污泥對(duì)高羊茅抗旱性的影響研究

韓朝，劉洋，董慧，常智慧

（北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京100083）

污泥是城鎮(zhèn)污水處理廠在污水凈化處理過程中產(chǎn)生的含水率不同的廢棄物（不包括柵渣、浮渣和沉砂池砂粒）［1］。隨著我國(guó)城市污水處理工程的快速發(fā)展，污泥的產(chǎn)量與日俱增，大量污泥的處置成為社會(huì)日益關(guān)注的問題［2］。

污泥在綠地植物上的應(yīng)用越來越廣泛，由于污泥中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此不僅可以將污泥直接添加到土壤中，還可以配合生活垃圾、秸稈、動(dòng)物糞便等制成堆肥使用［3］。污泥在草坪上的應(yīng)用，可以提高土壤的肥力［4］，改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，同時(shí)增強(qiáng)土壤微生物的活性［5-6］。大量研究表明，污泥在草坪上的應(yīng)用能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，提高草坪草的生長(zhǎng)狀況和坪觀質(zhì)量［3］，從而提高其生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外，污泥中含有較多的重金屬元素，且污泥中的重金屬含量較高，對(duì)綠地植物種子的發(fā)芽也具有抑制作用，相關(guān)研究表明Pb、Cu、Cd等重金屬對(duì)植物的發(fā)芽具有抑制作用［7-9］，因此使用時(shí)需要控制用量。

近年來的相關(guān)研究表明污泥能夠增強(qiáng)植物的抗性。污泥的施用使氮素的釋放起到了緩釋作用，且污泥中的活性物質(zhì)作用增強(qiáng)，使草地早熟禾（Poa pratensis）的細(xì)胞膜透性減小，增強(qiáng)其抗寒性［10］。污泥堆肥對(duì)高爾夫球場(chǎng)匍匐翦股穎（Agrostis stolonifera）與一年生早熟禾（Poa annua）混播草坪的幣斑病具有較好的防治效果［11］。另外，污泥在苜蓿（Medicago sativa）上的研究表明，污泥的施用能夠促進(jìn)苜蓿在干旱條件下的生長(zhǎng)，提高苜蓿氮素和水分的利用效率，提高其抗旱性［12］。污泥中含有對(duì)植物生長(zhǎng)起到調(diào)節(jié)作用的活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)的存在能夠直接或通過刺激微生物的活動(dòng)間接為植物的生長(zhǎng)提供生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)［13］。Zhang等［14］研究發(fā)現(xiàn)污泥中含有腐殖質(zhì)和生長(zhǎng)素，其含量均在對(duì)植物生長(zhǎng)起到調(diào)節(jié)作用的范圍內(nèi)，因此，污泥中生物活性物質(zhì)的存在會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的作用，從而增強(qiáng)植物的抗性。

目前，有關(guān)污泥在草坪草上應(yīng)用的研究較多，但有關(guān)污泥對(duì)草坪抗旱性的研究較少，且以往有關(guān)污泥對(duì)草坪草的研究大多集中在不同用量的污泥對(duì)草坪草生長(zhǎng)的影響。本研究將污泥作為氮源，研究其與無機(jī)氮肥硝酸銨相同氮肥條件下污泥中的活性物質(zhì)對(duì)高羊茅（Festuca arundinacea）抗旱性的影響，以期為污泥提高草坪的抗性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用污泥

污泥取自北京市某生活污水處理廠，污泥的理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用草種為高羊茅美洲虎3號(hào)，播種量為30 g／m2；試驗(yàn)所用基質(zhì)為無營(yíng)養(yǎng)的煅燒粘土（profile products，Chicago）。

1.3 污泥中高羊茅可利用有效氮的測(cè)定

試驗(yàn)在溫室中進(jìn)行，日夜溫度為28℃／18℃，光照14 h，光強(qiáng)400μmol／m2。高羊茅種植在直徑為15 cm，深度為11 cm的塑料盆中，每盆裝700 g的煅燒粘土。播種前和整個(gè)試驗(yàn)期間，使每個(gè)盆中的土壤含水量保持在90%的田間持水量。田間持水量的測(cè)定方法是用煅燒粘土將塑料盆裝滿，用水將煅燒粘土澆透，然后用塑料膜封住塑料盆口，靜置24 h以后稱重，以此時(shí)的土壤含水量為100%，澆水前和靜置24 h后分別對(duì)其進(jìn)行稱重［14］。

