菌糠木醋液对铜铬污染土壤玉米生理生化指标及重金属富集转运的影响

李丹洋，程红艳，王効挙，郝千萍，常建宁，黄 菲，闫 梦，张国胜

(1.山西农业大学 资源环境学院， 山西 太谷 030801； 2.日本埼玉环境科学国际中心，日本 埼玉 347-0115)

木醋液也称植物酸[1]，是把废弃木材等在碳化或干馏过程中产生的烟气经冷凝回收分离后获得的有机混合物[2]，其主要成分是水[3]，其次是有机酸、醛、酮、醇、酚及其衍生物等多种高分子有机化合物[4],其中,酸类物质占50%左右[5]。木醋液作为一种新型绿色添加剂，可用作土壤改良剂和叶面喷剂，防治病虫害、促进植物生长，但施用过量会对植物生长产生抑制作用[6]。

目前，我国对木醋液的研究主要集中在植物生长和土壤理化性质上。研究表明，一定浓度的木醋液可以促进植物生长、改善土壤性质[7-10],木醋液在堆肥过程中对重金属有一定的钝化和吸附作用[11-12]。近年来我国食用菌行业发展迅速，废弃菌糠每年多达100万t。废弃菌糠中含有大量营养物质[13]。将菌糠制成木醋液再利用，不仅充分利用资源，还可以消除环境污染、促进农业生态的良性循环。目前,关于菌糠木醋液对植物重金属吸收、富集影响，以及不同菌糠木醋液对植物生长影响的研究较少。鉴于此，以玉米为研究对象，通过在污灌区土壤中施入不同用量、不同种类的菌糠木醋液，在玉米苗期和成熟期进行相关指标的测定，为菌糠木醋液的有效利用、对重金属污染土壤的修复提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

采用盆栽试验，于2017年6—10月在山西农业大学资源环境实验站的日光大棚中进行。供试土壤取自山西省晋中市某污灌区铜(Cu)、铬(Cr)污染土壤，基本化学性质见表1。我国土壤环境标准(GB 15618—1995) 3级标准限值：Cu含量(400 mg/kg)、Cr(300 mg/kg)，供试污灌区土壤中的全Cu含量、全Cr含量均超标，分别是其1.37、1.13倍。

表1 污灌区土壤基本化学性质Tab.1 Basic chemical properties of soil in sewage irrigated areas

供试菌糠木醋液为平菇菌糠(主要成分是醋糟)木醋液(MP)、猴头菇菌糠(主要成分是棉籽壳)木醋液(MH)、灵芝菌糠(主要成分是木屑)木醋液(ML)。3种菌糠均取自山西农业大学食用菌中心，分别将其在南京三聚生物质新材料科技有限公司烧制生物炭过程中产生的烟气冷凝得到木醋液，基本化学性质见表2。供试复合肥在市场购买(N∶P2O5∶K2O为15∶15∶15)，供试玉米品种为晋单78，生育期124 d。

表2 菌糠木醋液基本化学性质Tab.2 Basic chemical properties of vinegar of fungus chaff

1.2 试验设计

共设10个处理: CK(不加菌糠木醋液)、MP1(加入平菇菌糠木醋液1 mL)、MP2(加入平菇菌糠木醋液2 mL)、MP4(加入平菇菌糠木醋液4 mL)、MH1(加入猴头菇菌糠木醋液1 mL)、MH2(加入猴头菇菌糠木醋液2 mL)、MH4(加入猴头菇菌糠木醋液4 mL)、ML1(加入灵芝菌糠木醋液1 mL)、ML2(加入灵芝菌糠木醋液2 mL)、ML4(加入灵芝菌糠木醋液4 mL)，每个处理重复3次。试验所用的盆直径30 cm、高45 cm，每盆装风干土10 kg，均匀混掺复合肥6 g。试验期间定期适量浇灌，以利于玉米的良好生长。分别在苗期和成熟期采取土样及玉米样品进行相关指标的测定。

1.3 测定项目及方法

叶绿素含量采用丙酮酒精浸提法测定，过氧化氢酶活性采用碘量滴定法测定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法测定。全Cu含量、全Cr含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)测定。

重金属富集系数(EC)、转移系数(TF)计算公式如下：

EC=(植物中重金属含量/土壤中重金属含量)×100，

TF=(地上部重金属含量/地下部重金属含量)×100。

1.4 数据处理

使用Excel 2016统计数据和绘图，利用DPS数据处理系统(P=0.05)进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米生长、生理生化指标的影响

