污泥無土草皮基質(zhì)配方優(yōu)化研究

朱淑霞，張俊衛(wèi),尹少華

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 園藝植物生物學(xué)教育部重點試驗室，湖北 武漢 430070)

目前，國內(nèi)外城市污泥土地利用生產(chǎn)草皮的研究較多。與傳統(tǒng)草皮生產(chǎn)相比，污泥土地利用可縮短草皮生產(chǎn)周期，提高草皮品質(zhì)，減輕草皮質(zhì)量，移植后草皮更易生根成活[1-10]；還可明顯改善土壤理化性狀，降低容重，增加保水保肥性能和陽離子交換量[10-14]；長期施用后會對土壤產(chǎn)生潛在污染[14-18]。而在阻隔材料上用污泥基質(zhì)生產(chǎn)無土草皮卷的研究報道相對較少[18-23]，朱淑霞等[18]的研究表明，污泥基質(zhì)比其他幾種廢棄物基質(zhì)能更好地生產(chǎn)無土草皮，但重金屬含量超標(biāo)，并且草皮質(zhì)量最大。Kabbaz和Petrovic[20]的結(jié)果顯示，由于污泥基質(zhì)鹽分含量高，草坪草種子發(fā)芽很慢，因此，單一污泥基質(zhì)生產(chǎn)無土草皮存在不足，需與其他基質(zhì)混配以降低風(fēng)險。另外，用其他農(nóng)用廢棄物基質(zhì)生產(chǎn)無土草皮卷的研究較多[24-26],而且這些有關(guān)無土草皮基質(zhì)配比的試驗主要集中在幾種無土基質(zhì)簡單配比時對草皮質(zhì)量影響的定性分析，對它們之間定量關(guān)系的研究較少。本試驗在塑料薄膜阻隔材料上,以污泥為主要基質(zhì)，以煤渣、蘑菇渣和沙子為配材，研究配方無土基質(zhì)的草皮品質(zhì)模型并進行定量和優(yōu)化分析，為污泥無土草皮基質(zhì)的選配與合理利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 試驗地位于武漢市洪山區(qū)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)花卉基地試驗地。113°41′～115°05′ E，29°58′～31°22′ N，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛，日照充足，四季分明。氣候環(huán)境總體良好，年均降水量1 269 mm，且多集中在6-8月。年均氣溫15.8～17.5 ℃，年無霜期一般為211～272 d，年日照總時數(shù)1 810～2 100 h。

1.2試驗材料 供試草種為狗牙根(Cynodondactylon),品種為天堂草328，由武漢九峰山草坪生產(chǎn)基地提供。

供試基質(zhì)有污泥(南湖龍王嘴污水處理廠提供，動態(tài)發(fā)酵30 d后粉碎、風(fēng)干)、煤渣(武昌南湖火車站提供，經(jīng)過沙篩網(wǎng)篩選出較小且較均勻的顆粒)、蘑菇渣(蘑菇生產(chǎn)大棚廢棄的蘑菇渣，太陽暴曬30 d)和沙子(市售中沙)。

1.3試驗設(shè)計和方法 混料設(shè)計[27]又稱配方設(shè)計，是研究配方配比問題的一種重要試驗方法。各因子的取值按其所占總量的百分比計，其變化范圍受到約束條件，即配料比例的總和相同的限制。根據(jù)單形格子理論分析不同的基質(zhì)配比與狗牙根無土草皮品質(zhì)性狀之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的 Scheffe 數(shù)學(xué)模型；對 Scheffe 數(shù)學(xué)模型進行回歸式的顯著性測定及控制點檢驗；利用計算機對 Scheffe 數(shù)學(xué)模型進行模擬優(yōu)化；對不同基質(zhì)配比組合及無土草皮品質(zhì)性狀理論值進行分組，并進行頻數(shù)分析，尋找最優(yōu)解。本試驗采用{4，2}單形格子設(shè)計，11個處理，3次重復(fù)。每個小區(qū)面積2.4 m2，用塑料薄膜作阻隔材料，基質(zhì)鋪設(shè)厚度1.2 cm，狗牙根草莖播量為150 g·m-2。試驗于2008年8月19日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)花卉基地試驗田中進行，10月8日取樣。

{4，2}單形格子設(shè)計步驟：

Z1、Z2、Z3、Z4分別表示污泥、煤渣、蘑菇土、沙子在混合基質(zhì)中所占的體積分數(shù)。x表示各個基質(zhì)在單形格子設(shè)計中的碼值。根據(jù)試驗?zāi)康?，x1、x2、x3和x4的最小值分別為0.50、0.15、0.15和0.10。根據(jù)轉(zhuǎn)換公式，得到結(jié)果如表1所示。

