莠去津土壤残留生物修复菌肥作用原理与田间应用

丁伟 辛睿滢

摘要 ：莠去津是玉米田应用的优秀除草剂品种，然而由于其在土壤中残留时间长，常对轮作后茬敏感作物造成严重毒害。采用生物修复菌肥做种肥、结合菌肥拌种和叶面喷施方法，研究对玉米后茬旱直播水稻生长发育及药害修复机理，对土壤中莠去津残留量、水稻生长和生理指标、土壤酶活性进行测定。结果表明：颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施是莠去津土壤残留毒害修复的最佳方法，土壤中莠去津含量在喷施菌肥后7 d从施用菌肥前的0.9 mg/kg下降到0.1 mg/kg，水稻叶片叶绿素含量显著增加33.74%，超氧化物歧化酶和过氧化物酶酶活性分别显著提高23.39%和92.57%，丙二醛含量则显著降低48.01%;水稻株高、地上部鲜重、干重分别比对照显著增加22.33%、67.51%和74.80%，根系鲜重和干重分别比对照显著增加33.98%和55.43%;土壤磷酸酶、脲酶及纖维素酶含量分别显著增加49.17%、528.65%和35.21%。

关键词 ：莠去津; 生物修复菌肥; 旱直播水稻; 抗逆酶; 土壤酶

中图分类号：

S 156.6

文献标识码： 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

莠去津是三嗪类内吸性除草剂，生产成本低、除草效果好[1]，但其在土壤中的流动性较高且残效期长[23]，易对后茬敏感作物产生药害和造成环境污染[45]。在治理莠去津残留毒害的过程中，生物修复以操作简便和无二次污染等优点，成为众多治理方法中的首选[6]。

目前国内外已有多种莠去津降解菌的筛选及生物修复效果报道[78]，但都是在实验室内利用菌株对含莠去津的土壤或水进行纯培养降解试验，没有考虑作物和田间环境条件对降解效果的影响，研究结果尚无法应用于田间。王志刚等以高岭土和腐殖酸为载体材料，研制出菌剂的最佳载体材料配比，为降解菌提供适宜的载体条件[9]。Madariaga-Navarrete等进行了温室试验，初步探讨了作物和土壤微生物因素相结合条件下的降解效果，发现当生物强化和植物修复相结合时，莠去津降解效率更高，根际微生物的生物强化在降解中发挥着重要作用[10]。刘丹丹等将研制的生物修复菌剂应用于黄瓜盆栽试验中，发现以硅藻土为载体制备的修复菌剂对土壤中的莠去津残留及黄瓜的毒害有较好的修复效果，实现了菌剂的制备与盆栽中的应用[11]。虽然莠去津的生物降解和修复已受到广泛关注，但由于降解菌的生存适应性和降解效果受环境因素的制约，如降解菌所需营养、接种量难以把握，降解菌与土壤微生物相比是否具有养分竞争优势和受不同作物影响等多方面原因[1213]，莠去津生物修复菌肥或菌剂的田间应用研究依然很少，更多的是菌株筛选后的实验室和盆栽研究[1415]，对作物和土壤等修复效果评价也不够完善。应用于大田试验的研究除马秀兰等[16]对栽培人参土壤中莠去津残留修复的田间模拟试验外，至今未有其他报道。

本试验以多年施用莠去津的玉米田土壤进行旱直播水稻栽培，利用莠去津残留生物修复菌肥同时做种肥、拌种和叶面喷施，综合考虑作物和田间环境条件进行莠去津田间残留修复和对水稻生长发育的安全性研究。本文进行菌肥施用后田间土壤莠去津残留检测、水稻生理指标和土壤酶活性测定，探究对玉米田残留莠去津对水稻毒害修复机理并确定菌肥最佳施用方法，为莠去津残留生物修复菌肥应用于大田生产实际提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为‘龙庆稻5号。

供试生物修复颗粒菌肥、粉剂菌肥和水剂菌肥由东北农业大学农药学科研制并提供，包括颗粒生物修复菌肥：青霉等有益菌数≥2亿/g，N+P2O5+K2O=20%;粉剂生物修复菌肥：青霉等有益菌数≥20亿/g;水剂生物修复菌肥：短小芽孢杆菌等有益菌数≥10亿/g。

