干旱脅迫下多年生黑麥草對污泥處理的生理生化響應

尚明娟，曹允馨，王 剛，曹 煒，馮玉宇，馬艷玲，段小春，常智慧(.北京林業大學 草坪研究所，北京 0008；.蘇州植物園，江蘇 蘇州 5009；.北京愛倫斯科技有限公司，北京 0008)

隨著我國城市化發展，污泥的產量急劇增加，污泥的處置成為日益受關注的生態熱點問題[1]，目前污泥的土地利用是污泥資源化利用的主要途徑[2]。污泥中含有豐富的N、P、K等營養元素和有機質，以及植物生長必需的各種微量元素，可改良土壤結構，增加土壤肥力，促進植物的生長[3]。因污泥富含N、P等營養元素[4]，可作為緩效氮肥的來源[5-6]。

除基本的營養物質外，污泥中還含有生物活性物質(biologically active substances，BAS)，已被分離和鑒定出來的有腐殖酸、氨基酸、維生素和生長素[7-9]，腐殖酸和生長素可以促進植物的生長，提高其對逆境的適應能力[9]。生物活性物質可以通過直接調節植物的生長或激活微生物利用激素的活性，提高作物產量[10]；促進草坪草的生長，提高其對非生物脅迫的耐受力[9,11]。

多年生黑麥草(Loliumperenne)是一種廣泛應用的冷季型草坪草，容易受到高溫和干旱的影響。已有試驗研究施用污泥對草坪草生長的影響，但這些研究大多將污泥當肥料施用[12-17]。試驗利用1/2無氮霍格蘭溶液提供充足的營養，排除污泥中營養元素對多年生黑麥草生長的影響，以此為基礎，探究污泥中生物活性物質對干旱脅迫下多年生黑麥草生長的影響，以期為施用污泥提高多年生黑麥草抗旱性提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗用污泥

試驗污泥為脫水泥餅，取自北京市朝陽區某污水處理廠(表1)。

1.2 試驗材料

試驗所用草種為多年生黑麥草品種愛神特(Accent)，由北京綠冠草業股份有限公司提供，播種量為30 g/m2。試驗盆栽基質為煅燒黏土(Profile Products,Chicago,IL)，是一種質地與沙類似的果嶺改良劑，經過高溫處理，不含任何營養物質。

表1 供試污泥的主要理化性質Table 1 Properties of treated biosolids

1.3 污泥中黑麥草可利用有效氮測定

試驗材料置于人工氣候箱中，晝夜溫度20℃/17℃，晝夜濕度70%/65%，晝夜時間14 h/10 h，光合有效輻射400 PAR。花盆尺寸15 cm×12 cm，每盆裝煅燒黏土700 g。播種前先將基質用水澆透靜置一晚，保證播種時每盆的田間持水量達90%，整個試驗進程均保持此田間持水量[18]。

試驗采用隨機區組試驗設計，共設5個處理(表2)。黑麥草生長期間所需氮素由硝酸銨溶液提供，硝酸銨溶液和污泥于播種前均勻混合于10 cm土表煅燒黏土[18]，所有處理除氮以外的元素由1/2無氮霍格蘭營養液足量提供[18]。

表2 污泥中黑麥草可利用有效氮試驗設計Table 2 Design of biosolid available N experiment

試驗持續8周。收集試驗期間剪下的草屑及結束時所有地上部分，65℃烘干。采用凱氏定氮法測定每盆草坪草的全氮含量[19]，求出每個處理平均每盆的氮攝入量。根據以上數據繪制氮攝入量Y(mg/pot)與氮施用量X(mg/kg)的標準曲線(圖1)，其回歸方程為Y=0.462 2X+8.664 1(R2=0.992)，得出的R2在可接受范圍內[18]。為滿足植物攝取有效氮75 mg/kg[18]，正式試驗時污泥添加量15.4 g/kg。

圖1 氮攝入量和氮施用量的標準曲線Fig.1 Standard curves of N uptake and application rate

1.4 污泥對干旱脅迫下黑麥草生長的影響試驗設計

黑麥草以30 g/m播種量種于19 cm×19 cm，高17 cm的方形硬質塑料花盆中，每盆含煅燒黏土2.1 kg，試驗條件與污泥中黑麥草可利用有效氮的測定相同。

