煤氣化渣配施平菇菌糠對礦區土壤中紫花苜蓿幼苗根系的影響

艾 國，惠生娟，鄧仲勛，尚瑞勇，陳 花

（1. 神木職業技術學院，陜西 神木 719300；2. 榆林學院生命科學學院，陜西 榆林 719000）

陜西省煤炭資源豐富，煤化工產業迅猛發展，煤氣化渣年排放量與日俱增。煤氣化渣可分為粗渣和細渣兩類[1]。煤氣化渣在固體廢物中的產量大，迫切需要處理。因此，對煤氣化渣進行合理利用，不僅可以消除煤氣化渣的危害，還可以變廢為寶，對煤化工行業綠色可持續發展具有重要意義?，F有研究表明，煤氣化渣一般含有氧化鈣，其中的氧化鈣與水反應生成氫氧化鈣，呈堿性，可用于酸性農田土壤的改良；煤氣化渣中含有鈣、鎂等離子，由于堿性強，能夠促進有機質的快速分解，可改善土壤的供肥和保肥能力。煤氣化渣經過高溫處理，幾乎不存在有機污染物，其毒性主要在于含有有害重金屬元素[2]，但煤氣化渣中的重金屬含量均在國標要求以內，其合理利用不易對環境造成二次重金屬污染[3]。

菌糠是栽培食用菌后剩余的菇渣，其基質主要是由鋸木屑、稻草、玉米芯、甘蔗渣、棉籽殼等多種農業秸稈及酒糟、醋糟等組成。菌糠經過多種微生物的發酵作用，纖維素、半纖維素和木質素等均已被不同程度的降解，其粗蛋白、粗脂肪含量均比發酵前顯著提高，粗纖維素含量明顯降低，并且含有較豐富的氨基酸、菌類多糖及Fe、Ca、Zn、Mg 等微量元素[4]。另外，菌糠中存在大量微生物、食用菌菌絲，具有巨大的比表面積和豐富的官能團，這對重金屬離子不僅有較好的吸附作用，而且可以吸附、交換、降解、沉淀周圍環境中的重金屬離子，還可改變土壤結構，提升土壤肥力[5]。因此，利用食用菌菌糠開發有機肥料，無疑是發展循環經濟的一條好途徑[6]。

陜西榆林地處毛烏素沙漠邊緣地帶，豐富的煤炭資源造就了該地區煤化工產業的迅猛發展，但隨著礦區煤炭資源的大量開采，常年堆放的煤矸石和空氣中逐漸沉降的煤粉引發了礦區及周圍農田土壤中重金屬含量的超標[7-8]。加上該地區土壤沙化貧瘠，重金屬超標對生態環境的破壞更加嚴重。土壤作為生態系統中至關重要的因素，修復礦區的土壤資源是實現礦區生態修復的重要途徑。紫花苜蓿作為豆科植物，具有抗寒、抗旱、重金屬富集等優良特性，在改良土壤、改善生態環境方面發揮著重要作用[9]。于是，筆者采用盆栽法，利用煤氣化渣和菌糠有利于土壤改良的優勢，將煤氣化渣、平菇菌糠和煤礦區沙化土壤進行科學配比，通過測定不同條件下紫花苜蓿幼苗期根系的干重、鮮重、根系活力、酶活性，研究了煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區污染土壤中紫花苜蓿生長的影響，以期為煤礦區土壤的修復與煤氣化渣的合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

紫花苜蓿品種：中苜一號，由榆林市農科所提供。

煤氣化渣：由陜西未來能源化工有限公司提供，粗渣∶細渣=7 ∶3。

煤礦區土壤：采自榆林地區某煤碳公司煤矸石堆積5 a 以上的礦區砂質土壤。用土鉆采用S 型隨機取樣法采集距煤矸石堆放處1 m 之內的距表層0～20 cm的土壤，除去碎石、植物殘根后充分混勻，裝入自封袋中帶回實驗室。土壤經風干后過2 mm 篩備用。

平菇菌糠：采自陜西省榆林市榆陽區草溝村食用菌種植戶，平菇培養基配方的主要成分是棉籽殼和麩皮。挑選無霉變、無腐爛且菌絲潔白的菌糠帶回實驗室，先在4℃冰箱中貯藏。使用前將菌棒用手粉碎，烘干后過2 mm 篩。

花盆：準備花盆18 個，規格為內口徑11 cm、外口徑12 cm、高15 cm。

1.2 試驗方法

按煤氣化渣、平菇菌糠和土壤的配比設4 個處理，即按重量百分比計，分別將10%（T1）、20%（T2）、30%（T3）和40%（T4）的煤氣化渣與15%的平菇菌糠施入煤礦區土壤中，以不施煤氣化渣和平菇菌糠為空白對照CK1，以施15%的平菇菌糠但不加煤氣化渣為CK2，一共6 個處理。將配制好的土壤分別裝入花盆中，選顆粒飽滿、大小一致、無病蟲害的紫花苜蓿種子，每盆隨機均勻播種30 粒，然后置于光照14 h（光照強度為6 000 lx）、黑暗10 h、溫度25℃和相對濕度80%的智能人工氣候箱中進行培養，每處理1 盆，設3 次重復，按隨機區組排列。

