摘  要：为了解厌氧混合菌群、红麻种植及红麻骨炭粉对镉污染土壤修复的影响，本研究采用洒菌后盆栽薄膜覆盖封闭、盆栽无薄膜覆盖封闭及大田无薄膜覆盖封闭进行处理，通过对盆栽水稻收割后的株高等10个性状进行考种调查及对三套方案各处理的水稻糙米重金属Cd含量进行检测，并检测各处理在洒菌时(前期)、收割时(后期)土壤Cd化学形态。结果表明：无薄膜封闭处理比有薄膜封闭处理后的农艺性状较好，性状大小顺序为HYT>HY>Y>CK，干谷产量与对照相比，HYT的产量增加49.65%，HY增加35.45%，Y的产量增加21.24%；各处理对谷子糙米Cd含量降低具有一定作用，糙米Cd含量高低顺序均为HYT<HY<Y<CK，与对照CK处理相比，其中盆栽无薄膜封闭的HYT处理降低了93.13%，HY处理降低了83.26%，大田无薄膜封闭的HYT处理降低了63.36%，HY处理降低了34.91%；三套试验的各处理对土壤重金属Cd都具有一定的降低转移能力，有薄膜封闭处理为Y降低转移能力最强，其次是HYT。盆栽无薄膜封闭处理和大田无薄膜封闭处理均为HYT降低转移能力最强，HY次之。各处理土壤镉金属形态中的可利用形态均降低，并且不可利用形态增加，从而降低植物对其的吸收。盆栽无薄膜封闭处理和大田无薄膜封闭处理的变化趋势相似。

关键词：T-Abs菌;红麻;红麻骨炭粉;水稻产量;Cd含量

土壤是人类社会健康发展的重要自然资源，随着各种工农业活动的不断开展，导致重金属大量输入土壤，造成耕地被重金属污染严重(吴佳等,2018)，并严重威胁着农产品安全，对人类健康产生极大的危害(阮玉龙等,2015;张益硕等,2022)。据调查中国南方如湖南、广东、广西、福建、浙江等地均存在大米镉超标现象，超标率约在5%～15%(魏益民等,2013)。镉(Cd)具有极高的生物毒性，对生态系统产生极大的破坏作用(龙婵等,2017;许艳萍等,2020)。

植物修复技术具备潜在的高效性、成本低、经济环保、操作简便、对土壤扰动性小，是目前研究最多，并不造成二次污染(时唯伟等,2022)。红麻(Corchoruscapsularis)因其生长周期短、生物量大、抗逆性强及重金属耐性高(Wang et al.,2016;李文略等,2018)，并且具有较高的经济价值。研究发现红麻能吸收多种重金属，如Fe、Zn、Mn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni和Hg等，与其他农作物相比红麻对重金属的富集较高，并在Cd有效含量为1.83的淤泥中进行红麻和玉米的修复能力试验，结果显示，红麻茎中镉的含量均高于玉米茎中镉和锌的含量(Arbaoui et al.,2013)。因此红麻可用于镉污染土壤替代种植(李文略等,2022)，既可以达到治理土壤污染目的，又能保证较高的经济效益。

微生物对重金属有吸附、富集、堆浸、转化降解和矿化能力(王陶等,2022;周敏等,2022)。微生物修复技术对土壤扰动少，成本低，可一定程度改良土壤理化性质(刘文超等,2015)。诸多研究发现微生物对重金属污染土壤有修复能力(许燕波等,2013;Hassan et al.,2020;杨雍康等,2020)，厌氧混合菌群(T-ABs)是从重金属污泥中培养驯化出来的，具有互生或共生关系，对重金属有良好的抗性和对重金属离子有良好的吸附及矿化固结作用。

生物炭主要通过静电吸引、离子交换、络合、沉淀、还原等作用吸附、结合土壤中的重金属离子,或者将重金属从无机态转化为有机态,降低重金属的活性及生物可利用性(He et al.,2019)。用生物质炭治理重金属污染的研究已经很多：如棉杆炭、小麦秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭等对镉离子有吸附作用(李力等,2012;郭文娟等,2013;马锋锋等,2017)，水稻秸秆生物炭能把土壤中的镉将可交换态镉向较为稳定的形式转化(高瑞丽等,2017)。但红麻骨炭治理重金属污染的土壤鲜有报道，应用红麻种植物、厌氧混合菌群及红麻骨炭联合修复重金属Cd污染的土壤还末见报道。本试验在已研究的基础上增加了红麻骨炭，并选择单一的低镉污染土壤进行红麻种植、厌氧混合菌群及红麻骨炭粉修复重金属方法，通过对水稻的生长、吸收镉及对土壤镉修复的影响分析，筛选最佳修复方法，以期为镉污染农田修复提供科学依据。

