干旱胁迫下多年生黑麦草对污泥处理的生理生化响应

尚明娟，曹允馨，王 刚，曹 炜，冯玉宇，马艳玲，段小春，常智慧(.北京林业大学 草坪研究所，北京 0008；.苏州植物园，江苏 苏州 5009；.北京爱伦斯科技有限公司，北京 0008)

随着我国城市化发展，污泥的产量急剧增加，污泥的处置成为日益受关注的生态热点问题[1]，目前污泥的土地利用是污泥资源化利用的主要途径[2]。污泥中含有丰富的N、P、K等营养元素和有机质，以及植物生长必需的各种微量元素，可改良土壤结构，增加土壤肥力，促进植物的生长[3]。因污泥富含N、P等营养元素[4]，可作为缓效氮肥的来源[5-6]。

除基本的营养物质外，污泥中还含有生物活性物质(biologically active substances，BAS)，已被分离和鉴定出来的有腐殖酸、氨基酸、维生素和生长素[7-9]，腐殖酸和生长素可以促进植物的生长，提高其对逆境的适应能力[9]。生物活性物质可以通过直接调节植物的生长或激活微生物利用激素的活性，提高作物产量[10]；促进草坪草的生长，提高其对非生物胁迫的耐受力[9,11]。

多年生黑麦草(Loliumperenne)是一种广泛应用的冷季型草坪草，容易受到高温和干旱的影响。已有试验研究施用污泥对草坪草生长的影响，但这些研究大多将污泥当肥料施用[12-17]。试验利用1/2无氮霍格兰溶液提供充足的营养，排除污泥中营养元素对多年生黑麦草生长的影响，以此为基础，探究污泥中生物活性物质对干旱胁迫下多年生黑麦草生长的影响，以期为施用污泥提高多年生黑麦草抗旱性提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验用污泥

试验污泥为脱水泥饼，取自北京市朝阳区某污水处理厂(表1)。

1.2 试验材料

试验所用草种为多年生黑麦草品种爱神特(Accent)，由北京绿冠草业股份有限公司提供，播种量为30 g/m2。试验盆栽基质为煅烧黏土(Profile Products,Chicago,IL)，是一种质地与沙类似的果岭改良剂，经过高温处理，不含任何营养物质。

表1 供试污泥的主要理化性质Table 1 Properties of treated biosolids

1.3 污泥中黑麦草可利用有效氮测定

试验材料置于人工气候箱中，昼夜温度20℃/17℃，昼夜湿度70%/65%，昼夜时间14 h/10 h，光合有效辐射400 PAR。花盆尺寸15 cm×12 cm，每盆装煅烧黏土700 g。播种前先将基质用水浇透静置一晚，保证播种时每盆的田间持水量达90%，整个试验进程均保持此田间持水量[18]。

试验采用随机区组试验设计，共设5个处理(表2)。黑麦草生长期间所需氮素由硝酸铵溶液提供，硝酸铵溶液和污泥于播种前均匀混合于10 cm土表煅烧黏土[18]，所有处理除氮以外的元素由1/2无氮霍格兰营养液足量提供[18]。

表2 污泥中黑麦草可利用有效氮试验设计Table 2 Design of biosolid available N experiment

试验持续8周。收集试验期间剪下的草屑及结束时所有地上部分，65℃烘干。采用凯氏定氮法测定每盆草坪草的全氮含量[19]，求出每个处理平均每盆的氮摄入量。根据以上数据绘制氮摄入量Y(mg/pot)与氮施用量X(mg/kg)的标准曲线(图1)，其回归方程为Y=0.462 2X+8.664 1(R2=0.992)，得出的R2在可接受范围内[18]。为满足植物摄取有效氮75 mg/kg[18]，正式试验时污泥添加量15.4 g/kg。

图1 氮摄入量和氮施用量的标准曲线Fig.1 Standard curves of N uptake and application rate

1.4 污泥对干旱胁迫下黑麦草生长的影响试验设计

黑麦草以30 g/m播种量种于19 cm×19 cm，高17 cm的方形硬质塑料花盆中，每盆含煅烧黏土2.1 kg，试验条件与污泥中黑麦草可利用有效氮的测定相同。

