菌糠與生物炭配施對(duì)玉米生理特性及Cu累積的影響

郝千萍，李丹洋，楊雄杰，王効挙，程紅艷*，常建寧,黃菲

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.日本埼玉縣環(huán)境科學(xué)國(guó)際中心，日本 埼玉 347-0115)

菌糠又叫菌渣，是指以棉籽殼、鋸木屑、稻草、玉米芯、甘蔗渣及多種農(nóng)作物秸稈、工業(yè)廢料(如酒糟、醋糟、造紙廠廢液及制藥廠黃漿廢液等)為主要原料栽培食用菌后的廢棄培養(yǎng)基[1]，目前使用最多的是玉米芯和棉籽殼。近年來(lái)，隨著我國(guó)食用菌生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，菌糠數(shù)量也在逐漸增多，菌糠的利用也越來(lái)越受到重視。據(jù)報(bào)道，我國(guó)食用菌生產(chǎn)量位居世界前列，年產(chǎn)量在 400萬(wàn)噸以上，年產(chǎn)菌糠量不少于300萬(wàn)噸[2]。隨意丟棄或燃燒菌糠，不僅不利于資源的循環(huán)利用，而且會(huì)造成環(huán)境污染。因此，將菌糠作為有機(jī)肥料改良土壤成為菌糠再利用的一大方向。

生物炭(Biochar)是一種由農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)材料、禽畜糞便等有機(jī)物在有限供氧的密閉環(huán)境中經(jīng)熱解(通常小于 700 ℃)碳化所產(chǎn)生的一類富含碳素、性質(zhì)穩(wěn)定、具有不同程度芳香化的固態(tài)物質(zhì)[3]。農(nóng)業(yè)是生物炭應(yīng)用最廣泛和較成熟的領(lǐng)域。由于中國(guó)是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國(guó)家，年排放量達(dá)到40多億噸[4]，合理利用各類農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭有利于控制農(nóng)業(yè)環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，解決廢棄生物質(zhì)棄置、焚燒、隨意排放的環(huán)境問(wèn)題；不僅如此，以各類農(nóng)業(yè)廢棄物為前體制備的生物炭在修復(fù)農(nóng)業(yè)土壤重金屬和有機(jī)物污染方而表現(xiàn)出重要潛力[5]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生物炭對(duì)重金屬的修復(fù)成果很多，但是菌糠及菌糠生物炭配施對(duì)石灰性污染土壤中的重金屬修復(fù)效果研究甚少。藏婷婷等[6]將黑木耳菌糠作為吸附劑，考察其對(duì)廢水中Cu2+的吸附效果，結(jié)果顯示，黑木耳菌糠極其容易吸附水中的Cu2+，并且菌糠表面的羥基、氨基、羧基等能有效與Cu2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，最高吸附率達(dá)80.51%。這充分說(shuō)明黑木耳菌糠可以作為廉價(jià)的吸附劑。Xu等[7]研究了添加農(nóng)作物秸稈炭對(duì)中國(guó)南方3種可變電荷土壤中Cu(II)、Pb(II)和Cd(II)的吸附性能，結(jié)果表明，花生秸稈炭比油菜秸稈炭具有更好的吸附能力。本試驗(yàn)將生物炭與菌糠結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)這兩種改良劑對(duì)石灰性污染土壤在玉米生理特性、重金屬富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)等方面的結(jié)果進(jìn)行分析，為改良、修復(fù)土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年6月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)站內(nèi)的日光溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。石灰性污染土壤采集于山西省祁縣某污灌區(qū)農(nóng)田，土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試菌糠為腐熟的杏鮑菇菌糠，有機(jī)質(zhì)201 g·kg-1，全氮12.6 g·kg-1，全磷12.1 g·kg-1，全鉀13.2 g·kg-1。供試生物炭為玉米秸稈生物炭，有機(jī)質(zhì)424 g·kg-1，全氮8.54 g·kg-1，全磷3.28 g·kg-1，全鉀24.9 g·kg-1。供試作物為玉米，品種為晉單78，生育期為124 d。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the tested soil