1 结果与分析

1.1不同盆栽厌氧混合菌处理后有无薄膜覆盖封闭对水稻农艺性状影响

从薄膜封闭处理的株高等10个性状来看(表1)，各处理间均存在显著或不显著性差异。从整体上看，HYT的处理农艺性状效果最好，其次为Y处理，CK处理的农艺性状最差。不同处理的性状大小顺序为HYT>Y>HY>CK。水稻谷子产量与对照相比分析，HYT的产量增加57.33%，Y的产量增加54.46%，HY的产量增加46.82%。从无薄膜封闭处理来看，各处理间同样存在显著或不显著性差异。从整体上看同样是HYT处理的农艺性状效果最好，其次为HY处理，CK处理的农艺性状同样最差。不同处理的性状大小顺序为HYT>HY>Y>CK。水稻谷子产量与对照相比分析，HYT的产量增加49.65%，HY增加35.45%，Y的产量增加21.24%。单从无膜或有膜封闭里面的水稻谷子产量与对照相比分析，是有膜处理增产幅度要比无膜处理的高。但结合薄膜封闭与无薄膜封闭的整体来分析，除每蔸株数和每蔸有效穗数外，其余的农艺性状均是无薄膜封闭好，因为无膜处理的整体产量要比有膜的高。

表1盆栽处理厌氧后有无薄膜封闭对水稻农艺性状影响

  

注: 同列不同小写字母分别表示处理间差异显著(P<0.05)

1.2不同试验方案对水稻糙米Cd含量影响

各处理对糙米Cd含量均存在显著性差异(图1)，盆栽薄膜封闭的HYT、HY、Y处理均比对照CK处理低，且差异显著，但HYT、HY、Y处理间差异不显著，高低顺序为Y<HYT<HY<CK，Y、HYT、HY处理的糙米Cd含量与对照CK相比，Y处理降低了30.77%，HYT处理降低了23.07%，HY处理降低了23.07%；盆栽无薄膜封闭的HYT、HY、Y处理同样均比对照CK处理的糙米含量低，且均存在显著性差异，HYT处理最低，其次为HY处理，高低顺序为HYT<HY<Y<CK，它们的糙米Cd含量与对照CK相比，HYT处理降低了93.13%，HY处理降低了83.26%，H处理降低了79.12%，Y处理降低了38.09%；从大田无薄膜封闭试验看，各处理间同样存在显著性差异，糙米含量同样是HYT处理最低，对照CK处理最高，高低顺序为HYT<HY<Y<CK，它们的糙米Cd含量与对照CK相比，HYT处理降低了63.36%，HY处理降低了34.91%，Y处理降低了6.47%，变化趋势与盆栽无薄膜封闭相同。三套试验的HYT处理均比胡青云等(2021)施用SMA微生物菌剂后糙米镉含量降低了8.59%高很多。

  

图1不同处理对水稻糙米Cd含量的影响

注:柱状图上无相同小写字母的表示各处理间差异显著(P<0.05)

1.3不同试验方案对土壤有效态Cd的影响

土壤中有效态重金属是指能被植物体直接汲取、富集的形态，包含水溶态、酸溶态、螯合态和吸附态等多种形态，具有较强毒害作用。而本试验中有效态包含可交换态和碳酸盐结合态(王兴明等,2017)。从盆栽薄膜封闭处理后在不同时期的土壤有效态Cd含量显示(图2)，后期各处理的土壤有效态Cd含量均有下降，CK、HY、THY、Y降幅分别为38.54%、44.50%、52.39%、52.75%，HYT、Y下降较大，且差异显著，后期土壤有效态Cd含量高低顺序为Y<HYT<HY<CK。从盆栽无薄膜封闭处理后在不同时期的土壤有效态Cd含量显示(图3)，同样后期各处理的土壤有效态Cd含量均有下降，CK、HY、THY、Y降幅分别为23.42%、43.84%、50.88%、34.88%，HYT降幅最大，其次是HY，差异也显著，后期土壤有效态Cd含量高低顺序为HYT<HY<Y<CK。从大田无薄膜封闭处理后在不同时期的土壤有效态Cd含量显示(图4)，同样也是后期各处理的土壤有效态Cd含量均有下降，CK、HY、THY、Y降幅分别为19.65%、39.97%、46.32%、32.96%，从数值的大小来看，同样是HYT降幅最大，其次是HY，后期土壤有效态Cd含量高低顺序为HYT<HY<Y<CK，与盆栽无薄膜封闭处理的变化基本一致。三套试验的HYT处理土壤有效态降幅均比郇辉辉等(2023)施用粘液+2%秸秆炭处理降低39.15%高。总的来看，三套处理的后期土壤有效态Cd含量变化与水稻糙米Cd含量相吻合，盆栽薄膜封闭处理的土壤有效态Cd含量后期的降幅比盆栽无薄膜封闭处理和大田无薄膜封闭处理均大，但三套措施的HYT处理之间降幅接近，变化不明显。盆栽无薄膜封闭处理和大田无薄膜封闭处理间降幅的大小差距不大，且影响变化趋势一样，在实际应用中薄膜封闭处理很难推广，且成本高，综合考量，大田无薄膜封闭处理试验可行，可方便推广应用。