试验采用裂区试验设计，主处理为干旱处理，副处理为污泥处理。每个处理4个重复。主处理包括正常浇水和干旱2个水平，副处理为3水平的污泥施用量(表3)。

表3 试验设计Table 3 Design of biosolid effect on perennial ryegrass growth under drought stress

播种前，污泥与适量水拌匀后，一次性均匀施加在盆上层10 cm煅烧黏土中[18]。硝酸铵溶液浇入盆上层10 cm的煅烧黏土中[18]，拌匀；播种后第15、30 d补充硝酸铵溶液，均用10 mL注射器施加于土表[18]，保证各处理获得同等施氮量。黑麦草需要的氮以外的营养元素由1/2霍格兰溶液足量提供[18]。

硝酸铵施加完毕4周后，进行干旱处理，处理前一天全部浇透水称重，记录质量。正常处理每次补充全部质量差，干旱处理采取30%ET的亏缺灌溉法[20]，每次补水量为称重差值的30%。干旱处理当天记为0 d(90%田间持水量)，每隔14 d(52%田间持水量)、13 d(45%田间持水量)、12 d(36%田间持水量)、11 d(29%田间持水量)取叶样，模拟自然界轻度、中度、重度和极度干旱。试验进行期间，每周修剪1次，维持10 cm高度。

1.5 测试指标及方法

草坪坪观质量采用9分制打分(1分最差，6分为中等，9分最优)[21]；叶片叶绿素含量参照文献[22]方法测定；叶片净光合速率参照文献[23]的方法测定；叶片细胞膜透性参照文献[24]的方法测定；叶片SOD活性参照文献[25]的方法测定；POD和APX活性参照文献[26]的方法测定；CAT活性参照文献[27]的方法测定。

1.6 数据分析

采用SPSS 20.0进行数据分析，统计检验采用LSD检验。

2 结果与分析

2.1 草坪坪观质量

两种水分条件下，多年生黑麦草的坪观质量均显著降低，从14 d起，干旱处理草坪坪观质量与正常浇水组出现差异。亏缺灌溉第14 d，与对照相比全污泥处理显著提高了黑麦草的坪观质量(P<0.05)，为7.61分，从27 d开始半污泥处理坪观质量显著高于对照(P<0.05)，干旱50 d时对照组坪观质量最低，仅为4.50分。正常浇水条件下，全污泥处理从27 d开始坪观质量显著高于对照(P<0.05)。

图2 2种水分条件下污泥处理黑麦草的坪观质量Fig.2 Impact of biosolids on turfgrass quality of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes

2.2 叶片叶绿素含量

与草坪坪观质量变化趋势相似，不同水分条件下污泥各处理叶片叶绿素含量基本呈下降趋势，试验后期正常叶绿素含量均高于干旱组。亏缺灌溉条件下，0 d时对照组叶片叶绿素含量为2.07 mg/g，显著高于污泥处理的1.84 mg/g(P<0.05)，全污泥和半污泥处理从27 d时叶绿素含量有小幅回升(表4)，但仍与试验初始无显著差异(P<0.05)。从亏缺第39 d可以看出，与对照相比污泥和半污泥处理显著提高了黑麦草叶片的叶绿素含量(P<0.05)，其中，全污泥组叶绿素含量最高，为1.99 mg/g。正常浇水条件下在39、50 d时，全污泥组叶片叶绿素含量分别为1.98、2.66 mg/g，显著高于对照组的1.63、1.2 mg/g(P<0.05)。

表4 2种水分条件下污泥处理黑麦草叶片的叶绿素含量Table 4 Impact of biosolids on total chlorophyll content of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes mg/g

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，同行不同大写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