高羊茅生長(zhǎng)所需要的氮以外的其他元素由無氮霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液提供，氮素由硝酸銨和污泥提供。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理：1）對(duì)照：不添加氮素；2）氮素施用量：25.0 mg／kg；3）氮素施用量：50.0 mg／kg；4）氮素施用量：75.0 mg／kg；5）施用污泥10.0 g（鮮重）。2）、3）、4）所用氮素由硝酸銨提供。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置5個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)所用污泥的理化性質(zhì)Table 1 Tested biosolids properties

污泥中高羊茅可利用有效氮測(cè)定實(shí)驗(yàn)于2012年3月24日播種，試驗(yàn)持續(xù)8周。試驗(yàn)結(jié)束后把高羊茅地上部分全部收集，于65℃烘箱中烘干稱重并測(cè)定每盆高羊茅的全氮含量［15］，求出每個(gè)處理平均的氮吸收量。由處理1）～4）的氮吸收量 Y（mg／盆）和氮的施用量 X（mg／kg）做標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1）并得出線性方程：Y＝0.402X＋16.24（R2＝0.999）。由此可計(jì)算出提供75.0 mg／kg的氮量需要鮮污泥14.5 g。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)。主處理為水分條件，包括充分澆水和干旱處理2個(gè)水平，副處理為氮源，包括：1）對(duì)照（75.0 mg／kg的氮素由硝酸銨提供）；2）半污泥（硝酸銨和污泥各提供37.5 mg／kg的氮素）；3）全污泥（75.0 mg／kg的氮素由污泥提供）。

高羊茅（美洲虎3號(hào)）種植在直徑為23 cm，高15 cm的塑料盆中，每盆裝2.5 kg的煅燒粘土。于2013年3月24日播種，高羊茅的播種量為30 g／m2。由無氮霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液提供除氮以外的其他元素。播種前和干旱處理之前，使每盆都保持90%的田間持水量。試驗(yàn)在溫室中進(jìn)行（日夜溫度為28℃／18℃，光照14 h，光強(qiáng)400 μmol／m2）。

試驗(yàn)所用污泥在播種前用水?dāng)嚢韬缶鶆蚴┤腱褵惩林?。硝酸銨在播種前、播種2周和播種4周后分3次施入。硝酸銨施用完后4周，開始進(jìn)行干旱處理。正常澆水處理保持90%的田間持水量，干旱處理從5月24日開始，自然干旱至50%田間持水量、30%田間持水量、20%田間持水量，而后恢復(fù)充分澆水至90%田間持水量。高羊茅的生長(zhǎng)過程中保持9 cm的修剪高度。

圖1 氮素吸收量和施入量的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curves of N uptake and application rate

1.5 測(cè)試指標(biāo)及方法

取樣時(shí)間根據(jù)土壤含水量確定，土壤含水量用Theta Probe土壤水分測(cè)定儀（ML2，Delta-T Device，Cambridge，UK）來測(cè)定。

在90%田間持水量（5月24日）、50%田間持水量（6月6日）、30%田間持水量（6月19日）、20%田間持水量（6月25日）和恢復(fù)澆水至90%田間持水量1周后（7月2日）測(cè)定坪觀質(zhì)量、葉片相對(duì)含水量、葉綠素含量、脯氨酸含量和蒸散量；在3個(gè)干旱階段（6月6日、6月19日和6月25日）測(cè)定葉片萎蔫度；在干旱開始前（5月24日）、50%田間持水量（6月6日）和恢復(fù)澆水至90%田間持水量1周后（7月2日）測(cè)定氣孔導(dǎo)度和水分利用效率；在20%田間持水量（6月25日）時(shí)取根樣（用直徑為4 cm，深度為30 cm的土鉆取樣），測(cè)定根系活力；試驗(yàn)結(jié)束后收集根樣，測(cè)定根系干重。

坪觀質(zhì)量采用9分制［16］；葉片萎蔫度參照Zhang等［14］的方法；葉片相對(duì)含水量的測(cè)定采用飽和稱重法［17］；葉綠素含量的測(cè)定采用浸提比色法［18］；蒸散量的測(cè)定是記錄每次澆水前和澆水后的重量，用蒸散掉水量的深度表示；氣孔導(dǎo)度用Licor 6400光合儀測(cè)定（LI-6400，Li-Cor，Lincoln，NE，USA）；水分效率用光合速率／蒸騰速率來表示［19］；脯氨酸含量的測(cè)定參照Bates等［20］的方法；根系活力的測(cè)定采用TTC法［21］；根系重量在試驗(yàn)結(jié)束后收集高羊茅的根系，65℃恒溫烘干后稱重［22］。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)采用LSD檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 坪觀質(zhì)量