2.1.1 不同处理对玉米株高、根长的影响 从表3可知，与CK相比，添加菌糠木醋液处理玉米苗期和成熟期的株高、根长均有不同程度的提高。玉米苗期，处理ML2株高最高,相比CK提高22.9%，除处理ML1、ML2、MP4外，其余处理的株高与CK相比差异不显著。玉米苗期，处理MH2根长最长，相比CK增长36.7%，各处理间差异不显著。玉米成熟期，处理MH4的株高最高,与CK相比增长23.6%。玉米成熟期，处理ML1根长最长，与CK相比增加67.9%。

2.1.2 不同处理对玉米生理生化指标的影响 叶绿素是表征植物生长状况的重要指标，其含量可反映植物抗逆性强弱[14]。由表4可以看出，不同处理玉米苗期及成熟期添加菌糠木醋液处理叶绿素含量相比CK均有不同程度提高。玉米苗期，添加菌糠木醋液处理叶绿素含量与CK相比差异显著，增加42.2%～86.5%，其中,处理ML4叶绿素含量最高。玉米成熟期，处理MP4、MH1、MH2、MH4、ML4叶绿素含量与CK相比均显著提高，其中，处理MH2叶绿素含量最高，比CK增加了55.2%。

过氧化氢酶可以清除过氧化氢，是植物体内重要的酶促防御系统之一。由表4可以看出，玉米苗期与成熟期，添加菌糠木醋液处理的过氧化氢酶活性相比CK均有不同程度提高。玉米苗期，除处理MH4外，其余处理过氧化氢酶活性与CK相比均显著提高，其中，处理MP1过氧化氢酶活性最高，与CK相比增加105.9%，且同种菌糠木醋液用量在1～4 mL时，用量越少对过氧化氢酶活性的促进效果越好。玉米成熟期，处理MP1的过氧化氢酶活性最高，比CK增加了83.8%，且除处理MP1、MH1外，其余处理过氧化氢酶活性与CK相比差异不显著。

注：同列后不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters after the same column indicate significant differences between different treatments (P<0.05),the same below.

表4 不同处理对玉米生理生化指标的影响Tab.4 Effects of different treatments on physiological and biochemistry index of maize

丙二醛含量体现了植物细胞膜过氧化程度，反映植物在逆境胁迫下受伤害的程度。本研究中，在Cu、Cr污染的影响下，玉米成熟期CK的丙二醛含量高达幼苗期的21倍，这可能是因为污灌区土壤中的重金属被玉米吸收后，细胞中自由基的产生和清除之间的平衡受到破坏，导致活性氧自由基的产生[15]。玉米苗期，添加菌糠木醋液处理的丙二醛含量与CK相比均有不同程度下降，降幅为7.3%～31.7%，其中，处理MH2降幅最大，且同种菌糠木醋液、不同用量之间无规律性。玉米成熟期，添加菌糠木醋液处理的丙二醛含量与CK相比均显著降低，其中，处理MH4降幅最大，为55.7%，处理MP1、MP2、MP4、MH1、MH2、ML1、ML2、ML4与CK相比，降幅分别为22.6%、44.1%、46.0%、38.7%、42.3%、18.8%、33.6%、37.6%。说明3种菌糠木醋液对降低玉米中丙二醛方面，在成熟期表现更为显著，且以4 mL施用量降低效果最佳，其中，猴头菇菌糠木醋液降低效果较明显。

2.2 不同处理对玉米植株不同部位Cu、Cr含量及富集系数、转运系数的影响

2.2.1 不同处理对玉米植株不同部位Cu、Cr含量的影响 从表5可知，添加菌糠木醋液处理玉米根中Cu含量与CK相比均有不同程度的增加，处理MP1、MP2、MH4、ML1与CK相比无显著差异，其余处理与CK相比差异显著，其中，处理ML2的Cu含量最大，与CK相比增加42.7%。处理MH1、MP1、ML2、ML4对玉米果穗中Cu含量有降低作用，其中，处理MP1与CK相比差异最大，降低了23.0%。处理ML1对果穗中Cu含量增加作用最明显，与CK相比增加20.0%。除处理MH1、ML4外，其余处理玉米茎中Cu含量与CK相比均有不同程度的降低，其中，处理ML2、ML1、MH2、MP4玉米茎中Cu含量与CK相比差异显著，降幅为14.5%～22.2%。与CK相比，添加菌糠木醋液处理对玉米雄花序中Cu含量都有显著降低作用，降幅为5.6%～80.6%，其中，平菇菌糠木醋液降低效果最好。除处理MH1外，其余处理玉米叶中Cu含量与CK相比均有不同程度降低，降幅为5.6%～31.2%，其中处理MP1降幅最大。根据《饲料中铜的允许量》(GB 26419—2010)中规定的限值(Cu≤25 mg/kg)，各处理的玉米果穗部分Cu含量均未超过饲料标准，因此可作为饲料使用。

