蘑菇廢料對農(nóng)田土壤重金屬鎘的修復作用和水稻產(chǎn)量的影響

楊涵越 姚雯蕾 張慧萍 楊雨欣 孫雪嬌

摘要 利用蘑菇廢料作為穩(wěn)定劑，通過水稻盆栽試驗，采集不同時期土壤和植株樣本，監(jiān)測土壤及植株中的鎘含量及土壤理化性質(zhì)，評估修復效果，并探析可能的機理。結果發(fā)現(xiàn)，蘑菇廢料施用可以使土壤中有效態(tài)鎘含量下降64.0%以上，植株中鎘含量下降27.9%，糙米中鎘含量下降17.7%，表明具有較好的鎘修復作用;同時，蘑菇廢料施用使土壤有機質(zhì)含量提高了30.0%以上，水稻產(chǎn)量提高32.9%，表明具有提高土壤生產(chǎn)力的作用。

關鍵詞 蘑菇廢料;農(nóng)田土壤;鎘;修復;水稻產(chǎn)量

中圖分類號 S156.2? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2020）20-0057-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.017

Effects of Mushroom Waste on the Remediation of Heavy Metal Cadmium in Farmland Soil and Rice Yield

YANG Han-yue，YAO Wen-lei，ZHANG Hui-ping et al

（School of Environment and Civil Engineering， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214000）

Abstract Using mushroom waste as stabilizer， through pot experiment of rice， soil and plant samples were collected， cadmium content and soil physical and chemical properties in soil and plant were monitored， remediation effect was evaluated， and possible mechanism was explored. The results showed that the application of mushroom waste could decrease the content of available cadmium in soil by more than? 64.0%， the content of cadmium in plant by 27.9%， and the content of cadmium in brown rice by 17.7%， which indicated that mushroom waste application could increase the content of soil organic matter by more than 30.0% and the yield of rice by 32.9%， indicating that the application of mushroom waste could increase the productivity of soil.

Key words Mushroom waste;Farmland soil;Cadmium;Remediation;Rice yield

近年來土壤重金屬污染日益嚴重，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國遭受重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占總耕地面積的20%，其中約1 000萬hm2的耕地是由工業(yè)三廢污染造成的，被污染灌溉的農(nóng)田已經(jīng)達130多萬hm2 [1]。由于土壤重金屬污染具有長期性、潛伏性、普遍性和不可逆性，并且重金屬能被農(nóng)作物吸收但是不能被降解，這嚴重影響我國農(nóng)作物的質(zhì)量，對人類健康和食品安全構成巨大威脅。所以重金屬污染土壤的修復成為國內(nèi)外環(huán)保研究的熱點問題 [2]。其中鎘能夠?qū)θ梭w造成很嚴重的傷害且不易治療，重金屬鎘污染也成為了研究的熱點問題。

原位鈍化修復技術是指向土壤中施入鈍化劑，對土壤重金屬的生物有效性進行調(diào)控，降低重金屬在土壤中的有效性和遷移性，進而減少農(nóng)作物對土壤重金屬的吸收 [3]，穩(wěn)定劑鈍化是原位修復鎘污染農(nóng)田土壤的重要手段之一。蘑菇廢料是蘑菇種植后殘留下來的培養(yǎng)基廢料，其原料來源廣泛，成本較低;富含有機質(zhì)，利于改善土壤肥力;且含多種礦質(zhì)元素和有機活性基團，有利于改良土壤，降低土壤重金屬有效性。有研究表明，蘑菇廢料對廢水中重金屬有很好的吸附作用，因而研究其對土壤Cd的修復具有重要意義 [4]。

該研究選用雙孢菇蘑菇廢料作為鈍化劑，利用盆栽試驗，研究水稻生長不同時期土壤和植株中的鎘含量及土壤理化性質(zhì)的變化，以期評估鈍化修復效果，以及提高土壤肥力，并探析可能的作用機理。

1 材料與方法

1.1 供試土壤采集及理化性質(zhì)

