菌糠生物炭對污灌區(qū)土壤Cu形態(tài)及甜菜生理特性的影響

張國勝，閆 夢，程紅艷，張海波，王効挙，常建寧，黃 菲，何小芳，蘇 龍，高健永

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學 城鄉(xiāng)建設學院，山西 太谷 030801; 3.日本埼玉環(huán)境科學國際中心，日本 埼玉347-0115)

Cu是植物正常生長所必須的8種微量元素之一，直接或間接參與植物的各項生命活動[1]。Cu同時也是一種重金屬，廣泛應用于化工及制造業(yè)。含Cu廢水的不合理排放[2]，易造成土壤Cu含量超標。Cu脅迫下植物生長代謝紊亂，具體表現(xiàn)為植株生長緩慢、葉片失綠、光合和呼吸作用紊亂[3]。植物根部吸收土壤中的Cu后，經(jīng)過食物鏈的富集作用，進而對人體健康產(chǎn)生危害。

生物炭通常是指生物質(zhì)在完全或部分限氧的條件下，經(jīng)過高溫(<700 ℃)熱解產(chǎn)生的富含碳素的多孔性材料[4]。生物炭還具有穩(wěn)定、難溶[5]、表面積巨大、芳香性高、陽離子交換量大、含氧官能團豐富等獨特的表面化學性質(zhì)[6]。研究表明[4,7-9]，生物炭不僅可改善土壤理化性質(zhì)，也對土壤重金屬有良好的吸附鈍化能力，且因生物炭來源廣泛、成本低廉、環(huán)境友好而廣受科研人員的青睞。

菌糠通常是指生產(chǎn)食用菌后剩下的培養(yǎng)產(chǎn)物。我國是食用菌生產(chǎn)和消費大國，2017年食用菌總產(chǎn)量3 712萬t，據(jù)估算，每年將產(chǎn)生菌糠約6 000萬t[10]。菌糠中含有大量的半纖維素、纖維素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)元素，具有較大的利用空間[11]。傳統(tǒng)上，菌糠除少數(shù)用作肥料和飼料外，大部分被廢棄[12]，不僅浪費資源，也造成了環(huán)境污染。近年來，隨著食用菌產(chǎn)業(yè)的升級壯大，菌糠的資源化利用以及如何有效處理廢棄菌糠成了亟需解決的問題[13]。劉冉等[14]利用黑木耳菌糠堆肥發(fā)酵制備有機肥，結(jié)果表明，菌糠有機肥可顯著提高土壤的肥力水平，對小白菜的生長有顯著的促進作用。黃菲等[15]以炭基有機肥配施菌糠木醋液，研究其對土壤中Cu形態(tài)的轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明，配施菌糠木醋液可有效降低土壤中可交換態(tài)Cu的含量。LIU等[16]對比菌糠與堆肥菌糠對水溶液中鉛離子的影響，發(fā)現(xiàn)堆肥處理可提高菌糠去除鉛離子的能力及去除速率。當前，以菌糠作為吸附劑和肥料的研究已有報道，而以菌糠制備生物炭作為環(huán)境修復材料的研究卻鮮有報道。

因此，本研究以廢棄猴頭菇菌糠為原料制備生物炭，通過溫室盆栽試驗，首先研究不同用量菌糠生物炭對污灌區(qū)Cu污染土壤理化性質(zhì)、Cu形態(tài)和甜菜生理特性及銅吸收的影響，進而探討菌糠生物炭修復土壤重金屬污染的可行性，為菌糠的綠色發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年3月在山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境實驗站溫室大棚中進行。供試甜菜由太谷縣巨鑫實驗基地提供。

供試土壤采自山西省晉中市祁縣某污灌區(qū)大田。土壤類型為石灰性褐土，土壤基本性質(zhì)：pH值7.89、有機質(zhì)含量19.64 g/kg、堿解氮含量86.43 mg/kg、速效磷含量141.68 mg/kg、速效鉀含量267.56 mg/kg、全Cu含量427.88 mg/kg(超過了國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標準400 mg/kg)。

