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摘要 为了探究重金属胁迫下生物炭和AM真菌的协同效应，研究了煤矿区污染情况下施用生物炭和接种AM真菌对玉米重金属As含量和土壤有效態As含量的影响。结果表明，施用生物炭和接种AM真菌均能够降低玉米重金属As含量，也能够降低土壤有效态As含量。而施用生物炭和接种AM真菌结合对降低玉米重金属As含量和土壤有效态As含量效果最佳。施用生物炭和接种AM真菌复合处理与对照相比分别降低玉米地上部、根系和土壤有效态As含量74.47%、56.07%、74.22%。该结果可为生物炭和接种AM真菌联合用于玉米安全生产和修复土壤重金属污染提供理论支撑。
关键词 生物炭；玉米；砷；丛枝菌根
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）14-0007-02
Abstract In order to explore the synergistic effects of biochar and AM fungi under heavy metal stress，a pot experiment was conducted to study the effects of biochar amendment and AM inoculation on the contents of heavy metal As in maize tissues and available As in soil.The results showed that applying either AM inoculant or biochar could significantly reduced As uptake in maize and the content of soil available As，and amending soil with biochar and AM inoculant together had the best effect compared with the control，amending soil with biochar and AM inoculant together could reduce the As content by 74.47%，56.07%，74.22% in upper part，root of maize and soil，respectively.This results can provide theoretical support for biocharl and AM inoculation for the safe production of maize and amendment of heavy metals contaminated soil.
Key words biochar；maize；Arsenic（As）；Arbuscular mycorrhizal（AM）
近年来，土壤重金属污染日趋严重，采取必要的措施修复重金属污染问题迫在眉睫。生物炭能够吸附固定土壤中的重金属，促进土壤微生物活动，而丛枝菌根真菌（AM）是土壤中广泛存在的有益微生物，其能够与植物形成共生体，保护宿主植物免受重金属的毒害，增强植物对重金属的耐性。研究表明，生物炭孔隙能够贮存水分和养分，有利于AM真菌孢子萌发和生长，对菌根真菌有特别促进作用[1]。为了探明生物炭和AM真菌协同作用对煤矿区土壤生长的玉米As含量的作用机制，本研究以玉米品种弘单897为试验对象，研究了生物炭和AM真菌对矿区土壤重金属污染条件下玉米生物量以及重金属As含量的影响。现将结果总结如下。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验土壤采自新安县江春尾矿区重金属污染土壤。土壤pH值为7.83，总As含量为91.56 mg/kg，是GB15618—1995《土壤环境质量标准》中标准限值（25 mg/kg）的3.66倍。试验菌剂为河南科技大学环境监测实验室惠赠的混合菌根菌剂（Glomus intraradices BEG 141和BEG168）。供试生物炭材料为购买于河南商丘三利新能源有限公司生产的小麦秸秆生物炭。
1.2 试验设计
试验于2017年5—7月在河南科技大学开元校区隔雨棚中进行。试验共设4个处理，分别为CK，对照；处理B，施用生物炭处理；处理M，接种AM真菌处理；处理BM，施用生物炭和AM真菌处理。将生物炭或AM真菌处理的灭菌土壤混合均匀装入塑料桶中（盆口直径22 cm，高24 cm），每盆净重5 kg，生物炭、菌剂添加量均为20 g/kg，对照、生物炭和AM真菌处理分别添加相应质量的灭菌土壤，保持各处理每盆重量一致。于2017年5月10日播种玉米种子，每盆预先播种4粒，待出苗后每盆定苗2株，玉米植株定期定量以去离子水平衡水分，其间不进行肥料投入。玉米植株收获后植物样品地上部和根系分开取样，洗净，擦干，测定生物量和玉米重金属As含量。采集植物根际的土壤样品1 kg，自然风干、过筛，用于测定土壤重金属As含量。