該研究所用土壤取自江蘇省無錫市郊區(qū)某村莊的農(nóng)田水稻土。土樣經(jīng)風干磨碎過10目篩，進行土柱試驗;部分土壤進一步研磨過100目篩，用于理化性質(zhì)分析。供試土壤基本理化性質(zhì)：

pH 5.58、陽離子交換量（CEC）11.95 cmol/kg、有機質(zhì)含量29.4 g/kg、總氮含量1.2 g/kg、總磷含量 0.9 g/kg、總鉀含量10.3 g/kg。

1.2 室內(nèi)模擬試驗

模擬制備中度Cd污染土：稱50 g風干土于多個100 mL燒杯中，以CdCl2·2.5H2O溶液的形式往其中加入Cd溶液（相當土壤Cd濃度為3.3 mg/kg），攪拌均勻，模擬中度Cd污染土壤，保持土壤含水率，室溫下平衡 14 d。

為了探析適宜的蘑菇廢料添加量，進行室內(nèi)模擬試驗，即向模擬污染土中按照1.0%、2.0%、5.0%的比例分別添加雙孢菇廢料，并以不加蘑菇廢料為對照，總共24個處理，每個處理設3個重復。調(diào)節(jié)含水率為70% 最大田間持水量，并定期補水，保持土壤含水量，置于干燥通風處鈍化。鈍化 14 d后采集土壤，風干磨碎，過100目篩，待測分析。

1.3 水稻盆栽試驗

1.3.1

添加蘑菇廢料。將模擬好的污染土壤轉(zhuǎn)移到周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，捏碎成小塊以5%的比例加入蘑菇廢料（雙孢菇），攪拌混合后裝回花盆中，并保持70%的最大田間持水量，鈍化14 d后用于水稻移栽。

1.3.2

水稻育秧及移栽。選取當?shù)厮酒贩N武運粳23號作為試驗對象，水稻種子經(jīng)曬—消毒—浸種—發(fā)芽后播種于育秧盤中 [5]，期間保持2～3 cm的含水層，育秧周期為30 d。挑選長勢接近的水稻秧苗分別移栽于已鈍化14 d的花盆中，每盆1株。用水灌溉使盆中水位保持2～3 cm。在分蘗期施用基肥，每盆裝土5.0 kg，加入基肥后拌勻，基肥用量為 0.2 g/kg N、0.1 g/kg P2O5和0.2 g/kg K2O，肥料品種為尿素、普鈣和氯化鉀。分蘗期到抽穗期之間施用農(nóng)藥，成熟期進行排水烤田，管理總體按照田間管理進行。

1.3.3

樣品采集。分別于水稻生長的4個主要時期（分蘗、抽穗、灌漿、成熟）采集土壤樣品、水稻植株地上、地下部分。

1.4 分析測定

該試驗為破壞性采樣，將盆栽中的土全部取出進行測定。土樣經(jīng)風干、磨碎，過100目篩，裝袋保存，待測分析其理化性質(zhì)和有效鎘含量;土壤pH采用電位法測定 [6]，水土比1∶2.5;土壤陽離子交換量（CEC）用BaCl2- MgSO4強迫交換法測定 [7]。

土壤有效態(tài)Cd含量的測定：稱取5.0 g風干土樣于 100 mL三角瓶中，加入25 mL 0.1 mol/L的CaCl2溶液，在 25 ℃下，以150 r/min的速率浸提2 h，離心過濾，并用AA-7000型火焰原子吸收分光光度計測定Cd含量。植株Cd含量的測定：稱取0.2 g樣品，加入10.0 mL HNO3，經(jīng)微波消解（Multiwave PRO型，奧地利Anton Paar 公司）后，用火焰原子吸收分光光度計測定Cd含量。

土壤相關酶活性的測定根據(jù)Guan [8]的方法。蔗糖酶活性根據(jù)蔗糖水解的生成物與某種物質(zhì)3，5-二硝基水楊酸生成有色化合物進行比色測定，蔗糖酶活性以24 h 1 kg土壤中葡萄糖的克數(shù)表示。采用靛酚藍比色法測定土壤脲酶的活性，以24 h后1 kg土壤中NH3-N的克數(shù)表示土壤脲酶活性（Ure）。