在種子發芽初期，采用每天稱重補水法保持土壤濕度為田間持水量的60%；待紫花苜蓿長至3 葉一心時（約播種后12 d），采用五點取樣法取幼苗樣品測定干重、鮮重、根系活力以及超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性和過氧化氫酶活性。

1.3 指標測定方法

干重和鮮重采用直接稱量法測定；根系活力采用α-萘胺氧化法測定；過氧化物酶（POD）活性采用比色法測定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法（NBT 法）測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定[10]。

1.4 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件和SPSS 25.0 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系鮮重的影響

由圖1 可知，CK2 紫花苜蓿的根系鮮重比CK1提高19.7%，差異達顯著水平，表明煤礦區污染土壤中添加適量的平菇菌糠有促進紫花苜蓿生長的作用，進而增加了其根系鮮重。不同量煤氣化渣處理是隨著煤氣化渣施用量的增加，紫花苜蓿根系鮮重呈先增后降的趨勢，以T3 處理的根系鮮重最重，其較CK2 提高了97.2%，且T3 處理的紫花苜蓿根系鮮重顯著高于其他處理。以上結果表明，煤氣化渣配施平菇菌糠對煤礦區污染土壤中紫花苜蓿幼苗根系的生長有促進作用，煤氣化渣的施用量為30%時效果最佳。

圖1 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系鮮重的影響

2.2 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系干重的影響

由圖2 可知，CK2 由于施用了15%的平菇菌糠，其紫花苜蓿的根系干重較沒有施用平菇菌糠的CK1增加了57.1%，差異達顯著水平。不同量煤氣化渣處理對紫花苜蓿幼苗期根系干重的影響與對紫花苜蓿根系鮮重的影響一致，也是煤氣化渣的施用量為30%（T3 處理）時效果最佳，其根系干重較CK2 提高了71.4%。

圖2 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系干重的影響

2.3 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系活力的影響

由圖3 可知，CK2 由于施用了15%的平菇菌糠，其紫花苜蓿幼苗根系活力較沒有施用平菇菌糠的CK1增加了708.8%，差異達顯著水平。隨著煤氣化渣施用量的增加，紫花苜蓿幼苗根系活力的變化與根系鮮重和干重的變化一樣，也是呈先升后降的趨勢，以T3處理的根系活力最強，其較CK2 的增幅達122.5%，且T3 處理的紫花苜蓿根系活力顯著高于其他處理，說明施用30%煤氣化渣和15%菌糠（T3 處理）能顯著提高煤礦區土壤中紫花苜蓿的根系活力，有利于植株更好地吸收土壤水分和礦質營養，從而促進生長，可為煤礦區土壤的生態修復奠定良好的基礎。

圖3 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系活力的影響

2.4 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系SOD 活性的影響

由圖4 可知，CK2 的紫花苜蓿幼苗根系SOD 活性較CK1 提高404.9%，差異達顯著性水平。不同量煤氣化渣處理是隨著煤氣化渣施用量的增加，SOD 活性表現出先升后降的趨勢，當煤氣化渣的施用量為30%（T3 處理）時SOD 的活性最高，較CK2 提高了194.7%，且T3 處理的SOD 活性顯著高于其他處理，表明T3 處理能顯著提高礦區土壤中紫花苜蓿根系的SOD 活性，顯著提高其在逆境下的生存能力，對礦區土壤的改良具有較好的效果。

圖4 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系SOD 活性的影響

2.5 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系POD 活性的影響

如 圖5 所 示，CK2 的POD 活 性 較CK1 提 高95.8%，差異達顯著性水平。不同量煤氣化渣處理對紫花苜蓿幼苗期根系POD 活性的影響與對SOD 活性的影響基本一致，也是煤氣化渣的施用量為30%（T3處理）時活性最高，較CK2 提高22.9%，且顯著高于其他處理，但T1、T2、T4 處理與CK2 間POD 活性沒有顯著性差異。因此，T3 處理可有效提高紫花苜蓿根系的POD 活性，有助于根系中H2O2的分解。

圖5 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系POD 活性的影響

2.6 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系CAT 活性的影響

從圖6 可知，施用15%平菇菌糠（CK2）與不施用平菇菌糠（CK1）相比，CAT 活性提高210.0%，差異達顯著性水平。不同量煤氣化渣處理是隨著煤氣化渣施用量的增加，CAT 活性呈逐步上升的趨勢，當煤氣化渣的施用量為30%（T3 處理）時CAT 的活性最高，較CK2 提高100.9%，且T3 和T4 處理的CAT活性顯著高于其他處理，但T3 處理和T4 處理之間沒有顯著性差異，說明施用30%～40%煤氣化渣和15%平菇菌糠可顯著提高礦區土壤中紫花苜蓿幼苗根系的CAT 活性。

