菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草生长及Mn吸收的影响_曹俪壤.pdf

安徽农学通报2023年02期动植物 微生物 食用菌 中药材菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草生长及 Mn 吸收的影响曹俪壤罗洋*何龙丽段紫嫣高丽文（贵州师范学院地理与资源学院，贵州贵阳 550018）摘要以电解锰渣为供试基质，以甜象草为供试植物，采用盆栽试验，探讨添加不同用量菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草生长及Mn吸收的影响。结果表明，添加菌棒生物炭促进了甜象草的萌发，其出苗率从大到小依次为T2（生物炭添加量为5%）T3（生物炭添加量为7.50%）T1（生物炭添加量为2.50%）CK（不添加生物炭）。添加菌棒生物炭还使甜象草的株高和鲜重分别较对照增加了4.06%30.14%和15.38%74.73%，其中以施用量为5.00%处理组的增幅最大。同时，施用菌棒生物炭还增加了甜象草的叶绿素含量，降低了其叶片丙二醛含量。添加2.50%、5.00%和7.50%的菌棒生物炭还使甜象草地上部Mn含量较对照分别降低了23.41%、32.23%和40.36%。研究成果可为废弃菌棒和电解锰渣的资源化利用以及电解锰渣堆放区的生态恢复提供参考。关键词菌棒生物炭；甜象草；电解锰渣中图分类号X53文献标识码A文章编号1007-7731（2023）02-0029-05Effects of Bacterial Rod Biochar on the Growth and Mn Absorption ofPennisetum purpureum on Electrolytic Manganese ResidueCAO Lirang LUO Yang*HE Longli DUAN Ziyan GAO Liwen（School of Geography and Resources,Guizhou Education University,Guiyang Guizhou 550018）AbstractUsing electrolytic manganese residue as the test substrate and Pennisetum purpureum as the test plant,a pot experiment was conducted to explore the effects of adding different amounts of bacterial rod biochar on the growthand Mn absorption of Pennisetum purpureum on electrolytic manganese residue.The results showed that the addition ofbacterial rod biochar promoted the germination of sweet weevil,and the order of seedling emergence rate was T2(biocharaddition was 5%)T3(biochar addition was 7.5%)T1(biochar addition was 2.5%)CK(no biochar addition).The plantheight and fresh weight of Pennisetum purpureum increased by 4.06%30.14%and 15.38%74.73%respectivelycompared with the control,and the increase was the largest in the treatment group with the application rate of 5%.At thesame time,the application of bacterial stick biochar also increased the chlorophyll content of Pennisetum purpureum anddecreased the malondialdehyde content of its leaves.In addition,the Mn content in the upper part of Pennisetumpurpureum decreased by 23.41%,32.23%and 40.36%respectively compared with the control.The research results canprovide a reference for the resource utilization of waste bacteria rods and electrolytic manganese slag and the ecologicalrestoration of electrolytic manganese slag stacking area.Keywordsfungus stick biochar;Pennisetum purpureum;electrolytic manganese residue电解锰渣是将锰矿石经酸浸出获得锰盐，再送电解槽电解析出单质金属锰的过程中所产生的酸浸渣、阳极泥、硫化渣和含铬废渣等，其中仍残留一定数量的锰1。