微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)水稻生長(zhǎng)生理和鎘吸收的影響

宋如荻，彭曉英，王亦豪，田梓軒a，劉福來(lái)b，2，王惠群*

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) a. 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院；b. 芒屬植物生態(tài)應(yīng)用技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410128；2. 哥本哈根大學(xué)理學(xué)院植物與環(huán)境科學(xué)系，泰斯特魯普 DK-2630）

水稻（Oryza stivaL.）是一種重要的全球糧食作物，中國(guó)60%以上的人口以水稻作為主食［1］。由于地球上人口急速增長(zhǎng)，耕地重金屬污染加劇，使得提高糧食產(chǎn)量和品質(zhì)的壓力越來(lái)越大［2-3］。因此，如何保證糧食安全就成為了人們長(zhǎng)久以來(lái)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)［4-6］。水稻鎘含量超標(biāo)事件讓人們認(rèn)識(shí)到土壤退化或酸化帶來(lái)的問(wèn)題的嚴(yán)重性。目前水稻綜合降鎘技術(shù)體系是“VIP+n”（V ：variety ；I：irrigation ；P ：pH adjustment；n ：other technology。如菌肥、生物炭、有機(jī)肥、葉面阻控劑硅肥等）［7］。近年來(lái)，各種提高酸性稻田的pH值以降低籽粒對(duì)鎘積累的土壤調(diào)理劑進(jìn)入了人們的研究視野，其中備受關(guān)注的是微生物菌劑、生物炭和活性硅等土壤調(diào)理劑［8-15］。植物產(chǎn)生的細(xì)胞分裂素（cytokinin, CTK）和生長(zhǎng)素（indole-3-acetic acid,IAA）等植物激素能調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)和發(fā)育。許多活躍的細(xì)菌生長(zhǎng)在植物的根際和根系內(nèi)，通過(guò)某些機(jī)制刺激植物的生長(zhǎng)，這些細(xì)菌總稱為根圍細(xì)菌。許多根圍細(xì)菌能夠合成CTK，稱為細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌（cytokinin producing bacteria, CPB），如枯草芽胞桿菌（Bacillus subtilis）、地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）和假單孢菌（Pseudomons adaceae），其能通過(guò)增加根際和根系內(nèi)的CTK含量來(lái)影響植株植物激素的平衡，促進(jìn)植株生長(zhǎng)［16］。CTK生產(chǎn)菌菌劑是一種微生物混合菌劑，包含膠質(zhì)芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosusKrassilnikov）、巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）、枯草芽孢桿菌、木霉菌（Trichodermaspp.）、光合菌（photosynthetic bacteria, PSB）和菌根菌（mycorrhizal fungi），其與肥料配施可提高小麥、馬鈴薯和甜瓜等作物的光合速率、根系活力、水分利用率及對(duì)肥料的利用率，以達(dá)到增產(chǎn)的目的［17-19］。生物炭是生物質(zhì)經(jīng)高溫限氧熱裂解而成的多孔狀炭化物，是一種良好的吸附材料，在肥料緩釋、土壤改良和環(huán)境修復(fù)等方面被人們認(rèn)知。生物炭可以改變土壤的理化性質(zhì)，提高土壤中微生物的生物量和多樣性以及水稻的肥料利用率，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育，從而提高產(chǎn)量［9-11］。硅是多數(shù)植物需要的有益元素，能夠提高植物光合速率和干物質(zhì)的積累，改善植物體內(nèi)水分代謝和水分利用率等。水稻是典型的喜硅植物，硅對(duì)緩解水稻生物與非生物脅迫具有重要作用［14-15，20］。南荻（Miscanthus lutarioripariusL.）是禾本科（Poaceae）芒屬（Miscanthus）多年生的高大草本植物，具有發(fā)達(dá)根狀莖，生物量大，主要在我國(guó)長(zhǎng)江中下游及洞庭湖區(qū)連片生長(zhǎng)，分布面積約1 000 km2。南荻的秸稈在500℃條件下缺氧熱裂解，生產(chǎn)出硅含量較高、鎘含量較低的南荻炭［21］。南荻炭可通過(guò)其多級(jí)孔的物理吸附及帶電吸附降低土壤中鎘離子的移動(dòng)性。