各種鎘形態(tài)采用Tessier法測定 [9]。檢測的形態(tài)有5種，分別是可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳水合氧化物結合態(tài)、有機物和硫化物結合態(tài)、殘余態(tài)。

1.5 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0進行計算以及相關性分析。土壤酶活性以及鎘各態(tài)的試驗數(shù)據(jù)用平均值來表示，土壤酶活性和鎘各態(tài)與植株生物量之間的線性相關分析數(shù)據(jù)采用總平均值。

2 結果與分析

2.1 蘑菇廢料對水稻生物量和產(chǎn)量的影響

從水稻各生育期生物量及籽粒產(chǎn)量（表1）可以看出，與對照相比，無論是地上、地下生物量還是籽粒產(chǎn)量，加入蘑菇廢料都能提高，蘑菇廢料施用使產(chǎn)量提高32.8% 。鄔石根等 [10]在黑龍江某大田內(nèi)取用水稻土，向其中添加秸稈進行盆栽試驗，結果發(fā)現(xiàn)土壤中全氮增加0.06 g/kg，速效磷增加1.41 mg/kg，速效鉀增加3.44 mg/kg，從而使水稻產(chǎn)量增加5.0%。與秸稈這類有機質(zhì)相較，加入蘑菇廢料對提高水稻產(chǎn)量有更顯著的效果。

2.2 蘑菇廢料對有機質(zhì)含量的影響

從水稻各生育期土壤有機質(zhì)含量（圖1）可以看出，與對照相比，加入蘑菇廢料使土壤有機質(zhì)含量明顯提高。有機質(zhì)在水稻生長4個時期都呈上升趨勢。蘑菇廢料含有豐富的腐殖類物質(zhì)，孫巖等 [11]研究發(fā)現(xiàn)腐殖物質(zhì)易于與金屬離子復合。一方面，蘑菇廢料在土壤中發(fā)生腐殖質(zhì)變化，以腐殖質(zhì)的形態(tài)存在，作為有機膠體，帶負電荷，而且具有巨大的表面積和表面能，可大大增加CEC，吸附土壤溶液中鹽基離子 [12];另一方面，腐殖質(zhì)含有大量的羧基、羥基等含氧官能團，氧化過的有機質(zhì)比未被氧化的對鹽基離子有更好的固定效果 [13]。

2.3 土壤pH的變化

pH在水稻生長過程中一直呈上升狀態(tài)，加入蘑菇廢料的雙孢菇組明顯高于空白組，使pH接近于7（圖2）。土壤酸堿度是土壤養(yǎng)分的重要特征，不僅影響土壤微生物活性，而且與土壤養(yǎng)分的形成、轉(zhuǎn)化、有效性及水稻生長發(fā)育密切相關 [14]。土壤陽離子交換量（CEC）是土壤吸附和交換的陽離子容量，其大小與土壤膠體種類和含量有關，取決于土壤礦物種類、有機質(zhì)含量等基本性質(zhì) [15]。由于鎘在土壤中的形態(tài)與土壤CEC密切相關，且CEC（圖3）與pH聯(lián)系較為緊密，所以控制土壤pH十分重要 [16]。

2.4? 蘑菇廢料對土壤中蔗糖酶和脲酶活性的影響

從表2可以看出，加入蘑菇廢料的雙孢菇組蔗糖酶的活性在4個時期都高于空白組，且在分蘗期酶活最強。說明植株不同的生

長時期是影響其活性的一個重要因素。植株不同時期對蔗糖酶活性影響程度不同，這與馬曉霞等 [17]研究的結果基本一致。在成熟期時，對比空白組雙孢菇組明顯提高酶的活性近20%。脲酶的活性在前3個時期時，都是雙孢菇組的活性高于空白組，但在成熟期時，空白組的酶活大于雙孢菇組，且在抽穗期和灌漿期脲酶活性較高，抽穗期脲酶活性略大于灌漿期。