正常澆水條件下，在5月24日，對(duì)照組的坪觀質(zhì)量顯著高于半污泥和全污泥處理（P＜0.05），而后4個(gè)取樣點(diǎn)（6月6日、6月19日、6月25日和7月2日）全污泥處理的坪觀質(zhì)量均高于對(duì)照（P＜0.05），半污泥處理在3個(gè)取樣點(diǎn)（6月19日、6月25日和7月2日）的坪觀質(zhì)量高于對(duì)照（P＜0.05）；干旱降低了3個(gè)處理高羊茅的坪觀質(zhì)量，恢復(fù)澆水后坪觀質(zhì)量恢復(fù)到6分以上；6月6日（50%田間持水量）時(shí)，全污泥的坪觀質(zhì)量高于對(duì)照和半污泥處理（P＜0.05），6月19日（30%田間持水量）、6月25日（20%田間持水量）和7月2日（復(fù)水1周后），3個(gè)處理間差異均顯著，且全污泥的坪觀質(zhì)量最高，半污泥處理的次之（表2）。

表2 2種水分條件下高羊茅坪觀質(zhì)量Table 2 Impact of biosolids on turfgrass quality of tall fescue subjected to two moisture regimes

2.2 葉片萎蔫度

隨著干旱程度的增加，干旱處理下高羊茅的葉片萎蔫度呈增加的趨勢(shì)（圖2）。30%田間持水量時(shí)，對(duì)照的葉片萎蔫度與半污泥和全污泥相比存在顯著差異（P＜0.05），污泥處理降低了葉片萎蔫度；半污泥和全污泥之間沒有顯著差異。20%田間持水量時(shí)，3個(gè)處理間的葉片萎蔫度差異均顯著，其中全污泥和半污泥的葉片萎蔫度與對(duì)照相比分別降低了12.2%和7.1%（P＜0.05）。

2.3 葉片相對(duì)含水量

干旱處理組的高羊茅葉片相對(duì)含水量隨著干旱程度的增強(qiáng)逐漸下降，恢復(fù)澆水1周后其葉片相對(duì)含水量增加（表3）。充分澆水條件下（90%田間持水量），6月19日時(shí)，全污泥和半污泥與對(duì)照相比顯著提高了葉片相對(duì)含水量（P＜0.05）。干旱條件下，在6月19日（30%田間持水量）和6月25日（20%田間持水量），全污泥和半污泥與對(duì)照相比，均顯著提高了葉片相對(duì)含水量（P＜0.05），復(fù)水1周后，3個(gè)處理間差異均顯著（P＜0.05）。

圖2 污泥對(duì)高羊茅在50%，30%和20%田間持水量下的葉片萎蔫度的影響Fig.2 Leaf wilting rate response to biosolids application in tall fescue under 50%，30%and 20%container capacity

表3 2種水分條件下高羊茅葉片相對(duì)含水量Table 3 Impact of biosolids on leaf relative water content of tall fescue subjected to two moisture regimes %

2.4 葉綠素含量

充分澆水條件下（90%田間持水量），與對(duì)照相比，全污泥在4個(gè)取樣點(diǎn)（6月6日、6月19日、6月25日和7月2日）均提高了葉綠素含量（P＜0.05），半污泥在2個(gè)取樣點(diǎn)（6月19日和7月2日）提高了葉綠素含量。干旱條件下葉綠素的含量隨著干旱程度的增強(qiáng)而降低，恢復(fù)澆水后葉綠素含量增加，而污泥的施用在干旱和復(fù)水1周后均顯著提高了葉綠素含量。與對(duì)照相比，全污泥在4個(gè)取樣點(diǎn)（6月6日、6月19日、6月25日和7月2日）提高了葉綠素含量（P＜0.05），半污泥處理在1個(gè)取樣點(diǎn)（6月19日）提高了葉綠素含量（P＜0.05）（表4）。

表4 2種水分條件下高羊茅葉綠素含量Table 4 Chlorophyll content of tall fescue subjected to two moisture regimes mg／g