目前較多的研究都只關(guān)注了單一的降鎘材料，但由于土壤是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，因此單一土壤調(diào)理劑會(huì)隨著時(shí)間的推移而存在吸附鎘的解吸作用，使其降鎘效果不穩(wěn)定［22］。有研究表明，生物炭比重較小，很難與土壤沉積界面充分接觸，使其鎘鈍化劑效應(yīng)不穩(wěn)定。同時(shí)，單一生物炭對(duì)鎘污染土壤修復(fù)同其他金屬元素一樣存在解吸附和緩釋作用［23］。硅雖能提高水稻的抗逆能力，但因?yàn)榛钚怨柙谕寥乐幸妆蛔魑锖慕叨鴮?dǎo)致土壤缺硅，所以隨著土壤中活性硅的減少，土壤鎘解吸附作用就會(huì)增強(qiáng)［24］。研究已發(fā)現(xiàn)，生物炭與礦物肥料結(jié)合使用時(shí)，其與礦物元素的相互作用可以增強(qiáng)水稻在不同類型的非生物脅迫下的性能［25-26］。而對(duì)于以南荻炭、活性硅以及細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑二元或多元復(fù)配的土壤調(diào)理劑在鎘污染土壤-水稻生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)水稻生長(zhǎng)生理和鎘吸收的影響機(jī)制目前還缺乏深入認(rèn)識(shí)。因此本研究應(yīng)用多學(xué)科交叉領(lǐng)域的土壤調(diào)理劑技術(shù)研究材料細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑、南荻炭和活性硅，制備多元復(fù)配材料——微生物炭基土壤調(diào)理劑。通過(guò)南荻炭、活性硅以及細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑間的協(xié)同和互補(bǔ)作用促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)土壤的酸緩沖能力，提高根系對(duì)鎘的生理生化阻控作用，從而達(dá)到提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的目的，為進(jìn)一歩篩選出水稻專用微生物炭基土壤調(diào)理劑配方提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)水稻品種為黃華占。盆栽用的圓柱形聚乙烯塑料桶的上表面直徑為30 cm，下表面直徑為28 cm，高度為25 cm。盆栽土壤的基本理化性質(zhì)如下：土壤類型為黏性紅壤，pH為5.32，有機(jī)質(zhì)含量為1.37 g/kg，全氮含量為0.58 g/kg，全磷含量為0.26 g/kg，全鉀含量為15.27 g/kg，鎘含量為 1.84 mg/kg。南荻炭為生物質(zhì)能源多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的生物炭，其限氧熱裂解溫度為500℃。南荻炭基本理化性質(zhì)如下：碳含量為75.41 g/kg，氮含量為0.78 g/kg，磷含量為0.19 g/kg，鉀含量為0.95 g/kg，硅含量為506.00 mg/kg，總比表面積為33.60 m2/g，pH為9.77。細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑為固體且鈍化的混合菌劑，包含膠質(zhì)芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、木霉菌、光合菌和菌根菌。活化后使用時(shí)其有效菌的數(shù)量不少于2×109CFU/g（CFU為菌落形成單位），總有效活菌數(shù)不少于1011CFU/g。活性硅是佛山市鐵人環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的降鎘靈硅肥，其硅含量為85 g/L。然后將硅肥稀釋成Na2SiO3的質(zhì)量濃度為300 mg/L的溶液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及水稻盆栽的培養(yǎng)方法

鎘污染土壤水稻盆栽試驗(yàn)在自動(dòng)遮雨棚中進(jìn)行。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共有細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑、南荻炭和活性硅3個(gè)處理因素，共設(shè)4個(gè)處理：CK（常規(guī)施肥）、T1（常規(guī)施肥+細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑）、T2（常規(guī)施肥+細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑+南荻炭）和T3（常規(guī)施肥+細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑+南荻炭+活性硅）。每個(gè)處理重復(fù)4次。

