污泥和吲哚丁酸對草地早熟禾的生長和耐旱性的影響研究

曹允馨，于芳芳，白梅，常智慧*

(1.北京林業(yè)大學草坪研究所，北京100083;2.陜西咸陽市秦都區(qū)農(nóng)林畜牧局，陜西 咸陽 712000)

污泥是污水凈化處理過程中產(chǎn)生的不包括柵渣、浮渣和沉砂池沙礫的含水率不同的廢棄物[1]。據(jù)統(tǒng)計，截止“十二五”規(guī)劃期末，我國全年污水處理量達到550億m3以上，中國城市污泥產(chǎn)生量已達到3500萬t[2]。截止2016年3月底，全國已建成污水處理廠3910座，預(yù)計2020年污泥的年產(chǎn)量將突破6000萬t[3]。城市污泥的處理處置已成為城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的關(guān)鍵限制因素[4]。污泥的主要處置方式有填海、焚燒、填埋和土地利用[5]。填海因嚴重污染生態(tài)環(huán)境和食物鏈已被多國禁止，填埋需要大量的占地面積，焚燒不僅造成二次污染且成本極高[6]，而污泥是低質(zhì)燃料，其焚燒、碳化不能將污泥中的養(yǎng)分資源物盡其用[7]，因此土地利用是國家目前優(yōu)先鼓勵的處置途徑[4]。

有研究表明，將污泥用作土壤改良劑可以調(diào)控植物種子的發(fā)芽和出苗[8]，促進綠地植物地上部分的生長[9]，提高草坪草的成坪速度和坪觀質(zhì)量[10]，綠地植物的開花并延長花期[11]，增加生物量[12]等。隨著近年來關(guān)于污泥堆肥對植物生長影響的研究的深入，一些學者開始探索污泥影響植物生長的作用機理。污泥中含有大量的礦質(zhì)元素和有機質(zhì)，Tester[13]的研究證明了污泥可以提高高羊茅(Festucaarundinace)體內(nèi)氮、磷、鉀的含量，Chen等[14]的研究表明污泥能提高高羊茅體內(nèi)鐵、錳、鉬的含量。此外，污泥還可以提高綠地植物的葉綠素含量[15]，對草坪草滲透物質(zhì)和抗氧化酶系都會產(chǎn)生影響[16-17]。污泥中含有生長素、腐殖酸、氨基酸和維生素等生物活性物質(zhì)[18-19]，可以為植物提供生長調(diào)節(jié)劑，或通過刺激微生物產(chǎn)生激素間接促進植物生長，激素對植物生長產(chǎn)生的影響是同等礦質(zhì)元素所無法替代的[20]。

大量研究表明污泥可以使草坪草獲得良好的生長響應(yīng)，增加生物量，提高坪觀質(zhì)量、生長勢及抗逆性等[8, 21]。王新等[22]研究發(fā)現(xiàn)，施用污泥后，土壤有機質(zhì)增加12.79%～80.80%，且隨污泥用量的增加呈遞增趨勢，而在污泥施用當年，草坪草的生物量比對照增加了64%～316%。禚來強等[23]研究發(fā)現(xiàn)，污泥能夠促進草地早熟禾(Poapratensis)的生長并提高其抗旱性，污泥中的腐殖酸能夠促進草地早熟禾根系的生長。閆雙堆等[24]發(fā)現(xiàn)，污泥不僅能增加草坪草分蘗數(shù)和葉綠素含量，還可以降低早熟禾的細胞膜透性從而提高其抗寒性。Zhang等[17]在研究污泥對高羊茅抗旱性影響中測得污泥中的吲哚乙酸(indole-3-acetic-acid,IAA)含量范圍為0.5～2.4 μg·g-1，并提出污泥對于植物生長及抗逆性的積極作用與其所含生長素有密切關(guān)系。

草地早熟禾因其綠期長、耐修剪且抗寒能力較強等優(yōu)良特性被廣泛用于草坪建植和城市綠化[25]，但其抗旱性相對較弱[26]，成為限制其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。污泥對于草坪草的積極影響存在多方面的原因，目前有關(guān)污泥中生物活性物質(zhì)生長素對草坪草抗性影響的研究較少，本試驗的目的是研究污泥中的生長素對草地早熟禾抗旱性的影響，為污泥用于草坪的建植及其資源化利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 污泥

