不同粒径垃圾堆肥对高羊茅抗旱性的影响

钱劲华，赵树兰，多立安

（天津师范大学 生命科学学院，天津 300387）

不同粒径垃圾堆肥对高羊茅抗旱性的影响

钱劲华，赵树兰，多立安

（天津师范大学 生命科学学院，天津 300387）

通过对草坪基质施用不同粒径的生活垃圾堆肥，研究了水分胁迫下垃圾堆肥对高羊茅生理生态的作用.结果表明：施用不同粒径垃圾堆肥对高羊茅生物量及株高的增加产生积极影响，叶绿素含量也有所提高.经粒径300 nm的堆肥（堆肥1）处理，高羊茅的叶绿素a和总叶绿素含量分别比对照高出37.3%和14.9%；根长和须根数也有较为明显的增加，分别比对照提高了25.8%和27.8%（P＜0.05）.不同粒径的堆肥对水分胁迫下高羊茅的过氧化物酶（POD）、超氧化物岐化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性具有积极的调控作用，其中堆肥1处理3种酶的活性分别比对照提高52.7%，65.3%和4.4%.水分胁迫下，堆肥处理对脯氨酸含量影响较小.但施入堆肥能明显降低高羊茅叶片丙二醛含量，其中以300 nm粒径的堆肥1和1 700 nm粒径的堆肥4处理分别比照降低了19.7%和35.1%.可见，在水分胁迫下，高羊茅草坪基质中施入不同粒径垃圾堆肥，尤其小粒径堆肥（300～600 nm），可明显改善植物的生理生态调节功能，缓解水分胁迫带来的伤害，提高高羊茅的抗旱性.

高羊茅；抗旱性；水分胁迫；生活垃圾堆肥；生理生态作用

随着水资源短缺的日趋严重，在城市绿地上如 何经济合理地利用水资源已成为一个热点研究问题.当今城市草坪绿地面积不断增长，其用水问题日益受到关注［1－2］.草坪传统节水方式是通过抗旱品种选育、草坪经济灌溉量及灌溉方式的选择等方法来实现的.目前，保水剂和保水肥料的应用，在一定程度上提高了草坪的节水能力［3］.焦晋川和陈琳研究了钾肥对黑麦草抗旱性的影响，表明干旱环境下一定浓度的钾肥能显著促进种子发芽率、增大叶片厚度和根冠比，从而提高多年生黑麦草的抗旱能力［4］.呼天明等的研究发现，施磷后马蹄金的避旱能力增强，低氮通过渗透调节提高耐旱性，而高氮加重了水分胁迫程度［5］.可见，开发经济、高效的保水肥料对实现草坪节水具有重要的现实意义.

关于城市生活垃圾堆肥用作草坪基质的研究也有一些报道［6］.国内外把生活垃圾堆肥作为一种肥料来改善草坪草观赏特征和质量特征，这方面也有较多报道［7］.刘晓波等的研究表明，不同粒径生活垃圾堆肥与土壤的组配基质能有效提供养分，促进光合，加速草坪植物生长，改善草坪植物色泽［8］.而将生活垃圾堆肥经过一定处理后，作为纳米级堆肥用于草坪植物抗旱性的研究，尚无文献报道.本研究选用4种不同粒径的垃圾堆肥施于高羊茅草坪，探讨水分胁迫下堆肥对高羊茅生长及生理指标的影响，为垃圾堆肥提高草坪植物抗旱性，最终在草坪建植上获得有效应用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 垃圾堆肥的制备原料与土壤基质

生活垃圾堆肥取自天津市小淀生活垃圾堆肥处理厂，其基本性质为：有机质含量22.00%，容重0.79 g／cm3，p H 7.62，孔隙度67.98%，饱和含水量0.67 m L／g，全氮0.57%，全磷0.34%，全钾1.21%.供试土壤取自天津师范大学实验地0～20 cm的表层土壤，土壤质地为砂质粘土，p H 7.44，有机质含量4.68%，全氮0.21%，有效磷22.03 mg／kg， 饱 和 含 水 量 0.58 m L／g， 容重0.87 g／cm3.

1.2 不同粒径堆肥制备及其粒径电镜分析

实验所用堆肥先去除其中的各类木头、塑料、玻璃、金属等杂物，然后在105℃条件下烘干至恒重，筛分出1 700 nm粒径的堆肥.将1 700 nm粒径堆肥在24 000 r／min下粉碎，时间分别为3 min，2 min和1 min，以制备出不同粒径的垃圾微肥，用S4800场发射扫描电镜（S4800，JAPAN）扫描，粒径分别为1 200 nm，600 nm和300 nm.为了便于文中表述，按照堆肥粒径从小到大的顺序，分别将上述4个粒径堆肥简称为：堆肥1，堆肥2，堆肥3和堆肥4.