供試生物炭的制備：新鮮猴頭菇菌糠原料由山西農(nóng)業(yè)大學食用菌中心提供。將新鮮菌糠風干后去除雜物，經(jīng)高速粉碎機粉碎后過0.5 mm篩，60 ℃烘干后，保存?zhèn)溆?。烘干后的菌糠在氮氣保護下通過馬弗爐，并以15 ℃/min的速率升溫至500 ℃后保持2 h，自然冷卻后取出，研磨過0.149 mm篩后，保存?zhèn)溆?。制備的生物炭：pH值8.95、全氮含量11.41 g/kg、全磷含量10.50 g/kg、全鉀含量10.65 g/kg。

1.2 試驗設計

本試驗采用完全隨機區(qū)組設計，設置4個處理，生物炭施用量為風干土質(zhì)量的0%、0.5%、1.0%、2.0%，每個處理重復3次，共12盆。每盆裝入風干過篩后的土壤2.5 kg，每盆中植入3株長勢相同的甜菜幼苗。在試驗進行期間，每天傍晚每盆澆水200 mL，定期處理雜草，天氣炎熱時酌情增加澆水量，并及時通風散熱，以保持甜菜的正常生長。待甜菜生長8周后收獲，收獲后植株分為地上部分和根系部分，分別用自來水和蒸餾水沖洗，以吸水紙擦干后測株高和鮮質(zhì)量，再經(jīng)105 ℃殺青、60 ℃烘干，置于自封袋中密封待測。以土鉆取0～20 cm土樣，風干后過2 mm篩，置于自封袋中保存待測，同時以瑪瑙研缽研磨過0.149 mm篩土樣。各處理編號設置：CK、0.5%H、1.0%H、2.0%H，分別加入生物炭 0、12.5、25.0、50.0 g/盆。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測定 土壤pH值采用玻璃電極法測定(水土質(zhì)量比10∶1)；有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測定；速效磷含量用0.5 mol/NaHCO3浸提-鉬藍比色法測定；堿解氮含量用堿解擴散法測定；速效鉀含量用NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

1.3.2 土壤酶活性的測定 堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定；蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；脲酶活性用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定。

1.3.3 土壤重金屬含量的測定 土壤重金屬含量采用HNO3-HF-HClO4三酸法消解，原子吸收光譜儀測定。重金屬形態(tài)(弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài))分析采用BCR提取法測定[17]。甜菜樣品重金屬含量用HNO3-HC1O4混合酸法消解，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測定。

1.3.4 甜菜生理生化指標的測定 葉綠素含量用丙酮-乙醇混合液(V1∶V2=80%∶20%)提取、分光光度法測定；株高及鮮質(zhì)量分別用卷尺和電子天平測定。

1.3.5 抗氧化指標的測定 超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮藍四唑法測定；過氧化物酶(POD)活性用愈創(chuàng)木酚法測定；過氧化氫酶(CAT)活性用紫外吸收法測定；丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸-分光光度法測定。

據(jù)調(diào)查，農(nóng)村幼兒園兩教一保、兩教兩保的比例合計僅為5.46%，師幼比1∶10以下幼兒園也僅為3.64%，具有事業(yè)編制的教師比例為1.82%，持有教師資格證者為36.36%，小學高級職稱和一級職稱教師占比都是0.00%?？梢?，農(nóng)村幼兒教師不僅數(shù)量缺口巨大，而且優(yōu)質(zhì)教師資源缺乏嚴重。