表5 不同处理玉米植株不同部位Cu含量Tab.5 The content of Cu in different parts of maize of different treatments mg/kg

由表6可知，添加菌糠木醋液处理玉米根中Cr含量与CK相比均显著增加，不同菌糠木醋液均以4 mL施用量增加作用最明显，处理MP4、MH4、ML4的玉米根中Cr含量相比CK分别增加了117.6%、57.2%、122.8%。添加菌糠木醋液处理玉米果穗中Cr含量与CK相比均有不同程度增加，3种菌糠木醋液均以2 mL施用量增加作用最明显，处理MP2、MH2、ML2玉米果穗中Cr含量与CK相比分别增加了14.5%、17.4%、19.9%；添加菌糠木醋液处理玉米茎中Cr含量与CK相比均有不同程度下降，除处理MH1、ML4外，其余处理与CK相比差异显著，其中处理MH2降幅最大，达22.4%。除处理MP4、MH2外，其余处理玉米雄花序中Cr含量与CK相比均显著下降，降幅为13.5%～45.0%，其中处理MH4降幅最大。处理MP4、MH1玉米叶中Cr含量与CK相比显著提高。根据国家食品卫生标准(GB 2762—2017)、 饲料卫生标准(GB 130798—2017)中规定的限值(Cr≤1 mg/kg、Cr≤20 mg/kg)，各处理玉米果穗部分Cr含量均超过食品卫生标准，但未超过饲料卫生标准，因此可作为饲料使用。

表6 不同处理玉米植株不同部位Cr含量Tab.6 The content of Cr in different parts of maize of different treatments mg/kg

2.2.2 不同处理对玉米植株不同部位Cu、Cr富集系数与转运系数的影响 富集系数(吸收系数)是评价土壤重金属迁移能力、植物对重金属富集能力的重要指标之一。富集系数越大表明该元素越容易从土壤向植物体内迁移。

从表7可知，添加菌糠木醋液处理与CK相比都显著提升了玉米根部的Cu富集系数，且各处理之间差异显著，其中，处理MH1 Cu富集系数最大，为0.829。除处理MP1、MH1、ML4外，其余处理与CK相比均显著降低了玉米茎部的Cu富集系数。除处理MH1外，其余处理与CK相比都显著降低了玉米叶部的Cu富集系数，其中，处理MP1、MH4 Cu富集系数最小，为0.037。添加菌糠木醋液处理与CK相比均显著降低了玉米雄花序的Cu富集系数，平菇菌糠木醋液的降低效果明显优于猴头菇和灵芝菌糠木醋液。除处理MP2、ML1、MH4、MH1外，其余处理与CK相比均降低了玉米果穗部位的Cu富集系数。

表7 不同处理对玉米植株不同部位Cu富集系数的影响Tab.7 Effects of different treatments on Cu enrichment coefficient in different parts of maize

从表8可知，与CK相比，除处理MH1外，其余处理均显著降低了玉米茎的Cu转运系数，其中，处理MH2降低作用最明显。与CK相比，添加菌糠木醋液处理均降低了玉米叶和雄花序的Cu转运系数。与CK相比，除处理ML1、MP2、MH4外，其余处理均显著降低了玉米果穗的Cu转运系数，其中处理ML2降低作用最明显。

表8 不同处理对玉米植株不同部位Cu转运系数的影响Tab.8 Effects of different treatments on Cu transfer coefficient in different parts of maize

从表9可知，添加菌糠木醋液处理与CK相比均显著提升了玉米根部的Cr富集系数，其中，处理ML4提升效果最明显。添加菌糠木醋液处理与CK相比均不同程度降低了玉米茎部的Cr富集系数，其中处理MH2降低效果最明显。处理MH1、MP4与CK相比显著提高了玉米叶部的Cr富集系数。与CK相比，添加菌糠木醋液处理的玉米雄花序的Cr富集系数均显著下降。与CK相比，添加菌糠木醋液处理对玉米果穗的Cr富集系数无显著增加作用。

从表10可知，与CK相比，添加菌糠木醋液处理均可不同程度降低玉米茎部的Cr转运系数，其中，处理MP4降低作用最明显，Cr转运系数为0.078。添加菌糠木醋液处理与CK相比，均可显著降低玉米叶部的Cr转运系数，其中，处理ML4降低作用最明显，Cr转运系数为0.113。添加菌糠木醋液处理与CK相比，均可显著降低玉米雄花序的Cr转运系数，其中，处理MH4降低作用最明显，Cr转运系数为0.098。添加菌糠木醋液处理与CK相比，可不同程度降低玉米果穗的Cr转运系数，其中，处理MH1降低作用最明显，Cr转运系数为0.100。