1.3 草坪培植

盆栽试验采用直径7 cm、高10 cm的塑料盆.供试草种为北方常见的高羊茅（FestucaarundinaceaL.）.草坪基质为每盆180 g底土，然后将3 g不同粒径的堆肥均匀撒于土壤表面，最后在其上均匀覆盖20 g土壤，以纯土壤为对照（CK）.每盆高羊茅的播种量为0.5 g，每个处理重复4次.试验在实验室内进行，温度为20～26℃，相对湿度为40%～60%，光照为透入室内的自然光.实验从2008年11月25日开始至2009年3月25日结束，共持续120 d.播种初期，每盆充分浇水，保证种子能顺利萌发和幼苗初期生长，2个星期后按照胁迫程度定量给水.12月9日达到田间持水量的55%～65%（中度干旱胁迫），以后每1～2 d进行称重浇水，以维持在胁迫范围内.

1.4 指标测定方法

1.4.1 生长指标测定

高羊茅幼苗经水分胁迫处理后，在第60 d进行一次刈割，用于测定一茬草各生理指标.二茬草生长60 d后，进行第二次刈割，测定地上干重、根长、根重、须根数以及地下干重.将高羊茅齐根剪下，80℃烘干至恒重，测量地上部干重.每个盆中随机抽取20株的根，测量须根数和根长，然后置烘箱中80℃烘至恒重，测量根的干重.株高测定为每个培养容器定株测定3株，取其平均值为高羊茅株高.

1.4.2 叶绿素、脯氨酸及丙二醛（MDA）含量测定

高羊茅叶片叶绿素、丙二醛及脯氨酸含量参照文献［9］的方法进行测定.

1.4.3 保护酶含量测定

过氧化物酶（POD）、超氧化物岐化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性测定分别参照文献［9］、［10］和［11］的方法进行测定.

1.4.4 数据处理

数据分析采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0进行单因素Duncan的多重分析.

2 结果与分析

2.1 不同粒径堆肥对水分胁迫下高羊茅地上生物量的影响

高羊茅二茬草生物量如图1所示.水分胁迫期间，未施加堆肥（对照）植株叶片逐渐变黄，中午有萎蔫现象，生长缓慢；而施加堆肥处理植株症状有所减轻，可能是由于堆肥的施入增加了土壤养分，对植物的生长较为有利.大粒径的堆肥对植物地上生物量的增加要好于小粒径的堆肥，其中堆肥4处理高出对照6.25%，堆肥3高出对照4.17%，堆肥1和堆肥2相对对照却有所降低，但各处理地上生物量差异不显著.

图1 不同粒径堆肥对高羊茅地上生物量的影响Figure 1 Effects of compost with different particle sizes on aboveground biomass of F.arundinacea

2.2 不同粒径堆肥对水分胁迫下高羊茅株高的影响

由表1可知，各堆肥处理明显增加高羊茅一茬草和二茬草不同时期的株高.一茬草水分胁迫至20—40 d，堆肥2处理的高羊茅株高为最高，分别高出对照28.4%和17.0%，水分胁迫至60 d，堆肥1处理株高达到最高，比对照高出35.1%（P＜0.05）.从二茬草开始，随着肥效的缓慢释放，同样对高羊茅的生长起了促进作用，堆肥1处理胁迫至20和40 d二茬草株高分别高出对照13.4%和11.7%（P＜0.05），表明小粒径堆肥更有利于高羊茅养分的供给，促进植株高度的生长.

表1 不同粒径堆肥对高羊茅株高的影响Table 1 Effects of compost with different particle sizes on plant height of F.arundinacea cm

2.3 不同粒径堆肥对水分胁迫下高羊茅根系的影响

水分胁迫下施入不同粒径堆肥高羊茅的根重、根长和须根数都高于对照，如图2所示.对根重的影响以堆肥2的效果最好，比对照提高了34.7%，且与各处理间差异显著（P＜0.05）.施入堆肥1处理高羊茅根长和须根数最好，分别是对照的25.8%和27.8%.可见小粒径堆肥对高羊茅植株地下部分生物量积累的促进作用比大粒径堆肥效果好.