1.2 試驗(yàn)方法

采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共8個(gè)處理，3個(gè)平行，一共24盆，包括生物炭單獨(dú)施入、菌糠單獨(dú)施入、生物炭與菌糠配施，具體用量見(jiàn)表2。將從大田采集回的污染土過(guò)篩，剔除作物殘茬、石塊、砂礫等雜質(zhì)后，稱土10 kg，與固定質(zhì)量生物炭、不同質(zhì)量梯度菌糠混勻后裝盆。試驗(yàn)盆直徑 25 cm，高 40 cm，盆底平鋪一層大小均勻的石子，側(cè)面插入45 cm長(zhǎng)PVC管，深入至底部石子處，將一層紗布傾斜放置于PVC管的底部，靠近土壤一側(cè)，防止土壤進(jìn)入PVC管中。澆水時(shí)通過(guò)PVC管，使水分由下至上滲透。裝盆之后，每盆澆水1 L，使土壤保持適當(dāng)濕度，每盆播種6粒種子，幼苗期間苗，每盆保留3株。盆栽試驗(yàn)期間定期澆水、人工清除雜草及害蟲(chóng)。在幼苗期和成熟期采集、清洗、烘干、粉碎玉米植株，用20 cm土鉆采集表層0～20 cm土壤，挑出根、石礫等雜物，風(fēng)干，四分法取樣，用瑪瑙研缽研磨過(guò)100目篩用于測(cè)量土壤重金屬含量。

表2 試驗(yàn)處理/gTabel 2 Test Treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

葉綠素含量采用丙酮提取法測(cè)定；丙二醛含量采用Fryer等[8]的方法測(cè)定；過(guò)氧化氫酶含量采用Cakmak等[9]的方法測(cè)定；植物各部位全量銅，濃硝酸溶解，ICP-AES法測(cè)定；土壤全量銅，氫氟酸-高氯酸-硝酸消解法，ICP-AES法測(cè)定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測(cè)定數(shù)據(jù)時(shí)采用DPS 7.0軟件進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌糠與生物炭不同處理對(duì)成熟期玉米株高的影響

由表3可知，菌糠與生物炭這兩種改良劑對(duì)玉米的生長(zhǎng)都有促進(jìn)作用，幼苗期和成熟期玉米株高均高于對(duì)照。在幼苗期，單施處理中，生物炭和菌糠施用量同等時(shí)，菌糠處理對(duì)玉米生長(zhǎng)效果好。單施菌糠處理與配施處理中，隨著菌糠用量的增加，玉米生長(zhǎng)效果俞好。對(duì)于等量菌糠處理來(lái)說(shuō)，添加生物炭的處理比不添加生物炭的處理玉米生長(zhǎng)效果好，且添加生物炭的處理與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05，下同)。CJ300處理玉米植株最高長(zhǎng)度高出對(duì)照26.7%，其次為J300處理。在成熟期，玉米株高的變化趨勢(shì)與幼苗期類似。單施處理中，生物炭和菌糠施用量同等時(shí)，生物炭處理對(duì)玉米生長(zhǎng)效果好。除J100處理外，其余處理均與對(duì)照差異顯著。CJ300處理玉米生長(zhǎng)效果最好，高出對(duì)照30.14%。

表3 菌糠與生物炭不同處理中成熟期玉米株高/cmTable 3 Mature plant corn plant height in different treatments of fungus chaff and biochar

注：不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
Note:Different letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05).The same blow.

2.2 菌糠與生物炭不同處理對(duì)玉米葉片葉綠素總量的影響

由表4可知，在整個(gè)生育期內(nèi)，施加生物炭與菌糠均增加了玉米葉片的葉綠素含量，均高于對(duì)照。在幼苗期，單施菌糠處理葉綠素含量高于單施生物炭處理，且隨著菌糠用量的增加，葉綠素含量程遞增趨勢(shì)。配施處理葉綠素含量均大于單施處理，顯著高于對(duì)照，隨著菌糠用量的增加葉綠素含量逐漸升高。CJ300處理葉綠素含量達(dá)到最高，較對(duì)照增加了71.16%，其次是CJ200處理，較對(duì)照增加了66.45%，但CJ200與CJ300處理間不顯著。在成熟期，各處理間不顯著，變化趨勢(shì)類似于幼苗期，CJ300處理葉綠素含量最高，其次是CJ200處理，配施處理葉綠素含量高于單施處理，但在單施處理中施量各為100 g情況下，菌糠效果好于生物炭。隨著玉米的生長(zhǎng)，成熟期的葉綠素含量低于幼苗期。

表4 菌糠與生物炭不同處理中玉米葉片葉綠素總量/mg·g-1Table 4 Total chlorophyll content of corn leaves in different treatments of fungus chaff and biochar

