蘑菇废料对农田土壤重金属镉的修复作用和水稻产量的影响

杨涵越 姚雯蕾 张慧萍 杨雨欣 孙雪娇

摘要 利用蘑菇废料作为稳定剂，通过水稻盆栽试验，采集不同时期土壤和植株样本，监测土壤及植株中的镉含量及土壤理化性质，评估修复效果，并探析可能的机理。结果发现，蘑菇废料施用可以使土壤中有效态镉含量下降64.0%以上，植株中镉含量下降27.9%，糙米中镉含量下降17.7%，表明具有较好的镉修复作用;同时，蘑菇废料施用使土壤有机质含量提高了30.0%以上，水稻产量提高32.9%，表明具有提高土壤生产力的作用。

关键词 蘑菇废料;农田土壤;镉;修复;水稻产量

中图分类号 S156.2  文献标识码 A  文章编号 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

近年来土壤重金属污染日益严重，据不完全统计，我国遭受重金属污染的耕地面积近2 000万hm2，约占总耕地面积的20%，其中约1 000万hm2的耕地是由工业三废污染造成的，被污染灌溉的农田已经达130多万hm2 [1]。由于土壤重金属污染具有长期性、潜伏性、普遍性和不可逆性，并且重金屬能被农作物吸收但是不能被降解，这严重影响我国农作物的质量，对人类健康和食品安全构成巨大威胁。所以重金属污染土壤的修复成为国内外环保研究的热点问题 [2]。其中镉能够对人体造成很严重的伤害且不易治疗，重金属镉污染也成为了研究的热点问题。

原位钝化修复技术是指向土壤中施入钝化剂，对土壤重金属的生物有效性进行调控，降低重金属在土壤中的有效性和迁移性，进而减少农作物对土壤重金属的吸收 [3]，稳定剂钝化是原位修复镉污染农田土壤的重要手段之一。蘑菇废料是蘑菇种植后残留下来的培养基废料，其原料来源广泛，成本较低;富含有机质，利于改善土壤肥力;且含多种矿质元素和有机活性基团，有利于改良土壤，降低土壤重金属有效性。有研究表明，蘑菇废料对废水中重金属有很好的吸附作用，因而研究其对土壤Cd的修复具有重要意义 [4]。

该研究选用双孢菇蘑菇废料作为钝化剂，利用盆栽试验，研究水稻生长不同时期土壤和植株中的镉含量及土壤理化性质的变化，以期评估钝化修复效果，以及提高土壤肥力，并探析可能的作用机理。

1 材料与方法

1.1 供试土壤采集及理化性质

该研究所用土壤取自江苏省无锡市郊区某村庄的农田水稻土。土样经风干磨碎过10目筛，进行土柱试验;部分土壤进一步研磨过100目筛，用于理化性质分析。供试土壤基本理化性质：

pH 5.58、阳离子交换量（CEC）11.95 cmol/kg、有机质含量29.4 g/kg、总氮含量1.2 g/kg、总磷含量 0.9 g/kg、总钾含量10.3 g/kg。

1.2 室内模拟试验

模拟制备中度Cd污染土：称50 g风干土于多个100 mL烧杯中，以CdCl2·2.5H2O溶液的形式往其中加入Cd溶液（相当土壤Cd浓度为3.3 mg/kg），搅拌均匀，模拟中度Cd污染土壤，保持土壤含水率，室温下平衡 14 d。

为了探析适宜的蘑菇废料添加量，进行室内模拟试验，即向模拟污染土中按照1.0%、2.0%、5.0%的比例分别添加双孢菇废料，并以不加蘑菇废料为对照，总共24个处理，每个处理设3个重复。调节含水率为70% 最大田间持水量，并定期补水，保持土壤含水量，置于干燥通风处钝化。钝化 14 d后采集土壤，风干磨碎，过100目筛，待测分析。

1.3 水稻盆栽试验

1.3.1

添加蘑菇废料。将模拟好的污染土壤转移到周转箱内，捏碎成小块以5%的比例加入蘑菇废料（双孢菇），搅拌混合后装回花盆中，并保持70%的最大田间持水量，钝化14 d后用于水稻移栽。

