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，隨著我國食用菌生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，菌糠數(shù)量也在逐漸增多，菌糠的利用也越來越受到重視。據(jù)報道，我國食用菌生產(chǎn)量位居世界前列，年產(chǎn)量在 400萬噸以上，年產(chǎn)菌糠量不少于300萬噸[2]。隨意丟棄或燃燒菌糠，不僅不利于資源的循環(huán)利用，而且會造成環(huán)境污染。因此，將菌糠作為有機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。由于中國是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家，年排放量達到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)土壤重金屬和有機物污染方而表現(xiàn)出重要潛力[5]。

目前國內(nèi)外對生物炭對重金屬的修復(fù)成果很多，但是菌糠及菌糠生物炭配施對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80.51%。這充分說明黑木耳菌糠可以作為廉價的吸附劑。Xu等[7]研究了添加農(nóng)作物秸稈炭對中國南方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。本試驗將生物炭與菌糠結(jié)合起來，通過對這兩種改良劑對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 試驗材料

試驗于2017年6月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗站內(nèi)的日光溫室大棚內(nèi)進行。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)見表1。供試菌糠為腐熟的杏鮑菇菌糠，有機質(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 試驗方法

采用完全隨機設(shè)計，共8個處理，3個平行，一共24盆，包括生物炭單獨施入、菌糠單獨施入、生物炭與菌糠配施，具體用量見表2。將從大田采集回的污染土過篩，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)，防止土壤進入PVC管中。澆水時通過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。盆栽試驗期間定期澆水、人工清除雜草及害蟲。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100目篩用于測量土壤重金屬含量。

表2 試驗處理/gTabel 2 Test Treatments

1.3 測定項目與方法

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

1.4 數(shù)據(jù)分析

測定數(shù)據(jù)時采用DPS 7.0軟件進行顯著性分析。

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玉米的生長都有促進作用，幼苗期和成熟期玉米株高均高于對照。在幼苗期，單施處理中，生物炭和菌糠施用量同等時，菌糠處理對玉米生長效果好。單施菌糠處理與配施處理中，隨著菌糠用量的增加，玉米生長效果俞好。對于等量菌糠處理來說，添加生物炭的處理比不添加生物炭的處理玉米生長效果好，且添加生物炭的處理與對照相比差異顯著(P<0.05，下同)。CJ300處理玉米植株最高長度高出對照26.7%，其次為J300處理。在成熟期，玉米株高的變化趨勢與幼苗期類似。單施處理中，生物炭和菌糠施用量同等時，生物炭處理對玉米生長效果好。除J100處理外，其余處理均與對照差異顯著。CJ300處理玉米生長效果最好，高出對照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玉米葉片葉綠素總量的影響

由表4可知，在整個生育期內(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。配施處理葉綠素含量均大于單施處理，顯著高于對照，隨著菌糠用量的增加葉綠素含量逐漸升高。CJ300處理葉綠素含量達到最高，較對照增加了71.16%，其次是CJ200處理，較對照增加了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，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玉米葉片MDA含量的影響

由表5可知，整個生育期內(nèi)，各處理MDA含量均小于對照。在幼苗期，對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，較對照降低了57%。在成熟期，除對照外單施生物炭MDA含量最高，最低為CJ300處理，較對照降低了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玉米葉片過氧化氫酶活性的影響

由表6可知，在整個生育期內(nèi)，除了幼苗期的CJ100處理，其余處理過氧化氫酶活性均高于對照。在幼苗期，J100處理過氧化氫酶活性高于C處理。無論單施與配施，隨著菌糠用量的增加，過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氧化氫酶活性低于不添加生物炭的處理。過氧化氫酶活性最高的為J300處理，較對照高出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照組，且變化趨勢類似于幼苗期。過氧化氫酶活性最高的為J300處理，高出對照164%，其次為J200處理。成熟期玉米葉片過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>莖。根部Cu含量各處理均低于對照，施用100 g生物炭處理時含量最低，較對照低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照，含量最低的為CJ300處理，較對照組降低了48.4%，差異顯著；葉部Cu含量各處理均低于對照，最低處理為CJ300，較對照降低了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；果實部位Cu含量均低于對照，變化趨勢類似于葉部。Cu含量最低處理為CJ300，較對照降低了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)均小于對照，并且小于1，說明菌糠與生物炭的施入降低了植物從土壤中吸收重金屬、從根部向地上部運轉(zhuǎn)重金屬離子的能力。富集系數(shù)最小的處理為CJ300，較對照降低了33.9%，轉(zhuǎn)移系數(shù)最小的處理為CJ300處理，較對照降低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，具有細胞毒性。MDA的含量在一定程度上能反應(yīng)膜脂的過氧化作用強度及膜損傷程度[16]。重金屬脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)超氧自由基增多，細胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，細胞內(nèi)的物質(zhì)運轉(zhuǎn)、蛋白質(zhì)、DNA的合成受到阻礙，從而使細胞分裂進程減緩，最終抑制了植物的生長[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。這可能是因為菌糠具有豐富的營養(yǎng)元素，彌補了生物炭在養(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土壤團聚體的形成、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遠遠大于幼苗期，這是因為隨著玉米的生長，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氧化為丙二醛[19]。幼苗期未添加生物炭的菌糠單施處理對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。這可能是因為成熟期大棚內(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有效的緩解了玉米細胞的膜損傷，表現(xiàn)出了優(yōu)于單施菌糠處理的效果。

CAT酶存在于紅細胞及某些組織內(nèi)的過氧化體中，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?？赡苁且驗樘砑由锾亢?，土壤pH值上升，土壤有機質(zhì)和土壤膠體對重金屬的吸附增強，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銅離子的吸收，相應(yīng)的減緩銅離子對玉米葉片質(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)的反饋作用，使得超氧化物歧化酶活性降低，進而減少過氧化氫的產(chǎn)生，進一步導(dǎo)致了CAT活性的降低[22]。成熟期CAT活性小于幼苗期，可能是因為到了玉米生長的后期，大棚內(nèi)溫度升高遠高于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，地上部Cu呈下降趨勢，玉米對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，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降低玉米各部位重金屬含量的效果較單施來說優(yōu)異，這是因為菌糠富含有機質(zhì)，且有機質(zhì)具有大量的官能團，對重金屬離子有很強的吸附能力[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)大于對照，富集、轉(zhuǎn)移系數(shù)大于單施等量菌糠，說明在100 g施入條件下，菌糠對植物吸收重金屬的修復(fù)效果最佳。這可能是因為菌糠對土壤的改良效果優(yōu)于生物炭，這與劉領(lǐng)[27]的研究結(jié)果施用雞糞處理對促進植物生長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，這可能是因為高量的菌糠與生物炭相互作用才能更好的降低植物對重金屬的吸收，充分發(fā)揮菌糠與生物炭二者的優(yōu)點。

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，促進玉米植株的生長。

(2)從菌糠的施用量來說，無論單施與配施，對緩解銅污染促進玉米的生長效果，表現(xiàn)為最高施入量300 g·10 kg-1優(yōu)于低施入量。從施入效果來看，過氧化氫酶活性表現(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；對降低重金屬的吸收能力表現(xiàn)為配施優(yōu)于單施。但對于二者在土壤中相互作用的原理仍需進一步探討。

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