摘要:為探究煤氣化渣適配平菇菌糠能否作為沙土改良劑改善煤礦區(qū)土壤,分別將按礦區(qū)土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%和40%的煤氣化渣與15%平菇菌糠混合后施入煤礦區(qū)土壤,同時設(shè)置空白對照(CK1,煤礦區(qū)土壤)和單施平菇菌糠的煤礦區(qū)土壤對照(CK2),在土壤休耕狀態(tài)下,每隔6 d測定各處理的土壤酶活性。結(jié)果表明,0、7、14 d時CK2的土壤酶活性均高于CK1;各煤氣化渣處理的土壤酶活性均高于CK2,且30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠處理下的土壤酶活性均處于最高水平,該處理與CK2相比,除過氧化氫酶在處理7 d時未達(dá)到顯著水平外,其他酶活性在任何時段均顯著提升(Plt;0.05)。由此可知,30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠能最大程度地促進(jìn)土壤酶活性。
關(guān)鍵詞:煤氣化渣;平菇菌糠;土壤酶活性;土壤改良;煤礦區(qū)
中圖分類號:S156.2;X752;X71" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:0439-8114(2024)11-0013-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.11.003 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):
The application of coal gasification slag combined with oyster mushroom bran significantly increased soil enzyme activity in coal mine area
CHEN Hua1, MI Shuang1, XIANG Wei-wei1,TIAN Li1,AI Guo2
(1.College of Life Sciences, Yulin University, Yulin" 719000, Shaanxi, China;
2.Shenmu Vocational & Technical College, Shenmu" 719300, Shaanxi, China)
Abstract: In order to explore whether the coal gasification slag combined with oyster mushroom bran can be used as a sand modifier to improve the soil in the coal mine area, the coal gasification slag with a mass fraction of 10%, 20%, 30% and 40% of the soil in the coal mine area was mixed with 15 % mushroom bran and applied to the soil in the coal mine area. At the same time, the blank control (CK1, the coal mine soil) and the coal mine soil with mushroom bran (CK2) were set up. Under the condition of soil fallow state, the soil enzyme activity of each treatment was measured every 7 days. The results showed that the soil enzyme activity of CK2 was higher than that of CK1 at 0, 7 and 14 d. The soil enzyme activity of each coal gasification slag treatment was higher than that of CK2, and the soil enzyme activity under the treatment of 30% coal gasification slag combined with 15% oyster mushroom bran (T3) was at the highest level. Compared with CK2, except that catalase did not reach a significant level at 7 d, other enzyme activities of T3 were significantly increased at any time (P lt; 0.05). In summary, the application of 30% coal gasification slag with 15% oyster mushroom bran could promote soil enzyme activity to the greatest extent.
Key words: coal gasification slag; oyster mushroom bran; soil enzyme activity; soil improvement; coal mine area
