HYT處理均比胡青云等(2021)施用SMA微生物菌劑后糙米鎘含量降低了8.59%高很多。
圖1不同處理對水稻糙米Cd含量的影響
注:柱狀圖上無相同小寫字母的表示各處理間差異顯著(P<0.05)
1.3不同試驗(yàn)方案對土壤有效態(tài)Cd的影響
土壤中有效態(tài)重金屬是指能被植物體直接汲取、富集的形態(tài)，包含水溶態(tài)、酸溶態(tài)、螯合態(tài)和吸附態(tài)等多種形態(tài)，具有較強(qiáng)毒害作用。而本試驗(yàn)中有效態(tài)包含可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)(王興明等,2017)。從盆栽薄膜封閉處理后在不同時(shí)期的土壤有效態(tài)Cd含量顯示(圖2)，后期各處理的土壤有效態(tài)Cd含量均有下降，CK、HY、THY、Y降幅分別為38.54%、44.50%、52.39%、52.75%，HYT、Y下降較大，且差異顯著，后期土壤有效態(tài)Cd含量高低順序?yàn)?/font>Y<HYT<HY<CK。從盆栽無薄膜封閉處理后在不同時(shí)期的土壤有效態(tài)Cd含量顯示(圖3)，同樣后期各處理的土壤有效態(tài)Cd含量均有下降，CK、HY、THY、Y降幅分別為23.42%、43.84%、50.88%、34.88%，HYT降幅最大，其次是HY，差異也顯著，后期土壤有效態(tài)Cd含量高低順序?yàn)?/font>HYT<HY<Y<CK。從大田無薄膜封閉處理后在不同時(shí)期的土壤有效態(tài)Cd含量顯示(圖4)，同樣也是后期各處理的土壤有效態(tài)Cd含量均有下降，CK、HY、THY、Y降幅分別為19.65%、39.97%、46.32%、32.96%，從數(shù)值的大小來看，同樣是HYT降幅最大，其次是HY，后期土壤有效態(tài)Cd含量高低順序?yàn)?/font>HYT<HY<Y<CK，與盆栽無薄膜封閉處理的變化基本一致。三套試驗(yàn)的HYT處理土壤有效態(tài)降幅均比郇輝輝等(2023)施用粘液+2%秸稈炭處理降低39.15%高?？偟膩砜矗滋幚淼暮笃谕寥烙行B(tài)Cd含量變化與水稻糙米Cd含量相吻合，盆栽薄膜封閉處理的土壤有效態(tài)Cd含量后期的降幅比盆栽無薄膜封閉處理和大田無薄膜封閉處理均大，但三套措施的HYT處理之間降幅接近，變化不明顯。盆栽無薄膜封閉處理和大田無薄膜封閉處理間降幅的大小差距不大，且影響變化趨勢一樣，在實(shí)際應(yīng)用中薄膜封閉處理很難推廣，且成本高，綜合考量，大田無薄膜封閉處理試驗(yàn)可行，可方便推廣應(yīng)用。
圖2盆栽薄膜封閉處理在不同時(shí)期土壤有效態(tài)Cd的影響
注: 柱狀圖上無相同小寫字母的表示各處理間差異顯著(P<0.05)
圖3盆栽無薄膜封閉在不同時(shí)期土壤有效態(tài)Cd的影響
注:柱狀圖上無相同小寫字母的表示各處理間差異顯著(P<0.05)
1.4不同試驗(yàn)方案對土壤重金屬鎘形態(tài)變化
重金屬在土壤中以可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)5種形態(tài)存在，其中可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)在五種形態(tài)中活性較強(qiáng)，易于被植物體所富集，是影響土壤中重金屬有效性的最主要形態(tài)，鐵錳結(jié)合態(tài)較為穩(wěn)定，易受酸堿度所影響，有機(jī)結(jié)合態(tài)與殘?jiān)鼞B(tài)化學(xué)性質(zhì)最為穩(wěn)定，較難被植物吸收富集(陳曉晨等,2022)。