2018年5月7日開始試驗(yàn)，每盆加入10 kg風(fēng)干的鎘污染土壤和6.5 g復(fù)合肥（mN∶mP2O5∶mK2O=21∶7∶12）。細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑加入量為10 g/盆。南荻炭加入量為100 g/盆，每盆加入25 mL的Na2SiO3的質(zhì)量濃度為300 mg/L的硅肥溶液。每個(gè)處理都對(duì)應(yīng)加入風(fēng)干土壤、復(fù)合肥、南荻炭和活性硅，均勻混合后裝入盆中；加入自來(lái)水使液面高于土壤2 cm，土壤孵育10 d。于2018年5月17日將水稻催芽后采用直播的方式進(jìn)行培育，每盆50粒左右，在幼苗三葉期時(shí)，間苗至24株/盆。在水稻分蘗前期將細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑以10 g/盆的量用自來(lái)水活化后施入水稻盆栽中。在水稻全生育期間淹水2 cm左右。水稻分蘗中期追施6 g/盆的尿素。在水稻分蘗期施加烯啶吡蚜酮以防治白粉虱和蚜蟲。成熟期間用防蟲尼龍網(wǎng)防鳥。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

1.3.1 樣品的選擇和采集

在水稻抽穗期（8月4日—8月5日），各處理分別選取長(zhǎng)勢(shì)一致的6株水稻做好標(biāo)記。8月4日對(duì)標(biāo)記植株的劍葉進(jìn)行光合作用參數(shù)的測(cè)定，8月5日將標(biāo)記植株挖出后洗凈并進(jìn)行各生理生化指標(biāo)的測(cè)定。于收獲期收獲植株，進(jìn)行株高、籽粒相對(duì)產(chǎn)量和鎘含量的測(cè)定。

1.3.2 光合作用參數(shù)的測(cè)定方法

選用LI-6400便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定劍葉的光合作用參數(shù)，光通量密度為 1 000 μmol/(m2·s)。測(cè)定時(shí)是晴朗無(wú)風(fēng)天氣，測(cè)定時(shí)間為上午9:00—11:00。

1.3.3 丙二醛含量和抗氧化酶活性的測(cè)定

劍葉丙二醛含量采用硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid, TBA）法測(cè)定，參照李子芳等［27］的方法稍作修改。過(guò)氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚分光光度測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定，參照王偉玲等［28］的方法并稍作修改。過(guò)氧化氫酶活性采用南京建成試劑盒法測(cè)定。超氧化物歧化酶活性采用黃嘌呤氧化酶法測(cè)定［29］。

1.3.4 根系活力和根系微生物多樣性的測(cè)定

根系活力參照王秀波等［30］的氯化三苯基四氮唑（2, 3, 5-triphenyltetrazolium chloride, TTC）法測(cè)定。應(yīng)用上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司的宏基因組測(cè)序測(cè)定根系真菌和細(xì)菌多樣性，以測(cè)定根系微生物的多樣性。

1.3.5 株高與相對(duì)產(chǎn)量的測(cè)定

株高的測(cè)定方式為采用卷尺測(cè)定收獲期水稻植株莖基部至穗尖的長(zhǎng)度。計(jì)算每盆水稻的實(shí)際產(chǎn)量。每盆實(shí)際產(chǎn)量=∑Wi=W1+W2+W3+……Wn，其中W為每株飽粒重（g）。

1.3.6 莖稈和籽粒的鎘含量測(cè)定

鎘含量測(cè)定采用GB 5009.268-2016的食品中多元素測(cè)定方法，應(yīng)用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定。鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)X=C籽粒/C莖稈。其中X為鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；C籽粒為莖葉鎘含量（mg/kg）；C莖稈為根鎘含量（mg/kg）［31］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2010 和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析軟件DPS v12.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；采用Duncan方法進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)抽穗期劍葉光合作用參數(shù)的影響

