菌糠与生物炭配施对玉米生理特性及Cu累积的影响

郝千萍，李丹洋，杨雄杰，王効挙，程红艳*，常建宁,黄菲

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

菌糠又叫菌渣，是指以棉籽壳、锯木屑、稻草、玉米芯、甘蔗渣及多种农作物秸秆、工业废料(如酒糟、醋糟、造纸厂废液及制药厂黄浆废液等)为主要原料栽培食用菌后的废弃培养基[1]，目前使用最多的是玉米芯和棉籽壳。近年来，随着我国食用菌生产规模的不断扩大，菌糠数量也在逐渐增多，菌糠的利用也越来越受到重视。据报道，我国食用菌生产量位居世界前列，年产量在 400万吨以上，年产菌糠量不少于300万吨[2]。随意丢弃或燃烧菌糠，不仅不利于资源的循环利用，而且会造成环境污染。因此，将菌糠作为有机肥料改良土壤成为菌糠再利用的一大方向。

生物炭(Biochar)是一种由农作物秸秆、木质材料、禽畜粪便等有机物在有限供氧的密闭环境中经热解(通常小于 700 ℃)碳化所产生的一类富含碳素、性质稳定、具有不同程度芳香化的固态物质[3]。农业是生物炭应用最广泛和较成熟的领域。由于中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家，年排放量达到40多亿吨[4]，合理利用各类农业废弃物制备生物炭有利于控制农业环境污染，实现农业废弃物资源化利用，解决废弃生物质弃置、焚烧、随意排放的环境问题；不仅如此，以各类农业废弃物为前体制备的生物炭在修复农业土壤重金属和有机物污染方而表现出重要潜力[5]。

目前国内外对生物炭对重金属的修复成果很多，但是菌糠及菌糠生物炭配施对石灰性污染土壤中的重金属修复效果研究甚少。藏婷婷等[6]将黑木耳菌糠作为吸附剂，考察其对废水中Cu2+的吸附效果，结果显示，黑木耳菌糠极其容易吸附水中的Cu2+，并且菌糠表面的羟基、氨基、羧基等能有效与Cu2+发生络合反应，最高吸附率达80.51%。这充分说明黑木耳菌糠可以作为廉价的吸附剂。Xu等[7]研究了添加农作物秸秆炭对中国南方3种可变电荷土壤中Cu(II)、Pb(II)和Cd(II)的吸附性能，结果表明，花生秸秆炭比油菜秸秆炭具有更好的吸附能力。本试验将生物炭与菌糠结合起来，通过对这两种改良剂对石灰性污染土壤在玉米生理特性、重金属富集系数、转移系数等方面的结果进行分析，为改良、修复土壤提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年6月在山西农业大学资源环境学院试验站内的日光温室大棚内进行。石灰性污染土壤采集于山西省祁县某污灌区农田，土壤理化性质见表1。供试菌糠为腐熟的杏鲍菇菌糠，有机质201 g·kg-1，全氮12.6 g·kg-1，全磷12.1 g·kg-1，全钾13.2 g·kg-1。供试生物炭为玉米秸秆生物炭，有机质424 g·kg-1，全氮8.54 g·kg-1，全磷3.28 g·kg-1，全钾24.9 g·kg-1。供试作物为玉米，品种为晋单78，生育期为124 d。

表1 供试土壤基本性质Table 1 Basic properties of the tested soil

1.2 试验方法

采用完全随机设计，共8个处理，3个平行，一共24盆，包括生物炭单独施入、菌糠单独施入、生物炭与菌糠配施，具体用量见表2。将从大田采集回的污染土过筛，剔除作物残茬、石块、砂砾等杂质后，称土10 kg，与固定质量生物炭、不同质量梯度菌糠混匀后装盆。试验盆直径 25 cm，高 40 cm，盆底平铺一层大小均匀的石子，侧面插入45 cm长PVC管，深入至底部石子处，将一层纱布倾斜放置于PVC管的底部，靠近土壤一侧，防止土壤进入PVC管中。浇水时通过PVC管，使水分由下至上渗透。装盆之后，每盆浇水1 L，使土壤保持适当湿度，每盆播种6粒种子，幼苗期间苗，每盆保留3株。盆栽试验期间定期浇水、人工清除杂草及害虫。在幼苗期和成熟期采集、清洗、烘干、粉碎玉米植株，用20 cm土钻采集表层0～20 cm土壤，挑出根、石砾等杂物，风干，四分法取样，用玛瑙研钵研磨过100目筛用于测量土壤重金属含量。