  

图2盆栽薄膜封闭处理在不同时期土壤有效态Cd的影响

注: 柱状图上无相同小写字母的表示各处理间差异显著(P<0.05)

  

图3盆栽无薄膜封闭在不同时期土壤有效态Cd的影响

注:柱状图上无相同小写字母的表示各处理间差异显著(P<0.05)

1.4不同试验方案对土壤重金属镉形态变化

重金属在土壤中以可交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、有机结合态和残渣态5种形态存在，其中可交换态和碳酸盐结合态在五种形态中活性较强，易于被植物体所富集，是影响土壤中重金属有效性的最主要形态，铁锰结合态较为稳定，易受酸碱度所影响，有机结合态与残渣态化学性质最为稳定，较难被植物吸收富集(陈晓晨等,2022)。

盆栽薄膜封闭处理在不同时期土壤化学形态Cd的影响显示(图5)，各处理均以铁锰结合态、有机结合态和残渣态为主，各处理后期的可交换态、碳酸盐结合态均小于前期，后期均主要向残渣态转化。其中HYT、Y的铁锰结合态、有机结合态和残渣态之和较大，其次为HY处理，即后期HYT、Y处理的有效态较小，其次为HY处理；盆栽无薄膜封闭在不同时期土壤化学形态Cd的影响显示(图6)，各处理也均以铁锰结合态、有机结合态和残渣态为主，各处理后期的可交换态、碳酸盐结合态也均小于前期，后期均主要向残渣态转化。其中HYT的铁锰结合态、有机结合态和残渣态之和较大，其次为HY处理，即后期HYT处理的有效态较小，其次为HY处理；大田无薄膜封闭在不同时期土壤化学形态Cd的影响显示(图7)，各处理的变化趋势与盆栽无薄膜封闭处理相同，同样是HYT的铁锰结合态、有机结合态和残渣态之和较大，其次为HY处理。三套试验处理均是通过使土壤镉金属形态从可利用态转化为不可利用态，从而降低植物对其的吸收。

  

图5盆栽薄膜封闭处理在不同时期土壤化学形态Cd的影响

  

图6盆栽无薄膜封闭在不同时期土壤化学形态Cd的影响

  

图7大田无薄膜封闭处理在不同时期土壤化学形态Cd的影响

2讨论

不管是薄膜封闭还是无薄膜封闭HYT、HY、Y处理均有利于水稻稻谷产量的增加，由数据看(表1)，HYT处理的各性状均比其它处理高，说明添加红麻骨炭粉更有利水稻的生长发育，其原因可能是微生物群落丰富度和土壤结构的变化对植物的生长造成影响，影响机理有待进一步研究证明。

综合盆栽无薄膜封闭、盆栽薄膜封闭及大田无薄膜封闭的不同环境下水稻糙米Cd含量来看，盆栽无薄膜封闭处理和大田无薄膜封闭处理的变化趋势相似，从薄膜封闭分析，HYT、HY、Y无显著性差异，效果基本一样，即单洒T-ABs厌氧混合菌群(Y)加薄膜封闭就能达到上一年种植红麻后，第二年洒T-ABs厌氧混合菌群后又施红麻骨炭粉处理的无薄膜封闭(HYT)效果。从成本上来看，薄膜封闭处理似乎要低些，只是洒了厌氧混合菌群和薄膜，但人工成本更高，操作上又不方便，不好推广。三套试验的各处理(HYT,HY,Y)对谷子糙米Cd含量降低均具有一定作用，盆栽无薄膜封闭与大田无薄膜封闭均为HYT效果最好，其次HY。一方面是红麻能提起掉部分重金属(李文略等,2018)，另一方面是T-Abs菌群会代谢生成一定的硫化物，与重金属离子络合矿化成金属硫化物及T-Abs菌群表面存在负电荷，能与重金属离子的电性结合，形成吸附作用(陈玲娜等,2010)，以及红麻骨炭粉通过吸附、结合土壤中的重金属离子，或者将重金属从无机态转化为有机态,降低重金属的活性及生物可利用性。