2.3 菌糠與生物炭不同處理對(duì)玉米葉片MDA含量的影響

由表5可知，整個(gè)生育期內(nèi)，各處理MDA含量均小于對(duì)照。在幼苗期，對(duì)照與其他處理差異顯著，單施菌糠MDA含量小于等于單施生物炭。在菌糠施入量相同的情況下，添加生物炭處理的MDA含量均高于不添加生物炭處理。且無(wú)論單施與配施，隨著菌糠用量的增加，MDA含量逐漸降低。MDA含量最低的處理為J300，較對(duì)照降低了57%。在成熟期，除對(duì)照外單施生物炭MDA含量最高，最低為CJ300處理，較對(duì)照降低了62%。在菌糠施入量等同的情況下，添加生物炭處理MDA含量低于不添加生物炭處理。且隨著菌糠用量的增加，MDA含量逐漸降低。配施處理間差異不顯著。成熟期玉米葉片MDA含量高于幼苗期。

表5 菌糠與生物炭不同處理中玉米葉片MDA含量/umol·g-1FwTable 5 MDA content of corn leaves in different treatments of fungus chaff and biochar

2.4 菌糠與生物炭不同處理對(duì)玉米葉片過(guò)氧化氫酶活性的影響

由表6可知，在整個(gè)生育期內(nèi)，除了幼苗期的CJ100處理，其余處理過(guò)氧化氫酶活性均高于對(duì)照。在幼苗期，J100處理過(guò)氧化氫酶活性高于C處理。無(wú)論單施與配施，隨著菌糠用量的增加，過(guò)氧化氫酶活性逐漸提高。但菌糠施入量相同的情況下，添加生物炭的處理過(guò)氧化氫酶活性低于不添加生物炭的處理。過(guò)氧化氫酶活性最高的為J300處理，較對(duì)照高出63%，其次為CJ300處理，兩處理間差異顯著。在成熟期，除CJ100外，其余處理中玉米葉片CAT活性均顯著差異于對(duì)照組，且變化趨勢(shì)類似于幼苗期。過(guò)氧化氫酶活性最高的為J300處理，高出對(duì)照164%，其次為J200處理。成熟期玉米葉片過(guò)氧化氫酶活性小于幼苗期。

2.5 菌糠與生物炭不同處理下成熟期玉米中重金屬Cu的累積

2.5.1 菌糠與生物炭不同處理下成熟期玉米各部位及土壤中重金屬含量

由表7可知，植物的根部是整株植物中Cu含量最高的部位，由高到低依次為根>葉>果實(shí)>莖。根部Cu含量各處理均低于對(duì)照，施用100 g生物炭處理時(shí)含量最低，較對(duì)照低42.8%，其次為CJ100的處理。隨著菌糠用量的增加，Cu含量逐漸增加。在等量菌糠下，配施生物炭的Cu含量比未配施生物炭的含量低，但均高于單施生物炭的含量；莖部Cu含量各處理均低于對(duì)照，含量最低的為CJ300處理，較對(duì)照組降低了48.4%，差異顯著；葉部Cu含量各處理均低于對(duì)照，最低處理為CJ300，較對(duì)照降低了42.6%，差異顯著。在單施用生物炭與單施等量菌糠兩處理中，菌糠處理下Cu含量低于生物炭處理，但差異不顯著。無(wú)論單施與配施，隨著菌糠用量的增加，Cu含量逐漸降低。等量菌糠施加條件下，添加生物炭的處理Cu含量低于未添加生物炭處理；果實(shí)部位Cu含量均低于對(duì)照，變化趨勢(shì)類似于葉部。Cu含量最低處理為CJ300，較對(duì)照降低了43.5%，其次為CJ200處理；土壤中Cu含量各處理均低于對(duì)照，最低為J300處理488.57 mg·kg-1，其次為CJ300處理，兩處理間差異不顯著。等量菌糠施入下，配施生物炭的處理銅含量小于等于未配施生物炭。

表6 菌糠與生物炭不同處理中玉米葉片過(guò)氧化氫酶活/mg·g FW·min-1Table 6 Catalase activity of maize leaves in different treatments of fungus chaff and biochar

表7 菌糠與生物炭不同處理下成熟期玉米各部位及土壤中重金屬銅含量/mg·kg-1Table 7 Heavy metal content in various parts of maize and soil in different stages of different treatments of fungus chaff and biochar