1.3.2

水稻育秧及移栽。选取当地水稻品种武运粳23号作为试验对象，水稻种子经晒—消毒—浸种—发芽后播种于育秧盘中 [5]，期间保持2～3 cm的含水层，育秧周期为30 d。挑选长势接近的水稻秧苗分别移栽于已钝化14 d的花盆中，每盆1株。用水灌溉使盆中水位保持2～3 cm。在分蘖期施用基肥，每盆装土5.0 kg，加入基肥后拌匀，基肥用量为 0.2 g/kg N、0.1 g/kg P2O5和0.2 g/kg K2O，肥料品种为尿素、普钙和氯化钾。分蘖期到抽穗期之间施用农药，成熟期进行排水烤田，管理总体按照田间管理进行。

1.3.3

样品采集。分别于水稻生长的4个主要时期（分蘖、抽穗、灌浆、成熟）采集土壤样品、水稻植株地上、地下部分。

1.4 分析测定

该试验为破坏性采样，将盆栽中的土全部取出进行测定。土样经风干、磨碎，过100目筛，装袋保存，待测分析其理化性质和有效镉含量;土壤pH采用电位法测定 [6]，水土比1∶2.5;土壤阳离子交换量（CEC）用BaCl2- MgSO4强迫交换法测定 [7]。

土壤有效态Cd含量的测定：称取5.0 g风干土样于 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，离心过滤，并用AA-7000型火焰原子吸收分光光度计测定Cd含量。植株Cd含量的测定：称取0.2 g样品，加入10.0 mL HNO3，经微波消解（Multiwave PRO型，奥地利Anton Paar 公司）后，用火焰原子吸收分光光度计测定Cd含量。

土壤相关酶活性的测定根据Guan [8]的方法。蔗糖酶活性根据蔗糖水解的生成物与某种物质3，5-二硝基水杨酸生成有色化合物进行比色测定，蔗糖酶活性以24 h 1 kg土壤中葡萄糖的克数表示。采用靛酚蓝比色法测定土壤脲酶的活性，以24 h后1 kg土壤中NH3-N的克数表示土壤脲酶活性（Ure）。

各种镉形态采用Tessier法测定 [9]。检测的形态有5种，分别是可交换态、碳酸盐结合态、铁锰水合氧化物结合态、有机物和硫化物结合态、残余态。

1.5 统计分析

数据采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0進行计算以及相关性分析。土壤酶活性以及镉各态的试验数据用平均值来表示，土壤酶活性和镉各态与植株生物量之间的线性相关分析数据采用总平均值。

2 结果与分析

2.1 蘑菇废料对水稻生物量和产量的影响

从水稻各生育期生物量及籽粒产量（表1）可以看出，与对照相比，无论是地上、地下生物量还是籽粒产量，加入蘑菇废料都能提高，蘑菇废料施用使产量提高32.8% 。邬石根等 [10]在黑龙江某大田内取用水稻土，向其中添加秸秆进行盆栽试验，结果发现土壤中全氮增加0.06 g/kg，速效磷增加1.41 mg/kg，速效钾增加3.44 mg/kg，从而使水稻产量增加5.0%。与秸秆这类有机质相较，加入蘑菇废料对提高水稻产量有更显著的效果。

2.2 蘑菇废料对有机质含量的影响

从水稻各生育期土壤有机质含量（图1）可以看出，与对照相比，加入蘑菇废料使土壤有机质含量明显提高。有机质在水稻生长4个时期都呈上升趋势。蘑菇废料含有丰富的腐殖类物质，孙岩等 [11]研究发现腐殖物质易于与金属离子复合。一方面，蘑菇废料在土壤中发生腐殖质变化，以腐殖质的形态存在，作为有机胶体，带负电荷，而且具有巨大的表面积和表面能，可大大增加CEC，吸附土壤溶液中盐基离子 [12];另一方面，腐殖质含有大量的羧基、羟基等含氧官能团，氧化过的有机质比未被氧化的对盐基离子有更好的固定效果 [13]。