陜西省煤炭資源豐富,煤化工產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,導(dǎo)致大量的煤氣化渣產(chǎn)生。煤氣化渣是指煤與O2或富氧空氣下發(fā)生不完全燃燒生成CO與H2的過程中,煤中無機(jī)礦物質(zhì)經(jīng)過不同的物理化學(xué)轉(zhuǎn)變伴隨著煤中殘留的碳顆粒形成的固態(tài)殘?jiān)?,可分為粗渣和?xì)渣兩類,粗渣占60%~80%,細(xì)渣占20%~40%[1]。煤氣化渣年產(chǎn)量巨大,對煤化工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成不利影響。煤氣化渣的大量堆積會造成土地資源浪費(fèi)及嚴(yán)重的環(huán)境污染,現(xiàn)階段對煤氣化渣的綜合利用率低,對煤氣化渣的處理迫在眉睫。對煤氣化渣進(jìn)行合理的開發(fā)和利用,可以一定程度上消除煤化工產(chǎn)業(yè)的廢渣污染,同時節(jié)約大量物質(zhì)資源,變廢為寶,這是關(guān)系到煤化工行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要方面。目前,對于煤氣化渣的利用主要是制備建工建材或者利用其中的殘?zhí)?,在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用研究很少。煤氣化渣中含有鎂、鈣等離子,堿性強(qiáng),可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解,能改善土壤供肥和保肥能力;煤氣化渣大多數(shù)為熱性材料,遇水后大量放熱,可以提高土壤溫度[2];煤氣化渣含有某些植物生長發(fā)育的必需元素(碳、氧、磷、硫、鉀、鈣、鎂和鐵);煤氣化渣一般含有氧化鈣,氧化鈣溶于水形成呈堿性的氫氧化鈣,因此,煤氣化渣可用于改善酸性農(nóng)田土壤[3]。以上諸多優(yōu)點(diǎn)表明煤氣化渣可以作為土壤改良劑。
平菇菌糠具有松軟、營養(yǎng)價值高的優(yōu)點(diǎn),菌糠在農(nóng)業(yè)中的再利用主要體現(xiàn)在作為有機(jī)肥料、飼料以及土壤改良劑或修復(fù)劑等方面。菌糠的轉(zhuǎn)化再利用對解決環(huán)境問題有促進(jìn)作用,也產(chǎn)生了較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。吉清妹等[4]利用菌糠替代20%~40%的化肥氮,改善了大棚內(nèi)土壤質(zhì)量,提高了大棚蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。南曉潔等[5]施用雙孢菇菌糠不僅提高了糯玉米的品質(zhì),而且還改善了其食用口感。同時,藏婷婷等[6]將黑木耳菌糠作為吸附劑,考察其對廢水中Cu2+的吸附效果,結(jié)果顯示黑木耳菌糠極易吸附水中的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),吸附率高達(dá)80.51%。
綜上所述,煤氣化渣和菌糠在土壤改良方面均具有一定的優(yōu)勢。陜北地處黃土高原的中心地帶,與毛烏素沙漠相鄰,土壤資源本就匱乏,加之煤炭資源的大量開采,導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝寥郎鷳B(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,且礦區(qū)土壤貧瘠、半荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重、植被稀疏,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題成為制約陜西經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸,因此改良礦區(qū)土壤是解決煤化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要突破的重點(diǎn)問題?;诖耍狙芯繉⒚簹饣c平菇菌糠合理配比,通過測定煤氣化渣配施平菇菌糠對礦區(qū)土壤酶活性的影響,探究二者能否作為礦區(qū)沙土改良劑改善毀壞的礦區(qū)土壤環(huán)境。
1 材料與方法
1.1 土壤、煤氣化渣以及平菇菌糠的準(zhǔn)備
依據(jù)隨機(jī)多點(diǎn)采樣的原則,按照“S”形的方法采集煤矸石堆放1 m內(nèi)的礦區(qū)土壤,共設(shè)置20個采樣點(diǎn),利用土鉆和取土鏟采集表層0~20 cm礦區(qū)土壤置于干凈的自封袋中,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后將其充分混勻后備用。煤氣化渣按照粗渣?細(xì)渣為7?3的比例(質(zhì)量比)混勻后備用;采集菌絲潔白無霉變的平菇菌糠(平菇培養(yǎng)料主料為棉子殼和麩皮),將其粉碎。上述所有材料均過2 mm篩備用。
1.2 土壤、煤氣化渣以及平菇菌糠的配比
均按煤礦區(qū)土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的平菇菌糠分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、20%、30%和40%的煤氣化渣混合施入煤礦區(qū)土壤中,依次以T1、T2、T3和T4表示,同時設(shè)置空白對照(CK1,煤礦區(qū)土壤)和單施平菇菌糠的礦區(qū)土壤對照(CK2),共計(jì)6個處理。