試驗采用裂區試驗設計，主處理為干旱處理，副處理為污泥處理。每個處理4個重復。主處理包括正常澆水和干旱2個水平，副處理為3水平的污泥施用量(表3)。

表3 試驗設計Table 3 Design of biosolid effect on perennial ryegrass growth under drought stress

播種前，污泥與適量水拌勻后，一次性均勻施加在盆上層10 cm煅燒黏土中[18]。硝酸銨溶液澆入盆上層10 cm的煅燒黏土中[18]，拌勻；播種后第15、30 d補充硝酸銨溶液，均用10 mL注射器施加于土表[18]，保證各處理獲得同等施氮量。黑麥草需要的氮以外的營養元素由1/2霍格蘭溶液足量提供[18]。

硝酸銨施加完畢4周后，進行干旱處理，處理前一天全部澆透水稱重，記錄質量。正常處理每次補充全部質量差，干旱處理采取30%ET的虧缺灌溉法[20]，每次補水量為稱重差值的30%。干旱處理當天記為0 d(90%田間持水量)，每隔14 d(52%田間持水量)、13 d(45%田間持水量)、12 d(36%田間持水量)、11 d(29%田間持水量)取葉樣，模擬自然界輕度、中度、重度和極度干旱。試驗進行期間，每周修剪1次，維持10 cm高度。

1.5 測試指標及方法

草坪坪觀質量采用9分制打分(1分最差，6分為中等，9分最優)[21]；葉片葉綠素含量參照文獻[22]方法測定；葉片凈光合速率參照文獻[23]的方法測定；葉片細胞膜透性參照文獻[24]的方法測定；葉片SOD活性參照文獻[25]的方法測定；POD和APX活性參照文獻[26]的方法測定；CAT活性參照文獻[27]的方法測定。

1.6 數據分析

采用SPSS 20.0進行數據分析，統計檢驗采用LSD檢驗。

2 結果與分析

2.1 草坪坪觀質量

兩種水分條件下，多年生黑麥草的坪觀質量均顯著降低，從14 d起，干旱處理草坪坪觀質量與正常澆水組出現差異。虧缺灌溉第14 d，與對照相比全污泥處理顯著提高了黑麥草的坪觀質量(P<0.05)，為7.61分，從27 d開始半污泥處理坪觀質量顯著高于對照(P<0.05)，干旱50 d時對照組坪觀質量最低，僅為4.50分。正常澆水條件下，全污泥處理從27 d開始坪觀質量顯著高于對照(P<0.05)。

圖2 2種水分條件下污泥處理黑麥草的坪觀質量Fig.2 Impact of biosolids on turfgrass quality of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes

2.2 葉片葉綠素含量

與草坪坪觀質量變化趨勢相似，不同水分條件下污泥各處理葉片葉綠素含量基本呈下降趨勢，試驗后期正常葉綠素含量均高于干旱組。虧缺灌溉條件下，0 d時對照組葉片葉綠素含量為2.07 mg/g，顯著高于污泥處理的1.84 mg/g(P<0.05)，全污泥和半污泥處理從27 d時葉綠素含量有小幅回升(表4)，但仍與試驗初始無顯著差異(P<0.05)。從虧缺第39 d可以看出，與對照相比污泥和半污泥處理顯著提高了黑麥草葉片的葉綠素含量(P<0.05)，其中，全污泥組葉綠素含量最高，為1.99 mg/g。正常澆水條件下在39、50 d時，全污泥組葉片葉綠素含量分別為1.98、2.66 mg/g，顯著高于對照組的1.63、1.2 mg/g(P<0.05)。

表4 2種水分條件下污泥處理黑麥草葉片的葉綠素含量Table 4 Impact of biosolids on total chlorophyll content of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes mg/g

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，同行不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.3 葉片凈光合速率