由表1可知，在抽穗期，水稻劍葉的凈光合速率在CK出現(xiàn)了最小值，其他3個(gè)處理均與CK有顯著性差異。其大小的順序?yàn)門3＞T2＞T1＞CK，T3的凈光合速率為17.67 μmol/(m2·s)，比CK提高了38.05%。蒸騰速率大小的順序?yàn)?T2＞T1＞T3＞CK，T2為14.27 g/(m2·h)，比CK提高了36.69% ；T2與其他3個(gè)處理結(jié)果的差異均具有顯著性。氣孔導(dǎo)度的大小排序?yàn)門3＞T2＞T1＞CK，CK的最小值為0.52 mmol/(m2·s)，T3的最大值為1.00 mmol/(m2·s)，T3比CK提高了92.31%，T1、T2和T3與CK都有顯著性差異。胞間CO2濃度的大小排序?yàn)門1＞CK＞T2＞T3，各處理間沒(méi)有顯著性差異。由此說(shuō)明，微生物炭基土壤調(diào)理劑能提高抽穗期水稻的光合作用能力。

表1 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)抽穗期劍葉光合作用參數(shù)的影響Tab. 1 Effects of microbial and biochar soil conditioner on photosynthetic parameters of the rice flag leaves at heading stage

2.2 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)抽穗期劍葉抗逆生理的影響

從表2可知，抽穗期劍葉丙二醛（malondialdehyde,MDA）含量大小的排序?yàn)門2＜T3＜T1=CK，其中T2的最小值為0.036 μmol/g，4個(gè)處理間沒(méi)有顯著性差異。過(guò)氧化物酶活性大小的順序?yàn)門2＞T3＞T1＞CK，T2的過(guò)氧化物酶活性與CK、T1和T3都具有顯著性差異。過(guò)氧化氫酶活性大小的順序?yàn)門3＞T2＞T1＞CK，T1、T2和T3的過(guò)氧化氫酶活性都與CK有顯著性差異。T3的超氧化物歧化酶活性為1.98 U/mg，比CK的提高了4.21%。T1、T2和T3的超氧化物歧化酶活性與CK相比都有顯著性差異。總之，微生物炭基土壤調(diào)理劑能降低膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物MDA的含量，提高抗氧化酶的活性，從而增強(qiáng)水稻的抗逆能力。

表2 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)抽穗期劍片抗逆生理的影響Tab. 2 Effects of microbial and biochar soil conditioner on resistant physiology of the rice flag leaves at heading stage

2.3 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)抽穗期根系生理的影響

由圖1可知，不同處理的根系活力的大小順序?yàn)門3＞T1＞T2＞CK，CK最小，為53.38 μg/(g·h)，T3最大，為154.32 μg/(g·h)。T3與CK之間處理后的根系活力差異具有顯著性。這表明，微生物炭基土壤調(diào)理劑能夠增強(qiáng)水稻的根系活力。

圖1 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)抽穗期根系活力的影響Fig. 1 Effects of microbial and biochar soil conditioner on root activities at heading stage圖中的不同小寫字母表示Duncan’s多重分析統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)達(dá)5%顯著性水平。The different lowercase letters in the figure indicate that Duncan’s multiple analysis statistical test reaches 5% signi ficance level.

各處理抽穗期根系樣品經(jīng)宏基因組測(cè)序后得出各處理根系樣品一共有6 333個(gè)細(xì)菌OTUs（OTUs 為可執(zhí)行的分類操作單位）和976個(gè)真菌OTUs。由圖2a可知，4個(gè)處理根系樣品重合部分的細(xì)菌OTUs為966個(gè)，只占OTUs總數(shù)的15.25%，說(shuō)明施用不同微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)細(xì)菌的豐度有明顯的影響。而CK與T1處理共有1 197個(gè)細(xì)菌OTUs，CK與T2共有1 141個(gè)細(xì)菌OUTs，CK與T3共有1 194個(gè)細(xì)菌OTUs，T1與T2共有1 248個(gè)細(xì)菌OTUs，T1與T3共有1 292個(gè)細(xì)菌OTUs，T2與T3共有1 340個(gè)細(xì)菌OTUs。結(jié)果表明，CK與其他處理之間的細(xì)菌種類組成的相似性大小的順序?yàn)門1＞T3＞T2，微生物炭基土壤調(diào)理劑T1、T2和T3間的細(xì)菌種類組成的相似性大于CK與T1、T2和T3間的細(xì)菌種類組成的相似性。