3材料与方法

3.1试验材料

红麻品种为‘H368’(中国农业科学院麻类研究所提供的晚熟杂交组合)，厌氧混合菌群(T-ABs)是上海虹口区环保局从重金属污泥中培养驯化出来的，水稻品种采用常规早籼稻‘中早39’(中国水稻研究所选育)。

3.2试验设计

试验设计分三套方案同步实施：盆栽薄膜封闭(先灌水后洒厌氧混合菌群盖膜封闭)、盆栽无薄膜封闭(先灌水后洒厌氧混合菌群不盖膜)和大田无薄膜封闭修复(先灌水后洒厌氧混合菌群不盖膜)试验。其中盆栽试验所用的土壤为相对应的原位试验田里挖取。各方案的处理均一样，分三个处理。HY：为红麻种植+厌氧混合菌群矿化，即为上半年种植红麻，第二年春天进行厌氧混合菌群(T-ABs)矿化处理(同时洒施硫酸亚铁盐吸收水里的氧气及施细麻骨粉可起到隔绝部分空气有利于厌氧混合菌群扩繁和固定Cd)，水封50天修复；Y：为单洒厌氧混合菌群(T-ABs)矿化；HYT：为红麻种植(H)+厌氧混合菌群(T-ABs)矿化+红麻骨炭粉，红麻骨炭粉是在插秧前均匀洒施在田里后翻均；空白处理为对照。每处理3重复。其中厌氧混合菌群为42000mL/hm2，红麻骨炭粉为1500kg/hm2，亚铁盐15kg/hm2，细麻骨粉为135kg/hm2。对三套方案处理后均种植水稻。大田试验于杭州萧山区浦阳的杭州金牛农机服务专业合作社的水稻田进行，该水稻田的前身为鱼塘，盆栽于杭州萧山区头蓬浙江省花卉研究开发中心大棚外进行，

施肥情况：共施两次肥，一为基肥，开始插秧时施肥；二为追肥，刚出穗时施肥。施肥量每公顷375千克。基肥为有机-无机复混肥Ⅱ型(有机缓释水稻专用肥)，N-P2O5-K20：15-4-6，总养分≥25%，有机质含量≥20%。追肥为复合肥料，N-P2O5-K20：14-16-15，总养分≥45%。土壤Cd含量均值为0.47mg/kg。各处理土壤基本化学性质(表2)。

表2土壤理化性质

  

3.3测定指标及方法

对盆栽水稻收割后每重复取5蔸，调查株高、每蔸株数、每蔸有效穗数、每穗粒数、每穗谷重、每蔸水稻桔杆干重、蔸水稻桔杆干重、每蔸水稻谷子干重、千粒重、干谷产量等10个性状进行考查，随后均对三套方案处理后的水稻糙米按食品中镉的测定法GB/T 5009.15-2014检测糙米中镉的含量；土壤取样分两个时期，分别是厌氧加菌处理前(前期)和水稻成熟收割时(后期)取得土壤样品，土壤取样每重复梅花5点取土样，并用DTPA-2Na溶液浸提法检测有效态和Tessier五步提取法检测土壤重金属镉形态。

3.4数据分析

使用Excel2010对数据进行初步整理和作图，使用SAS9.1.3进行方差分析，并采用Duncan氏新复极差法进行显著性测验。

 

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[26]Zhang Y.S., Zhou Z.K., Wang S.Y., Wang S.J., Sun Z.X., Hu Z.Q., Yuan J.M., and Fan X.L., 2022a, Study on removal of U (Ⅵ) from water bodies by STAC modified bentonite, Youse Jinshu (Nonferrous Metals (Extractive Metallurgy)), (1): 127-132.(张益硕,周仲魁,王丝雨,王世俊,孙占学,胡中强,袁嘉懋,樊小磊,2022,STAC改性有机膨润土去除水体中Ｕ(Ⅵ)试验,有色金属(冶炼部分),(1):127-132.)

[27]Zhou M., Hu P.L., Shu X., Bao S., and Zhou H., 2022, Advances on interfacial process and regulation technology of soil cocontaminated with cadmium-arsenic, Hunan Shengtai Kexue Xuebao (Journal of Hunan Ecological Science), 9(4): 96-102.(周敏,胡培良,舒心,包姗,周虹,2022,土壤镉砷复合污染界面过程与调控技术研究进展,湖南生态科学学报,9(4):96-102.)

 

文章摘自：陈常理,马前,安霞,尉吉乾,应金耀,周华萍,李文略,骆霞红,柳婷婷,邹丽娜,朱关林.红麻、厌氧混合菌群及红麻骨炭对土壤重金属镉的修复[J]. 分子植物育种, 1-11.