表1 {4，2}單形格子設(shè)計

1.4觀測項目與方法

1.4.1基質(zhì)的性質(zhì)以及成分 堿解氮采用NaOH-擴散法測定；有效磷采用Olsen法測定；速效鉀采用NH4Ac-提取法測定；重金屬采用HNO3-HF-HClO4聯(lián)合消煮法測定[28]。

1.4.2草皮坪用性狀指標(biāo) 蓋度采用電子影像Photoshop直線交叉法[29-30]；草皮質(zhì)量和生物量采用直接稱量法[31]；顏色采用丙酮∶乙醇=1∶1混合液浸提葉綠素法[32]；根系活力采用改良的TTC測定法[33]；成坪時間采用蓋度觀測法；成卷時間采用逐日觀測法，即蓋度超過95%、同時可以卷起并不斷裂時，即為成卷時間；綜合評分采用灰色關(guān)聯(lián)度法[34]。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析 用Excel 2003和SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析與處理。

2 結(jié)果與分析

2.1基質(zhì)的性質(zhì)以及成分分析

2.1.1營養(yǎng)成分分析 處理H的營養(yǎng)成分最高，堿解氮和有效磷的含量分別是664.77和851.22 mg·kg-1；處理C的堿解氮含量最低，為326.34 mg·kg-1，處理G的有效磷含量最低，為339.16 mg·kg-1(表2)?？赡苁遣煌壤|(zhì)的混合使得基質(zhì)中某些物質(zhì)相互產(chǎn)生了不同程度的反應(yīng)，或者是促進了基質(zhì)中不同微生物的活性，導(dǎo)致不同處理的營養(yǎng)成分有差異。另外，基質(zhì)混合后，各處理的堿解氮和有效磷比單一的污泥基質(zhì)中的含量明顯降低，可能是元素之間的鈍化作用導(dǎo)致[18]。

2.1.2重金屬元素含量分析 各基質(zhì)Cd的含量范圍是0.24～0.54 mg·kg-1，處理H中Cd的含量最高，處理C最低；Pb的含量范圍是14.86～20.96 mg·kg-1，處理B中含量最高，處理J最低；Ni的含量范圍是15.66～43.01 mg·kg-1，處理C的含量最高，處理H的最低；Cu的含量范圍是50.99～229.43 mg·kg-1，處理C的含量最高，處理G的含量最低；Zn的含量范圍是82.03～190.57 mg·kg-1，處理H的含量最高，處理C的含量最低。參照2006年國家食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)[35]，部分處理的Cd和Cu含量超標(biāo)，其他重金屬元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。但是參照2009年園林綠化用泥質(zhì)的環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)[36]，各配方處理的重金屬元素均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，可以用于園林綠化。從測定結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，Cd、Pb、Ni、Cu、Zn含量最多的分別是處理H、B、C、C、H(表2)。因此,H和C處理的重金屬含量比較高。另外，基質(zhì)混合后，各處理的重金屬含量比單一的污泥基質(zhì)中的含量(Cd、Pb、Ni、Cu和Zn的含量分別為0.90、34.47、63.16、278.24和227.82 mg·kg-1)明顯降低，緩解了污泥重金屬含量較高的難題[18]。

表2 各處理基質(zhì)的成分分析結(jié)果

2.2不同基質(zhì)處理對草皮坪用性狀的影響

2.2.1草皮顏色 各處理的葉綠素含量沒有顯著差異(P>0.05)。但從平均值來看，H處理的葉綠素含量最大(表3)，為11.89 mg·g-1干質(zhì)量，E處理最差，為5.33 mg·g-1干質(zhì)量。H處理的堿解氮的含量較高，因此草皮的顏色較好。氮以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式被狗牙根吸收，起到增加草坪綠度的作用[31]。

2.2.2草皮質(zhì)量 處理J的草皮質(zhì)量最大，約124.86 g·dm-2，最輕的是A處理，約102.73 g·dm-2。并且J與A、B、F、G處理間差異顯著(P<0.05)，其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。草皮質(zhì)量的差異來自2個方面：一是草皮生物量的差異，二是不同配比基質(zhì)材料的密度與保水性的差異。前期的研究表明[18]，污泥處理草皮質(zhì)量的平均值為123 g·dm-2，可見基質(zhì)混合后，除J處理外，其他處理的草皮質(zhì)量均變小。

2.2.3生物量 地上生物量最大的是D處理，即3.37 g·dm-2，最小的是I處理，即2.23 g·dm-2。D和其他所有處理差異顯著(P<0.05)，而其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。 地下生物量最大的是D處理，即2.00 g·dm-2，最小的是G處理，即0.94 g·dm-2。D和A、B、G、H、J處理差異顯著(P<0.05)，其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。