1.3 盆栽處理
將上述配比好的土壤混合后一次性施入外徑25.0 cm、內(nèi)徑21.5 cm、底徑13.0 cm和高度16.5 cm的花盆中,每個處理3次重復(fù),共計(jì)18盆放入室內(nèi),室內(nèi)平均溫度23 ℃。從裝入土樣開始計(jì)時,每隔6 d依據(jù)五點(diǎn)取樣法用小鏟采集0~5 cm層土樣,土樣充分混勻后風(fēng)干,過1 mm篩以備土壤酶活性的測定。試驗(yàn)期間每天稱重補(bǔ)水,保持40%的土壤田間持水量,共測定3次。
1.4 指標(biāo)測定及其方法
脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定[7],以24 h后1 g土壤中NH3-N的質(zhì)量表示;蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[8],以24 h后1 g土壤中生成的葡糖糖質(zhì)量表示;蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定[9],以24 h后1 g土壤中甘氨酸的質(zhì)量表示;多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法測定[10],以2 h后1 g土壤中紫色沒食子酸的質(zhì)量表示;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[11],以1 h內(nèi)1 g土壤消耗的0.1 mol/L高錳酸鉀體積表示;堿性磷酸酶活性采用磷酸酶活性試劑盒測定[12],活性單位定義為37 ℃下1 g土壤24 h釋放1 nmol酚為1個酶活單位。
1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
利用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理并制圖,數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示;各項(xiàng)指標(biāo)使用SPSS 23.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,并用鄧肯氏新復(fù)極差法SSR對各個處理組平均數(shù)在α=0.05水平下進(jìn)行多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區(qū)污染土壤脲酶活性的影響
土壤脲酶是直接參與土壤中含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)換的重要水解酶,能催化尿素和有機(jī)分子中的碳?xì)滏I水解,對促進(jìn)土壤氮素循環(huán)具有重要意義[13]。由圖1可知,各處理土壤脲酶活性隨時間延長均呈先下降后上升的趨勢。0~14 d,加入平菇菌糠的CK2土壤脲酶活性均顯著高于礦區(qū)土壤CK1(Plt;0.05),0、7、14 d分別提高43%、391%、50%,表明礦區(qū)土壤中添加適量平菇菌糠能促進(jìn)土壤脲酶活性的增長;各添加煤氣化渣處理土壤脲酶活性均顯著高于CK2(Plt;0.05),其中以T3土壤脲酶活性最高,0、7、14 d分別比CK2提高164%、510%、285%,同時,該時間段該處理下的脲酶活性也顯著高于其他煤氣化渣處理(Plt;0.05)。以上結(jié)果表明,煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區(qū)土壤脲酶活性有促進(jìn)作用,且30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠的處理效果最佳。
2.2 煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區(qū)污染土壤蔗糖酶活性的影響
土壤蔗糖酶主要作用于土壤中的碳循環(huán),促進(jìn)蔗糖水解成果糖和葡萄糖[14]。由圖2可知,各處理蔗糖酶活性隨時間延長呈持續(xù)升高趨勢,均在14 d酶活性達(dá)最高。CK2的土壤蔗糖酶活性含量高于CK1,0、7、14 d的增幅分別為14%、76%、111%,并且在7 d和14 d存在顯著差異(Plt;0.05);與CK2相比,各添加煤氣化渣的處理增加了土壤蔗糖酶活性,其中T3增幅最大,該處理在0、7、14 d分別比CK2顯著增加588%、453%、86%(Plt;0.05),且該時間段與其他煤氣化渣處理也存在顯著差異(Plt;0.05)。結(jié)果表明,30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠能使礦區(qū)土壤蔗糖酶活性處于最高水平。
2.3 煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區(qū)污染土壤蛋白酶活性的影響
蛋白酶參與土壤中存在的氨基酸、蛋白質(zhì)以及其他含蛋白質(zhì)氮的有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化,它們的水解產(chǎn)物是高等植物的氮源。由圖3可知,與CK1相比,加入平菇菌糠的CK2土壤蛋白酶活性在對應(yīng)時段內(nèi)均升高,0、7、14 d分別增加了20%、948%、83%,且都存在顯著差異(Plt;0.05);各處理土壤蛋白酶活性均呈持續(xù)降低的動態(tài)變化趨勢,各時間段均以T3土壤蛋白酶活性最高,且與其他處理達(dá)顯著水平(Plt;0.05),0、7、14 d時分別比CK2提高177%、573%、" " 2 266%。結(jié)果表明,30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠對礦區(qū)土壤蛋白酶活性有很好的促進(jìn)作用。