1.3 测定项目和方法
玉米生长60 d后收获，每盆地上部分进行分开采样，然后放入烘箱中，先在105 ℃条件下杀青30 min，再在80 ℃条件下烘干48 h至样品恒重，分别称取干物质生物量，计算干重。烘干的植物组织用粉碎机粉碎、过筛装于塑料封口袋中保存，用优级纯HNO3-HClO4（4∶1）消煮后，定容50 mL容量瓶。土壤样品采用0.1 mol/L HCl溶液提取土壤中有效态As含量[2]。样品As浓度利用原子荧光光谱仪测定。
玉米As的生物富集系数（bio-concentration factor，BCF）和生物转移系数（translocation factor，TF）计算公式如下[3]：BCF=C地上部分/C土壤，C地上部分（mg/kg）是玉米地上部分的As含量，C土壤（mg/kg）是土壤中的As含量。TF=C地上部分/C根，C地上部分（mg/kg）是玉米地上部分的As含量，C根（mg/kg）是玉米根中的As含量。 1.4 数据处理和分析
采用Excel 2007软件进行数据处理，SPSS 19.0软件进行方差分析。选择LSD法进行多重比较，作图采用Origin 9.0。
2 结果与分析
2.1 施用生物炭和接种AM真菌处理对玉米地上部As含量的影响
由图1可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米地上部As含量，表现为处理BM<处理M<处理B 2.2 施用生物炭和接种AM真菌处理对玉米根系As含量的影响
由图2可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米根系As含量，表现为处理BM<处理M<处理B 2.3 施用生物炭和接种AM真菌处理对土壤有效态As含量的影响
由图3可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米地上部As含量（P<0.05），表现为处理BM<处理B<处理M0.05）。与CK相比，处理B、M、BM玉米的As含量分别降低58.69%、39.83%、74.22%。
2.4 施用生物炭和接种AM真菌处理对玉米As富集系数的影响
由图4可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米As富集系数，表现为处理BM<处理M<处理B 2.5 施用生物炭和接种AM真菌处理对玉米As转移系数的影响
由图5可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米As转移系数（P<0.05），表现为处理BM<处理M<处理B0.05）。与CK相比，处理B、M、BM玉米As含量分别降低15.00%、37.50%、42.50%。
3 结论与讨论
试验结果表明，施用生物炭和接种AM真菌均能够降低煤矿区As污染下玉米地上部和根系As含量，降低矿区土壤有效态As含量，降低玉米重金属As富集系数和转移系数。这是由于生物炭具有大的表面积，多孔结构，活跃的有机功能团和高的pH值[4]，这种性能决定其能够吸附固定重金属。同时，AM真菌不仅本身具有对重金属忍耐的能力，而且能够通过不同途径增加其共生植物对重金属的耐受性，从而改变宿主植物对重金属的吸收和转运[5]。更重要的是，试验结果表明，以施用生物炭和接种AM真菌复合处理降低玉米组织As含量效果最佳，这说明重金属胁迫下生物炭对AM真菌的增殖有促进作用，其原因可能是生物炭改善土壤物理化学特性来促进AM真菌生长，同时促进微生物（如P增溶细菌）与AM真菌相互作用，诱导植物与真菌之间的化合物信号反应，从而影响孢子萌发和菌丝的分支[6-7]。由此表明，施用生物炭和接种AM真菌的协同作用对土壤重金属修复具有良好的效果。因此，施用生物炭和接种AM真菌联合不仅可以用于玉米安全生产，还可以用于修复As污染土壤，对重金属污染土壤来说，是一种很有前景的改良措施。
4 参考文献
[1] 宋久洋，刘领，陈明灿，等.生物质炭施用对烤烟生长及光合特性的影响[J].河南科技大学学报（自然科学版），2014（4）：68-72.
[2] 郭朝晖，朱永官.典型矿冶周边地区土壤重金属污染及有效 性含量[J].生态与环境，2004，13（4）：553-555.
[3] XIAO R，BAI J H，LU Q Q，et al.Fractionation，transfer，and ecological risks of heavy metals in riparian and ditch wetlands across a 100-year chrono-sequence of reclamation in an estuary of China[J].Science of the Total Environment，2015，517：66-75.