2.5.2 菌糠與生物炭不同處理下成熟期玉米對(duì)重金屬Cu的富集及轉(zhuǎn)移能力

由表8可知，除了單施的C處理的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于對(duì)照，其余各施肥處理的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于對(duì)照，并且小于1，說(shuō)明菌糠與生物炭的施入降低了植物從土壤中吸收重金屬、從根部向地上部運(yùn)轉(zhuǎn)重金屬離子的能力。富集系數(shù)最小的處理為CJ300，較對(duì)照降低了33.9%，轉(zhuǎn)移系數(shù)最小的處理為CJ300處理，較對(duì)照降低32.7%。在100 g菌糠與100 g生物炭的單施處理中，生物炭處理的富集、轉(zhuǎn)移系數(shù)大于菌糠處理。在100 g和200 g菌糠施入下，添加生物炭處理的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)高于未添加生物炭的單施處理。對(duì)于300 g菌糠施入的處理，添加生物炭可以更好的降低富集及轉(zhuǎn)移系數(shù)。

表8 菌糠與生物炭不同處理下成熟期玉米重金屬Cu的富集及轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 8 Enrichment and transfer coefficient of heavy metal Cu in mature maize under different treatments of fungus chaff and biochar

3 討論

MDA是自由基作用于脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)的最終產(chǎn)物，影響線粒體呼吸鏈的復(fù)合物及線粒體內(nèi)關(guān)鍵酶的活性，引起蛋白質(zhì)、核酸等生命大分子的交聯(lián)聚合，具有細(xì)胞毒性。MDA的含量在一定程度上能反應(yīng)膜脂的過(guò)氧化作用強(qiáng)度及膜損傷程度[16]。重金屬脅迫會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)超氧自由基增多，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)、蛋白質(zhì)、DNA的合成受到阻礙，從而使細(xì)胞分裂進(jìn)程減緩，最終抑制了植物的生長(zhǎng)[17]。本研究表明，在玉米幼苗期與成熟期，菌糠與生物炭單施或配施均能降低MDA含量，減緩植物受到的損傷。這可能是因?yàn)榫肪哂胸S富的營(yíng)養(yǎng)元素，彌補(bǔ)了生物炭在養(yǎng)分方面的缺失，二者的結(jié)合減少了養(yǎng)分的流失，為植物源源不斷的供給所需養(yǎng)分，并且二者均可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成、提高土壤保水保肥性，減緩了植物受到的損傷[18]。玉米成熟期MDA遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幼苗期，這是因?yàn)殡S著玉米的生長(zhǎng)，天氣逐漸炎熱，大棚內(nèi)溫度高于室外，植物在高溫下產(chǎn)生的單線態(tài)氧、過(guò)氧化物自由基、超氧自由基和羥基自由基等活性氧分子，促使膜脂中不飽和脂肪酸過(guò)氧化為丙二醛[19]。幼苗期未添加生物炭的菌糠單施處理對(duì)玉米的減緩損傷效果優(yōu)于生物炭菌糠配施，而成熟期則相反。成熟期以生物炭與最高量菌糠配施效果最為突出。這可能是因?yàn)槌墒炱诖笈飪?nèi)溫度高，植物所受脅迫程度較大，在這種高程度脅迫下，菌糠與生物炭配施相對(duì)有效的緩解了玉米細(xì)胞的膜損傷，表現(xiàn)出了優(yōu)于單施菌糠處理的效果。

CAT酶存在于紅細(xì)胞及某些組織內(nèi)的過(guò)氧化體中，其主要作用是催化H2O2分解為H2O和O2，使H2O2不能與O2在鐵螯合物作用下反應(yīng)生成有害的-OH[20]。本研究中，無(wú)論幼苗期或者成熟期，等量菌糠下，添加生物炭的處理比不添加生物炭的處理CAT活性低，這與王曉維[21]等的研究結(jié)果一致?？赡苁且?yàn)樘砑由锾亢螅寥纏H值上升，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤膠體對(duì)重金屬的吸附增強(qiáng)，從而使得土壤中Cu被鈍化，降低了其生物有效性，從而減緩玉米葉片對(duì)銅離子的吸收，相應(yīng)的減緩銅離子對(duì)玉米葉片質(zhì)膜的損傷，減少葉片中超氧自由基的含量。由于植物的超氧化酶系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔?，使得超氧化物歧化酶活性降低，進(jìn)而減少過(guò)氧化氫的產(chǎn)生，進(jìn)一步導(dǎo)致了CAT活性的降低[22]。成熟期CAT活性小于幼苗期，可能是因?yàn)榈搅擞衩咨L(zhǎng)的后期，大棚內(nèi)溫度升高遠(yuǎn)高于CAT活性的最適溫度，導(dǎo)致酶活性降低。