2.4 煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區(qū)污染土壤多酚氧化酶活性的影響
多酚氧化酶是土壤腐殖化的媒介,屬于土壤氧化還原酶,參與土壤有機(jī)組分中芳香族化合物的轉(zhuǎn)化。由圖4可知,各處理土壤多酚氧化酶活性隨時間延長均呈先升高后降低的趨勢;與CK1相比,加入平菇菌糠的CK2土壤多酚氧化酶活性高于對應(yīng)時段內(nèi)的礦區(qū)土壤,0、7、14 d分別提高39%、10%、 1 371%,并且在14 d時存在顯著差異(Plt;0.05);各煤氣化渣處理土壤多酚氧化酶活性與CK2相比均有所提高,其中T3最高,0、7、14 d時分別比CK2顯著提高1 358%、199%、596%(Plt;0.05),0~14 d,該處理與其他處理間也存在顯著差異(Plt;0.05)。結(jié)果表明,煤氣化渣配施平菇菌糠對礦區(qū)土壤中的多酚氧化酶活性有促進(jìn)作用,并且煤氣化渣含量為30%時該酶活性處于最高水平。
2.5 煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區(qū)污染土壤過氧化氫酶活性的影響
過氧化氫酶是重要的生物酶,在土壤中分布范圍廣,能催化過氧化氫分解,防止其毒害生物體,過氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān),與微生物數(shù)量也有關(guān)系[15]。由圖5可知,土壤過氧化氫酶活性隨時間延長呈先降后升的趨勢,但各處理在14 d內(nèi)的土壤過氧化氫酶活性變化幅度較小,且均在7 d時活性最低。CK2土壤過氧化氫酶活性在0、7、14 d時比CK1分別提高39%、12%、25%,且在0 d時二者差異達(dá)顯著水平(Plt;0.05);各添加煤氣化渣處理的土壤過氧化氫酶活性均高于CK2,且在T3下酶活性最高,0、7、14 d時分別比CK2提高17%、26%、43%;14 d時,T3酶活性顯著高于其他各處理(Plt;0.05)。結(jié)果表明,30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠能使礦區(qū)土壤過氧化氫酶活性處于最高水平。
2.6 煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區(qū)污染土壤堿性磷酸酶活性的影響
磷酸酶是一種水解性酶,能夠加速有機(jī)磷的脫磷速度,提高土壤磷素的有效性[16]。由圖6可知,0~14 d,各煤氣化渣處理礦區(qū)土壤堿性磷酸酶活性的動態(tài)變化趨勢基本一致,即隨著在礦區(qū)土壤中加入煤氣化渣的時間越久,土壤堿性磷酸酶活性呈先下降后上升的趨勢;平菇菌糠施用提高了礦區(qū)污染土壤堿性磷酸酶活性,與CK1相比,CK2土壤堿性磷酸酶活性在0、7、14 d分別提高465%、247%、327%,且均達(dá)顯著水平(Plt;0.05);各時間段T3土壤堿性磷酸酶活性均最高,且與其他各處理達(dá)顯著差異(Plt;0.05),該處理土壤堿性磷酸酶活性在0、7、14 d時比CK2分別提高280%、265%、98%。結(jié)果表明,30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠能使礦區(qū)土壤堿性磷酸酶活性處于最高水平,優(yōu)勢明顯。
3 小結(jié)與討論
酶是土壤的重要組分,主要來源于土壤中的動物、植物和微生物,參與土壤中各種有機(jī)質(zhì)的分解、合成和轉(zhuǎn)化以及無機(jī)物質(zhì)的氧化還原等過程,其活性可以反映土壤中生物代謝的強(qiáng)弱和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的速率,是土壤肥力的有效生物學(xué)指標(biāo),直接表征土壤的生物活性[17,18]。
本試驗(yàn)通過研究煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區(qū)土壤酶活性的影響,以探究二者能否作為礦區(qū)沙土改良劑。結(jié)果表明,單施平菇菌糠的煤礦區(qū)土壤各類酶活性均高于煤礦區(qū)土壤,且除過氧化氫酶活性外,其他酶活性在14 d時均達(dá)到了顯著水平。這與孟慶英等[19]的研究結(jié)果一致,加入菌糠后,提高了土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶活性,說明在礦區(qū)土壤中加入適量的平菇菌糠能促進(jìn)酶活性。其原因?yàn)榫肥鞘秤镁烧蟮呐囵B(yǎng)基殘?jiān)?,?nèi)部含有大量的菌絲以及經(jīng)微生物分解后的木屑等農(nóng)副產(chǎn)品殘余物,有機(jī)質(zhì)豐富,添加到貧瘠的沙化較嚴(yán)重的礦區(qū)土壤中,增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量,有助于微生物的定殖,在短時間內(nèi)會迅速提升土壤酶活性,因此在14 d時出現(xiàn)了顯著增高現(xiàn)象。