1.3.6 計算公式 富集系數(shù)(BCF)∶BCF=Cr/Cs,轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)∶TF=Cf/Cs(Cr代表甜菜根中銅含量，Cs代表土壤中銅含量，Cf代表甜菜地上部分銅含量)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2016繪制數(shù)據(jù)表格，使用SPSS 21.0進行方差分析、差異顯著性分析，采用軟件Origin 9.0進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對污灌區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，隨著生物炭的施用，土壤pH值均有不同程度的增加。與CK相比，0.5%H和1.0% H處理pH值增加不顯著，2.0%H處理下pH值增加了0.22，增加顯著。與CK相比，0.5%H、1.0%H、2.0%H處理的有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均顯著增加。有機質(zhì)含量分別增加4.3%、15.6%、28.7%，堿解氮含量分別增加3.3%、7.5%、17.1%，速效磷含量分別增加9.5%、25.4%、45.8%。施用生物炭后土壤速效鉀的含量增長最為明顯，增幅分別為45.6%、75.7%、174.1%，增幅均值為98.5%。

表1 不同處理對污灌區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 不同處理對污灌區(qū)土壤酶活性的影響

由表2可知，與CK相比，生物炭的施用可以在一定程度上提高過氧化氫酶、脲酶的活性，但處理之間差異均不顯著，在2.0%H處理時兩者分別增加了1.5%、6.9%。施用生物炭后，甜菜中堿性磷酸酶、蔗糖酶活性均有不同程度的增加，2.0%H處理下增幅最顯著，與CK相比，兩者分別增加了16.0%、24.3%，而在0.5%H和1.0%H處理下兩者增幅均不顯著。

表2 不同處理對污灌區(qū)土壤酶活性的影響

2.3 不同處理對污灌區(qū)土壤Cu形態(tài)的影響

由圖1可知，CK中Cu的形態(tài)主要由可還原態(tài)(占比37.3%)和殘渣態(tài)(占比45.1%)組成。施入生物炭后，Cu的各形態(tài)均發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)化，其中以可還原態(tài)和殘渣態(tài)的變化為主導，可還原態(tài)的占比減少，分別由37.3%降低至32.5%、30.2%、24.9%；殘渣態(tài)的占比增加，分別由45.1%增加至49.7%、52.9%、57.5%。

圖1 不同處理對土壤中Cu形態(tài)占比的影響

由表3可知，與CK相比，當施用生物炭量到2.0%時，各形態(tài)Cu含量的變化均顯著，弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)Cu含量分別由49.81、161.96 mg/kg下降至35.77、105.97 mg/kg，降幅分別為28.2%、34.6%；可氧化態(tài)、殘渣態(tài)Cu含量分別由26.61、196.21增加至39.44、244.94 mg/kg，增幅分別為48.2%、24.8%。

表3 不同處理污灌區(qū)土壤Cu形態(tài)及含量

2.4 不同處理對甜菜生長狀況的影響

由表4可知，隨著生物炭施用量的增加，甜菜株高、鮮質(zhì)量和葉綠素含量呈先增加后減小的趨勢，且1.0%H處理增幅最大。在1.0%H和2.0%H處理下，甜菜的株高和鮮質(zhì)量相比CK顯著增加，分別增加23.4%、27.4%和15.37%、21.0%，且兩處理間株高和鮮質(zhì)量差異不顯著，而0.5%H處理與CK之間無明顯差異。與CK相比，不同處理下葉綠素含量均有不同程度增加，其中，在1.0%H處理時葉綠素含量最大，較CK顯著增加71.4%。

2.5 不同處理對甜菜抗氧化指標的影響

由表5可知，施入不同用量的生物炭后，甜菜中的SOD、POD、CAT活性均顯著降低，并且隨著施用量的增加逐漸降低。與CK比較，2.0%H處理降低幅度最大，植株中的SOD、POD、CAT活性分別降低了48.1%、54.3%、41.9%。與CK處理相比，不同生物炭處理的MDA含量均顯著下降，分別下降了15.7%、29.7%、37.3%，各處理之間差異顯著。

表5 不同處理對甜菜抗氧化指標的影響

2.6 不同處理對甜菜Cu吸收的影響

由圖2可知，施用生物炭的處理均可顯著降低甜菜地上部分和根系中Cu含量，表現(xiàn)為隨著施用量的增加降幅越大。與CK相比，2.0%H處理甜菜地上部分和根系中Cu含量由27.75、50.45 mg/kg到14.75、19.92 mg/kg，降幅分別為46.9%、60.5%。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.7 不同處理對甜菜根系BCF、TF值的影響