隨著試驗的進行，正常澆水組黑麥草葉片凈光合速率呈先上升后下降的趨勢；虧缺灌溉組葉片的凈光合速率呈下降的趨勢；試驗后期正常組葉片凈光合速率高于干旱組。虧缺灌溉條件下從27 d開始污泥處理凈光合速率均顯著高于對照組，27 d時全污泥處理葉片凈光合速率最高(表5)，為4.83 μmol/(m2·s)，且全污泥組顯著高于半污泥組(P<0.05)；50 d時3組葉片凈光合速率分別為2.01，1.26和0.71 μmol/(m2·s)，差異顯著(P<0.05)。正常澆水條件下，與對照組相比，全污泥組從27 d開始顯著提高了葉片的凈光合速率，且與對照組，半污泥組差異顯著(P<0.05)。

表5 2種水分條件下污泥處理黑麥草葉片的凈光合速率Table 5 Impact of biosolids on photosynthetic rate of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes μmol/(m2·s)

2.4 葉片電導率

虧缺灌溉下黑麥草葉片的細胞膜透性增加，電導率升高，且隨著時間的延長而增大，27 d時對照組葉片電導率是污泥處理的1.5倍，差異顯著(P<0.05)；虧缺灌溉39、50 d時，全污泥處理電導率分別為61.7%、70.49%，對照組電導率為66.46%、84.04%，全污泥處理顯著提高了黑麥草葉片的細胞膜穩定性(P<0.05)(圖3)。

圖3 2種水分條件下污泥處理黑麥草葉片的電導率Fig.3 Impact of biosolids on electrical conductivity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes

2.5 葉片抗氧化酶活性

2.5.1 葉片SOD活性 隨著干旱脅迫程度的增加，黑麥草葉片SOD活性呈現先上升后下降的趨勢，試驗后期干旱處理葉片SOD活性高于正常處理。虧缺灌溉27，39和50 d時，全污泥處理SOD活性顯著高于對照組(P<0.05)，其中27 d時全污泥處理SOD活性最高，為219.14 U/g，50 d時對照SOD活性最低，為101.52 U/g，干旱27、50 d全污泥和半污泥處理之間也有顯著差異(P<0.05)。正常水分條件下，全污泥處理SOD活性均顯著高于對照組(P<0.05)其中0 d時全污泥組SOD活性最高，為139.75 U/g，14 d時對照SOD活性最低，為107.33 U/g(表6)。

2.5.2 葉片CAT活性 試驗開始至39 d，干旱處理葉片CAT活性均高于正常水分條件組，其中27 d時干旱處理全污泥組CAT活性,為24.24 U/g，達同期最高值。虧缺灌溉下各處理CAT活性呈先升高后降低的趨勢，干旱0，14和50 d全污泥組CAT活性顯著高于對照組(P<0.05)，50 d時對照組CAT活性達到干旱以來最低值，僅為12.61 U/g。正常水分條件下，各處理CAT活性呈逐漸降低趨勢，前期對照CAT活性較高，顯著高于半污泥組(P<0.05)，后期污泥處理CAT活性顯著高于對照(P<0.05)(表7)。

表6 2種水分條件下污泥處理黑麥草葉片的SOD活性Table 6 Impact of biosolids on SOD activity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes U/g

表7 2種水分條件下污泥處理黑麥草葉片的CAT活性Table 7 Impact of biosolids on CAT activity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes U/g

2.5.3 葉片APX活性 試驗初期黑麥草葉片APX活性降低，隨著虧缺灌溉時間的延長，APX活性增大，干旱脅迫后期APX活性降低，27、50 d時全污泥組APX活性分別為9.40、8.62 U/g，對照組為6.87、7.55 U/g，差異顯著(P<0.05)。正常水分條件酶活性變化趨勢與干旱條件下相似，試驗初期對照組APX活性顯著高于污泥處理，但試驗后期39、50 d全污泥組、半污泥組APX活性顯著高于對照組(P<0.05)(表8)。

表8 2種水分條件下污泥處理黑麥草葉片的APX活性Table 8 Impact of biosolids on APX activity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes U/g

2.5.4 葉片POD活性 2種水分條件下黑麥草POD活性均呈先降后升再降的變化趨勢，干旱后期污泥處理POD活性顯著高于對照組(P<0.05)，污泥處理在干旱39 d時POD活性達到最大，為55.51 U/g，對照組在干旱50 d時POD活性最低，為36.55 U/g，39 d時全污泥組和半污泥組間POD活性差異也顯著(P<0.05)。充分澆水條件下各處理POD活性差異不大，27、50 d時對照組POD活性顯著高于全污泥處理(P<0.05)(表9)。