植物体内锰含量过高会影响酶的正常活性，导致大量的 H2O2和多酚物质产生，进而对植物体造成损伤。此外，过量的 Mn2+会使叶绿素减少、光合速率降低，从而抑制Fe2+和Mg2+等元素的吸收，造成植物生长异常2。锰是人体所必需的微量元素之一，但摄入过量则会对机体基金项目贵州师范学院大学生创新创业训练计划项目（202014223017）。作者简介曹俪壤（2001），女，贵州安顺人。研究方向：农业资源与环境。*通信作者收稿日期2022-03-31-29DOI:10.16377/ki.issn1007-7731.2023.02.033安徽农学通报2023年02期动植物 微生物 食用菌 中药材产生不良影响。锰主要通过呼吸道进入机体，并对人的神经、生殖、呼吸等系统产生不同程度的损害3。电解锰渣在长期的露天堆存过程中，其中的 Mn 容易通过雨水的冲刷而渗入土壤、江河湖泊及地下水中，造成污染，并通过食物链威胁人类健康4。生物炭具有发达的孔隙结构，其表面含有大量的官能团和负电荷，对重金属离子有较强的吸附和固定能力5，还能够通过改变基质理化性质和微生态环境来降低其中的重金属活性，在阻控废渣或污染土壤中重金属的迁移扩散方面有着较大的应用潜力6-7。目前的研究中，制备生物炭的原料主要为各种植物秸秆和畜禽粪便8-9。中国是食用菌生产大国，食用菌产量逐年增加，据中国食用菌协会发布的调查结果显示，2020 年全国食用菌（鲜品）总产量达4 061.43 万t，产值达3 465.65 亿元。相应地，食用菌产业的副产品废菌棒的产量极大且不断增加。废菌棒的主要成分为木屑、秸秆、麦麸、稻壳等农林废弃物10。目前，我国废菌棒生物质资源综合利用率偏低，除少部分被应用于土壤肥料和育苗基质等方面，大部分被随意废弃、就地掩埋或者直接焚烧处理，一方面造成了土壤、水体和大气环境污染，破坏了生态环境；另一方面废菌棒中剩余养分没有得到有效利用，造成生物质资源浪费11。甜象草（Pennisetum purpureum）属禾本科狼尾草属，广泛种植于热带和亚热带地区，具有适应性强、繁殖快、产量高和利用周期长等特点12。作为一种能源植物，甜象草极具产乙醇潜力，有研究表明蒸汽爆破预处理后的甜象草经过分步糖化发酵得到的乙醇产率达89.11 mL/kg13。此外，甜象草可以在边际土地上开展规模化种植与应用14-15。在矿区种植甜象草，一方面能够改善当地土壤的物理条件和营养状况，有利于生态环境的恢复；另一方面可充分利用矿区土地资源，做到其生产“不与人争粮、不与粮争地”16。综上，该研究以电解锰渣为供试基质，利用盆栽试验，通过添加不同用量的菌棒生物炭并种植甜象草，结合室内测定分析，研究菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草出苗率、株高、鲜重、叶绿素、丙二醛及锰含量、锰渣中有效态锰含量的影响，从基质-植物系统的角度探讨菌棒生物炭作为改良剂在锰污染治理中的潜力，以期为废弃菌棒和电解锰产业废渣的资源化利用以及电解锰渣堆放区的生态恢复提供参考。1材料与方法1.1试验材料供试电解锰渣：采自贵州省遵义市长沟锰矿废弃地，电解锰渣堆存时间为20 年左右，经过长时期的风化淋溶作用，已具备一定肥力特征。将电解锰渣在室内风干后，挑出杂物磨碎过2 mm尼龙筛，充分混匀后置于直径为21 cm、高15 cm的花盆中，每盆装电解锰渣基质1.5 kg。供试甜象草（Pennisetum purpureum）种子购于乌当区振华农贸市场，分别挑选粒大饱满、成熟度一致的植物种子，置于1%的H2O2溶液浸种10 min进行消毒，用自来水流水清洗，再用去离子水冲洗3 次后，用滤纸吸干种子表面水分17。供试菌棒生物炭：将采自贵州欧波农商贸有限责任公司的废弃菌棒自然晾干后用粉碎机粉碎，密封后放置于马弗炉中，400 烧制 2 h 进行制炭。将制好的菌棒生物炭过 100 目尼龙筛，装袋备用。1.2试验设计试验在贵州师范学院盆栽基地进行，共4个处理，分别为：CK，以不添加菌棒生物炭为对照；T1，添加质量比为2.50%的菌棒生物炭；T2，添加质量比为5.00%的菌棒生物炭；T3，添加质量比为7.50%的菌棒生物炭。每个处理3次重复。取经过研磨过筛的锰渣与生物炭按比例混匀置于花盆中，用称重法保持基质含水量为田间持水量的60%左右，在室温下平衡7 d后，每盆播种甜象草种子15 粒。植物生长期内每日观察并浇水，保持土壤含水量为最大田间持水量的 60%左右。在室外生长 60 d 后，收获植株，先用自来水洗净，再用去离子水冲洗，擦干，测量株高和鲜重。