图2 不同粒径堆肥对高羊茅根重、根长和须根数的影响Figure 2 Effects of compost with different particle sizes on root weight，root length and fibrous root numbers of F.arundinacea

2.4 不同粒径堆肥对水分胁迫下高羊茅叶绿素含量的影响

叶绿素是光合作用的重要物质，其含量的高低在很大程度上反映了植株的生长状况和叶片的光合能力.水分胁迫下，不同粒径堆肥对叶绿素含量产生不同的影响，如表2所示.堆肥1显著提高了高羊茅叶绿素a和总叶绿素含量，和对照相比，分别高出37.3% 和14.9%.方差分析表明，各堆肥对叶绿素a和叶绿素b含量的影响达到显著水平（P＜0.05）.除堆肥3处理外，其他3个粒径堆肥处理的叶绿素a／b的值都高于对照，其中以堆肥1处理为最高，约为对照的3倍，施用不同粒径堆肥能明显增加草坪植物对光能的吸收和转化效率.

表2 不同粒径堆肥对高羊茅叶绿素含量的影响Table 2 Effects of compost with different particle sizes onchlorophyll content of F.arundinacea

2.5 不同粒径堆肥对水分胁迫下高羊茅保护酶活性的影响

POD，SOD和CAT是保护酶系统的主要酶，植物的抗性及对环境的适应与其保护酶含量密切相关.不良环境能诱发植物产生大量的自由基，其对植物膜系统及蛋白质有伤害作用，但生物体内的保护酶系统能清除产生的自由基.POD是植物抗性生理中研究较多的一种酶，它能分解植物体内过多的过氧化物.由表3可知，水分胁迫条件下，堆肥1、堆肥2和堆肥3处理的POD活性与对照相比升高了52.7%，32.5%和8.33%；而堆肥4处理POD活性有所降低.可见，在水分胁迫下，基质中施入堆肥对高羊茅POD活性有明显的影响，其中小粒径堆肥能显著增加POD活性，有利于自由基的清除.SOD是防护氧自由基对细胞膜系统伤害的防护酶.在水分胁迫下，除堆肥4处理SOD活性比对照低外，其他堆肥处理都高于对照，其中堆肥1处理SOD活性为最大，高出对照65.3%（表3）.与对POD活性的影响相似，水分胁迫下，施入小粒径堆肥能明显增加高羊茅SOD活性.CAT广泛分布于土壤中，在微生物代谢过程中起着重要作用，它参与了土壤中许多重要的生物化学过程，是较好的土壤微生态环境指示因子.在水分胁迫下，各处理间CAT活性差异不显著（P＞0.05），以堆肥1处理的CAT活性为最高（表3）.

表3 不同粒径堆肥对高羊茅保护酶活性的影响Table 3 Effects of compost with different particle sizes on SOD，POD and CAT activities of F.arundinacea

2.6 不同粒径堆肥对水分胁迫下高羊茅MDA和脯氨酸含量的影响

由图3可知，水分胁迫下堆肥处理对高羊茅脯氨酸含量的影响较小，与对照差异不显著，说明堆肥并未引起脯氨酸过多的积累.MDA含量与脯氨酸的变化趋势明显不同，堆肥处理降低了高羊茅叶片中MDA含量，可有效缓解水分胁迫下高羊茅植株膜脂过氧化水平，增强高羊茅植株抗旱能力.

图3 不同粒径堆肥对高羊茅MDA和脯氨酸含量的影响Figure 3 Effects of compost with different particle sizes on MDA and proline contents of F.arundinacea

3 讨论与结论

随着淡水资源的短缺和城市草坪绿化面积的增加，开展提高草坪草抗旱性的研究意义重大.不同粒径堆肥可以增强植物细胞膜结构和植物抗逆免疫能力，在水分胁迫下，能有效提高肥水利用率，促进植物快速生长，提高产量和品质.同时，不同粒径的堆肥对水分胁迫下高羊茅的生长表现出不同的效应，与对照相比，施入不同粒径堆肥对高羊茅地上生物量的影响不显著.堆肥处理明显增加了一茬草和二茬草的株高，说明堆肥对株高生长起了促进作用，尤其是小粒径的堆肥效果更明显，这可能是由于小粒径堆肥改变了基质的理化性质，更加有利于肥效的释放.这与刘晓波等［8］在研究不同粒径垃圾堆肥对黑麦草株高影响时得到的结果类似.植物根系是土壤水分的直接吸收利用者，在水分胁迫下，植物根系首先感到并迅速发出信号，使整个植株对水分胁迫作出反应.本研究发现，水分胁迫下堆肥处理对高羊茅的根系生长起了积极的促进作用，和株高生长相似，小粒径的堆肥效果更显著，可能与其肥效的释放及保水有关，这样能抑制水分胁迫带来的影响，提高草坪的抗旱性.