圖6 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系CAT 活性的影響

3 討 論

3.1 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系鮮重、干重和根系活力的影響

植物根系是吸收水分和養分的主要器官，根系越發達則吸收的營養物質越多，越有利于植物的生長發育。根系的長度、面積和體積可以在一定程度上反應出植物的吸收能力。李維[11]的研究發現，施用平菇菌糠后由于土壤中有機質、氮、磷、硫的含量顯著增加，土壤酶活性、土壤微生物活性顯著增強，可以提高作物的品質。由于平菇菌糠的纖維骨架可以改善土壤的結構，使土壤環境更適合植物生長，有利于植物對土壤中養分的吸收，從而促進植物根系的生長發育。筆者的試驗結果也表明，CK2 由于施用了15%的平菇菌糠，其紫花苜蓿的根系鮮重、干重和根系活力分別較沒有施用平菇菌糠的CK1 增加了19.7%、57.1%和708.8%，差異均達顯著性水平，說明施用平菇菌糠可促進根系的生長，因而施用適量的平菇菌糠可促進植物生長。

筆者的試驗結果還表明，隨著煤氣化渣施用量的增加，煤礦區土壤中紫花苜蓿幼苗期根系的鮮重、干重和根系活力均呈先升后降的趨勢，各項指標均在煤氣化渣施用量為30%（T3 處理）時達到最大值，分別較CK2 提高了97.2%、71.4%和122.5%，且T3 處理均顯著高于其他處理。這表明施用適量的煤氣化渣和平菇菌糠能有效促進紫花苜蓿根系的生長，且以T3 處理的效果最佳。這與劉娜等[12]的研究結果，氣化渣復配土和生物菌肥能使苜蓿株高、地上生物量和根系生物量顯著增加相一致。由于煤氣化渣含有植物生長所需的營養元素（碳、鈣、鎂、硫等），煤氣化渣比表面積大、多孔等特性可負載有機菌肥，提高土壤的保肥和保水能力[13]，因此施用煤氣化渣能促進礦區土壤紫花苜蓿根系的生長。

3.2 煤氣化渣配施平菇菌糠對紫花苜蓿幼苗根系保護酶活性的影響

SOD、POD 和CAT 是植物體內的抗氧化物酶，在正常情況下能及時清除植物代謝過程中產生的活性氧。SOD 是一種廣泛存在于生物體內的金屬酶，是重要的氧自由基清除劑，能催化超氧化物陰離子發生歧化作用，生成H2O2和O2[14]。POD 和CAT 的反應底物是H2O2，CAT 酶活性能夠有效地反映出植物抑制過氧化氫對植物體內細胞膜系統毒害作用的程度，是植物體內重要的生理生化指標[15]；POD 則是清除其他產生氧化脅迫的物質。筆者的試驗結果也表明，CK2 由于施用了15%的平菇菌糠，其紫花苜蓿幼苗根系SOD、POD 和CAT 活性分別較沒有施用平菇菌糠的CK1 增加了404.9%、95.8%和210.0%，差異均達顯著性水平，說明平菇菌糠能促進煤礦區土壤中紫花苜蓿幼苗根系抗氧化物酶活性的提高。這與宋以玲等[16]的研究結果相似，菌糠因其含有豐富的有機質可作為生物有機肥為植物生長發育提供大量營養物質，可以改善植物的根際環境和提高植物的抗逆性，還可以通過提高植物體內的抗氧化酶活性來降低活性氧的危害。

試驗結果顯示，隨著煤氣化渣施用量的增加，各處理紫花苜蓿幼苗期根系的SOD、POD 和CAT 活性均有先升后降的趨勢，均在煤氣化渣施用量為30%（T3 處理）時達到最大值，分別較CK2 提高194.7%、22.9%和100.9%，差異達顯著性水平，說明施用適量的煤氣化渣能有效抑制煤礦區土壤紫花苜蓿幼苗的氧化代謝，防止過氧化作用對紫花苜蓿造成的傷害，且以T3 處理的效果最佳。已有的研究結果也表明，煤氣化渣中含有的有益元素（碳、鈣、鎂、硫、鉀等）可提高植物抗氧化酶的活性。例如：Mg2+具有膜穩定性，參與離子運輸調控，能調節抗氧化酶活性等多種生理功能[17]；鈣是植物必須的營養元素，對酶的產生和活性調控具有很重要的作用，其能增強抗氧化酶的活性，及時清除產生的活性氧[18]。

綜上所述，煤氣化渣配施平菇菌糠能夠通過提高根系活力、增加根系鮮重和干重以及提高根系保護酶（POD、SOD、CAT）活性來增強紫花苜蓿幼苗期的抗逆性，對修復煤礦區土壤有一定的效果，且以施用30%煤氣化渣和15%平菇菌糠處理的效果最佳。