[4] 劉领，王艳芳，宋久洋，等.生物炭与氮肥减量配施对烤烟生长及土壤酶活性的影响[J].河南农业科学，2016，45（2）：62-66.
[5] 景新新，苏志忠，邢红恩，等.不同磷水平下丛枝菌根真菌对纳米氧化锌生物效应的影响[J].环境科学，2016，37（8）：3208-3215.
[6] LIU L，WANG Y F，YAN X W，et al.Biochar amendments increase the yield advantage of legume-based intercropping systems over monocult-ure[J].Agriculture Ecosystems
关键词 生物炭；玉米；砷；丛枝菌根
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）14-0007-02
Abstract In order to explore the synergistic effects of biochar and AM fungi under heavy metal stress，a pot experiment was conducted to study the effects of biochar amendment and AM inoculation on the contents of heavy metal As in maize tissues and available As in soil.The results showed that applying either AM inoculant or biochar could significantly reduced As uptake in maize and the content of soil available As，and amending soil with biochar and AM inoculant together had the best effect compared with the control，amending soil with biochar and AM inoculant together could reduce the As content by 74.47%，56.07%，74.22% in upper part，root of maize and soil，respectively.This results can provide theoretical support for biocharl and AM inoculation for the safe production of maize and amendment of heavy metals contaminated soil.
Key words biochar；maize；Arsenic（As）；Arbuscular mycorrhizal（AM）
近年来，土壤重金属污染日趋严重，采取必要的措施修复重金属污染问题迫在眉睫。生物炭能够吸附固定土壤中的重金属，促进土壤微生物活动，而丛枝菌根真菌（AM）是土壤中广泛存在的有益微生物，其能够与植物形成共生体，保护宿主植物免受重金属的毒害，增强植物对重金属的耐性。研究表明，生物炭孔隙能够贮存水分和养分，有利于AM真菌孢子萌发和生长，对菌根真菌有特别促进作用[1]。为了探明生物炭和AM真菌协同作用对煤矿区土壤生长的玉米As含量的作用机制，本研究以玉米品种弘单897为试验对象，研究了生物炭和AM真菌对矿区土壤重金属污染条件下玉米生物量以及重金属As含量的影响。现将结果总结如下。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验土壤采自新安县江春尾矿区重金属污染土壤。土壤pH值为7.83，总As含量为91.56 mg/kg，是GB15618—1995《土壤环境质量标准》中标准限值（25 mg/kg）的3.66倍。试验菌剂为河南科技大学环境监测实验室惠赠的混合菌根菌剂（Glomus intraradices BEG 141和BEG168）。供试生物炭材料为购买于河南商丘三利新能源有限公司生产的小麦秸秆生物炭。
1.2 试验设计
试验于2017年5—7月在河南科技大学开元校区隔雨棚中进行。试验共设4个处理，分别为CK，对照；处理B，施用生物炭处理；处理M，接种AM真菌处理；处理BM，施用生物炭和AM真菌处理。将生物炭或AM真菌处理的灭菌土壤混合均匀装入塑料桶中（盆口直径22 cm，高24 cm），每盆净重5 kg，生物炭、菌剂添加量均为20 g/kg，对照、生物炭和AM真菌处理分别添加相应质量的灭菌土壤，保持各处理每盆重量一致。于2017年5月10日播种玉米种子，每盆预先播种4粒，待出苗后每盆定苗2株，玉米植株定期定量以去离子水平衡水分，其间不进行肥料投入。玉米植株收获后植物样品地上部和根系分开取样，洗净，擦干，测定生物量和玉米重金属As含量。采集植物根际的土壤样品1 kg，自然风干、过筛，用于测定土壤重金属As含量。
