污泥对高羊茅抗旱性的影响研究

韩朝，刘洋，董慧，常智慧

（北京林业大学草坪研究所，北京100083）

污泥是城镇污水处理厂在污水净化处理过程中产生的含水率不同的废弃物（不包括栅渣、浮渣和沉砂池砂粒）［1］。随着我国城市污水处理工程的快速发展，污泥的产量与日俱增，大量污泥的处置成为社会日益关注的问题［2］。

污泥在绿地植物上的应用越来越广泛，由于污泥中含有丰富的营养物质，因此不仅可以将污泥直接添加到土壤中，还可以配合生活垃圾、秸秆、动物粪便等制成堆肥使用［3］。污泥在草坪上的应用，可以提高土壤的肥力［4］，改善土壤的物理结构，同时增强土壤微生物的活性［5-6］。大量研究表明，污泥在草坪上的应用能够促进植物的生长，提高草坪草的生长状况和坪观质量［3］，从而提高其生态价值和经济价值。另外，污泥中含有较多的重金属元素，且污泥中的重金属含量较高，对绿地植物种子的发芽也具有抑制作用，相关研究表明Pb、Cu、Cd等重金属对植物的发芽具有抑制作用［7-9］，因此使用时需要控制用量。

近年来的相关研究表明污泥能够增强植物的抗性。污泥的施用使氮素的释放起到了缓释作用，且污泥中的活性物质作用增强，使草地早熟禾（Poa pratensis）的细胞膜透性减小，增强其抗寒性［10］。污泥堆肥对高尔夫球场匍匐翦股颖（Agrostis stolonifera）与一年生早熟禾（Poa annua）混播草坪的币斑病具有较好的防治效果［11］。另外，污泥在苜蓿（Medicago sativa）上的研究表明，污泥的施用能够促进苜蓿在干旱条件下的生长，提高苜蓿氮素和水分的利用效率，提高其抗旱性［12］。污泥中含有对植物生长起到调节作用的活性物质，这些活性物质的存在能够直接或通过刺激微生物的活动间接为植物的生长提供生长调节剂，从而促进植物的生长［13］。Zhang等［14］研究发现污泥中含有腐殖质和生长素，其含量均在对植物生长起到调节作用的范围内，因此，污泥中生物活性物质的存在会对植物产生生长调节剂的作用，从而增强植物的抗性。

目前，有关污泥在草坪草上应用的研究较多，但有关污泥对草坪抗旱性的研究较少，且以往有关污泥对草坪草的研究大多集中在不同用量的污泥对草坪草生长的影响。本研究将污泥作为氮源，研究其与无机氮肥硝酸铵相同氮肥条件下污泥中的活性物质对高羊茅（Festuca arundinacea）抗旱性的影响，以期为污泥提高草坪的抗性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验用污泥

污泥取自北京市某生活污水处理厂，污泥的理化性质见表1。

1.2 试验材料

试验所用草种为高羊茅美洲虎3号，播种量为30 g／m2；试验所用基质为无营养的煅烧粘土（profile products，Chicago）。

1.3 污泥中高羊茅可利用有效氮的测定

试验在温室中进行，日夜温度为28℃／18℃，光照14 h，光强400μmol／m2。高羊茅种植在直径为15 cm，深度为11 cm的塑料盆中，每盆装700 g的煅烧粘土。播种前和整个试验期间，使每个盆中的土壤含水量保持在90%的田间持水量。田间持水量的测定方法是用煅烧粘土将塑料盆装满，用水将煅烧粘土浇透，然后用塑料膜封住塑料盆口，静置24 h以后称重，以此时的土壤含水量为100%，浇水前和静置24 h后分别对其进行称重［14］。

高羊茅生长所需要的氮以外的其他元素由无氮霍格兰营养液提供，氮素由硝酸铵和污泥提供。试验设置5个处理：1）对照：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（鲜重）。2）、3）、4）所用氮素由硝酸铵提供。采用完全随机区组设计，设置5个重复。

表1 试验所用污泥的理化性质Table 1 Tested biosolids properties

污泥中高羊茅可利用有效氮测定实验于2012年3月24日播种，试验持续8周。试验结束后把高羊茅地上部分全部收集，于65℃烘箱中烘干称重并测定每盆高羊茅的全氮含量［15］，求出每个处理平均的氮吸收量。由处理1）～4）的氮吸收量 Y（mg／盆）和氮的施用量 X（mg／kg）做标准曲线（图1）并得出线性方程：Y＝0.402X＋16.24（R2＝0.999）。由此可计算出提供75.0 mg／kg的氮量需要鲜污泥14.5 g。