2.3 叶片净光合速率

随着试验的进行，正常浇水组黑麦草叶片净光合速率呈先上升后下降的趋势；亏缺灌溉组叶片的净光合速率呈下降的趋势；试验后期正常组叶片净光合速率高于干旱组。亏缺灌溉条件下从27 d开始污泥处理净光合速率均显著高于对照组，27 d时全污泥处理叶片净光合速率最高(表5)，为4.83 μmol/(m2·s)，且全污泥组显著高于半污泥组(P<0.05)；50 d时3组叶片净光合速率分别为2.01，1.26和0.71 μmol/(m2·s)，差异显著(P<0.05)。正常浇水条件下，与对照组相比，全污泥组从27 d开始显著提高了叶片的净光合速率，且与对照组，半污泥组差异显著(P<0.05)。

表5 2种水分条件下污泥处理黑麦草叶片的净光合速率Table 5 Impact of biosolids on photosynthetic rate of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes μmol/(m2·s)

2.4 叶片电导率

亏缺灌溉下黑麦草叶片的细胞膜透性增加，电导率升高，且随着时间的延长而增大，27 d时对照组叶片电导率是污泥处理的1.5倍，差异显著(P<0.05)；亏缺灌溉39、50 d时，全污泥处理电导率分别为61.7%、70.49%，对照组电导率为66.46%、84.04%，全污泥处理显著提高了黑麦草叶片的细胞膜稳定性(P<0.05)(图3)。

图3 2种水分条件下污泥处理黑麦草叶片的电导率Fig.3 Impact of biosolids on electrical conductivity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes

2.5 叶片抗氧化酶活性

2.5.1 叶片SOD活性 随着干旱胁迫程度的增加，黑麦草叶片SOD活性呈现先上升后下降的趋势，试验后期干旱处理叶片SOD活性高于正常处理。亏缺灌溉27，39和50 d时，全污泥处理SOD活性显著高于对照组(P<0.05)，其中27 d时全污泥处理SOD活性最高，为219.14 U/g，50 d时对照SOD活性最低，为101.52 U/g，干旱27、50 d全污泥和半污泥处理之间也有显著差异(P<0.05)。正常水分条件下，全污泥处理SOD活性均显著高于对照组(P<0.05)其中0 d时全污泥组SOD活性最高，为139.75 U/g，14 d时对照SOD活性最低，为107.33 U/g(表6)。

2.5.2 叶片CAT活性 试验开始至39 d，干旱处理叶片CAT活性均高于正常水分条件组，其中27 d时干旱处理全污泥组CAT活性,为24.24 U/g，达同期最高值。亏缺灌溉下各处理CAT活性呈先升高后降低的趋势，干旱0，14和50 d全污泥组CAT活性显著高于对照组(P<0.05)，50 d时对照组CAT活性达到干旱以来最低值，仅为12.61 U/g。正常水分条件下，各处理CAT活性呈逐渐降低趋势，前期对照CAT活性较高，显著高于半污泥组(P<0.05)，后期污泥处理CAT活性显著高于对照(P<0.05)(表7)。

表6 2种水分条件下污泥处理黑麦草叶片的SOD活性Table 6 Impact of biosolids on SOD activity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes U/g

表7 2种水分条件下污泥处理黑麦草叶片的CAT活性Table 7 Impact of biosolids on CAT activity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes U/g

2.5.3 叶片APX活性 试验初期黑麦草叶片APX活性降低，随着亏缺灌溉时间的延长，APX活性增大，干旱胁迫后期APX活性降低，27、50 d时全污泥组APX活性分别为9.40、8.62 U/g，对照组为6.87、7.55 U/g，差异显著(P<0.05)。正常水分条件酶活性变化趋势与干旱条件下相似，试验初期对照组APX活性显著高于污泥处理，但试验后期39、50 d全污泥组、半污泥组APX活性显著高于对照组(P<0.05)(表8)。

表8 2种水分条件下污泥处理黑麦草叶片的APX活性Table 8 Impact of biosolids on APX activity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes U/g

2.5.4 叶片POD活性 2种水分条件下黑麦草POD活性均呈先降后升再降的变化趋势，干旱后期污泥处理POD活性显著高于对照组(P<0.05)，污泥处理在干旱39 d时POD活性达到最大，为55.51 U/g，对照组在干旱50 d时POD活性最低，为36.55 U/g，39 d时全污泥组和半污泥组间POD活性差异也显著(P<0.05)。充分浇水条件下各处理POD活性差异不大，27、50 d时对照组POD活性显著高于全污泥处理(P<0.05)(表9)。