1.3 测定项目和方法
玉米生长60 d后收获，每盆地上部分进行分开采样，然后放入烘箱中，先在105 ℃条件下杀青30 min，再在80 ℃条件下烘干48 h至样品恒重，分别称取干物质生物量，计算干重。烘干的植物组织用粉碎机粉碎、过筛装于塑料封口袋中保存，用优级纯HNO3-HClO4（4∶1）消煮后，定容50 mL容量瓶。土壤样品采用0.1 mol/L HCl溶液提取土壤中有效态As含量[2]。样品As浓度利用原子荧光光谱仪测定。
玉米As的生物富集系数（bio-concentration factor，BCF）和生物转移系数（translocation factor，TF）计算公式如下[3]：BCF=C地上部分/C土壤，C地上部分（mg/kg）是玉米地上部分的As含量，C土壤（mg/kg）是土壤中的As含量。TF=C地上部分/C根，C地上部分（mg/kg）是玉米地上部分的As含量，C根（mg/kg）是玉米根中的As含量。 1.4 数据处理和分析
采用Excel 2007软件进行数据处理，SPSS 19.0软件进行方差分析。选择LSD法进行多重比较，作图采用Origin 9.0。
2 结果与分析
2.1 施用生物炭和接种AM真菌处理对玉米地上部As含量的影响
由图1可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米地上部As含量，表现为处理BM<处理M<处理B
由图2可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米根系As含量，表现为处理BM<处理M<处理B
由图3可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米地上部As含量（P<0.05），表现为处理BM<处理B<处理M
2.4 施用生物炭和接种AM真菌处理对玉米As富集系数的影响
由图4可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米As富集系数，表现为处理BM<处理M<处理B
由图5可知，与CK相比，施用生物炭和接种AM真菌处理均可显著降低玉米As转移系数（P<0.05），表现为处理BM<处理M<处理B
3 结论与讨论
试验结果表明，施用生物炭和接种AM真菌均能够降低煤矿区As污染下玉米地上部和根系As含量，降低矿区土壤有效态As含量，降低玉米重金属As富集系数和转移系数。这是由于生物炭具有大的表面积，多孔结构，活跃的有机功能团和高的pH值[4]，这种性能决定其能够吸附固定重金属。同时，AM真菌不仅本身具有对重金属忍耐的能力，而且能够通过不同途径增加其共生植物对重金属的耐受性，从而改变宿主植物对重金属的吸收和转运[5]。更重要的是，试验结果表明，以施用生物炭和接种AM真菌复合处理降低玉米组织As含量效果最佳，这说明重金属胁迫下生物炭对AM真菌的增殖有促进作用，其原因可能是生物炭改善土壤物理化学特性来促进AM真菌生长，同时促进微生物（如P增溶细菌）与AM真菌相互作用，诱导植物与真菌之间的化合物信号反应，从而影响孢子萌发和菌丝的分支[6-7]。由此表明，施用生物炭和接种AM真菌的协同作用对土壤重金属修复具有良好的效果。因此，施用生物炭和接种AM真菌联合不仅可以用于玉米安全生产，还可以用于修复As污染土壤，对重金属污染土壤来说，是一种很有前景的改良措施。
4 参考文献
[1] 宋久洋，刘领，陈明灿，等.生物质炭施用对烤烟生长及光合特性的影响[J].河南科技大学学报（自然科学版），2014（4）：68-72.
[2] 郭朝晖，朱永官.典型矿冶周边地区土壤重金属污染及有效 性含量[J].生态与环境，2004，13（4）：553-555.
[3] XIAO R，BAI J H，LU Q Q，et al.Fractionation，transfer，and ecological risks of heavy metals in riparian and ditch wetlands across a 100-year chrono-sequence of reclamation in an estuary of China[J].Science of the Total Environment，2015，517：66-75.
[4] 劉领，王艳芳，宋久洋，等.生物炭与氮肥减量配施对烤烟生长及土壤酶活性的影响[J].河南农业科学，2016，45（2）：62-66.
[5] 景新新，苏志忠，邢红恩，等.不同磷水平下丛枝菌根真菌对纳米氧化锌生物效应的影响[J].环境科学，2016，37（8）：3208-3215.
[6] LIU L，WANG Y F，YAN X W，et al.Biochar amendments increase the yield advantage of legume-based intercropping systems over monocult-ure[J].Agriculture Ecosystems