由圖2b可知，各處理根系樣品重合部分的真菌OTUs為77個(gè)，只占總數(shù)的7.89%。這說(shuō)明施用細(xì)胞分裂素、南荻炭、硅肥對(duì)真菌的豐度有明顯的影響，而CK與T1處理共有102個(gè)真菌OTUs，CK與T2共有97個(gè)真菌OUTs，CK與T3共有110個(gè)真菌OTUs，T1與T2共有129個(gè)真菌OTUs，T1與T3共有131個(gè)真菌OTUs，T2與T3共有148個(gè)真菌OTUs。結(jié)果表明，CK與其他處理之間的真菌種類組成的相似性大小的順序?yàn)門3＞T1＞T2，微生物炭基土壤調(diào)理劑T1、T2和T3間的真菌種類組成的相似性大于CK與T1、T2和T3間的真菌種類組成的相似性。

圖2 細(xì)菌（a）和真菌（b）OTUs分布維恩圖Fig. 2 Bacterial (a) and fungal (b) OTUs distribution Wenn diagram

由圖3a可知，4個(gè)處理根系細(xì)菌在門的分類水平上最大豐度排名前十的種類為：變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、纖維桿菌門（Fibrobacteres）、酸桿菌門（Acidobacteria）、綠彎菌門（Chloro fl exi）、螺旋菌門（Spirochaetae）、疣微菌門（Verrucomicrobia）和Lgnavibacteriae。進(jìn)一步分析處理間的差異發(fā)現(xiàn)，添加了細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌的T1中變形菌門的豐度比CK稍有提高，提高了3.16%，而T2、T3雖相比CK的豐度有所降低，但T3的豐度略大于T2，說(shuō)明對(duì)比2種調(diào)理劑施用，3種調(diào)理劑同時(shí)施用使變形菌門的豐度稍微上升了。T2、T3的放線菌門的豐度比CK均有提升，分別提高了8.77%、7.83%。T1對(duì)比CK的豐度下降了0.04%，放線菌門的豐度略有下降。T1、T2、T3中的擬桿菌門的豐度對(duì)比CK稍有下降，分別下降了2.14%、1.11%、0.52%，但隨著3種調(diào)理劑的依次加入，擬桿菌門的豐度略微上升。T1、T2、T3中的厚壁菌門的豐度對(duì)比CK均有提升，分別提高了1.73%、3.88%、3.36%。T1、T2、T3中的纖維菌門的豐度對(duì)比CK稍有下降，分別下降了3.37%、2.72%、1.90%，但隨著3種調(diào)理劑的依次加入，纖維菌門豐度有上升趨勢(shì)。

由圖3b可知，4 個(gè)處理根系真菌在門的分類水平上最大豐度排名前三的種類為：子囊菌門(Ascomycota)、未鑒定(unclassified_k_Fungi)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)。其中，T1、T2、T3中的子囊菌門的豐度對(duì)比CK稍有下降，分別下降了1.29%、3.72%、4.19%。處理T1、T2中的擔(dān)子菌門的豐度對(duì)比CK都有所下降，分別下降了1.13%、0.52%。而施用了3種調(diào)理劑的T3中的擔(dān)子菌門的豐度比CK提高了0.62%。

2.4 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)收獲期株高與產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表3可知，在收獲期水稻株高大小的順序?yàn)門3＞T1＞CK＞T2，但是各處理間沒(méi)有顯著性差異。各處理千粒重大小的順序?yàn)門1＞T3＞T2＞CK，CK最小，為18.04 g，T1最大，為21.12 g，T1比CK提高了17.07%。T1、T3的千粒重與CK都有顯著性差異，T2與CK的千粒重沒(méi)有顯著性差異。相對(duì)產(chǎn)量大小的順序?yàn)門3＞T2＞T1＞CK，其中T1、T2 、T3與CK的相對(duì)產(chǎn)量都有顯著性差異，T1、T2和T3對(duì)CK增產(chǎn)率分別為20.07%、24.28%和27.94%。結(jié)果表明，微生物炭基土壤調(diào)理劑能夠增加收獲期的株高，明顯增加相對(duì)產(chǎn)量。