表2 试验处理/gTabel 2 Test Treatments

1.3 测定项目与方法

叶绿素含量采用丙酮提取法测定；丙二醛含量采用Fryer等[8]的方法测定；过氧化氢酶含量采用Cakmak等[9]的方法测定；植物各部位全量铜，浓硝酸溶解，ICP-AES法测定；土壤全量铜，氢氟酸-高氯酸-硝酸消解法，ICP-AES法测定[10]。

1.4 数据分析

测定数据时采用DPS 7.0软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 菌糠与生物炭不同处理对成熟期玉米株高的影响

由表3可知，菌糠与生物炭这两种改良剂对玉米的生长都有促进作用，幼苗期和成熟期玉米株高均高于对照。在幼苗期，单施处理中，生物炭和菌糠施用量同等时，菌糠处理对玉米生长效果好。单施菌糠处理与配施处理中，随着菌糠用量的增加，玉米生长效果俞好。对于等量菌糠处理来说，添加生物炭的处理比不添加生物炭的处理玉米生长效果好，且添加生物炭的处理与对照相比差异显著(P<0.05，下同)。CJ300处理玉米植株最高长度高出对照26.7%，其次为J300处理。在成熟期，玉米株高的变化趋势与幼苗期类似。单施处理中，生物炭和菌糠施用量同等时，生物炭处理对玉米生长效果好。除J100处理外，其余处理均与对照差异显著。CJ300处理玉米生长效果最好，高出对照30.14%。

表3 菌糠与生物炭不同处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：不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。
Note:Different letters indicate significant differences between different treatments (P<0.05).The same blow.

2.2 菌糠与生物炭不同处理对玉米叶片叶绿素总量的影响

由表4可知，在整个生育期内，施加生物炭与菌糠均增加了玉米叶片的叶绿素含量，均高于对照。在幼苗期，单施菌糠处理叶绿素含量高于单施生物炭处理，且随着菌糠用量的增加，叶绿素含量程递增趋势。配施处理叶绿素含量均大于单施处理，显著高于对照，随着菌糠用量的增加叶绿素含量逐渐升高。CJ300处理叶绿素含量达到最高，较对照增加了71.16%，其次是CJ200处理，较对照增加了66.45%，但CJ200与CJ300处理间不显著。在成熟期，各处理间不显著，变化趋势类似于幼苗期，CJ300处理叶绿素含量最高，其次是CJ200处理，配施处理叶绿素含量高于单施处理，但在单施处理中施量各为100 g情况下，菌糠效果好于生物炭。随着玉米的生长，成熟期的叶绿素含量低于幼苗期。

表4 菌糠与生物炭不同处理中玉米叶片叶绿素总量/mg·g-1Table 4 Total chlorophyll content of corn leaves in different treatments of fungus chaff and biochar

2.3 菌糠与生物炭不同处理对玉米叶片MDA含量的影响

由表5可知，整个生育期内，各处理MDA含量均小于对照。在幼苗期，对照与其他处理差异显著，单施菌糠MDA含量小于等于单施生物炭。在菌糠施入量相同的情况下，添加生物炭处理的MDA含量均高于不添加生物炭处理。且无论单施与配施，随着菌糠用量的增加，MDA含量逐渐降低。MDA含量最低的处理为J300，较对照降低了57%。在成熟期，除对照外单施生物炭MDA含量最高，最低为CJ300处理，较对照降低了62%。在菌糠施入量等同的情况下，添加生物炭处理MDA含量低于不添加生物炭处理。且随着菌糠用量的增加，MDA含量逐渐降低。配施处理间差异不显著。成熟期玉米叶片MDA含量高于幼苗期。

表5 菌糠与生物炭不同处理中玉米叶片MDA含量/umol·g-1FwTable 5 MDA content of corn leaves in different treatments of fungus chaff and biochar

2.4 菌糠与生物炭不同处理对玉米叶片过氧化氢酶活性的影响

由表6可知，在整个生育期内，除了幼苗期的CJ100处理，其余处理过氧化氢酶活性均高于对照。在幼苗期，J100处理过氧化氢酶活性高于C处理。无论单施与配施，随着菌糠用量的增加，过氧化氢酶活性逐渐提高。但菌糠施入量相同的情况下，添加生物炭的处理过氧化氢酶活性低于不添加生物炭的处理。过氧化氢酶活性最高的为J300处理，较对照高出63%，其次为CJ300处理，两处理间差异显著。在成熟期，除CJ100外，其余处理中玉米叶片CAT活性均显著差异于对照组，且变化趋势类似于幼苗期。过氧化氢酶活性最高的为J300处理，高出对照164%，其次为J200处理。成熟期玉米叶片过氧化氢酶活性小于幼苗期。