1.4 试验设计

试验采用裂区设计。主处理为水分条件，包括充分浇水和干旱处理2个水平，副处理为氮源，包括：1）对照（75.0 mg／kg的氮素由硝酸铵提供）；2）半污泥（硝酸铵和污泥各提供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号）种植在直径为23 cm，高15 cm的塑料盆中，每盆装2.5 kg的煅烧粘土。于2013年3月24日播种，高羊茅的播种量为30 g／m2。由无氮霍格兰营养液提供除氮以外的其他元素。播种前和干旱处理之前，使每盆都保持90%的田间持水量。试验在温室中进行（日夜温度为28℃／18℃，光照14 h，光强400 μmol／m2）。

试验所用污泥在播种前用水搅拌后均匀施入煅烧粘土中。硝酸铵在播种前、播种2周和播种4周后分3次施入。硝酸铵施用完后4周，开始进行干旱处理。正常浇水处理保持90%的田间持水量，干旱处理从5月24日开始，自然干旱至50%田间持水量、30%田间持水量、20%田间持水量，而后恢复充分浇水至90%田间持水量。高羊茅的生长过程中保持9 cm的修剪高度。

图1 氮素吸收量和施入量的标准曲线Fig.1 Standard curves of N uptake and application rate

1.5 测试指标及方法

取样时间根据土壤含水量确定，土壤含水量用Theta Probe土壤水分测定仪（ML2，Delta-T Device，Cambridge，UK）来测定。

在90%田间持水量（5月24日）、50%田间持水量（6月6日）、30%田间持水量（6月19日）、20%田间持水量（6月25日）和恢复浇水至90%田间持水量1周后（7月2日）测定坪观质量、叶片相对含水量、叶绿素含量、脯氨酸含量和蒸散量；在3个干旱阶段（6月6日、6月19日和6月25日）测定叶片萎蔫度；在干旱开始前（5月24日）、50%田间持水量（6月6日）和恢复浇水至90%田间持水量1周后（7月2日）测定气孔导度和水分利用效率；在20%田间持水量（6月25日）时取根样（用直径为4 cm，深度为30 cm的土钻取样），测定根系活力；试验结束后收集根样，测定根系干重。

坪观质量采用9分制［16］；叶片萎蔫度参照Zhang等［14］的方法；叶片相对含水量的测定采用饱和称重法［17］；叶绿素含量的测定采用浸提比色法［18］；蒸散量的测定是记录每次浇水前和浇水后的重量，用蒸散掉水量的深度表示；气孔导度用Licor 6400光合仪测定（LI-6400，Li-Cor，Lincoln，NE，USA）；水分效率用光合速率／蒸腾速率来表示［19］；脯氨酸含量的测定参照Bates等［20］的方法；根系活力的测定采用TTC法［21］；根系重量在试验结束后收集高羊茅的根系，65℃恒温烘干后称重［22］。

1.6 统计分析

采用SPSS 17.0进行数据分析，统计检验采用LSD检验。

2 结果与分析

2.1 坪观质量

正常浇水条件下，在5月24日，对照组的坪观质量显著高于半污泥和全污泥处理（P＜0.05），而后4个取样点（6月6日、6月19日、6月25日和7月2日）全污泥处理的坪观质量均高于对照（P＜0.05），半污泥处理在3个取样点（6月19日、6月25日和7月2日）的坪观质量高于对照（P＜0.05）；干旱降低了3个处理高羊茅的坪观质量，恢复浇水后坪观质量恢复到6分以上；6月6日（50%田间持水量）时，全污泥的坪观质量高于对照和半污泥处理（P＜0.05），6月19日（30%田间持水量）、6月25日（20%田间持水量）和7月2日（复水1周后），3个处理间差异均显著，且全污泥的坪观质量最高，半污泥处理的次之（表2）。

表2 2种水分条件下高羊茅坪观质量Table 2 Impact of biosolids on turfgrass quality of tall fescue subjected to two moisture regimes

2.2 叶片萎蔫度

随着干旱程度的增加，干旱处理下高羊茅的叶片萎蔫度呈增加的趋势（图2）。30%田间持水量时，对照的叶片萎蔫度与半污泥和全污泥相比存在显著差异（P＜0.05），污泥处理降低了叶片萎蔫度；半污泥和全污泥之间没有显著差异。20%田间持水量时，3个处理间的叶片萎蔫度差异均显著，其中全污泥和半污泥的叶片萎蔫度与对照相比分别降低了12.2%和7.1%（P＜0.05）。