2.2.4草皮密度 A處理的密度最大，為2.45枝·cm-2，I處理的密度最小，為1.73枝·cm-2。A與F、H、I、J處理差異顯著(P<0.05)。草坪草的密度主要由基因型決定，同時還受自然環(huán)境和管理因素的影響[31]。試驗中的材料都是狗牙根，并且自然環(huán)境和管理因素相同，所以產(chǎn)生草皮密度的主要原因就是基質(zhì)配比不同。

2.2.5根系活力 D處理的根系活力最大，為44.82 mg TTF·g-1·h-1，A處理的根系活力最小，為33.83 mg TTF·g-1·h-1。根系的生長和地上部的生長是密切相關(guān)的，根系生長好才能保證地上部各器官也相應(yīng)地繁茂茁壯。

2.2.6成坪時間 不同處理基質(zhì)成坪時間差異顯著，H處理的成坪時間最短，約為28 d，D處理次之，為29 d，B處理的成坪時間最長，約為40 d。H與B差異顯著(P< 0.05)，與其他處理之間差異均不顯著(P>0.05)。成坪時間越短，越早收到較好的觀賞效果。

表3 不同處理的草皮坪用指標(biāo)比較

2.2.7成卷時間 各處理之間的成卷時間差異顯著(P<0.05)。D處理的成卷時間最短，約為48 d，A處理的成坪時間最長，約為64 d。由此可見，成卷時間和根系的變化趨勢相似，根系活力越大，根系生物量越大，草皮成卷時間越短，則效益越高。

2.2.8綜合品質(zhì)評價

2.2.8.1關(guān)聯(lián)度-綜合品質(zhì) 用關(guān)聯(lián)度表示草皮的綜合品質(zhì)，各處理關(guān)聯(lián)度最大的是D處理，即0.837 8，其次是H處理，即0.779 1，最小的是I處理，即0.484 2。關(guān)聯(lián)度排序為：D>H>E>C>G>F>A>CK>J>B>I(表4)。因此，D處理的綜合性狀最優(yōu)，I處理的綜合性狀最差。

當(dāng)土壤受到重金屬污染時，草坪的色澤、成坪性能、使用情況等受到嚴重影響[37]。H處理的重金屬含量比較多，同時堿解氮和有效磷含量也比較高，綜合性狀反而較好，僅次于D處理。

2.2.8.2關(guān)聯(lián)度單形格子scheffe模型的建立 按照單形格子設(shè)計建模的方法，得到各變量單形格子的{4，2}碼值方程模型：

y= 0.59x1+0.58x2+0.65x3+0.84x4+0.44x1x2-0.02x1x3-0.38x1x4+0.67x2x3-0.90x2x4-0.64x3x4。

該回歸方程的F=186.43**>F0.01(4,6)=9.15，達到0.01極顯著水平，表明差異來自配方組合，而不是試驗誤差所致，處理效應(yīng)明顯。

表4 各指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

控制點檢驗：計算對照的估計值，得：

yCK=0.618 1。

估計精度=94.36%。

因此從整體上來說，所建立的Scheffe模型的使用程度較高，可以在實踐中應(yīng)用。

2.2.8.3模型優(yōu)化分析 模型的最優(yōu)解：在Z步長為0.005的0.50≤Z1≤0.60,0.15≤Z2≤0.25,0.15≤Z3≤0.25,0.10≤Z4≤0.20區(qū)間內(nèi)進行優(yōu)化模型式微機處理，得到本試驗條件關(guān)聯(lián)度的最大值為0.837 9，最小值為0.466 0，最大值時對應(yīng)的配方是(0.50、0.15、0.15和0.20)，即污泥50%、煤渣15%、蘑菇渣15%、沙子20%。最小值時對應(yīng)的配方是(0.50、0.215、0.15和0.135)，即污泥50%、煤渣21.5%、蘑菇渣15%、沙子13.5%。

配方的模擬優(yōu)化，根據(jù)所建立的以0.005為步長的數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化模型式微機處理，共可以得到1 771個配套組合配方關(guān)聯(lián)度的理論值(表5)?？梢姡?.6～0.7頻率分布最大，關(guān)聯(lián)度中等，較為穩(wěn)定。另外關(guān)聯(lián)度0.8～0.9的方案數(shù)為2，雖然關(guān)聯(lián)度比較大，但是頻率太小，不穩(wěn)定，不適合用于實際的生產(chǎn)。0.7～0.8的方案數(shù)為178，頻率比0.6～0.7的小，但遠大于0.8～0.9，關(guān)聯(lián)度較大，比較適合無土草皮的生產(chǎn)實際。因此，優(yōu)化配方方案為：污泥的含量51.41%～51.83%，煤渣的含量18.32%～18.86%，蘑菇渣的含量18.19%～18.81%，沙子的含量10.87%～11.72%，其可信程度達95%。