玉米作為一種富集植物，可以活化土壤中的重金屬，加大可溶性重金屬離子的含量，雖然有污染環(huán)境的危險(xiǎn)性，但有助于重金屬污染的修復(fù)[23]。王騰等[24]研究發(fā)現(xiàn)，施用菌糠肥料后，地下部Cu呈上升趨勢(shì)，地上部Cu呈下降趨勢(shì)，玉米對(duì)Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)在施用菌糠肥料后降低。本研究發(fā)現(xiàn)施用菌糠與生物炭后，地上部與地下部銅含量均成下降趨勢(shì)，這可能與菌糠的添加量、試供土壤的污染程度有關(guān)。生物炭與菌糠配施的處理對(duì)降低玉米各部位重金屬含量的效果較單施來(lái)說(shuō)優(yōu)異，這是因?yàn)榫犯缓袡C(jī)質(zhì)，且有機(jī)質(zhì)具有大量的官能團(tuán)，對(duì)重金屬離子有很強(qiáng)的吸附能力[25]，腐殖質(zhì)分解產(chǎn)生的腐殖酸可與重金屬離子形成絡(luò)合物，固定重金屬，降低重金屬的有效性，減輕對(duì)作物的毒害[26]。生物炭同樣具有吸附重金屬離子的作用，生物炭與菌糠相互作用改善了土壤微生物環(huán)境，提高了C/N，降低了土壤銅離子的有效性，可以更好的修復(fù)植物所受的重金屬污染，且以高量菌糠施入效果最佳。

單施生物炭處理的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于對(duì)照，富集、轉(zhuǎn)移系數(shù)大于單施等量菌糠，說(shuō)明在100 g施入條件下，菌糠對(duì)植物吸收重金屬的修復(fù)效果最佳。這可能是因?yàn)榫穼?duì)土壤的改良效果優(yōu)于生物炭，這與劉領(lǐng)[27]的研究結(jié)果施用雞糞處理對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)改善生理特性效果優(yōu)于生物炭類似。菌糠施用量為100 g及200 g條件下的生物炭配施處理比菌糠單施處理富集及轉(zhuǎn)移系數(shù)高，而300 g菌糠的配施處理富集及轉(zhuǎn)移系數(shù)小，這可能是因?yàn)楦吡康木放c生物炭相互作用才能更好的降低植物對(duì)重金屬的吸收，充分發(fā)揮菌糠與生物炭二者的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)菌糠與生物炭作為土壤改良劑均能提高玉米葉綠素含量，提高玉米CAT酶活性，降低逆境或衰老條件下玉米細(xì)胞膜所受損傷，減少玉米各部位Cu含量，緩解玉米所受的Cu脅迫，促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)。

(2)從菌糠的施用量來(lái)說(shuō)，無(wú)論單施與配施，對(duì)緩解銅污染促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)效果，表現(xiàn)為最高施入量300 g·10 kg-1優(yōu)于低施入量。從施入效果來(lái)看，過(guò)氧化氫酶活性表現(xiàn)為菌糠單施處理優(yōu)于生物炭菌糠配施處理；減緩細(xì)胞膜受損程度表現(xiàn)為幼苗期菌糠單施優(yōu)于生物炭菌糠配施，成熟期相反；對(duì)降低重金屬的吸收能力表現(xiàn)為配施優(yōu)于單施。但對(duì)于二者在土壤中相互作用的原理仍需進(jìn)一步探討。

(3)根據(jù)我國(guó)食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)(GB2762-2012)食品中銅的限量標(biāo)準(zhǔn)，谷物及其制品中Cu的允許濃度是Cu≤10 mg·kg-1，試驗(yàn)中所得的玉米莖葉果實(shí)中的銅含量均超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此不能作為食用作物。但未超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(Cu≤35 mg·kg-1)，因此可以作為飼料或者工業(yè)原料來(lái)進(jìn)行利用。