2.3 叶片相对含水量

干旱处理组的高羊茅叶片相对含水量随着干旱程度的增强逐渐下降，恢复浇水1周后其叶片相对含水量增加（表3）。充分浇水条件下（90%田间持水量），6月19日时，全污泥和半污泥与对照相比显著提高了叶片相对含水量（P＜0.05）。干旱条件下，在6月19日（30%田间持水量）和6月25日（20%田间持水量），全污泥和半污泥与对照相比，均显著提高了叶片相对含水量（P＜0.05），复水1周后，3个处理间差异均显著（P＜0.05）。

图2 污泥对高羊茅在50%，30%和20%田间持水量下的叶片萎蔫度的影响Fig.2 Leaf wilting rate response to biosolids application in tall fescue under 50%，30%and 20%container capacity

表3 2种水分条件下高羊茅叶片相对含水量Table 3 Impact of biosolids on leaf relative water content of tall fescue subjected to two moisture regimes %

2.4 叶绿素含量

充分浇水条件下（90%田间持水量），与对照相比，全污泥在4个取样点（6月6日、6月19日、6月25日和7月2日）均提高了叶绿素含量（P＜0.05），半污泥在2个取样点（6月19日和7月2日）提高了叶绿素含量。干旱条件下叶绿素的含量随着干旱程度的增强而降低，恢复浇水后叶绿素含量增加，而污泥的施用在干旱和复水1周后均显著提高了叶绿素含量。与对照相比，全污泥在4个取样点（6月6日、6月19日、6月25日和7月2日）提高了叶绿素含量（P＜0.05），半污泥处理在1个取样点（6月19日）提高了叶绿素含量（P＜0.05）（表4）。

表4 2种水分条件下高羊茅叶绿素含量Table 4 Chlorophyll content of tall fescue subjected to two moisture regimes mg／g

2.5 蒸散量

在充分浇水条件下，半污泥处理的高羊茅在6月6日时的蒸散量低于全污泥处理和对照（P＜0.05）。在干旱条件下，6月25日（20%田间持水量）时，全污泥和半污泥的蒸散量比对照分别高26.5%和20.6%（P＜0.05）（表5）。

表5 2种水分条件下高羊茅的蒸散量Table 5 Evapotranspiration of tall fescue subjected to two moisture regimes mm

2.6 气孔导度

充分浇水条件下，5月24日时，半污泥处理的气孔导度显著高于全污泥和对照（P＜0.05），而6月6日和7月2日，全污泥和半污泥处理均显著高于对照（P＜0.05）。干旱条件下，在干旱处理前（5月24日）和恢复浇水1周后（7月2日），3个处理间无差异，而在50%田间持水量时（6月6日），全污泥和半污泥处理的气孔导度高于对照（P＜0.05）（表6）。

表6 2种水分条件下高羊茅的气孔导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 叶片的水分利用效率

正常浇水条件下，干旱处理前（5月24日）对照组的水分利用效率高于2个污泥处理组（P＜0.05）；干旱条件下，在50%田间持水量（6月6日）和恢复浇水1周后（7月2日），全污泥处理的水分利用效率均显著高于半污泥和对照（P＜0.05）。随土壤含水量变化，对照的水分利用效率呈降低的趋势，半污泥处理的水分利用效率在恢复浇水后降低，全污泥处理在50%田间持水量时升高而恢复浇水后降低（表6）。

2.8 脯氨酸含量

干旱条件下脯氨酸含量随着干旱程度的加重而增加，复水后脯氨酸含量降低（表7）。在充分浇水条件下，6月19日全污泥和半污泥的脯氨酸含量与对照相比显著增加（P＜0.05），7月2日，对照的脯氨酸含量显著低于半污泥和全污泥的（P＜0.05）。而在干旱条件下，全污泥和半污泥的脯氨酸含量在4个取样点（6月6日、6月19日、6月25日和7月2日）显著高于对照（P＜0.05），在6月25日（20%田间持水量）3个处理的脯氨酸含量差异均显著，全污泥和半污泥与对照相比分别高22.2%和7.2%（P＜0.05），全污泥与半污泥相比高13.8%（P＜0.05）。

表7 2种水分条件下高羊茅叶片脯氨酸含量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（图3）。充分浇水条件下，3个处理间的根系活力没有差异。但在20%田间持水量的干旱情况下，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与对照相比分别提高了22.7%和18.2%（P＜0.05）。