2.5 蒸散量

在充分澆水條件下，半污泥處理的高羊茅在6月6日時(shí)的蒸散量低于全污泥處理和對(duì)照（P＜0.05）。在干旱條件下，6月25日（20%田間持水量）時(shí)，全污泥和半污泥的蒸散量比對(duì)照分別高26.5%和20.6%（P＜0.05）（表5）。

表5 2種水分條件下高羊茅的蒸散量Table 5 Evapotranspiration of tall fescue subjected to two moisture regimes mm

2.6 氣孔導(dǎo)度

充分澆水條件下，5月24日時(shí)，半污泥處理的氣孔導(dǎo)度顯著高于全污泥和對(duì)照（P＜0.05），而6月6日和7月2日，全污泥和半污泥處理均顯著高于對(duì)照（P＜0.05）。干旱條件下，在干旱處理前（5月24日）和恢復(fù)澆水1周后（7月2日），3個(gè)處理間無差異，而在50%田間持水量時(shí)（6月6日），全污泥和半污泥處理的氣孔導(dǎo)度高于對(duì)照（P＜0.05）（表6）。

表6 2種水分條件下高羊茅的氣孔導(dǎo)度和固有水分利用效率Table 6 Stomatal conductance and intrinsic water use efficiency of tall fescue subjected to two moisture regimes

2.7 葉片的水分利用效率

正常澆水條件下，干旱處理前（5月24日）對(duì)照組的水分利用效率高于2個(gè)污泥處理組（P＜0.05）；干旱條件下，在50%田間持水量（6月6日）和恢復(fù)澆水1周后（7月2日），全污泥處理的水分利用效率均顯著高于半污泥和對(duì)照（P＜0.05）。隨土壤含水量變化，對(duì)照的水分利用效率呈降低的趨勢(shì)，半污泥處理的水分利用效率在恢復(fù)澆水后降低，全污泥處理在50%田間持水量時(shí)升高而恢復(fù)澆水后降低（表6）。

2.8 脯氨酸含量

干旱條件下脯氨酸含量隨著干旱程度的加重而增加，復(fù)水后脯氨酸含量降低（表7）。在充分澆水條件下，6月19日全污泥和半污泥的脯氨酸含量與對(duì)照相比顯著增加（P＜0.05），7月2日，對(duì)照的脯氨酸含量顯著低于半污泥和全污泥的（P＜0.05）。而在干旱條件下，全污泥和半污泥的脯氨酸含量在4個(gè)取樣點(diǎn)（6月6日、6月19日、6月25日和7月2日）顯著高于對(duì)照（P＜0.05），在6月25日（20%田間持水量）3個(gè)處理的脯氨酸含量差異均顯著，全污泥和半污泥與對(duì)照相比分別高22.2%和7.2%（P＜0.05），全污泥與半污泥相比高13.8%（P＜0.05）。

表7 2種水分條件下高羊茅葉片脯氨酸含量Table 7 Leaf proline content of tall fescue subjected to two moisture regimes μg／g

2.9 根系活力

干旱降低了根系活力（圖3）。充分澆水條件下，3個(gè)處理間的根系活力沒有差異。但在20%田間持水量的干旱情況下，污泥的施用提高了高羊茅的根系活力，全污泥和半污泥的根系活力與對(duì)照相比分別提高了22.7%和18.2%（P＜0.05）。

2.1 0 根系重量

與充分澆水條件下的根重相比，干旱降低了高羊茅根系的重量（圖4）。2種水分狀況下，與對(duì)照相比，全污泥和半污泥均提高了高羊茅的根系重量（P＜0.05），而全污泥和半污泥之間無差異（P＜0.05）。在充分澆水和干旱條件下全污泥和半污泥的高羊茅根重與對(duì)照相比，分別提高了8.8%，7.1%和12.4%，10.3%（P＜0.05）。

圖3 2種水分條件下高羊茅在20%田間持水量時(shí)的根系活力Fig.3 Root viability response to biosolids application in tall fescue under two moisture regimes on 25-June（20%container capacity）

圖4 2種水分條件下的高羊茅根重Fig.4 Root weight response to biosolids application in tall fescue under two moisture regimes

3 討論

本試驗(yàn)通過污泥中高羊茅可利用有效氮的測(cè)定，確定了與無機(jī)氮肥硝酸銨提供等量氮素的污泥用量；試驗(yàn)用基質(zhì)煅燒粘土無任何營(yíng)養(yǎng)元素，用硝酸銨或污泥作為氮源，用無氮霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液提供氮素以外的其他營(yíng)養(yǎng)，因此試驗(yàn)排除了污泥中營(yíng)養(yǎng)元素的影響，不同氮源對(duì)高羊茅抗旱性的影響不是由營(yíng)養(yǎng)量的差異引起的，而是由污泥中所含的活性物質(zhì)造成。