泥餅狀污泥，取自北京市酒仙橋污水處理廠，其含水量為73.8%，全氮含量1.04 g·kg-1，生長素(IAA)含量為1.62 μg·g-1，鐵含量為3.5 mg·g-1，鎂含量為2.4 mg·g-1，錳含量為0.052 mg·g-1。供試草種為草地早熟禾 ‘午夜’品種(Poapratensis‘Midnight’)，其綠期長，耐踐踏性優(yōu)良，抗性較強；供試基質(zhì)為經(jīng)800 ℃高溫煅燒，不含任何營養(yǎng)物質(zhì)的煅燒黏土(Profile Products, Chicago, IL)，擁有良好的排水性和透氣性。

1.2 污泥中草地早熟禾可利用氮的測定

試驗選用直徑15 cm、深10 cm的塑料盆，每盆添加0.7 kg煅燒粘土。污泥中草地早熟禾可利用氮的測定采用5個氮素梯度：1)對照，不添加氮素；2)25 mg·kg-1氮素；3)50 mg·kg-1氮素；4)75 mg·kg-1氮素；5)污泥。每個濃度梯度4個重復(fù)。前4個處理由NH4NO3溶液提供氮素，污泥處理由污泥提供氮素，污泥在播種前與基質(zhì)混合均勻。草地早熟禾播種量為15 g·m-2。所有處理加無氮Hoagland營養(yǎng)液以提供草坪草生長所需的除氮素以外的其他營養(yǎng)。試驗在平均日夜溫度為23/16 ℃的溫室內(nèi)進行，光照時間為11 h，光強860 μmol·m-2·s-1PAR(photosynthetically active radiation)。生長期為2個月，期間保持盆內(nèi)水分為90%田間持水量。定期修剪維持草坪草葉片高度8～10 cm。每次修剪后收集草屑，80 ℃烘干72 h后保存。

試驗結(jié)束后，將草坪草所有地上部分收集，烘干。采用凱氏定氮法[27]測草坪草地上部分的全氮含量。根據(jù)前4個處理作出氮攝入量與氮施用量的標準曲線，得出線性方程y=0.0014x+0.0211。從而計算出污泥中草地早熟禾可利用的有效氮含量為113.2 mg·kg-1。

1.3 試驗設(shè)計

由1.2的試驗結(jié)果可知在2.5 kg基質(zhì)中為草地早熟禾提供45 mg·kg-1氮所需的污泥量為21.3 g。吲哚丁酸(indole butyric acid，IBA)的處理用量參考Zhang等[16]的試驗確定為2 μmol·L-1。試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主處理為干旱處理，包括充分澆水和干旱處理2組；副處理為污泥處理，包括：1)對照組；2)2 μmol·L-1IBA處理；3)污泥處理，21.3 g·盆-1。每處理5個重復(fù)。

2011年4月23日播種，用直徑21 cm，深18 cm的塑料盆種植，每盆添加 2.5 kg 煅燒粘土，草地早熟禾播種量為15 g·m-2。播種前將污泥與基質(zhì)混合均勻，保證盆內(nèi)持水量達到90%左右。IBA分別在7月29日和8月22日噴施0.342 mg(相當于70%持水量時2 μmol·L-1的濃度)。對照和IBA處理的氮素添加量均為45 mg·kg-1，用NH4NO3溶液提供，分別在播種前、播種后20 d和播種后30 d時添加7.5 mg·kg-1、 7.5 mg·kg-1和 15 mg·kg-1。試驗期間用無氮Hoagland營養(yǎng)液為所有處理提供氮素以外的其他營養(yǎng)。試驗溫室的日夜平均溫度為23/16 ℃，光照時長為11 h，光強為860 μmol·m-2·s-1PAR。草坪草定期修剪，保持草坪草高度為8～10 cm。

播種3個月后開始進行干旱處理。充分澆水組始終保持盆內(nèi)水分為90%田間持水量。干旱處理組從處理開始時不澆水，待水分降到25%田間持水量后重新澆水，恢復(fù)至90%田間持水量，保持1個月后干旱處理組再次不澆水，待水分降到25%田間持水量后重新澆水。經(jīng)過兩次干旱復(fù)水循環(huán)后試驗結(jié)束。