2.5 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)收獲期水稻鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由表4可知，水稻莖稈鎘含量的大小順序?yàn)镃K＞T1＞T2＞T3，CK鎘含量最大，為1.05 mg/kg，T3鎘含量最小，為0.85 mg/kg，T1、T2、T3莖稈的鎘含量分別比CK降低了12.62%、13.57%、24.05%。水稻籽粒鎘含量的大小順序?yàn)镃K＞T1＞T2＞T3，CK最大，為0.52 mg/kg，T3最小，為0.20 mg/kg。T1、T2、T3與CK籽粒的鎘含量都有顯著性差異，分別比CK降低了50.00%、61.54%、64.29%。土壤到莖稈的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大小的排序?yàn)镃K＞T1＞T2＞T3，但各處理間沒(méi)有顯著性差異。莖稈到籽粒的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大小的順序?yàn)镃K＞T1＞T2=T3，T1、T2、T3比CK的莖稈到籽粒的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均有顯著降低，分別降低了50.00%、53.80%、61.50%，T1、T2、T3與CK的莖稈到籽粒的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都有顯著性差異。結(jié)果表明，微生物炭基土壤調(diào)理劑能夠降低籽粒的鎘含量和莖稈到籽粒的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。

3 討論

3.1 微生物炭基土壤調(diào)理劑能夠增強(qiáng)水稻的抗逆生理能力

水稻抗逆生理能力通常用逆境和自然衰老過(guò)程中葉片膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛的含量、抗氧化酶的活性和電導(dǎo)率等表示。過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶與超氧化物歧化酶是植物抗氧化物酶系統(tǒng)中的3種關(guān)鍵酶，可通過(guò)催化植物體組織與細(xì)胞內(nèi)超氧陰離子發(fā)生歧化反應(yīng)，消除自由基對(duì)植物細(xì)胞的氧化傷害，促進(jìn)植物生長(zhǎng)［32］。研究表明，南荻炭具有大量孔隙結(jié)構(gòu)和活性硅含量，具有較強(qiáng)的吸附性能。硅在水稻植株中主要以無(wú)定形態(tài)的SiO2·nH2O的形式存在［33］。硅通過(guò)減少鎘的吸收和氧化應(yīng)激來(lái)減輕植株中鎘的毒性，施用硅肥能促進(jìn)水稻地上部的生長(zhǎng)發(fā)育［34］。活躍在根系周圍的細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌能促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，提高植物抵抗干旱逆境脅迫的能力［12］。本研究結(jié)果表明，使用微生物炭基土壤調(diào)理劑后，植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛的含量減少了，在一定程度上提高了過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶的活性。這說(shuō)明，微生物炭基土壤調(diào)理劑可有效提高水稻抗逆生理能力。

表4 微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)收獲期水稻鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Tab. 4 Effects of microbial and biochar soil conditioners on cadmium uptake and translocation at harvest in rice

3.2 微生物炭基土壤調(diào)理劑能夠提高水稻的根系活力和細(xì)菌多樣性

本研究結(jié)果表明，微生物炭基土壤調(diào)理劑具有提高水稻根系活力的能力，這與前人的研究結(jié)果相似［17］。本研究結(jié)果還表明，施加微生物炭基土壤調(diào)理劑后提高了總體根系細(xì)菌種類的多樣性和分布的均勻程度。這和Graber等［35］的研究結(jié)果一致，可能是由于生物炭的多孔性，細(xì)菌在土壤中生長(zhǎng)及繁殖有了更多的空間，因而增加了細(xì)菌的數(shù)量。而根系中真菌OUTs豐度、物種豐度及均勻度總體來(lái)說(shuō)減少，說(shuō)明施加微生物炭基土壤調(diào)理劑會(huì)降低根際土壤真菌種類的多樣性和分布的均勻程度。這些研究結(jié)果與Van Zwieten等［26］的研究結(jié)果一致。水稻根系細(xì)菌的豐度提高說(shuō)明微生物炭基土壤調(diào)理劑對(duì)根系細(xì)菌的增殖有促進(jìn)作用，能使得細(xì)菌與真菌的比值增加，因此細(xì)菌型土壤被普遍認(rèn)為是土壤肥力提高的標(biāo)志［36］。微生物炭基土壤調(diào)理劑也可能使稻田土壤向“細(xì)菌型”土壤轉(zhuǎn)變，這有待進(jìn)一步證實(shí)。