盆栽薄膜封閉處理在不同時(shí)期土壤化學(xué)形態(tài)Cd的影響顯示(圖5)，各處理均以鐵錳結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主，各處理后期的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)均小于前期，后期均主要向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。其中HYT、Y的鐵錳結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)之和較大，其次為HY處理，即后期HYT、Y處理的有效態(tài)較小，其次為HY處理；盆栽無薄膜封閉在不同時(shí)期土壤化學(xué)形態(tài)Cd的影響顯示(圖6)，各處理也均以鐵錳結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主，各處理后期的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)也均小于前期，后期均主要向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。其中HYT的鐵錳結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)之和較大，其次為HY處理，即后期HYT處理的有效態(tài)較小，其次為HY處理；大田無薄膜封閉在不同時(shí)期土壤化學(xué)形態(tài)Cd的影響顯示(圖7)，各處理的變化趨勢與盆栽無薄膜封閉處理相同，同樣是HYT的鐵錳結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)之和較大，其次為HY處理。三套試驗(yàn)處理均是通過使土壤鎘金屬形態(tài)從可利用態(tài)轉(zhuǎn)化為不可利用態(tài)，從而降低植物對其的吸收。
圖5盆栽薄膜封閉處理在不同時(shí)期土壤化學(xué)形態(tài)Cd的影響
圖6盆栽無薄膜封閉在不同時(shí)期土壤化學(xué)形態(tài)Cd的影響
圖7大田無薄膜封閉處理在不同時(shí)期土壤化學(xué)形態(tài)Cd的影響
2討論
不管是薄膜封閉還是無薄膜封閉HYT、HY、Y處理均有利于水稻稻谷產(chǎn)量的增加，由數(shù)據(jù)看(表1)，HYT處理的各性狀均比其它處理高，說明添加紅麻骨炭粉更有利水稻的生長發(fā)育，其原因可能是微生物群落豐富度和土壤結(jié)構(gòu)的變化對植物的生長造成影響，影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究證明。
綜合盆栽無薄膜封閉、盆栽薄膜封閉及大田無薄膜封閉的不同環(huán)境下水稻糙米Cd含量來看，盆栽無薄膜封閉處理和大田無薄膜封閉處理的變化趨勢相似，從薄膜封閉分析，HYT、HY、Y無顯著性差異，效果基本一樣，即單灑T-ABs厭氧混合菌群(Y)加薄膜封閉就能達(dá)到上一年種植紅麻后，第二年灑T-ABs厭氧混合菌群后又施紅麻骨炭粉處理的無薄膜封閉(HYT)效果。從成本上來看，薄膜封閉處理似乎要低些，只是灑了厭氧混合菌群和薄膜，但人工成本更高，操作上又不方便，不好推廣。三套試驗(yàn)的各處理(HYT,HY,Y)對谷子糙米Cd含量降低均具有一定作用，盆栽無薄膜封閉與大田無薄膜封閉均為HYT效果最好，其次HY。一方面是紅麻能提起掉部分重金屬(李文略等,2018)，另一方面是T-Abs菌群會代謝生成一定的硫化物，與重金屬離子絡(luò)合礦化成金屬硫化物及T-Abs菌群表面存在負(fù)電荷，能與重金屬離子的電性結(jié)合，形成吸附作用(陳玲娜等,2010)，以及紅麻骨炭粉通過吸附、結(jié)合土壤中的重金屬離子，或者將重金屬從無機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài),降低重金屬的活性及生物可利用性。
3材料與方法
3.1試驗(yàn)材料