取樣時間分別為兩次干旱循環(huán)的開始與結(jié)束以及復(fù)水30 d后，即7月30日(90%田間持水量)、8月13日(25%田間持水量)、9月13日(90%田間持水量)、9月24日(25%田間持水量)和10月23日(90%田間持水量)。剪取草坪草頂端3～5 cm所得草屑為樣品。葉片含水量和葉綠素、類胡蘿卜素含量修剪后立即測定；測氨基酸和激素含量的草樣用液氮帶回，置于-80 ℃冰箱保存待測。

1.4 測定指標及方法

草坪坪觀質(zhì)量參考楊燕等[28]的方法，9分制，依據(jù)草坪顏色、均一度、蓋度等方面打分，1代表草坪完全死亡，9代表草坪顏色濃綠、稠密、均一，有茂盛的地上莖葉，6代表可接受的最低草坪質(zhì)量水平；目測草坪葉片測定葉片萎蔫度，從0到100%，0代表葉冠完全，100%代表永久萎蔫；相對含水量采用飽和稱重法[29]：葉片采集后立即稱其鮮重(FW)，然后浸入蒸餾水中，4 ℃條件下放置12 h以上，取出后擦干葉片表面水分，稱其飽和重量(TW)，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重稱其干重(DW)，葉片相對含水量=(FW-DW)/(TW-DW)×100%；參照趙汝[30]的方法測定葉綠素和類胡蘿卜素含量：用95%乙醇浸提，分光光度計測定浸提液在波長為665，649和470 nm處的吸光度，計算色素含量；脯氨酸含量的測定[31]：用100 μg·mL-1脯氨酸標液作出標準曲線后，用3%磺基水楊酸在沸水浴中提取脯氨酸，在520 nm波長下測定吸光度，計算脯氨酸含量；丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量采用硫代巴比妥酸顯色法[32-33]測定，吲哚乙酸和脫落酸(abscisic acid,ABA)含量采用高效液相色譜法[34]測定,提取方式參考禚來強[35]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SAS 9.1.3軟件分析實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計檢驗采用LSD檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 坪觀質(zhì)量和葉片萎蔫度

充分澆水條件下，所有處理的草地早熟禾外觀表現(xiàn)良好且基本一致，說明污泥和IBA處理在土壤水分供應(yīng)良好的情況下對草地早熟禾影響較弱。干旱復(fù)水循環(huán)過程中，各處理草坪草在干旱期間和復(fù)水后，坪觀質(zhì)量均明顯下降，但同時期內(nèi)污泥處理顯著高于對照(P<0.05)。污泥和IBA處理的坪觀質(zhì)量分別在第1次干旱結(jié)束時(8月13日)和第2次干旱結(jié)束時(9月24日)顯著高于對照(P<0.05)(表1)。

表1 兩種水分條件下污泥和IBA對草地早熟禾坪觀質(zhì)量的影響Table 1 Impact of sewage sludge and IBA on the turfgrass quality of kentucky bluegrass under two water conditions

兩次干旱結(jié)束時(8月13日和9月24日)，污泥處理和IBA處理均顯著降低了草地早熟禾的萎蔫度(P<0.05)，污泥與IBA處理之間無顯著差異(圖1)。

圖1 干旱脅迫下污泥和IBA對草地早熟禾葉片萎蔫度的影響 Fig.1 Impact of sewage sludge and IBA on the wilt rating of kentucky bluegrass under drought stress

2.2 葉片相對含水量

充分澆水機制下，污泥和IBA處理的葉片相對含水量均略高于對照，但差異不顯著(表2)。IBA處理能在更長時間內(nèi)維持在較高的狀態(tài)。干旱處理組在兩次干旱最嚴重時(8月13日和9月24日)，所有處理的葉片相對含水量都下降(表2)。8月13日時，污泥處理和IBA處理的葉片相對含水量均顯著高于對照(P<0.05)。兩次復(fù)水后，對照組含量略低于原有水平，而污泥和IBA處理恢復(fù)至原有水平。說明污泥處理和IBA處理可以緩減干旱脅迫對草地早熟禾造成的輕微損傷。

2.3 葉綠素和類胡蘿卜素含量

充分澆水組的污泥處理在后4次取樣時草地早熟禾葉片的葉綠素含量均高于CK，IBA處理在兩次干旱結(jié)束(8月13日和9月24日)及最后一次復(fù)水結(jié)束時(10月23日)葉綠素含量高于CK(表3)。污泥處理和IBA處理對胡蘿卜素含量的影響均不顯著。干旱處理組第1次復(fù)水后，污泥處理的類胡蘿卜素含量顯著高于對照(P<0.05)，兩個處理的類胡蘿卜素含量都顯著高于對照(P<0.05)；第2次復(fù)水后，污泥處理的類胡蘿卜素含量顯著高于對照(P<0.05)(表4)。