表9 不同处理对玉米植株不同部位Cr富集系数的影响Tab.9 Effects of different treatments on Cr enrichment coefficient in different parts of maize

表10 不同处理对玉米植株不同部位Cr转运系数的影响Tab.10 Effects of different treatments on Cr transfer coefficient in different parts of maize

3 结论与讨论

土壤中施入一定量的木醋液可以增加土壤中有机碳含量，有利于土壤大团聚体的形成[16]，因此对植物生长有促进作用。本研究中，在Cu、Cr污染土壤施入菌糠木醋液后均可不同程度增加玉米幼苗期和成熟期的株高、根长。添加菌糠木醋液处理均可提高苗期和成熟期玉米的叶绿素含量，在玉米苗期，添加菌糠木醋液处理的叶绿素含量与CK相比差异显著，增长了42.2%～86.5%；在成熟期，处理MH2叶绿素含量与CK相比提高55.2%。周岭等[17]用木醋液对幼苗种子进行浸泡，发现不同稀释浓度的木醋液对玉米苗期叶绿素含量无显著影响。但本研究表明，向土壤中灌施3种不同用量的木醋液均可以提升玉米苗期和成熟期叶绿素含量，这可能是因为向土壤中施加菌糠木醋液比直接用木醋液浸泡种子更有利于叶绿素合成。玉米苗期、成熟期，添加菌糠木醋液处理的过氧化氢酶活性相比CK有不同程度提高，苗期、成熟期均为处理MP1促进效果最好，与CK相比分别提升105.9%、83.8%。黄晓梅等[18]研究表明，灌施稀释500倍木醋液可以提升茄子幼苗和水稻幼苗的过氧化氢酶活性，这与本试验研究结果一致。与CK相比，添加菌糠木醋液处理均可不同程度降低苗期、成熟期玉米中丙二醛含量，玉米苗期，添加菌糠木醋液处理的丙二醛含量与CK相比降幅为7.3%～31.7%。玉米成熟期，处理MH4丙二醛含量与CK相比降幅为55.7%。颜廷才等[19]研究表明，木醋液对青皮核桃的储藏保鲜有良好的效果，可以抑制其丙二醛含量的提高，同时具有杀菌作用[20]。菌糠木醋液抑制了土壤中的有害病菌，使玉米免受病菌侵害，从而降低丙二醛含量。不同种类菌糠木醋液对植物生理生化指标的影响有不同程度的差异，灵芝菌糠、平菇菌糠、猴头菇菌糠的主要成分分别是木屑、醋糟、棉籽壳，虽然不同菌糠木醋液中醋酸的含量相对较大，但是相似度不高[21]，因此不同种类的菌糠木醋液对玉米生理生化指标的影响有所不同。

在Cu、Cr污染土壤施入不同用量、不同种类的菌糠木醋液，会不同程度增加玉米根中Cu、Cr富集量和玉米果穗、叶中Cr富集量，降低玉米雄花序中Cu富集量和玉米茎中Cr富集量。3种木醋液均以4 mL施用量对玉米根中Cr富集量增加作用最明显，与CK相比增加57.2%～122.8%。添加菌糠木醋液处理均可提高玉米根部的Cu、Cr富集系数，降低玉米雄花序中的Cu、Cr富集系数；均可不同程度降低叶、雄花序的Cu、Cr转运系数，降低玉米茎、果穗的Cr转运系数，使Cr主要富集在玉米根部。根的皮层细胞可积累大量重金属，各添加菌糠木醋液处理均可促进玉米根部生长，使根表面积增加，从而加大了玉米根部对重金属的富集[22-26]，因此本研究中添加菌糠木醋液处理玉米根部Cu、Cr富集明显增加。

李忠徽等[16]研究表明，木醋液稀释500倍时pH值接近于蒸馏水，对土壤pH值没有影响，因此可以排除由于土壤 pH值的升高使重金属有效态含量提升，从而导致玉米根部富集重金属增加的可能性。土壤中存在数量和种类丰富的微生物种群，是根际环境中重要的生物因素，在重金属污染土壤中，根际微生物-植物根系-土壤形成特殊微环境，会影响植物对重金属的吸收转运。且有研究表明，生长激素类物质，通过促进植物生长改变根际微环境，从而增加重金属元素的生物有效性，增加植物对重金属吸收[27]。菌糠木醋液调节机制复杂，类似于生长激素吲哚乙酸(IAA)，并且可调节受生长素诱导的基因表达[28]，因此本研究中添加菌糠木醋液处理的玉米根部对Cu、Cr吸收明显增加，这可能是由于不同种类菌糠木醋液成分不同，与根系、微生物形成的根际环境也不同，从而对Cu、Cr富集系数、转运系数的影响也有差异，具体影响机制还有待进一步研究。