2.5 菌糠与生物炭不同处理下成熟期玉米中重金属Cu的累积

2.5.1 菌糠与生物炭不同处理下成熟期玉米各部位及土壤中重金属含量

由表7可知，植物的根部是整株植物中Cu含量最高的部位，由高到低依次为根>叶>果实>茎。根部Cu含量各处理均低于对照，施用100 g生物炭处理时含量最低，较对照低42.8%，其次为CJ100的处理。随着菌糠用量的增加，Cu含量逐渐增加。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，但均高于单施生物炭的含量；茎部Cu含量各处理均低于对照，含量最低的为CJ300处理，较对照组降低了48.4%，差异显著；叶部Cu含量各处理均低于对照，最低处理为CJ300，较对照降低了42.6%，差异显著。在单施用生物炭与单施等量菌糠两处理中，菌糠处理下Cu含量低于生物炭处理，但差异不显著。无论单施与配施，随着菌糠用量的增加，Cu含量逐渐降低。等量菌糠施加条件下，添加生物炭的处理Cu含量低于未添加生物炭处理；果实部位Cu含量均低于对照，变化趋势类似于叶部。Cu含量最低处理为CJ300，较对照降低了43.5%，其次为CJ200处理；土壤中Cu含量各处理均低于对照，最低为J300处理488.57 mg·kg-1，其次为CJ300处理，两处理间差异不显著。等量菌糠施入下，配施生物炭的处理铜含量小于等于未配施生物炭。

表6 菌糠与生物炭不同处理中玉米叶片过氧化氢酶活/mg·g FW·min-1Table 6 Catalase activity of maize leaves in different treatments of fungus chaff and biochar

表7 菌糠与生物炭不同处理下成熟期玉米各部位及土壤中重金属铜含量/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 菌糠与生物炭不同处理下成熟期玉米对重金属Cu的富集及转移能力

由表8可知，除了单施的C处理的转移系数大于对照，其余各施肥处理的富集系数及转移系数均小于对照，并且小于1，说明菌糠与生物炭的施入降低了植物从土壤中吸收重金属、从根部向地上部运转重金属离子的能力。富集系数最小的处理为CJ300，较对照降低了33.9%，转移系数最小的处理为CJ300处理，较对照降低32.7%。在100 g菌糠与100 g生物炭的单施处理中，生物炭处理的富集、转移系数大于菌糠处理。在100 g和200 g菌糠施入下，添加生物炭处理的富集系数及转移系数高于未添加生物炭的单施处理。对于300 g菌糠施入的处理，添加生物炭可以更好的降低富集及转移系数。

表8 菌糠与生物炭不同处理下成熟期玉米重金属Cu的富集及转移系数Table 8 Enrichment and transfer coefficient of heavy metal Cu in mature maize under different treatments of fungus chaff and biochar

3 讨论

MDA是自由基作用于脂质过氧化反应的最终产物，影响线粒体呼吸链的复合物及线粒体内关键酶的活性，引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合，具有细胞毒性。MDA的含量在一定程度上能反应膜脂的过氧化作用强度及膜损伤程度[16]。重金属胁迫会导致植物体内超氧自由基增多，细胞膜结构被破坏，细胞内的物质运转、蛋白质、DNA的合成受到阻碍，从而使细胞分裂进程减缓，最终抑制了植物的生长[17]。本研究表明，在玉米幼苗期与成熟期，菌糠与生物炭单施或配施均能降低MDA含量，减缓植物受到的损伤。这可能是因为菌糠具有丰富的营养元素，弥补了生物炭在养分方面的缺失，二者的结合减少了养分的流失，为植物源源不断的供给所需养分，并且二者均可以促进土壤团聚体的形成、提高土壤保水保肥性，减缓了植物受到的损伤[18]。玉米成熟期MDA远远大于幼苗期，这是因为随着玉米的生长，天气逐渐炎热，大棚内温度高于室外，植物在高温下产生的单线态氧、过氧化物自由基、超氧自由基和羟基自由基等活性氧分子，促使膜脂中不饱和脂肪酸过氧化为丙二醛[19]。幼苗期未添加生物炭的菌糠单施处理对玉米的减缓损伤效果优于生物炭菌糠配施，而成熟期则相反。成熟期以生物炭与最高量菌糠配施效果最为突出。这可能是因为成熟期大棚内温度高，植物所受胁迫程度较大，在这种高程度胁迫下，菌糠与生物炭配施相对有效的缓解了玉米细胞的膜损伤，表现出了优于单施菌糠处理的效果。