一部分鲜样立即用于叶绿素和丙二醛-30含量的测定。另一部分样品置于105 下杀青20min，80 下烘干至恒重后粉碎备用，供Mn含量测定。锰渣样品自然风干后磨碎，分别过10 目和100目尼龙筛，装袋备用。1.3测定项目及方法出苗率：规定时间出苗种子数/供试种子数100%；甜象草的株高和根长采用尺子测量，地上部鲜重采用万分之一天平称量。甜象草叶片叶绿素含量采用95%乙醇提取后，分别于470、665和649 nm波长下测定吸光度，计算叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量；丙二醛（MDA）含量用硫代巴比妥酸法（TBA）测定18。甜象草 Mn含量采用HNO3-HClO4体系消解，原子吸收光谱仪（德国耶拿novAA350）测定。锰渣有效态Mn含量采用0.1 mol/L HCl提取，原子吸收光谱仪（德国耶拿 novAA350）测定。测试过程通过设置空白和重复样进行分析质量控制，所用试剂均为优级纯。1.4数据分析应用IBM SPSS Statistics 25.0和Microsoft Excel2010软件对试验所得的各种数据进行处理和分析，用最小显著性差异法（LSD）进行显著差异检验分析，显著性水平设置为P0.05。2结果与分析2.1菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草生长的影响同处理条件下甜象草的生长情况相关指标见表 1。对照组出苗率为 31.11%，添加不同质量比的生物炭后显著增加至 48.89%（T1）、95.56%（T2）和82.22%（T3），其中T2和T3处理组甜象草出苗率还显著高于 T1处理组（P0.05），但两者之间差异不显著。对照组和2.50%生物炭处理组甜象草的株高接近，当菌棒炭添加量增至 5.00%和 7.50%以后，则较对照分别显著增加了30.14%和24.72%（P0.05）。甜象草在添加生物炭的电解锰渣中生长 60 d 后，T2处理组的地上部鲜重达 3.18 g/株，显著高于其余处理（P0.05），较对照（1.82 g/株）显著增加了74.73%。其次是T3处理组，其鲜重较对照显著增加了50.00%，而T1处理组与对照无明显区别。表1不同处理条件下甜象草的出苗率、株高和鲜重处理CKT1T2T3出苗率/%31.117.70c48.8910.18b95.563.85a82.2210.18a株高/cm29.531.70b30.730.86b38.433.42a36.831.64a地上部鲜重/（g 株-1）1.820.13c2.100.14c3.180.14a2.730.21b注：同列中不同小写字母表示在 PT3T1CK，其中添加生物炭处理组叶绿素a含量与对照相比均有显著 提 升（P0.05），其 增 幅 分 别 为 117.20%（T2）、83.87%（T3）和31.18%（T1）。而T2和T3处理组的叶绿素b含量比对照组增加了88.89%和66.67%，但两者相互之间差异不显著。研究还发现，添加质量比为5.00%的菌棒生物炭处理组甜象草叶片总叶绿素含量达 2.87 mg/g，较对照显著增加了 107.97%（表2），也显著高于施用质量比为2.50%和7.50%的菌棒生物炭处理组（P0.05）。表2不同处理条件下甜象草的叶绿素含量处理CKT1T2T3叶绿素a/（mgg-1）0.930.04d1.220.06c2.020.23a1.710.10b叶绿素b/（mgg-1）0.450.06c0.620.04b0.850.05a0.750.06a总叶绿素/（mgg-1）1.380.06d1.840.10c2.870.27a2.460.16b2.3菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草丙二醛含量的影响由图1可知，添加不同用量的菌棒生物炭后，甜象草体内丙二醛含量发生了一定改变。其中，施用质量比为5.00%和7.50%的生物炭处理组的植株丙二醛含量分别较对照组显著降低了21.15%（T2）和17.67%（T3），但两者之间无显著差异。此外，添加质量比为2.50%的菌棒生物炭（T1）处理组丙二醛含量较对照组（CK）也显著降低了7.32%，但显著高于T2和T3处理组（P0.05）。曹俪壤等：菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草生长及Mn吸收的影响-31安徽农学通报2023年02期动植物 微生物 食用菌 中药材abcc012345678CKT1T2T3丙二醛含量/(nmoLg-1)图1不同处理条件下甜象草丙二醛含量注：不同小写字母表示各处理间差异显著（P0.05）。2.4菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草Mn含量的影响由图2可知，随着菌棒生物炭施用量的增加，甜象草地上部Mn含量呈降低趋势。