3.3 微生物炭基土壤調(diào)理劑能夠提高抽穗期水稻的光合作用能力、增加收獲期的株高和相對(duì)產(chǎn)量

生物炭能提高作物的肥料利用率。硅肥能使固定磷肥的游離鐵、鋁變得不可溶，從而降低對(duì)磷的固定；溶解的硅酸進(jìn)入土壤黏土礦物的晶格中，能降低土壤對(duì)磷的吸附，從而提高作物的肥料利用率。本研究結(jié)果表明，南荻炭、細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌和活性硅對(duì)水稻的光合作用具有協(xié)同促進(jìn)水稻生長(zhǎng)生理的能力，這與許依等［37］的研究結(jié)果一致。施用微生物炭基土壤調(diào)理劑處理的株高相比對(duì)照的株高有一定程度的提高，這與南荻炭、細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌、活性硅能提高土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素和根系植物激素穩(wěn)態(tài)有直接關(guān)系。此外，施用微生物炭基土壤調(diào)理劑能提高水稻的每盆相對(duì)產(chǎn)量，這與南荻炭與不同類型土壤調(diào)理劑互作施用有緊密聯(lián)系。總之，南荻炭、活性硅和細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌協(xié)同作用形成的微生物炭基土壤調(diào)理劑能夠通過(guò)提高水稻的光合作用能力、增加株高來(lái)提高產(chǎn)量。

3.4 微生物炭基土壤調(diào)理劑能夠降低籽粒鎘含量和莖稈到籽粒的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，提高籽粒品質(zhì)

鎘進(jìn)入水稻籽粒大約分為4個(gè)步驟：①土壤鎘向根表遷移；②根表鎘（主要吸附在根表膠膜鎘）向根內(nèi)移動(dòng)；③鎘從根表運(yùn)輸進(jìn)入根內(nèi)；④根中鎘向地上水稻各部分輸送、分配和積累。南荻炭和其他生物炭一樣，具有沉淀和吸附鎘離子的能力，阻控步驟①［38］。同時(shí)南荻炭的孔隙結(jié)構(gòu)可為微生物提供棲息地。細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌對(duì)鎘的阻控主要有胞外吸附與胞內(nèi)積累，阻控步驟①和②。堿性生物炭能使土壤溶液中的堿性基團(tuán)如硅酸根離子、磷酸根離子和碳酸根離子等與重金屬形成難溶性化合物［39］。活性硅可以減輕許多植物的鎘毒害，通過(guò)形成硅鎘復(fù)合物或抑制水稻鎘吸收和遷移的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)來(lái)降低鎘的積累，主要能阻控步驟②和③，也阻控步驟①和④［40］。本研究中添加了南荻炭的T2、T3處理相較CK來(lái)說(shuō)，其莖稈中鎘含量降低，籽粒中鎘含量均顯著降低，且添加了微生物炭基土壤調(diào)理劑的T1、T2、T3處理，其土壤向莖稈的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相較于CK均有一定程度的降低。而T1、T2、T3的莖稈向籽粒的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)不僅比CK降低了，同時(shí)與CK的差異具有顯著性。這說(shuō)明莖稈向籽粒的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的降低可能得到更高品質(zhì)的籽粒。因此，我們可以制備基于生物質(zhì)炭的多元復(fù)配技術(shù)新產(chǎn)品微生物炭基土壤調(diào)理劑，并將其與硅、細(xì)胞分裂素生產(chǎn)菌劑共同施用來(lái)進(jìn)一步提高土壤酸緩沖容量，通過(guò)多重協(xié)同效應(yīng)和互補(bǔ)效應(yīng)來(lái)阻控土壤鎘進(jìn)入水稻，減少籽粒鎘的積累。其準(zhǔn)確的水稻鎘阻控機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究。