CAT酶存在于红细胞及某些组织内的过氧化体中，其主要作用是催化H2O2分解为H2O和O2，使H2O2不能与O2在铁螯合物作用下反应生成有害的-OH[20]。本研究中，无论幼苗期或者成熟期，等量菌糠下，添加生物炭的处理比不添加生物炭的处理CAT活性低，这与王晓维[21]等的研究结果一致。可能是因为添加生物炭后，土壤pH值上升，土壤有机质和土壤胶体对重金属的吸附增强，从而使得土壤中Cu被钝化，降低了其生物有效性，从而减缓玉米叶片对铜离子的吸收，相应的减缓铜离子对玉米叶片质膜的损伤，减少叶片中超氧自由基的含量。由于植物的超氧化酶系统的反馈作用，使得超氧化物歧化酶活性降低，进而减少过氧化氢的产生，进一步导致了CAT活性的降低[22]。成熟期CAT活性小于幼苗期，可能是因为到了玉米生长的后期，大棚内温度升高远高于CAT活性的最适温度，导致酶活性降低。

玉米作为一种富集植物，可以活化土壤中的重金属，加大可溶性重金属离子的含量，虽然有污染环境的危险性，但有助于重金属污染的修复[23]。王腾等[24]研究发现，施用菌糠肥料后，地下部Cu呈上升趋势，地上部Cu呈下降趋势，玉米对Cu的转移系数在施用菌糠肥料后降低。本研究发现施用菌糠与生物炭后，地上部与地下部铜含量均成下降趋势，这可能与菌糠的添加量、试供土壤的污染程度有关。生物炭与菌糠配施的处理对降低玉米各部位重金属含量的效果较单施来说优异，这是因为菌糠富含有机质，且有机质具有大量的官能团，对重金属离子有很强的吸附能力[25]，腐殖质分解产生的腐殖酸可与重金属离子形成络合物，固定重金属，降低重金属的有效性，减轻对作物的毒害[26]。生物炭同样具有吸附重金属离子的作用，生物炭与菌糠相互作用改善了土壤微生物环境，提高了C/N，降低了土壤铜离子的有效性，可以更好的修复植物所受的重金属污染，且以高量菌糠施入效果最佳。

单施生物炭处理的转移系数大于对照，富集、转移系数大于单施等量菌糠，说明在100 g施入条件下，菌糠对植物吸收重金属的修复效果最佳。这可能是因为菌糠对土壤的改良效果优于生物炭，这与刘领[27]的研究结果施用鸡粪处理对促进植物生长改善生理特性效果优于生物炭类似。菌糠施用量为100 g及200 g条件下的生物炭配施处理比菌糠单施处理富集及转移系数高，而300 g菌糠的配施处理富集及转移系数小，这可能是因为高量的菌糠与生物炭相互作用才能更好的降低植物对重金属的吸收，充分发挥菌糠与生物炭二者的优点。

4 结论

(1)菌糠与生物炭作为土壤改良剂均能提高玉米叶绿素含量，提高玉米CAT酶活性，降低逆境或衰老条件下玉米细胞膜所受损伤，减少玉米各部位Cu含量，缓解玉米所受的Cu胁迫，促进玉米植株的生长。

(2)从菌糠的施用量来说，无论单施与配施，对缓解铜污染促进玉米的生长效果，表现为最高施入量300 g·10 kg-1优于低施入量。从施入效果来看，过氧化氢酶活性表现为菌糠单施处理优于生物炭菌糠配施处理；减缓细胞膜受损程度表现为幼苗期菌糠单施优于生物炭菌糠配施，成熟期相反；对降低重金属的吸收能力表现为配施优于单施。但对于二者在土壤中相互作用的原理仍需进一步探讨。

(3)根据我国食品污染物限量标准(GB2762-2012)食品中铜的限量标准，谷物及其制品中Cu的允许浓度是Cu≤10 mg·kg-1，试验中所得的玉米茎叶果实中的铜含量均超过了国家标准，因此不能作为食用作物。但未超过国家饲料卫生标准(Cu≤35 mg·kg-1)，因此可以作为饲料或者工业原料来进行利用。