污泥中生物活性物質(zhì)的存在對(duì)植物的生長(zhǎng)能起到調(diào)節(jié)作用［14］，本試驗(yàn)中所用污泥含有一定量的腐殖酸和生長(zhǎng)素，這些物質(zhì)的存在對(duì)高羊茅的生長(zhǎng)產(chǎn)生了影響。污泥的施用提高了高羊茅在2種水分條件下的坪觀質(zhì)量和葉綠素含量，并降低了高羊茅在干旱條件下的葉片萎蔫度，提高了高羊茅的葉片相對(duì)含水量。污泥對(duì)高羊茅的坪觀質(zhì)量和葉片萎蔫度的影響與Zhang等［13］的研究相似。本試驗(yàn)中污泥對(duì)高羊茅的葉片相對(duì)含水量的影響與禚來強(qiáng)和常智慧［23］對(duì)草地早熟禾的研究相似。本研究表明污泥的施用能夠提高高羊茅的抗旱性。

植物的蒸散量與環(huán)境條件、植物生長(zhǎng)狀況和葉片表面積有關(guān)［24］，本試驗(yàn)中2個(gè)污泥處理的高羊茅蒸散量在重度干旱時(shí)（20%田間持水量）高于對(duì)照，與此時(shí)期的葉片相對(duì)含水量情況一致，表明污泥的施用改善了高羊茅干旱條件下的水分利用狀況，使高羊茅的生長(zhǎng)在重度干旱條件下維持較好的水分代謝狀況。

干旱條件下氣孔關(guān)閉是減少水分蒸散的有效方式，但同時(shí)CO2的吸收會(huì)受到限制而影響光合作用。本試驗(yàn)中污泥處理的高羊茅在50%田間持水量下仍能保持較高的氣孔導(dǎo)度，表明污泥的施用有利于高羊茅在適度干旱下維持較好的氣體交換。且污泥使高羊茅在50%田間持水量和恢復(fù)澆水后的葉片水分利用效率提高。

脯氨酸作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)能夠增加細(xì)胞質(zhì)的滲透勢(shì)，增加蛋白質(zhì)分子的水合度，維持蛋白的功能。另外，脯氨酸還能清除自由基，保護(hù)脅迫條件下的植物［25］。本試驗(yàn)中，污泥處理促進(jìn)了干旱條件下高羊茅葉片中脯氨酸的積累，增強(qiáng)高羊茅的耐旱性。

污泥的施用在充分澆水和干旱條件下均增加了高羊茅根系的重量，并在干旱條件下提高了高羊茅的根系活力，這與禚來強(qiáng)和常智慧［23］在草地早熟禾上的研究相似。污泥的施入改善了土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)土壤中微生物的活動(dòng)，泥中的生物活性物質(zhì)可能被微生物所利用，產(chǎn)生并釋放激素類物質(zhì)［26］，促進(jìn)了高羊茅根系的生長(zhǎng)和干旱狀況下的根系活力，從而維持干旱狀況下高羊茅體內(nèi)生理活動(dòng)的正常進(jìn)行。污泥促進(jìn)了干旱條件下高羊茅的根系生長(zhǎng)，有利于水分和礦質(zhì)元素的吸收，從而改善了高羊茅地上部分的生長(zhǎng)狀況。

4 結(jié)論

污泥的施用改善了高羊茅的生長(zhǎng)狀況，促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)，且提高了高羊茅在輕度干旱下的葉片水分利用效率，增強(qiáng)了高羊茅的抗旱性。與提供等量氮素的硝酸銨相比，全污泥和半污泥2個(gè)處理對(duì)高羊茅在干旱條件下的生長(zhǎng)效果不同，前者優(yōu)于后者，這說明污泥的用量對(duì)高羊茅的生長(zhǎng)影響不同。污泥處理在干旱條件下提高了高羊茅的根系活力，而在正常澆水狀況下與對(duì)照相比無差異；對(duì)根系重量的影響方面，全污泥和半污泥相比在2種水分狀況下均無差異。因此，污泥對(duì)高羊茅不同水分狀況下不同指標(biāo)的影響不同。有關(guān)污泥中生物活性物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響機(jī)理有待于深入研究。