紅麻品種為‘H368’(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所提供的晚熟雜交組合)，厭氧混合菌群(T-ABs)是上海虹口區(qū)環(huán)保局從重金屬污泥中培養(yǎng)馴化出來的，水稻品種采用常規(guī)早秈稻‘中早39’(中國水稻研究所選育)。
3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)計(jì)分三套方案同步實(shí)施：盆栽薄膜封閉(先灌水后灑厭氧混合菌群蓋膜封閉)、盆栽無薄膜封閉(先灌水后灑厭氧混合菌群不蓋膜)和大田無薄膜封閉修復(fù)(先灌水后灑厭氧混合菌群不蓋膜)試驗(yàn)。其中盆栽試驗(yàn)所用的土壤為相對應(yīng)的原位試驗(yàn)田里挖取。各方案的處理均一樣，分三個(gè)處理。HY：為紅麻種植+厭氧混合菌群礦化，即為上半年種植紅麻，第二年春天進(jìn)行厭氧混合菌群(T-ABs)礦化處理(同時(shí)灑施硫酸亞鐵鹽吸收水里的氧氣及施細(xì)麻骨粉可起到隔絕部分空氣有利于厭氧混合菌群擴(kuò)繁和固定Cd)，水封50天修復(fù)；Y：為單灑厭氧混合菌群(T-ABs)礦化；HYT：為紅麻種植(H)+厭氧混合菌群(T-ABs)礦化+紅麻骨炭粉，紅麻骨炭粉是在插秧前均勻?yàn)⑹┰谔锢锖蠓?；空白處理為對照。每處?/font>3重復(fù)。其中厭氧混合菌群為42000mL/hm2，紅麻骨炭粉為1500kg/hm2，亞鐵鹽15kg/hm2，細(xì)麻骨粉為135kg/hm2。對三套方案處理后均種植水稻。大田試驗(yàn)于杭州蕭山區(qū)浦陽的杭州金牛農(nóng)機(jī)服務(wù)專業(yè)合作社的水稻田進(jìn)行，該水稻田的前身為魚塘，盆栽于杭州蕭山區(qū)頭蓬浙江省花卉研究開發(fā)中心大棚外進(jìn)行，
施肥情況：共施兩次肥，一為基肥，開始插秧時(shí)施肥；二為追肥，剛出穗時(shí)施肥。施肥量每公頃375千克?；蕿橛袡C(jī)-無機(jī)復(fù)混肥Ⅱ型(有機(jī)緩釋水稻專用肥)，N-P2O5-K20：15-4-6，總養(yǎng)分≥25%，有機(jī)質(zhì)含量≥20%。追肥為復(fù)合肥料，N-P2O5-K20：14-16-15，總養(yǎng)分≥45%。土壤Cd含量均值為0.47mg/kg。各處理土壤基本化學(xué)性質(zhì)(表2)。
表2土壤理化性質(zhì)
3.3測定指標(biāo)及方法
對盆栽水稻收割后每重復(fù)取5蔸，調(diào)查株高、每蔸株數(shù)、每蔸有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、每穗谷重、每蔸水稻桔桿干重、蔸水稻桔桿干重、每蔸水稻谷子干重、千粒重、干谷產(chǎn)量等10個(gè)性狀進(jìn)行考查，隨后均對三套方案處理后的水稻糙米按食品中鎘的測定法GB/T 5009.15-2014檢測糙米中鎘的含量；土壤取樣分兩個(gè)時(shí)期，分別是厭氧加菌處理前(前期)和水稻成熟收割時(shí)(后期)取得土壤樣品，土壤取樣每重復(fù)梅花5點(diǎn)取土樣，并用DTPA-2Na溶液浸提法檢測有效態(tài)和Tessier五步提取法檢測土壤重金屬鎘形態(tài)。
3.4數(shù)據(jù)分析
使用Excel2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和作圖，使用SAS9.1.3進(jìn)行方差分析，并采用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性測驗(yàn)。
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文章摘自：陳常理,馬前,安霞,尉吉乾,應(yīng)金耀,周華萍,李文略,駱霞紅,柳婷婷,鄒麗娜,朱關(guān)林.紅麻、厭氧混合菌群及紅麻骨炭對土壤重金屬鎘的修復(fù)[J]. 分子植物育種, 1-11.