1.2 试验设计

2018年和2019年在黑龙江省伊春市嘉荫县红光乡进行大田试验。试验田为多年连续施用莠去津的玉米地块，后茬作物为旱直播水稻。采用随机区组试验设计，共设4个处理，4次重复，试验处理见表1。试验各处理土壤莠去津残留、旱直播水稻生理指标和土壤酶活性均4次重复测定。

1.3 旱直播水稻的生长指标和生理指标的测定

生物修复水剂菌肥在旱直播水稻出苗后2叶期喷施。水稻4叶期后，每间隔7 d调查各处理水稻株高、分蘖数，地上和根系鲜重及干重。干重测定采用烘干法，105℃杀菌30 min，60℃烘干至恒重。每次调查和取样均在各处理小区中間2行取50株长势一致的水稻进行4次重复测定。

在喷施菌液后的7、14、28 d各处理取样，保温箱冷藏带回实验室，取水稻新近完全伸展叶片测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）和叶绿素含量。MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法测定;SOD活性采用氮蓝四唑光化还原法测定;POD活性采用愈创木酚法测定[17]，叶绿素仪测定叶绿素含量。

1.4 旱直播水稻根系土壤酶及莠去津土壤残留测定

喷施菌肥后7 d，每处理取200 g根系附近土壤，风干后测定土壤脲酶、磷酸酶、纤维素酶活性。土壤脲酶活性用靛酚比色法[18];磷酸酶活性用磷酸苯二钠法[19];纤维素酶活性用CMC糖化力法[20]。

水稻4叶期，每处理取500 g根系附近土壤冷冻保存，采用乙腈振荡提取，弗罗里硅土SPE小柱净化，用气相色谱测定莠去津的土壤残留量[21]。

1.5 数据处理方法

采用Excel 2010软件处理原始数据，应用DPS 10.15软件分析数据平均值的差异显著性（P<005）。

2 结果与分析

2.1 菌肥不同施用方法对旱直播水稻根际土莠去津残留量的影响

施用菌肥后，各处理的根际土中莠去津残留量存在显著差异。常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施处理的根际土莠去津残留量最低，比对照显著降低88.89%，比常规施肥+颗粒菌肥做种肥和常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种分别显著降低84.62%和75%，说明生物修复菌肥各处理对莠去津的土壤残留量均有显著的降低作用，且常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施处理降低残留效果最好，是莠去津土壤残留生物修复菌肥的最佳施用方法（图1）。

2.2 菌肥不同施用方法对旱直播水稻生长指标的影响

施用菌肥后，随着时间推移，各处理株高、地上部与根系鲜重、干重均渐渐显著增加，分蘖数先增加后趋于平稳。其中，常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施处理的水稻株高、分蘖数、地上部茎叶鲜重和根系鲜重及干重都显著高于其他处理，施用叶面肥7 d后，该处理株高和分蘖数分别比对照增加22.33%和65.22%，地上部

鲜重、干重分别比对照显著增加67.51%和7480%，根系鲜重、干重分别比对照显著增加3398%和55.43%;到28 d，该处理株高比对照增加8.6 cm，分蘖数显著增加50.0%，地上部鲜重、干重分别比对照显著增加230.97%和174.03%，根系鲜重、干重分别比对照显著增加134.09%和75.88%（表2，P<0.05）。可见，菌肥对旱直播水稻生长具有显著的促进作用，常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施为最佳处理。

2.3 菌肥不同施用方法对旱直播水稻叶片叶绿素含量的影响

随着水稻生长，各处理叶片叶绿素含量都渐渐降低，但施用菌肥的处理叶绿素含量始终高于对照，常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施处理叶绿素含量在处理后7 d 和14 d均显著高于其他处理，这在菌肥施用后早期快速恢复莠去津对叶绿素的抑制具有重要作用，该处理在7、14、28 d叶绿素含量比对照分别显著增加了33.74%、30.75%、31.30%（图2）。

2.4 菌肥不同施用方式对旱直播水稻叶片抗逆酶活性的影响

常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施处理POD和SOD活性最高，施用菌肥7 d后，与对照相比，水稻叶片的POD活性显著提高92.57%，SOD活性显著增加23.39%（图3，图4）。随着时间推移，水稻的POD和SOD活性逐渐降低。第28天，常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施处理比对照的POD活性仍显著升高63.02%，SOD活性则显著升高629.71%。