表2 兩種水分條件下污泥和IBA對草地早熟禾葉片相對含水量的影響Table 2 Impact of sewage sludge and IBA on the leaf relative water content of kentucky bluegrass under two water conditions (%)

表3 兩種水分條件下污泥和IBA對草地早熟禾葉片葉綠素含量的影響Table 3 Impact of sewage sludge and IBA on the leaf chlorophyll content of kentucky bluegrass under two water conditions (mg·g-1)

表4 兩種水分條件下污泥和IBA對草地早熟禾葉片胡蘿卜素含量的影響Table 4 Impact of sewage sludge and IBA on the leaf caroenoids content of kentucky bluegrass under two water conditions (mg·g-1)

2.4 脯氨酸含量

充分澆水組中，污泥處理和IBA處理的脯氨酸含量均與對照無顯著差異(P>0.05)(表5)。干旱處理組中，第1次干旱結(jié)束時(8月13日)，所有處理的脯氨酸含量增加，污泥處理和IBA處理增加的幅度顯著小于對照(P<0.05)；第2次干旱結(jié)束時(9月24日)，污泥處理的脯氨酸含量低于對照，但差異不顯著，IBA處理顯著低于對照(P<0.05)。第2次干旱后復(fù)水30 d后(10月23日)，污泥處理和IBA處理的脯氨酸含量顯著低于對照(P<0.05)。

表5 兩種水分條件下污泥和IBA對草地早熟禾葉片脯氨酸含量的影響Table 5 Impact of sewage sludge and IBA on the proline content of kentucky bluegrass under two water conditions (μg·g-1)

2.5 脫落酸(ABA)含量

充分澆水組中，污泥處理ABA含量基本維持在較穩(wěn)定的水平(表6)。對照和IBA處理的ABA含量在8月13日出現(xiàn)明顯下降且低于污泥處理(P<0.05)，之后保持穩(wěn)定。干旱處理組中，所有處理的ABA含量在第1次復(fù)水30 d(9月13日)后顯著下降(P<0.05)；第2次干旱結(jié)束時(9月24日)，對照的ABA含量顯著升高(P<0.05)，污泥和IBA處理沒有明顯變化。第1次干旱復(fù)水循環(huán)中，各處理間葉片ABA含量無顯著差異，第2次干旱復(fù)水循環(huán)中，污泥和IBA處理的ABA含量顯著低于對照(P<0.05)。

表6 兩種水分條件下污泥和IBA對草地早熟禾葉片ABA含量的影響Table 6 Impact of sewage sludge and IBA on the leaf ABA content of kentucky bluegrass under two water conditions (μg·g-1)

2.6 吲哚乙酸(IAA)含量

充分澆水組條件下，污泥和IBA顯著提高了草地早熟禾的葉片IAA含量(表7)。 干旱處理組中，對照的IAA含量在最后一次復(fù)水30 d后顯著增加(P<0.05)；污泥處理的IAA 含量在兩次干旱結(jié)束時(8月13日和9月24日)均有增加，第1次復(fù)水30 d后(9月13日)下降。第2次干旱結(jié)束時(9月24日)對照的IAA含量降低，污泥處理和IBA 處理的IAA含量顯著高于對照(P<0.05)；復(fù)水30 d后(10月23日)，污泥處理的IAA含量顯著低于對照(P<0.05)；IBA處理的IAA含量變化不顯著(P>0.05)(表7)。

表7 兩種水分條件下污泥和IBA對草地早熟禾葉片IAA含量的影響 Table 7 Impact of sewage sludge and IBA on the leaf IAA content of kentucky bluegrass under two water conditions (ng·g-1)

2.7 丙二醛(MDA)含量

充分澆水條件下，所有處理的MDA含量基本穩(wěn)定。干旱處理組中，第1次循環(huán)中所有處理的MDA含量都在干旱結(jié)束時下降，復(fù)水30 d后上升；第2次循環(huán)中對照和污泥處理的MDA含量在干旱結(jié)束時上升，復(fù)水30 d后下降，IBA處理的MDA含量則在干旱結(jié)束時下降，復(fù)水30 d后上升，兩次干旱結(jié)束時(8月13日和9月24日)污泥和IBA處理的MDA含量顯著低于對照(P<0.05)(表8)。說明污泥和IBA處理能夠降低過氧化反應(yīng)導(dǎo)致的膜損傷。

