菌渣對(duì)蓖麻修復(fù)鎘和鋅復(fù)合污染土壤的影響

石正馳, 何池全, 熊鵬鵬, 程 雪

(1.上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,上海200444;2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海200444;3.上海大學(xué)能源作物育種及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200444)

近年來(lái),隨著農(nóng)藥的大量施用和工業(yè)的迅速發(fā)展,土壤污染問(wèn)題日益嚴(yán)重.土壤中的重金屬由于不能被土壤微生物分解,只能在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化,這一特性已引起廣泛關(guān)注.土壤中的鎘(Cd)毒性較高,易通過(guò)食物鏈在植物、動(dòng)物和人體內(nèi)積累,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1];鋅(Zn)毒性較低,但在環(huán)境中的平均濃度達(dá)到了74.2 mg·kg-1,對(duì)受到其污染土壤的去除同樣成為急需解決的問(wèn)題[2].植物修復(fù)技術(shù)因成本低廉,環(huán)境友好,不破壞且能夠穩(wěn)定土壤等特性,被認(rèn)為是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的治理污染土壤的技術(shù)[3].通過(guò)向受重金屬污染土壤中添加無(wú)機(jī)肥(inorganic fertilizer,IF)和有機(jī)肥,能夠有效提高土壤肥力.傳統(tǒng)化肥的施用雖然能在短期內(nèi)提高作物產(chǎn)量,但會(huì)造成土壤板結(jié)等性質(zhì)上的惡化.將菌渣(spent mushroom substrate,SMS)作為一種有機(jī)肥添加到土壤中,可改善土壤的物化性質(zhì),從而促進(jìn)植物生物量的增加和植物修復(fù)效率的提高[4].據(jù)統(tǒng)計(jì),菌渣作為一種食用菌栽培基廢料,在我國(guó)每年至少產(chǎn)生400萬(wàn)t[5],而其利用率僅為33%,造成極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境問(wèn)題.已有研究表明,菌渣中含碳物質(zhì)較多,在土壤中可轉(zhuǎn)化形成有機(jī)質(zhì),通過(guò)提高土壤有效磷、速效鉀和含氮量來(lái)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[6],但關(guān)于菌渣在植物修復(fù)受重金屬污染土壤中的應(yīng)用和研究的報(bào)道還很缺乏.為此,本工作以雙孢菇菌渣為研究對(duì)象,將其添加到受鎘、鋅復(fù)合污染的土壤中,研究其在蓖麻植物修復(fù)過(guò)程中對(duì)土壤環(huán)境的影響,以期為菌渣作為受重金屬污染土壤改良劑的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材 料

菌渣:取自安徽省某雙孢菇栽培基地,pH值為6.4,有機(jī)質(zhì)含量為35.8%,總氮含量為3.98%,有效磷含量為0.125%.

無(wú)機(jī)肥:取自某市場(chǎng),為史丹利硫酸鉀型肥料,氮含量為18%,總磷含量為18%,鉀含量為18%.

土壤:取自上海大學(xué)校園土表層(N31.31°,E 121.40°),風(fēng)干后分別過(guò)2.000,0.250,0.149 mm篩進(jìn)行理化性質(zhì)分析.土壤pH值為7.62,有機(jī)質(zhì)含量為11 750 mg·kg-1,總氮含量為418 mg·kg-1,總磷含量為1 432 mg·kg-1,每2 kg土壤被分裝在帶有托盤(pán)的塑料盆中,放在人工氣候室并保持含水量為60%.以水溶態(tài)向土壤中加入氯化鎘和氯化鋅,控制鎘濃度為1 mg·kg-1,鋅濃度為 100,500,1 000 mg·kg-1,設(shè)置處理組為 Cd0Zn0,Cd1Zn0,Cd1Zn100,Cd1Zn500,Cd1Zn1000.

實(shí)驗(yàn)組別:考慮到土壤肥力,分別設(shè)置添加無(wú)機(jī)肥(IF)和菌渣(5%SMS)兩個(gè)處理組,其中CK為空白對(duì)照,不作處理.蓖麻種子用30%過(guò)氧化氫浸泡10 min,每盆播入5顆種子,發(fā)芽7 d后間苗至每盆3株.采用重力法每天加入蒸餾水,使土壤保持含水量為60%.

1.2 分析測(cè)試方法

土壤pH值采用電極法直接測(cè)定(水土質(zhì)量比為1∶2.5),采用土壤氧化還原電位儀直接測(cè)定氧化還原電位.