2.3 土壤pH的变化

pH在水稻生长过程中一直呈上升状态，加入蘑菇废料的双孢菇组明显高于空白组，使pH接近于7（图2）。土壤酸碱度是土壤养分的重要特征，不仅影响土壤微生物活性，而且与土壤养分的形成、转化、有效性及水稻生长发育密切相关 [14]。土壤阳离子交换量（CEC）是土壤吸附和交换的阳离子容量，其大小与土壤胶体种类和含量有关，取决于土壤矿物种类、有机质含量等基本性质 [15]。由于镉在土壤中的形态与土壤CEC密切相关，且CEC（图3）与pH联系较为紧密，所以控制土壤pH十分重要 [16]。

2.4  蘑菇废料对土壤中蔗糖酶和脲酶活性的影响

从表2可以看出，加入蘑菇废料的双孢菇组蔗糖酶的活性在4个时期都高于空白组，且在分蘖期酶活最强。说明植株不同的生

长时期是影响其活性的一个重要因素。植株不同时期对蔗糖酶活性影响程度不同，这与马晓霞等 [17]研究的结果基本一致。在成熟期时，对比空白组双孢菇组明显提高酶的活性近20%。脲酶的活性在前3个时期时，都是双孢菇组的活性高于空白组，但在成熟期时，空白组的酶活大于双孢菇组，且在抽穗期和灌浆期脲酶活性较高，抽穗期脲酶活性略大于灌浆期。

蔗糖酶活性影响土壤中碳的含量 [18]，而碳的含量是衡量土壤肥力的重要指标。从表3可以明显看出，双孢菇组的碳含量每个时期相较空白组提高了13.1%～30.0%。土壤中脲酶活性是影响氮含量的重要指标，也是衡量土壤肥力的重要指标。表3显示，未加蘑菇废料的空白组土壤氮含量变化不大，而加入蘑菇废料的双孢菇组氮含量不同时期高于空白组10.0%～44.4%。说明施加蘑菇废料可以提高土壤中C、N含量，从而提高土壤肥力。

在成熟期双孢菇组表现出脲酶活性低于空白组，主要由于受到了腐殖质增加的反向抑制作用。空白对照是单一Cd污染，而Cd单一污染下表现出对脲酶的强烈抑制 [19]。在成熟期时，脲酶主要来自于植株的根系分泌和微生物 [20]，施加重金属可以对这些微生物产生抑制，使得微生物体内酶的合成与分泌减少，致使土壤酶活性受到抑制 [21]。而施加蘑菇废料使得土壤中腐殖质含量增高，脲酶和腐殖质结合后导致活性位点减少，二者的底物形成的竞争作用导致酶活性下降 [22]。因此，双孢菇组中脲酶不仅受到Cd污染胁迫，还受到腐殖质增加的反向抑制。

2.5 土壤中各形态镉和植株总镉含量的变化

土壤有效态镉是衡量蘑菇废料钝化作用效果的重要参数。从表4可以看出，加入蘑菇废料能显著降低土壤有效态镉浓度，与空白组对比，土壤中有效态的镉大幅度降低;在黎秋君等 [23]的试验结果中同样证明加入有机质能对Cd起到钝化作用，且其对Cd钝化效果最高降幅达59.7%。该研究中所用的蘑菇废料可使镉钝化降幅达67.0%以上。

植株中的总镉含量也是评价蘑菇废料钝化作用的重要指标之一。如表4所示，加入蘑菇废料后，植株体内的镉含量明显低于空白组，植株体内的镉下降了近29.0%。刘运坤 [24]研究表明在铜单一污染土壤中，加入活性炭植株中铜的含量与无改良处理相比降低了27.1%。该试验对重金属离子在土壤中的钝化效果与之相近。