在水分胁迫下，植物吸收不到足够的水分和矿质营养，致使叶绿素含量降低.本研究发现，各堆肥处理总叶绿素含量高于对照，说明草坪植物施用不同粒径的堆肥都能明显增加草坪植物对光能的吸收和转化效率.这与刘晓波等［8］不同粒径垃圾堆肥与土壤组配基质有利于草坪植物进行光合作用的研究结果相一致.李良等的研究也指出污泥堆肥及复合肥的施用使草坪草的叶绿素含量增加［12］.

水分胁迫下，植物体内容易产生活性氧，过多的活性氧会参与启动膜脂过氧化或膜脂脱脂作用，从而破坏膜结构.MDA是膜脂过氧化的最终产物，其含量的增加被看作衡量活性氧对植物防御系统破坏程度一个指标［13］.本研究发现，在水分胁迫下对高羊茅施用不同粒径堆肥，MDA含量有所下降，说明堆肥有利于抑制膜脂过氧化，维持细胞膜的正常结构，减轻水分胁迫对植物造成的伤害.SOD，POD和CAT等抗氧化酶在清除活性氧等自由基和阻止自由基形成方面起重要作用.SOD能以O2－·为基质进行歧化反应，CAT可分解H2O2，POD也可清除细胞内有害自由基，因而植物可依赖3种保护酶的协同作用，清除体内一定数量的过剩O2－·，从而使膜系统减轻自由基引发的过氧化作用的伤害，维持膜结构的相对稳定，从而提高植物的抗逆性［14］.王齐等的研究表明，施加土壤改良剂后草坪草SOD，POD和CAT活性开始低于对照，而后又高于对照，具有敏感的反应机制，这可能是施加土壤改良剂后在一定程度上能提高植物抗旱性的原因［15］.本研究发现，在水分胁迫下堆肥处理高羊茅SOD与POD活性明显升高，尤其是小粒径堆肥效果更为显著，说明堆肥能在一定程度上激活SOD和POD保护酶，从而减少水分胁迫对膜的破坏，维持质膜的正常通透性，使高羊茅抗活性氧能力增强，从而增强机体的耐干旱能力.

总之，水分胁迫下，基质中施加堆肥促进了高羊茅株高及根系生长，增加叶绿素含量，明显缓解水分胁迫对植株造成的伤害.在不同粒径堆肥作用下，植株叶片内MDA含量降低，SOD和POD活性增加，减缓了膜脂过氧化过程，从而提高了高羊茅植株对水分胁迫的耐受性.因此，在水分胁迫下，高羊茅草坪基质中施入不同粒径垃圾堆肥，尤其小粒径堆肥（300～600 nm），可明显改善植物的生理生态调节功能，缓解水分胁迫带来的伤害，保障了高羊茅在水分胁迫下能够更好地生长.

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Effects of different particles municipal solid waste compost on drought resistance ofFestucaarundinaceaL.

QIANJinhua，ZHAOShulan，DUOLi'an

（College of Life Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

A pot experiment was performed to investigate eco－physiological effects of different particles municipal solid waste（MSW）compost added in turf medium onFestucaarundinaceaL.under water stress.The results showed that the addition of different particles－compost into turf medium had positive effects on the increase of biomass，plant height and chlorophyll content ofF.arundinacea.The contents of chlorophyll a and total chlorophyll were increased by 37.3%and 14.9%in different particles－compost 1 treatment（300 nm），respectively，as compared with control，and root length and fibrous root numbers were 25.8%and 27.8%higher than those of control，respectively.Different particles－compost of different size had positive regulation on the activities of superoxide dismutase（SOD），peroxidase（POD）and catalase（CAT）ofF.arundinaceaunder water stress，which were increased by 52.7%，65.3%and 4.4%respectively with addition of compost 1 into turf medium as compared with control.Under water stress，different particles－compost had little effect on proline content，but reduced malonaldehyde（MDA）content，which was 19.7%and 35.1%in treatments of compost 1 and compost 4，lower than that of control，respectively.The findings suggested that nano－compost filled in turf medium，especially fine size particles（300－600 nm），might improve physio－ecological regulation functions of plants，alleviate the damage caused by water stress inF.arundinacea，thus improve the resistance ofF.arundinaceato water stress.

FestucaarundinaceaL.；drought resistance；water stress；MSW compost；eco－physiological effect

Q948

A

1671－1114（2011）01－0075－05

2010－08－21

天津市科技支撑计划重点项目（09ZCGYSH02100）

钱劲华（1982—），女，硕士研究生.

多立安（1962—），男，教授，博士，主要从事草坪及环境生态学方面的研究.E－mail：duoliantjnu＠163.com

（责任编校 纪翠荣）