土壤累計(jì)水損失量:將干土裝入燒杯中,測(cè)量其面積為s,加400 mL水,含水量為40%,稱(chēng)重為m1.分別在第72,96,120,144 h測(cè)定重量,分別記為mt,則

土壤孔隙率:用已知容積(V)的環(huán)刀切削土壤,使土樣充滿(mǎn)環(huán)刀,再用天平稱(chēng)量環(huán)刀中土壤的重量(m1),在烘箱(105°C)中烘干土壤水分,稱(chēng)量烘干后土壤的重量(m2).再將環(huán)刀垂直全部壓入土樣,將土裝入容器(記容器重量為m3),在烘箱(105°C)中烘干土壤水分至恒重記為m4,則

土壤微生物活性:采用熒光素雙醋酸脂(fluorescein diacetate,FDA)法水解測(cè)定.稱(chēng)取1 g土樣(干重),放入30 mL滅菌后pH=7.6的磷酸緩沖液中,于30°C,200 r/min搖床中分散15 min,加入2 g/L的FDA溶液1 mL,于搖床中顯色2 h,于490 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度,換算成單位質(zhì)量土樣水解產(chǎn)生的熒光素質(zhì)量,并計(jì)算各處理組土樣與對(duì)照土樣的FDA水解比值.

數(shù)據(jù)處理:所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件分析,顯著性差異水平采用Duncan分析(P＜0.05).

2 結(jié)果與討論

2.1 菌渣對(duì)土壤累計(jì)水損失量的影響

為探究不同菌渣含量對(duì)土壤持水性和保水性的影響,本實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置了0%,3%,5%和7%菌渣配比的土壤,控制土壤含水量為38%,分別在0,72,96,120和144 h測(cè)定原土、不同配比菌渣添加處理?xiàng)l件下土壤水累計(jì)損失量(見(jiàn)圖1).

圖1 菌渣含量對(duì)土壤累計(jì)水損失量的影響Fig.1 Effect of different SMS amounts on soil cumulative water loss

由圖1可以看出,土壤累計(jì)水損失量隨著時(shí)間推移而增多.添加菌渣能有效緩解水損失,且緩解作用隨著菌渣添加量的增加而增強(qiáng).在144 h,緩解作用達(dá)到最佳,添加3%,5%和7%菌渣條件下累計(jì)水損失量分別為57.2%,78.6%和78.7%.

水分是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要環(huán)境因子之一,水分脅迫(尤其是干旱脅迫)是經(jīng)常發(fā)生的、并且是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要逆境問(wèn)題,因此土壤的含水量與保水性在植物生長(zhǎng)過(guò)程中尤為重要.土壤含水量過(guò)低會(huì)影響植物進(jìn)行光合作用,降低植物有機(jī)物質(zhì)的積累,無(wú)法滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)的需求,使得株高、生物量等受到明顯抑制,同時(shí)蒸騰作用和氣孔導(dǎo)度會(huì)顯著降低,從而抑制植物的生長(zhǎng)[7],進(jìn)一步影響植物對(duì)土壤中污染物質(zhì)的積累量和植物修復(fù)效率.

只有在適宜的含水率條件下,植物才能順利進(jìn)行正常的生命活動(dòng).已有研究表明,土壤含水量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有著高度依賴(lài)性,有機(jī)質(zhì)控制著土壤含水量及其有效性[8],土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加會(huì)改變土壤的膠體狀況,使土壤吸附作用增強(qiáng),從而使得土壤含水量提高.菌渣的添加能夠有效提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,降低土壤中水分的蒸發(fā)量,有利于水分下滲,從而達(dá)到改良土壤保水、持水效果的目的,為植物根系的生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的環(huán)境.

2.2 菌渣對(duì)土壤孔隙率的影響

為了對(duì)比菌渣、無(wú)機(jī)肥添加量對(duì)受重金屬污染土壤通氣狀況的影響,分別設(shè)置菌渣添加組和無(wú)機(jī)肥添加組,對(duì)土壤孔隙率進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如圖2所示,圖中a,b,c,d表示各處理組間的顯著性差異(P＜0.05).