2.1 0 根系重量

与充分浇水条件下的根重相比，干旱降低了高羊茅根系的重量（图4）。2种水分状况下，与对照相比，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间无差异（P＜0.05）。在充分浇水和干旱条件下全污泥和半污泥的高羊茅根重与对照相比，分别提高了8.8%，7.1%和12.4%，10.3%（P＜0.05）。

图3 2种水分条件下高羊茅在20%田间持水量时的根系活力Fig.3 Root viability response to biosolids application in tall fescue under two moisture regimes on 25-June（20%container capacity）

图4 2种水分条件下的高羊茅根重Fig.4 Root weight response to biosolids application in tall fescue under two moisture regimes

3 讨论

本试验通过污泥中高羊茅可利用有效氮的测定，确定了与无机氮肥硝酸铵提供等量氮素的污泥用量；试验用基质煅烧粘土无任何营养元素，用硝酸铵或污泥作为氮源，用无氮霍格兰营养液提供氮素以外的其他营养，因此试验排除了污泥中营养元素的影响，不同氮源对高羊茅抗旱性的影响不是由营养量的差异引起的，而是由污泥中所含的活性物质造成。

污泥中生物活性物质的存在对植物的生长能起到调节作用［14］，本试验中所用污泥含有一定量的腐殖酸和生长素，这些物质的存在对高羊茅的生长产生了影响。污泥的施用提高了高羊茅在2种水分条件下的坪观质量和叶绿素含量，并降低了高羊茅在干旱条件下的叶片萎蔫度，提高了高羊茅的叶片相对含水量。污泥对高羊茅的坪观质量和叶片萎蔫度的影响与Zhang等［13］的研究相似。本试验中污泥对高羊茅的叶片相对含水量的影响与禚来强和常智慧［23］对草地早熟禾的研究相似。本研究表明污泥的施用能够提高高羊茅的抗旱性。

植物的蒸散量与环境条件、植物生长状况和叶片表面积有关［24］，本试验中2个污泥处理的高羊茅蒸散量在重度干旱时（20%田间持水量）高于对照，与此时期的叶片相对含水量情况一致，表明污泥的施用改善了高羊茅干旱条件下的水分利用状况，使高羊茅的生长在重度干旱条件下维持较好的水分代谢状况。

干旱条件下气孔关闭是减少水分蒸散的有效方式，但同时CO2的吸收会受到限制而影响光合作用。本试验中污泥处理的高羊茅在50%田间持水量下仍能保持较高的气孔导度，表明污泥的施用有利于高羊茅在适度干旱下维持较好的气体交换。且污泥使高羊茅在50%田间持水量和恢复浇水后的叶片水分利用效率提高。

脯氨酸作为渗透调节物质能够增加细胞质的渗透势，增加蛋白质分子的水合度，维持蛋白的功能。另外，脯氨酸还能清除自由基，保护胁迫条件下的植物［25］。本试验中，污泥处理促进了干旱条件下高羊茅叶片中脯氨酸的积累，增强高羊茅的耐旱性。

污泥的施用在充分浇水和干旱条件下均增加了高羊茅根系的重量，并在干旱条件下提高了高羊茅的根系活力，这与禚来强和常智慧［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质，促进土壤中微生物的活动，泥中的生物活性物质可能被微生物所利用，产生并释放激素类物质［26］，促进了高羊茅根系的生长和干旱状况下的根系活力，从而维持干旱状况下高羊茅体内生理活动的正常进行。污泥促进了干旱条件下高羊茅的根系生长，有利于水分和矿质元素的吸收，从而改善了高羊茅地上部分的生长状况。

4 结论

污泥的施用改善了高羊茅的生长状况，促进了根系的生长，且提高了高羊茅在轻度干旱下的叶片水分利用效率，增强了高羊茅的抗旱性。与提供等量氮素的硝酸铵相比，全污泥和半污泥2个处理对高羊茅在干旱条件下的生长效果不同，前者优于后者，这说明污泥的用量对高羊茅的生长影响不同。污泥处理在干旱条件下提高了高羊茅的根系活力，而在正常浇水状况下与对照相比无差异；对根系重量的影响方面，全污泥和半污泥相比在2种水分状况下均无差异。因此，污泥对高羊茅不同水分状况下不同指标的影响不同。有关污泥中生物活性物质对植物生长的影响机理有待于深入研究。