表8 兩種水分條件下污泥和IBA對草地早熟禾葉片MDA含量的影響Table 8 Impact of sewage sludge and IBA on the leaf MDA content of kentucky bluegrass under two water conditions (nmol·g-1)

3 討論

污泥因其含有豐富的礦質(zhì)營養(yǎng)、有機質(zhì)及生物活性物質(zhì)而可被作為肥料施用于草坪，從而促進草坪草的生長并提高其坪觀質(zhì)量和抗逆性。本研究首先通過設(shè)定4個NH4NO3溶液梯度濃度與污泥共5個處理的預(yù)試驗測定污泥中草地早熟禾可利用的有效氮含量，從而控制所有處理為草地早熟禾提供等量的氮素營養(yǎng)，排除處理間氮的影響。實驗過程中全部處理施入足量無氮霍格蘭營養(yǎng)液提供除氮素外的其他營養(yǎng),從而排除缺素的影響并避免對照和IBA處理的草坪草受到缺素的影響。因此，試驗中污泥和IBA對草坪草生長狀況的影響及差異是發(fā)生在營養(yǎng)元素一致的前提下的。

3.1 污泥和IBA對草地早熟禾生長的影響

邵海林等[36]的研究表明污泥能夠提高草坪草的葉綠素含量，從而提高其坪觀質(zhì)量。王新等[22]的研究表明污泥能增加草坪草地上生物量并延長綠期。楊玉榮等[37]的研究也表明污泥能夠增加草坪草的地上生物量和葉綠素含量且10%污泥堆肥的效果最佳。本研究中，污泥和IBA處理在充分澆水條件下均能提高草地早熟禾的坪觀質(zhì)量、葉綠素和類胡蘿卜素含量。IBA對坪觀質(zhì)量的改善效果比污泥更為明顯，且提高葉片相對含水量的作用更持久。而污泥提高葉綠素的作用優(yōu)于IBA。所以污泥和IBA均能促進草地早熟禾的生長，但二者之間差異不明顯，說明污泥中的生長素和單獨施用的外源生長素對草坪草外觀及形態(tài)方面影響沒有太大的差別。充分澆水條件下，污泥處理的IAA含量始終高于對照，IBA處理的IAA含量在試驗前期高于對照，隨時間的延長逐漸降低，后期低于對照。這表明污泥對葉片IAA含量的影響比IBA更持久。IAA是影響植物生長、代謝及形態(tài)建成等生理活動十分重要的激素，能夠促進側(cè)根和不定根的形成以及光合產(chǎn)物的分配等[38]。Zhang等[17]在研究污泥對草地早熟禾抗旱性的影響時提出過以下猜想：污泥可能通過促進土壤根際微生物的活動來為植物提供生物活性物質(zhì)，本試驗中污泥對葉片IAA含量的持久影響與此一致。污泥處理中由于微生物持續(xù)被激活不斷為植物提供生長素，而IBA處理中的ABA隨時間延長不斷消耗，所以污泥處理的草坪草葉片IAA含量保持較高水平的時間比IBA處理的更長久。

3.2 污泥和IBA對草地早熟禾耐旱性的影響

本實驗的結(jié)果表明，污泥和IBA處理能降低草地早熟禾脯氨酸、脫落酸和丙二醛的積累量。脯氨酸和游離氨基酸屬于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，干旱脅迫下植物會通過大量積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以降低細胞水勢，促進吸水;脫落酸(ABA)是一種植物激素，不僅對植物、種子的休眠和器官脫落等起重要作用，也是植物在逆境脅迫反應(yīng)過程中的重要調(diào)控物質(zhì)[39]；丙二醛(MDA)是細胞膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一，能加劇膜的損傷，其積累量能反映植物在逆境中的受損程度[40]。

4 結(jié)論

IBA在降低干旱對草坪草損傷方面的效果比污泥更好，但污泥比IBA能更好地提高草坪草在干旱時的綜合表現(xiàn)，這可能是由于污泥中含有多種營養(yǎng)及生物活性物質(zhì)，在其一系列復(fù)雜的代謝影響下產(chǎn)生的結(jié)果。所以IBA能更直接地提高草地早熟禾在干旱期對干旱的耐受性，而污泥可能會提高草坪草整體的抗旱性。

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