与对照相比，其降幅分别为23.41%（T1）、32.23%（T2）和40.36%（T3），差异均达显著性水平（P0.05）。此外，T2与T1、T3间无显著性差异，但T1与T3两者之间差异显著。abbcc0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 CKT1T2T3甜象草Mn含量/(mgkg-1)图2不同处理条件下甜象草Mn含量3讨论甜象草的生长状况能够间接反映菌棒生物炭对电解锰渣的改良效果。在本研究中，添加菌棒生物炭以后，甜象草的出苗率、株高和鲜重等指标较对照均有不同程度的提高。分析其原因主要包括2个方面：一是菌棒生物炭本身含有N、P、K、Na、Ca、Mg等矿质元素，可以增加基质的养分供应能力，有利于植物的生长发育19。另一方面，菌棒生物炭的制备过程中会生成大量的碱性基团，施加后会提高土壤的pH，促使锰渣中游离态的Mn向残渣态转化，降低了Mn在土壤中的溶解性、移动性以及生物有效性，抑制了甜象草对Mn的吸收，进而缓解了Mn的胁迫，阻止了膜脂过氧化作用产生的丙二醛对细胞膜的破坏，增强了甜象草的光合作用，最终促进了幼苗的生长20-22。在该研究中，以质量比为5.00%的添加量处理组综合应用效果最优，表明适量添加菌棒生物炭可改善锰渣微环境，提高甜象草的抗逆性，如果用量过少，则影响不明显，而用量过大可能带来碳氮比失衡、盐害和经济成本高等不利因素。该研究采用盆栽试验，通过植物生长指标、生理指标和Mn含量指标的测定，表明添加适量的菌棒生物炭对电解锰渣上甜象草的生长具有一定的促进作用。然而试验是在盆栽条件下进行，与野外实际情况存在一定差距，其应用效果还有待实施田间试验进一步验证。此外，关于菌棒生物炭对电解锰渣的改良机理、影响因素及条件优化等方面的研究也有待进一步开展。4结论添加菌棒生物炭促进了电解锰渣上甜象草的生长。甜象草的出苗率、株高、鲜重等指标与对照相比均有不同程度的提高，其中以施用梯度为5.00%时促进效果最优。添加菌棒生物炭改善了电解锰渣上能源草的生理特性。当用量为5.00%时，其叶绿素a、叶绿b和总叶绿素含量分别较对照增加了117.20%、88.89%和107.97%。添加菌棒生物炭降低了电解锰渣有效态Mn含量，抑制了甜象草对Mn的吸收，使其地上部Mn含量较对照降低了23.41%（添加量为2.50%）、32.23%（添加量为5.00%）和40.36%（添加量为7.50%）。5参考文献1 伍鹏，舒倩，罗小芳，等.湘西古丈烂泥田锰矿区地表水污染特征及风险评价J.水土保持通报，2019，39（3）：70-74，79.2 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薛涛，廖晓勇，王凌青，等.镉污染农田不同水稻品种镉积累差异研究J.农业环境科学学报，2019，38（8）：1818-1826.6 陈彩艳，唐文帮.筛选和培育镉低积累水稻品种的进展和问题探讨J.农业现代化研究，2018，39：1044-1051.7 曹孟卓.镉低积累作物的筛选及其与钝化剂联用对镉污染农田的修复作用D.杭州：浙江工商大学，2020.8 秦冉，娄飞，代良羽，等.地质高背景区镉污染稻田中低累积水稻品种筛选J.南方农业学报，2021，52（10）：2709-2716.9 李虎，吴子帅，陈传华，等.镉低积累水稻品种筛选及其在镉超标稻田的表现评价J.南方农业学报，2022，53（1）：96-103.10 黄其颖，傅丽青，马婧妤，等.Cd低累积水稻品种筛选及其吸收积累特征J.浙江农业科学，2021，62：1925-1927.11 冯爱煊，贺红周，李娜，等.基于多目标元素的重金属低累积水稻品种筛选及其吸收转运特征J.农业资源与环境学报，2020，37（6）：988-1000.（责编：张蓓）（上接32页）6 崔梦，李佳琳，巨龙，等.生物炭、磁性炭的制备与应用研究进展J.安徽农学通报，2021，27（8）：89-93.7 孙康，缪存标，何跃.生物质炭在重金属污染土壤修复中的应用研究现状J.生物质化学工程，2017，51（4）：66-74.8 黄雁飞，陈桂芬，熊柳梅，等.不同作物秸秆生物炭对水稻镉吸收的影响J.西南农业学报，2020，33（10）：2364-2369.9 王丹丹，林静雯，丁海涛，等.牛粪生物炭对重金属镉污染土壤的钝化修复研究J.环境工程，2016，34（12）：183-187.10 蔡名旋，朱小平，黑亮，等.利用废弃物制备生物炭资源化研究与应用进展J.广东农业科学，2019，46（3）：85-92.11 秦翠兰，赵群喜，王磊元.废弃菌棒生物质资源综合利用现状及其展望J.新疆农机化，2022（1）：22-24，39.12 刘水香.养殖好牧草甜象草J.湖南农业，2015（1）：1.13 吴佩雯.草本植物制备可再生清洁燃料工艺及性能研究D.广州：广州大学，2021.14 侯新村，范希峰，武菊英，等.挖沙废弃地草本能源植物生物质品质对氮肥的响应J.中国草地学报，2011，33（1）：11-17.15 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