圖2 菌渣對(duì)各處理組土壤孔隙率的影響Fig.2 Effect of SMS on soil porosity ratio in different treatments

由圖2可以看出,土壤孔隙率隨土壤中重金屬濃度的增加而降低.對(duì)于無(wú)機(jī)肥添加組,不同重金屬濃度下土壤孔隙率相較Cd0Zn0分別降低了2.2%,5.3%,12.3%和11.4%;對(duì)于菌渣添加組,不同重金屬濃度下土壤孔隙率相較Cd0Zn0分別降低了0.5%,8.1%,9.3%和12.4%.土壤中無(wú)機(jī)肥的添加會(huì)使土壤孔隙率有所降低,降低程度隨土壤中重金屬濃度的增加而升高,且在Cd1Zn1000達(dá)到最低,相較于對(duì)照組降低了16.8%.菌渣添加組土壤孔隙率均大于空白對(duì)照組,在Cd0Zn0達(dá)到最高,相較于對(duì)照組增加了19.7%,在Cd1Zn0,Cd1Zn100,Cd1Zn500,Cd1Zn1000分別增加了19.2%,10.1%,8.7%和5.1%.對(duì)于菌渣和無(wú)機(jī)肥同時(shí)添加組,土壤孔隙率也有明顯的增加,增加效果介于菌渣添加組和無(wú)機(jī)肥添加組之間.

土壤孔隙率對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)同樣有著高度依賴(lài)性,土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加能夠改善土壤結(jié)構(gòu),使得土壤孔隙增大,可進(jìn)一步提高根際氧的濃度,有利于植物根系的生長(zhǎng),為植物根系吸收養(yǎng)分和水分提供更佳的土壤條件.然而,已有研究表明,無(wú)機(jī)肥的添加會(huì)導(dǎo)致其部分轉(zhuǎn)化為難溶性元素,難以被植物吸收利用,且會(huì)造成土壤板結(jié)[9],本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明無(wú)機(jī)肥的添加會(huì)使土壤的孔隙率有降低的趨勢(shì).而菌渣的添加能夠有效提高土壤孔隙率,由于菌渣自身結(jié)構(gòu)疏松多孔,能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成進(jìn)而影響土壤孔隙率,從而改善土壤通氣性和透水性.因此,菌渣具有良好的改良土壤孔隙的效果,相較于無(wú)機(jī)肥,菌渣更適合作為土壤改良劑,從而改善土壤結(jié)構(gòu).

2.3 菌渣對(duì)土壤氧化還原電位的影響

為了對(duì)比菌渣與無(wú)機(jī)肥添加對(duì)受重金屬污染土壤氧化還原狀況的影響,對(duì)菌渣添加組和無(wú)機(jī)肥添加組中的土壤氧化還原電位進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如圖3所示,圖中字母a,b,c表示各處理組間顯著性差異(P＜0.05).

由圖3可以看出,土壤中添加無(wú)機(jī)肥和添加菌渣都能有效增強(qiáng)土壤氧化還原電位,但增強(qiáng)幅度隨著土壤中重金屬濃度的增加而降低.相較于空白對(duì)照組,無(wú)機(jī)肥添加分別使Cd0Zn0,Cd1Zn0,Cd1Zn100,Cd1Zn500,Cd1Zn1000處理組的氧化還原電位增加了40.4%,41.6%,34.2%,33.2%和30.3%;菌渣對(duì)土壤氧化還原電位的增強(qiáng)效果大于無(wú)機(jī)肥,使得氧化還原電位在各重金屬處理組中分別增加了81.4%,79.0%,72.3%,68.8%和65.5%.菌渣和無(wú)機(jī)肥同時(shí)添加組也使土壤氧化還原電位有明顯的提高,且增強(qiáng)效果介于菌渣添加組和無(wú)機(jī)肥添加組之間.

圖3 菌渣對(duì)各處理組土壤氧化還原電位的影響Fig.3 Effects of SMS on soil oxidation-reduction potential in different treatments

土壤氧化還原電位是反映土壤溶液中氧化還原狀況的指標(biāo),與土壤通氣程度和養(yǎng)分的有效性相關(guān),當(dāng)土壤通氣狀況較好,養(yǎng)分有效性較高時(shí),能夠維持較高的氧化還原電位.土壤強(qiáng)還原條件會(huì)使得生長(zhǎng)有毒物質(zhì)積累,不利于植物的生長(zhǎng),而氧化還原電位的增強(qiáng),會(huì)提高土壤通氣性,更利于植物的生長(zhǎng)[10].