由表6可知，不同生物炭處理下，甜菜根系BCF值均呈下降趨勢，與CK相比，0.5%H處理下降不顯著，1.0%H處理和2.0%H處理下降顯著，分別下降了7.6%、34.7%、60.2%。隨著生物炭的施用，TF值表現(xiàn)為先減后增，大小依次為：2.0%H處理> 1.0%H處理>CK>0.5%H處理。與CK相比，0.5%H和2.0%H處理的TF值分別降低和增加了8.5%、37.5%。

表6 不同處理對甜菜根系BCF、TF值的影響

3 結(jié)論與討論

原料和制備工藝的不同，使制得的生物炭的種類繁多，性質(zhì)上也有一定的差異。與多數(shù)研究中一樣，本研究所施加的猴頭菇菌糠生物炭的pH值也呈堿性(pH值為8.95)，可能是因為在菌糠的熱解過程中，酸性官能團裂解成為灰分，同時碳酸鹽和無機堿鹽的相對含量隨著熱解溫度升高而不斷累積，使制得的生物炭pH值升高[18]。一些研究顯示，生物炭可以提高土壤pH值，降低土壤酸化問題。本研究中，施用0.5%、1.0%的菌糠生物炭對土壤pH值影響不顯著，這可能與土壤本身呈堿性(pH值為7.89)有關(guān)[8]。

生物炭具有疏松多孔狀的性質(zhì)，施入土壤后土壤孔隙狀況得到了改善，促進了土壤有機質(zhì)的分解和釋放，同時生物炭中含有大量不易分解的有機碳，也可增加土壤有機質(zhì)的含量。以猴頭菇為原料的生物炭中還含有各種有機、無機形式的氮素，可以提高土壤氮素養(yǎng)分的供應。張沙沙等[19]認為，生物炭促進了土壤磷的活化，使閉蓄態(tài)磷轉(zhuǎn)化為活化態(tài)。也有研究認為，因陽離子橋鍵間接的作用[20]，土壤中的磷被生物炭吸附。徐艷[21]發(fā)現(xiàn)，當與施用5%生物炭相比，生物炭施用量較高時(10%)土壤速效磷含量有略微的下降。本研究中，添加生物炭后土壤速效磷、鉀含量呈顯著升高，可能是因為未施入較多的生物炭。同時以菌糠制備的生物炭中含有豐富的磷素、鉀素[22](全磷含量10.50 g/kg，全鉀含量10.65 g/kg)，施入后可顯著提升速效磷、速效鉀養(yǎng)分的供應。

土壤酶活性與土壤微生物密切相關(guān)。本研究中，施用較低量(0.5%)生物炭對4種土壤酶活性均無顯著影響。當施用量增至2.0%時，堿性磷酸酶、蔗糖酶的活性有顯著提升。李佩[23]研究顯示，單施用菌糠可以顯著增加土壤酶活性，而施用菌糠生物炭時，土壤酶的活性增加不顯著，這與本研究的結(jié)果類似。生物炭對土壤酶的影響較為復雜，一方面可以促進土壤酶活性提高，可能是因為生物炭可以吸附土壤中的反應底物，促進酶促反應進行[24]。另一方面又會對酶促反應有抑制，可能是因為生物炭可以吸附土壤中的酶分子，對酶促反應結(jié)合位點形成保護[25]。

土壤重金屬含量可以用來直觀地評價土壤受重金屬污染的程度，而不能用來反映重金屬的生物有效性。因此，本研究使用BCR提取法研究土壤Cu的形態(tài)變化。弱酸提取態(tài)Cu移動性強，可直接被植株根系吸收，在一定條件下，可還原態(tài)、可氧化態(tài)Cu可轉(zhuǎn)換為弱酸提取態(tài)。而殘渣態(tài)Cu最為穩(wěn)定，通常不被植株吸收[15]。本研究中菌糠生物炭顯著提高了植物難利用的殘渣態(tài)Cu占比。諸多研究表明，一方面，生物炭通過提高土壤pH值來影響Cu的有效性[26]，另一方面，生物炭中含有豐富的含氧官能團[27]，能與Cu離子發(fā)生絡合或鰲合反應[28]。同時，生物炭有較高的比表面積，對Cu離子也有一定的吸附作用。