菌肥施用后随时间推移，常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施处理水稻叶片MDA含量始终显著低于其他处理，在喷施叶面肥7、14、28 d后，比对照分别显著降低4801%、11.52%、57.43%（图5）。该菌肥施用方法最大限度地显著降低了水稻叶片MDA含量，从而对细胞膜的损害程度最小。

2.5 菌肥不同施用方式对旱直播水稻根系土壤酶活性的影响

施用菌肥后，根系土壤脲酶和磷酸酶活性均显著增加，常规施肥+颗粒菌肥做种肥和常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种的两个处理根系土壤纤维素酶活性显著降低，但常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施的处理土壤纤维素酶活性增加，且常规施肥+颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施处理根系土壤脲酶、磷酸酶和纤维素酶活性均为最高，比对照分别显著增加528.65%、49.17%、35.21%（图6），这3种酶与土壤养分释放直接相关，酶活性升高，土壤中养分含量增加，对促进水稻生长具有重要作用。

3 讨论

莠去津在环境中的降解包括水解、生物降解、光解等。莠去津三氮苯结构的存在，使其性质非常稳定，降解缓慢且在土壤中的流动性较高[2，22]。已有许多研究显示莠去津在土壤中的降解与土壤有机质、养分、pH和土壤质地有关[2324]。有机质对莠去津具有较强的吸附作用，土壤有机质含量低，对莠去津吸附能力弱，则极易发生淋溶和迁移，造成对地下水资源的污染[25]。莠去津还可以与土壤中铜、锌等金属形成复合物， 这种结合残留对整个生态系统构成潜在威胁[3]，对后茬敏感作物造成严重毒害。

水稻对莠去津十分敏感，历史上曾多次发生莠去津对水稻的毒害，对水稻生产造成重大经济损失[22]。水稻苗期对莠去津最敏感，残留毒害表现为：植株变黄、矮化、根系生长和叶绿素含量显著降低，且对水稻基因的突变和表达均有影响[2627]。关于莠去津水體及土壤污染的化学修复、植物修复、微生物修复等研究已有许多报道，分别是利用催化剂促进莠去津的光解和水解，或通过植物转化和降解，以及微生物的降解和矿化作用[2830]。然而这些研究基本停留于实验室测试的理论水平，环境条件结合作物生长发育等多种因素对降解效果的影响尚待探究。其中微生物修复由于污染小、可操性强，更适合用于农田莠去津污染的修复，高效降解菌株可直接接种或制成菌剂，通过代谢或者矿化作用分解土壤中有害物质，恢复作物生长环境，提高土壤肥力，缓解作物受到的毒害。

目前已有一些对大豆、蔬菜、水稻等敏感作物的盆栽试验研究，证明了降解菌可有效缓解莠去津对作物的毒害[3132]，然而菌株或菌剂的应用方法比较单一，且尚未应用于大田生产实际中。本文采用生物修复菌肥不同施用方法，筛选最佳方案，在旱直播田水稻生长早期降解土壤中残留莠去津，提高土壤酶活性，解除莠去津对水稻生长的抑制，同时促进水稻自我修复。喷施菌肥7 d后，土壤中莠去津含量显著降低，水稻的叶绿素含量、株高、鲜重、干重均迅速提高，叶片中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强，水稻生长得到恢复，这是生物修复菌肥修复莠去津对水稻毒害的重要内在原因。

土壤微生物和土壤酶是土壤生态系统中重要的组成部分， 土壤酶催化土壤中的生物化学反应，在土壤养分转化循环、系统稳定性和抗干扰能力以及土壤可持续生产力中占主导地位[33]。脲酶活性升高，土壤中有机态氮转化为植物可利用无机氮的能力增强[34];土壤中有机磷在磷酸酶作用下才能转化成可供植物吸收的无机磷[35];纤维素酶活性变化可以反映碳素物质的降解情况[36]。本研究生物修复菌肥施用后，土壤中纤维素酶、磷酸酶和脲酶活性显著升高，土壤的肥力增加，水稻根系生长量大，促进了对土壤中养分的吸收，是水稻快速恢复生长的外在原因。然而，施用生物修复菌肥后莠去津快速降解及其与土壤酶活性的关系仍有待做进一步深入研究。

4 结论

施用生物修复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，水稻根系生长快速恢复是菌肥修复莠去津对水稻毒害的重要原因。颗粒菌肥做种肥+粉剂菌肥拌种+水剂菌肥叶面喷施是修复莠去津毒害水稻生长发育的最佳施用方法。

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（责任编辑：杨明丽）