3 讨论

污泥富含营养元素和生物活性物质，有益于植物的生长[9-11]。通过预试验计算出污泥中黑麦草可利用的有效氮含量，全部处理施用相同的氮量，排除了氮对试验结果的影响；黑麦草生长期间所需其他营养元素由1/2无氮霍格兰溶液足量提供，排除了缺素对黑麦草生长的影响。由此说明，试验中污泥对干旱条件下黑麦草生长和生理的影响，不是营养元素造成的，而是污泥中生物活性物质造成。

表9 2种水分条件下污泥处理黑麦草叶片的POD活性Table 9 Impact of biosolids on POD activity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes U/g

3.1 污泥能促进干旱胁迫下黑麦草的生长

试验表明污泥的施加可以提高2种水分条件下黑麦草的坪观质量、降低叶片电导率，与禚来强[28]、Chang Z H等[29]研究结果相符。施用污泥可以提高草坪草的叶绿素含量和净光合速率。施用污泥与土比例为1∶7，3∶13和1∶3的高羊茅总叶绿素含量较对照分别高出44.8%，44.8%和54.5%，说明施用污泥可以通过提高草坪草叶绿素含量进而促进其对光能的利用[17]。王杰等[30]研究发现早熟禾(Poapratensis)和黑麦草叶片净光合速率随污泥用量的增加而升高。干旱胁迫下提高苜蓿(Medicagosativa)光合速率和水分利用效率的方法之一是在基质中混入污泥[31]。试验结果表明，2种水分条件下，全污泥处理均显著提高了黑麦草的叶绿素含量和净光合速率，试验采用的污泥IAA含量为0.095 μg/g，处于能调节植物代谢的激素水平范围[32]，表明污泥中的生物活性物质，也许可以通过提高黑麦草叶片叶绿素含量，进而提高其光合作用，使其在干旱环境下较对照有更好的生长状态。

3.2 干旱胁迫下污泥促进激活黑麦草抗氧化酶活性

污泥的施用不仅可以提高草坪坪观质量、叶绿素含量和净光合速率，还可以激活植物抗氧化酶活性。植物体内保护酶系统主要包括SOD、CAT、POD和APX[33]。SOD将O2-转化为H2O2，CAT，POD或APX将H2O2转化为H2O。植物的抗性及其对环境的适应与体内保护酶含量密切相关[33]。风干污泥基质显著提高了黑麦草和高羊茅CAT和POD活性[17]。干旱胁迫下，污泥处理的草地早熟禾SOD活性出现两次升高，POD、APX活性高于对照[34]。试验结果表明，干旱胁迫下各处理SOD、CAT、POD活性均先升高，APX活性在试验初期有一定程度降低，而后迅速升高。随着干旱胁迫的进行，各处理SOD、CAT、POD活性开始下降，APX活性持续升高。说明胁迫初期SOD、CAT、POD在清除ROS中发挥主要作用，后期APX成为转化H2O2的关键酶。全污泥处理在胁迫后期4个酶活性均显著高于对照，反映出更强的抗氧化防御功能。生物污泥中的生物活性物质可能是提高抗氧化酶系统活性的诱因。Zhang等[18]报道干旱条件下污泥处理的高羊茅有更高的SOD活性以及IAA和CTK水平，而更高的IAA和CTK含量提高了抗氧化酶系统活性的机理仍有待进一步研究[20]。

4 结论

污泥的施用可以降低干旱胁迫对黑麦草的伤害，通过维持其在胁迫环境下的光合作用和抗氧化酶系统活性，提高其抗旱能力。污泥中的生物活性物质提高了黑麦草的抗旱性，可能是由于IAA等激素的调节作用，污泥可通过直接向植物提供激素或向土壤提供有机质(如腐殖酸)，提高土壤微生物活性[35]，通过微生物产生并传输激素给植物[18]。后续试验研究中可以此为切入点进行污泥提高草坪草抗旱性机理的探究。将污泥应用于草坪可视为维持草坪草在干旱胁迫下较好生长状态的处理方法之一。

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