蔗糖酶活性影響土壤中碳的含量 [18]，而碳的含量是衡量土壤肥力的重要指標。從表3可以明顯看出，雙孢菇組的碳含量每個時期相較空白組提高了13.1%～30.0%。土壤中脲酶活性是影響氮含量的重要指標，也是衡量土壤肥力的重要指標。表3顯示，未加蘑菇廢料的空白組土壤氮含量變化不大，而加入蘑菇廢料的雙孢菇組氮含量不同時期高于空白組10.0%～44.4%。說明施加蘑菇廢料可以提高土壤中C、N含量，從而提高土壤肥力。

在成熟期雙孢菇組表現(xiàn)出脲酶活性低于空白組，主要由于受到了腐殖質(zhì)增加的反向抑制作用?？瞻讓φ帐菃我籆d污染，而Cd單一污染下表現(xiàn)出對脲酶的強烈抑制 [19]。在成熟期時，脲酶主要來自于植株的根系分泌和微生物 [20]，施加重金屬可以對這些微生物產(chǎn)生抑制，使得微生物體內(nèi)酶的合成與分泌減少，致使土壤酶活性受到抑制 [21]。而施加蘑菇廢料使得土壤中腐殖質(zhì)含量增高，脲酶和腐殖質(zhì)結合后導致活性位點減少，二者的底物形成的競爭作用導致酶活性下降 [22]。因此，雙孢菇組中脲酶不僅受到Cd污染脅迫，還受到腐殖質(zhì)增加的反向抑制。

2.5 土壤中各形態(tài)鎘和植株總鎘含量的變化

土壤有效態(tài)鎘是衡量蘑菇廢料鈍化作用效果的重要參數(shù)。從表4可以看出，加入蘑菇廢料能顯著降低土壤有效態(tài)鎘濃度，與空白組對比，土壤中有效態(tài)的鎘大幅度降低;在黎秋君等 [23]的試驗結果中同樣證明加入有機質(zhì)能對Cd起到鈍化作用，且其對Cd鈍化效果最高降幅達59.7%。該研究中所用的蘑菇廢料可使鎘鈍化降幅達67.0%以上。

植株中的總鎘含量也是評價蘑菇廢料鈍化作用的重要指標之一。如表4所示，加入蘑菇廢料后，植株體內(nèi)的鎘含量明顯低于空白組，植株體內(nèi)的鎘下降了近29.0%。劉運坤 [24]研究表明在銅單一污染土壤中，加入活性炭植株中銅的含量與無改良處理相比降低了27.1%。該試驗對重金屬離子在土壤中的鈍化效果與之相近。