从表5可以看出，可交换态Cd在土壤中总体呈现下降趋势，在灌浆期出现上升的现象，说明已经转化为其他形态的镉再次转化为可交换态Cd。此种现象在汤帆 [25]的研究中也曾出现，而就其作用机理目前还未得到确切的解释。只是可以推断在这一阶段蘑菇废料已基本被分解完全，对镉的钝化作用已经减弱，致使一部分被钝化的镉释放出来;也可能在这个阶段植株自身产生了一系列作用使得钝化的镉被解析，但需要更多的研究加以证明。碳酸盐结合态Cd含量大量下降，在安梅等 [26]的试验中同样出现加入有机质后土壤中碳酸盐结合态Cd含量降低的现象。铁锰水合氧化物结合态Cd含量为负值，表示土壤中不存在这种形态的镉。有机物和硫化物结合态Cd含量变化很小，表示加入蘑菇废料对这种形态的镉几乎没有影响。残余态Cd在土壤中含量有较小的上升。残余态最稳定，即不能被植物利用，迁移性小 [27-28]。在许仙菊等 [29]的研究中也发现同样的现象。在中污染和低污染水平下，土壤有机物和硫化物结合态Cd与残余态Cd在整个生长过程中变化都不大，这可能与这2种形态的镉的活性相对较低有关。由表4可以得出，加入蘑菇废料后植株中镉含量明显低于空白组，成熟期植株內镉下降27.9%，糙米中镉含量下降17.7%，表明蘑菇废料具有较好的镉修复作用。影响镉在植株中迁移转化的主要因素包括土壤理化性质（土壤有机质、氧化还原电位、土壤温度）、外施肥料的种类和数量、其他金属元素（如Zn、Ca、K、Mg等）及陪伴阴离子Cl-和SO4 2-、栽培植株的种类、栽培方式和耕作制度等。其中pH是土壤所有参数中影响Cd形态和有效性的最重要因素 [30]。同时，蘑菇废料施用使土壤有机质含量提高了30.0%以上，水稻产量提高32.9%，表明具有提高土壤生产力的作用。

2.6 土壤酶活性与不同形态镉的相关性分析

由表6可知，蔗糖酶活性与Cd可交换态呈正相关，脲酶活性与可交换态呈负相关。Cd可交换态含量越低，则蔗糖酶活性越高，参与土壤中碳水化合物的转化就越活跃。加入双孢菇的土壤中可交换态镉含量显著小于空白对照组，即其蔗糖酶活力大于空白组，有机质含量也显著高于空白组，植株生物量及最终产量同样都高于空白组。这说明加入蘑菇废料能使土壤中镉可交换态含量降低，提高土壤肥力实现增产。

2种酶活性与碳酸盐结合态均呈正相关。在土壤中没有铁锰水合氧化物结合态存在，所以无法判断2种酶的活性与其相关关系。2种酶与有机物和硫化物结合态也均呈正相关;蔗糖酶与残余态呈显著负相关，而脲酶活性与其呈弱正相关。蔗糖酶活性与脲酶活性对于重金属Cd可交换态呈不同的相关关系，这与已知的相应试验结果相符 [31]。该研究土壤脲酶与重金属Cd可交换态呈负相关关系，对于预测土壤重金属可交换态具有一定的可行性。蔗糖酶与土壤重金属可交换态呈正相关，表明其对蔗糖酶有刺激作用，但机理原因尚且不明确，有待进一步的研究。

3 结论与讨论

蘑菇废料施用可以使土壤中有效态镉含量下降64.0%以上，植株中镉含量下降27.9%，糙米中镉含量下降17.7%，表明施加蘑菇废料具有较好的镉修复作用;同时，蘑菇废料施用使土壤有机质含量提高了30.0%以上，水稻产量提高 32.9%，表明其具有提高土壤生产力的作用。蘑菇废料作为一种生物有机质对环境没有二次污染，对生态友好，若用于生产中可预见不错的效果。

由于该研究模拟的是中度镉污染土壤，虽然证实了预期的效果，但在稻米中镉的含量仍然超过国家规定的可食用标准，所以该方法适用于轻度镉污染土壤修复中，而对于镉中度污染土壤单纯地加入蘑菇废料对其进行修复效果还并不能达标，需要联合其他钝化材料进行修复应用，这些均有待进一步研究。

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