已有多數(shù)研究表明，適當?shù)氖┯蒙锾靠梢愿纳仆寥览砘再|(zhì)，對植物的生長有促進作用[29-31]。本研究中，添加1%的菌糠生物炭顯著增加了甜菜的株高、鮮質(zhì)量。當施用量升至2.0%時，促進效果減弱，促進效果表現(xiàn)為1.0%H>2.0%H>0.5%H，葉綠素含量也表現(xiàn)為相同的促進效果。生物炭對作物生長及產(chǎn)量的影響，因生物炭自身性質(zhì)的差異、施用量的多少和配施方式的不同、供試作物的生物學性質(zhì)、脅迫類型[32]、供試土壤的水肥條件以及土壤的類型不同而有一定的差異。郭茹等[33]通過蚯蚓糞配施生物炭，發(fā)現(xiàn)在施用8.0%的蚯蚓糞處理上，施用7.2%的小麥秸稈生物炭顯著增加了生菜生物量，而在4.0%蚯蚓糞處理中，則表現(xiàn)為隨著生物炭施用量的增加(2.4%、4.8%、7.2%)生菜生物量顯著減少。更高量生物炭的施用，修復土壤重金屬污染的效果可能會更佳。但過量的生物炭可能會對甜菜產(chǎn)生毒害作用，導致質(zhì)量和產(chǎn)量降低。陳芳等[34]認為，在土壤中施用過量的生物炭，使得吸附能力過強，養(yǎng)分固定和釋放不協(xié)調(diào)，導致有效態(tài)養(yǎng)分降低，不利于作物的生長。平森文等[35]結(jié)合施用效果認為，施用生物炭量應控制在5%以內(nèi)，以3%施用量為宜。

重金屬脅迫條件下，植物會通過提升抗氧化酶活性來增強對逆境的抵抗力[36]。本研究中，CK甜菜在高含量的Cu脅迫下，吸收了過量的Cu而發(fā)生細胞質(zhì)膜損傷，SOD、PDO活性都在較高水平，且顯著高于其他處理。這是因為在Cu脅迫下，甜菜體內(nèi)含氧自由基含量增多，為抵御體內(nèi)含氧自由基的產(chǎn)生，植物體內(nèi)的抗氧化酶活性增強。MDA含量可以體現(xiàn)植物在不利條件下的損傷程度[37]，是細胞膜脂質(zhì)過氧化程度的反映[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的增多，甜菜細胞內(nèi)抗氧化酶活性和MDA含量不斷降低，說明甜菜質(zhì)膜損傷程度不斷降低。生物炭可以使土壤Cu的生物有效性降低，甜菜根系Cu吸收的含量也相應降低，質(zhì)膜的損傷程度降低，從而使相應的抗氧化酶活性和MDA含量也降低。BCF和TF值可以更直觀看出甜菜根部吸收和轉(zhuǎn)移銅的能力[39-44]。本研究中甜菜根BCF值不斷降低，表明隨著生物炭的施用,甜菜對Cu的富集不斷降低，各處理的TF值均小于1，說明甜菜中的Cu主要富集在根系，這與甜菜根的生理特性有關(guān)。

總的來說，菌糠生物炭的施用可以提升土壤有機質(zhì)和速效磷、鉀的含量，整體上促進土壤酶活性提升，減輕甜菜重金屬脅迫，促進甜菜的生長，同時可以促進Cu向殘渣態(tài)的轉(zhuǎn)化，施入土壤后對甜菜的種植和修復土壤重金屬Cu污染有一定的積極作用。結(jié)合甜菜生長狀況及重金屬去除效果，施用2.0%的猴頭菇菌糠生物炭能達到理想的效果。