表5 關(guān)聯(lián)度優(yōu)化區(qū)段

表6 收獲草皮后的基質(zhì)和草樣成分分析結(jié)果

2.3環(huán)境效應(yīng)分析 收獲草皮后的基質(zhì)重金屬含量均達到了國家規(guī)定的食用農(nóng)產(chǎn)品要求土壤的含量標(biāo)準(zhǔn)[35]。處理A、B、C、E、F、I、J和CK中Ni的含量降低的最多，即分別降低了54%、55%、67%、65%、56%、59%、60%和35%；D、G處理中Zn含量降低的最多，分別為60%和80%；H處理中Pb降低的最多，約為45%(表6)。各處理草樣中重金屬含量從高到低的順序為Zn>Ni>Cu>Cd>Pb，各重金屬的含量范圍分別在38.85～60.22、26.32～35.11、7.34 ～12.91、3.60 ～6.41、0.20～0.26 mg·kg-1。因此，本試驗中狗牙根對Zn、Ni的富集作用較強，對其他重金屬也有一定的富集作用。另外，D處理的狗牙根草樣中氮、磷的含量最高，能夠解釋色澤較好、根系活力較強的原因。

3 討論與結(jié)論

無土草皮卷生產(chǎn)的關(guān)鍵為基質(zhì)的篩選問題。是否適宜草生長是由栽培基質(zhì)本身的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性所決定的[39-40]。某一種基質(zhì)雖然在性能上非常適合某一種草坪草生長的需要，但若其成本過高，對基質(zhì)用戶來說也不是最優(yōu)選擇[37]?；|(zhì)混合后，同單一的污泥基質(zhì)生產(chǎn)狗牙根無土草皮相比而言，解決了草皮質(zhì)量較大以及重金屬含量超標(biāo)的問題。草皮收獲前后土樣以及草樣中重金屬的含量發(fā)生了變化，即土樣中Ni含量降低的最多，狗牙根中Zn、Ni的富集量最大，原因有可能是基質(zhì)混合后不同種類或者不同形態(tài)的元素之間發(fā)生了某些理化反應(yīng)[37]。元素含量與基質(zhì)配比之間的定量關(guān)系不明確問題有待于探索，并最終為徹底解決污泥農(nóng)用的重金屬超標(biāo)問題提供科學(xué)依據(jù)。通過對各指標(biāo)進行方差分析，結(jié)果表明，除葉綠素外，其他指標(biāo)間的差異均顯著，這說明基質(zhì)的不同配比確實對無土草皮的生產(chǎn)產(chǎn)生了顯著的影響。草皮的色澤與氮元素的含量有關(guān)，草皮質(zhì)量與混合基質(zhì)的容重和保水性能等有關(guān)，生物量、草皮密度、根系活力等因素與基質(zhì)中的營養(yǎng)元素以及保水保肥性能有關(guān)[31]。成坪時間和密度是2個緊密聯(lián)系的指標(biāo)，因此限制密度的因素也決定著草皮成坪的快慢[41]。成卷時間的長短直接影響草皮卷上市的時間，因此探索決定草皮成卷時間快慢的因素至關(guān)重要。D處理成坪和成卷的時間均較短，這可能是由于其成坪較早，生長期長勢較旺，達到了快速成卷的目的[42]。單一基質(zhì)關(guān)聯(lián)度的大小代表了相應(yīng)的基質(zhì)配比生產(chǎn)狗牙根無土草皮的優(yōu)劣程度。用頻數(shù)分析法把關(guān)聯(lián)度分組，然后通過計算機模擬尋優(yōu)，得到最佳的基質(zhì)配方區(qū)間為：污泥的含量51.41%～51.83%，煤渣的含量18.32%～18.86%，蘑菇渣的含量18.19%～18.81%，沙子的含量10.87%～11.72%。在此配比區(qū)間內(nèi)，混合基質(zhì)的孔隙度、容重、有機基質(zhì)含量和保水保肥性等物理性能較好，能為狗牙根生長提供協(xié)調(diào)的水、肥、氣、熱根際環(huán)境，使其生長環(huán)境保持相對穩(wěn)定，狗牙根的密度、生物量、草皮質(zhì)量、根系活力、色澤等坪用性狀表現(xiàn)最佳，成坪時間和成卷時間均較短，即無土草皮的綜合品質(zhì)最好。由于時間緊迫以及關(guān)聯(lián)度分組的精確程度問題，目前只得到了最佳的配方區(qū)間，未明確具體的基質(zhì)配方值，但是這已為今后狗牙根無土草皮卷的生產(chǎn)提供了有力的參考價值。

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