3 討論

污泥富含營養元素和生物活性物質，有益于植物的生長[9-11]。通過預試驗計算出污泥中黑麥草可利用的有效氮含量，全部處理施用相同的氮量，排除了氮對試驗結果的影響；黑麥草生長期間所需其他營養元素由1/2無氮霍格蘭溶液足量提供，排除了缺素對黑麥草生長的影響。由此說明，試驗中污泥對干旱條件下黑麥草生長和生理的影響，不是營養元素造成的，而是污泥中生物活性物質造成。

表9 2種水分條件下污泥處理黑麥草葉片的POD活性Table 9 Impact of biosolids on POD activity of perennial ryegrass subjected of two moisture regimes U/g

3.1 污泥能促進干旱脅迫下黑麥草的生長

試驗表明污泥的施加可以提高2種水分條件下黑麥草的坪觀質量、降低葉片電導率，與禚來強[28]、Chang Z H等[29]研究結果相符。施用污泥可以提高草坪草的葉綠素含量和凈光合速率。施用污泥與土比例為1∶7，3∶13和1∶3的高羊茅總葉綠素含量較對照分別高出44.8%，44.8%和54.5%，說明施用污泥可以通過提高草坪草葉綠素含量進而促進其對光能的利用[17]。王杰等[30]研究發現早熟禾(Poapratensis)和黑麥草葉片凈光合速率隨污泥用量的增加而升高。干旱脅迫下提高苜蓿(Medicagosativa)光合速率和水分利用效率的方法之一是在基質中混入污泥[31]。試驗結果表明，2種水分條件下，全污泥處理均顯著提高了黑麥草的葉綠素含量和凈光合速率，試驗采用的污泥IAA含量為0.095 μg/g，處于能調節植物代謝的激素水平范圍[32]，表明污泥中的生物活性物質，也許可以通過提高黑麥草葉片葉綠素含量，進而提高其光合作用，使其在干旱環境下較對照有更好的生長狀態。

3.2 干旱脅迫下污泥促進激活黑麥草抗氧化酶活性

污泥的施用不僅可以提高草坪坪觀質量、葉綠素含量和凈光合速率，還可以激活植物抗氧化酶活性。植物體內保護酶系統主要包括SOD、CAT、POD和APX[33]。SOD將O2-轉化為H2O2，CAT，POD或APX將H2O2轉化為H2O。植物的抗性及其對環境的適應與體內保護酶含量密切相關[33]。風干污泥基質顯著提高了黑麥草和高羊茅CAT和POD活性[17]。干旱脅迫下，污泥處理的草地早熟禾SOD活性出現兩次升高，POD、APX活性高于對照[34]。試驗結果表明，干旱脅迫下各處理SOD、CAT、POD活性均先升高，APX活性在試驗初期有一定程度降低，而后迅速升高。隨著干旱脅迫的進行，各處理SOD、CAT、POD活性開始下降，APX活性持續升高。說明脅迫初期SOD、CAT、POD在清除ROS中發揮主要作用，后期APX成為轉化H2O2的關鍵酶。全污泥處理在脅迫后期4個酶活性均顯著高于對照，反映出更強的抗氧化防御功能。生物污泥中的生物活性物質可能是提高抗氧化酶系統活性的誘因。Zhang等[18]報道干旱條件下污泥處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統活性的機理仍有待進一步研究[20]。

4 結論

污泥的施用可以降低干旱脅迫對黑麥草的傷害，通過維持其在脅迫環境下的光合作用和抗氧化酶系統活性，提高其抗旱能力。污泥中的生物活性物質提高了黑麥草的抗旱性，可能是由于IAA等激素的調節作用，污泥可通過直接向植物提供激素或向土壤提供有機質(如腐殖酸)，提高土壤微生物活性[35]，通過微生物產生并傳輸激素給植物[18]。后續試驗研究中可以此為切入點進行污泥提高草坪草抗旱性機理的探究。將污泥應用于草坪可視為維持草坪草在干旱脅迫下較好生長狀態的處理方法之一。

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