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,添加無(wú)機(jī)肥和添加菌渣都能改善土壤還原狀況,增加土壤中的養(yǎng)分,從而使土壤的氧化還原電位增強(qiáng).與無(wú)機(jī)肥添加組相比,菌渣的添加能夠更好地增強(qiáng)土壤氧化還原電位,通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu),維持土壤含水量,提高土壤透氣程度,緩解植物生長(zhǎng)的限制因素,使得植物更易分解土壤中的有機(jī)質(zhì),并利用土壤中的養(yǎng)料更好地進(jìn)行代謝作用,從而有利于提高植物的光合作用和進(jìn)行物質(zhì)的同化積累.

2.4 菌渣對(duì)土壤微生物活性的影響

為了探究菌渣和無(wú)機(jī)肥添加對(duì)受Cd,Zn污染土壤中各種酶類(lèi)、總微生物活性的影響,對(duì)各處理組中FDA水解酶活性進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如圖4所示,圖中a,b,c表示各處理組間顯著性差異(P＜0.05).

FDA水解涉及多種酶類(lèi),可體現(xiàn)土壤總微生物活性的變化,故用FDA水解比值來(lái)表示土壤微生物活性的變化.由圖4可知,低濃度重金屬對(duì)土壤中微生物活性有略微促進(jìn)與激活作用,隨著重金屬濃度的增大,對(duì)土壤微生物毒性增強(qiáng),使微生物活性受到抑制.在無(wú)機(jī)肥添加組,土壤微生物活性在土壤重金屬處理組為Cd1Zn1000時(shí)受到的抑制作用最強(qiáng),其FDA水解比值減小為Cd0Zn0的69%.添加菌渣能有效提高土壤中微生物的活性,Cd0Zn0,Cd1Zn0,Cd1Zn100,Cd1Zn500,Cd1Zn1000的微生物活性分別是無(wú)機(jī)肥添加組的1.81,1.78,1.82,1.92和2.26倍.同時(shí)添加菌渣和無(wú)機(jī)肥對(duì)土壤微生物活性的影響與菌渣添加組趨勢(shì)保持一致.

圖4 菌渣對(duì)各處理組土壤微生物活性的影響Fig.4 Effects of SMS on the activity of microorganism in soil in different treatments

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)解者和分解者,參與土壤的有機(jī)物質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)、污染物的降解和土壤結(jié)構(gòu)形成等諸多土壤生態(tài)過(guò)程.低濃度重金屬條件會(huì)對(duì)土壤中微生物的活性有激活作用,故導(dǎo)致在Cd1Zn0,Cd1Zn100中微生物活性大于Cd0Zn0;而高濃度的重金屬條件會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)過(guò)程,對(duì)土壤中微生物產(chǎn)生毒害作用,使得微生物在土壤中污染物質(zhì)增多的情況下活性降低.總體而言,土壤微生物活性在土壤重金屬脅迫下表現(xiàn)出低促高抑的特性,這一現(xiàn)象與Hagmann等[11]的觀(guān)察一致.

菌渣獨(dú)特的理化性質(zhì)和豐富的營(yíng)養(yǎng)元素可以有效地改善土壤中微生物的生態(tài)環(huán)境[12],大量有機(jī)物質(zhì)可作為碳源被微生物利用,從而增加土壤中的微生物量[13-14].土壤微生物活性的提高,一方面可改善土壤環(huán)境,利于植物生長(zhǎng);另一方面還可活化土壤中的污染物質(zhì),使其更易被植物吸收萃取轉(zhuǎn)移到地上部分,從而提高植物修復(fù)效率.

3 結(jié)束語(yǔ)

本工作將菌渣添加到受鎘、鋅復(fù)合污染的土壤中,觀(guān)察其對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,從而為菌渣作為重金屬污染土壤改良劑的應(yīng)用提供理論依據(jù).研究結(jié)果表明,菌渣在一定程度上改善了土壤的理化性質(zhì),主要體現(xiàn)在以下方面:①5%菌渣在144 h減少78.7%的土壤失水量,提高了土壤的保水性,使得土壤環(huán)境更有利于植物的生長(zhǎng);②添加菌渣可提高5.1%～19.2%土壤孔隙率,增加土壤透氣程度,疏松土壤,從而增強(qiáng)根系在土壤中的呼吸作用與新陳代謝;③添加菌渣可提高65.5%～81.4%土壤氧化還原電位,使得土壤中的養(yǎng)分被更有效地利用,促進(jìn)土壤肥力,從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng);④相較于無(wú)機(jī)肥添加組,添加菌渣可提高78%～126%土壤中微生物的活性,加速有機(jī)質(zhì)的分解,形成腐殖質(zhì),從而達(dá)到改善土壤生態(tài)環(huán)境的目的.