從表5可以看出，可交換態(tài)Cd在土壤中總體呈現(xiàn)下降趨勢，在灌漿期出現(xiàn)上升的現(xiàn)象，說明已經(jīng)轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)的鎘再次轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)Cd。此種現(xiàn)象在湯帆 [25]的研究中也曾出現(xiàn)，而就其作用機理目前還未得到確切的解釋。只是可以推斷在這一階段蘑菇廢料已基本被分解完全，對鎘的鈍化作用已經(jīng)減弱，致使一部分被鈍化的鎘釋放出來;也可能在這個階段植株自身產(chǎn)生了一系列作用使得鈍化的鎘被解析，但需要更多的研究加以證明。碳酸鹽結合態(tài)Cd含量大量下降，在安梅等 [26]的試驗中同樣出現(xiàn)加入有機質(zhì)后土壤中碳酸鹽結合態(tài)Cd含量降低的現(xiàn)象。鐵錳水合氧化物結合態(tài)Cd含量為負值，表示土壤中不存在這種形態(tài)的鎘。有機物和硫化物結合態(tài)Cd含量變化很小，表示加入蘑菇廢料對這種形態(tài)的鎘幾乎沒有影響。殘余態(tài)Cd在土壤中含量有較小的上升。殘余態(tài)最穩(wěn)定，即不能被植物利用，遷移性小 [27-28]。在許仙菊等 [29]的研究中也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。在中污染和低污染水平下，土壤有機物和硫化物結合態(tài)Cd與殘余態(tài)Cd在整個生長過程中變化都不大，這可能與這2種形態(tài)的鎘的活性相對較低有關。由表4可以得出，加入蘑菇廢料后植株中鎘含量明顯低于空白組，成熟期植株內(nèi)鎘下降27.9%，糙米中鎘含量下降17.7%，表明蘑菇廢料具有較好的鎘修復作用。影響鎘在植株中遷移轉(zhuǎn)化的主要因素包括土壤理化性質(zhì)（土壤有機質(zhì)、氧化還原電位、土壤溫度）、外施肥料的種類和數(shù)量、其他金屬元素（如Zn、Ca、K、Mg等）及陪伴陰離子Cl-和SO4 2-、栽培植株的種類、栽培方式和耕作制度等。其中pH是土壤所有參數(shù)中影響Cd形態(tài)和有效性的最重要因素 [30]。同時，蘑菇廢料施用使土壤有機質(zhì)含量提高了30.0%以上，水稻產(chǎn)量提高32.9%，表明具有提高土壤生產(chǎn)力的作用。

2.6 土壤酶活性與不同形態(tài)鎘的相關性分析

由表6可知，蔗糖酶活性與Cd可交換態(tài)呈正相關，脲酶活性與可交換態(tài)呈負相關。Cd可交換態(tài)含量越低，則蔗糖酶活性越高，參與土壤中碳水化合物的轉(zhuǎn)化就越活躍。加入雙孢菇的土壤中可交換態(tài)鎘含量顯著小于空白對照組，即其蔗糖酶活力大于空白組，有機質(zhì)含量也顯著高于空白組，植株生物量及最終產(chǎn)量同樣都高于空白組。這說明加入蘑菇廢料能使土壤中鎘可交換態(tài)含量降低，提高土壤肥力實現(xiàn)增產(chǎn)。

2種酶活性與碳酸鹽結合態(tài)均呈正相關。在土壤中沒有鐵錳水合氧化物結合態(tài)存在，所以無法判斷2種酶的活性與其相關關系。2種酶與有機物和硫化物結合態(tài)也均呈正相關;蔗糖酶與殘余態(tài)呈顯著負相關，而脲酶活性與其呈弱正相關。蔗糖酶活性與脲酶活性對于重金屬Cd可交換態(tài)呈不同的相關關系，這與已知的相應試驗結果相符 [31]。該研究土壤脲酶與重金屬Cd可交換態(tài)呈負相關關系，對于預測土壤重金屬可交換態(tài)具有一定的可行性。蔗糖酶與土壤重金屬可交換態(tài)呈正相關，表明其對蔗糖酶有刺激作用，但機理原因尚且不明確，有待進一步的研究。

3 結論與討論

蘑菇廢料施用可以使土壤中有效態(tài)鎘含量下降64.0%以上，植株中鎘含量下降27.9%，糙米中鎘含量下降17.7%，表明施加蘑菇廢料具有較好的鎘修復作用;同時，蘑菇廢料施用使土壤有機質(zhì)含量提高了30.0%以上，水稻產(chǎn)量提高 32.9%，表明其具有提高土壤生產(chǎn)力的作用。蘑菇廢料作為一種生物有機質(zhì)對環(huán)境沒有二次污染，對生態(tài)友好，若用于生產(chǎn)中可預見不錯的效果。

由于該研究模擬的是中度鎘污染土壤，雖然證實了預期的效果，但在稻米中鎘的含量仍然超過國家規(guī)定的可食用標準，所以該方法適用于輕度鎘污染土壤修復中，而對于鎘中度污染土壤單純地加入蘑菇廢料對其進行修復效果還并不能達標，需要聯(lián)合其他鈍化材料進行修復應用，這些均有待進一步研究。

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