30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠處理下的土壤酶活性均處于最高水平,與單施平菇菌糠相比,除過氧化氫酶在7 d時未達(dá)顯著水平外,其他酶活性在任何時段均顯著增高,且也均顯著高于其他處理,表明30%煤氣化渣配施15%平菇菌糠能最大程度地促進(jìn)土壤酶活性。Zhu等[20]研究了煤氣化細(xì)渣對堿性沙地土壤的改良作用,發(fā)現(xiàn)在土壤中添加20%的煤氣化細(xì)渣能有效地改善堿性沙地土壤的理化性質(zhì);同時利用化學(xué)和植物吸收試驗(yàn)明確了5%的煤氣化細(xì)渣對水稻的生長有明顯的促進(jìn)作用[21]。李革偉等[22]利用煤氣化細(xì)渣含有較為豐富的鈣鎂等元素的特點(diǎn)制備了改良土壤理化性狀的土壤調(diào)理劑,施用該土壤調(diào)理劑后土壤有機(jī)質(zhì)、磷、氮含量均明顯增加,有效提高了土壤的保肥能力。結(jié)合上述前人研究結(jié)果,推測煤氣化渣促進(jìn)土壤酶活性提高的原因可能有以下幾種。①煤氣化渣大多數(shù)為熱性材料,遇水后大量放熱,可以提高土壤的溫度,而土壤酶活性與溫度有著密切的關(guān)系。本試驗(yàn)中在礦區(qū)土壤中加入煤氣化渣,并使得各處理保持40%的田間持水量,30%的煤氣化渣遇水放出熱量,促使土壤酶活性處于最高水平。②微生物細(xì)胞20%左右為干物質(zhì),在干物質(zhì)中有蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物、脂類和礦物質(zhì)等,這些干物質(zhì)是由碳、氫、氧、氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂、鐵等主要化學(xué)元素組成,煤氣化渣中含有微生物生長的必需元素(碳、氧、磷、硫、鉀、鈣、鎂和鐵),所以煤氣化渣的加入有益于微生物的生長發(fā)育,30%煤氣化渣可能使得微生物處于最活躍狀態(tài),進(jìn)而提高土壤酶活性。③煤氣化渣具有多孔的特性,施入土壤中能夠降低土壤容重,實(shí)現(xiàn)沙土保水保肥的功效,也有益于微生物的生長,促進(jìn)土壤酶活性。
大量研究表明,不同的煤氣化工藝、煤種及原煤產(chǎn)地所產(chǎn)生的煤氣化渣成分雖有所不同,但煤氣化渣主要由SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、C組成,還含有少量的Na2O、MgO、P2O5、K2O、TiO2和S等[23]。其中,碳、氧、磷、硫、鉀、鈣、鎂和鐵是植物生長發(fā)育的必需元素,因此煤氣化渣可以彌補(bǔ)沙土的營養(yǎng)元素不足,并且本試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了在沙化土壤中加入煤氣化渣可以提高土壤酶活性,增強(qiáng)土壤肥力。
土壤中含有各種各樣的微生物和土壤動物,對外界進(jìn)入土壤的各種物質(zhì)可進(jìn)行一定程度的分解轉(zhuǎn)化,且土壤存在復(fù)雜的有機(jī)和無機(jī)膠體體系,通過吸附、解吸、交換等過程使污染物發(fā)生形態(tài)變化,所以土壤具有自凈功能。本試驗(yàn)同樣證實(shí)在礦區(qū)土壤中加入40%煤氣化渣時,相對于30%煤氣化渣酶活性受到抑制,原因可能為煤氣化渣中含有部分微量元素(Be、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Hg等)[24],40%的煤氣化渣中有害元素超出了土壤自身可以承受的范圍,重金屬通過抑制土壤微生物的生長和繁殖,從而減少其體內(nèi)酶的合成和分泌,最終導(dǎo)致酶活性下降。這與劉登義等[25]的研究結(jié)果一致,其研究結(jié)果表明土壤各種酶活性與重金屬復(fù)合污染程度呈顯著負(fù)相關(guān),所以酶活性呈下降趨勢。
綜上所述,礦區(qū)土壤在添加15%平菇菌糠的基礎(chǔ)上施入煤氣化渣,提高了土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶的活性,且當(dāng)煤氣化渣含量為30%時,土壤酶活性顯著增大,煤氣化渣和菌糠的優(yōu)化配比為2∶1。因此,煤氣化渣復(fù)配菌糠對礦區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)具有積極意義。但同時應(yīng)避免在運(yùn)用煤氣化渣改良煤礦區(qū)污染土壤時重金屬通過土壤和地下水流入生態(tài)系統(tǒng),危害人類健康。
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收稿日期:2023-08-13
基金項(xiàng)目:陜西省教育廳重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目(重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目22JS046);榆林市科技局產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(CXY-2020-018)
作者簡介:陳 花(1979-),女,山西神池人,副教授,碩士,主要從事礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究,(電話)13629222610(電子信箱)510697622@qq.com。