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中国经济社会的飞速发展促使人们更加注重绿色生态的人居环境质量,从而推动了草皮在城市中的需求不断增长。《中国林业和草原统计年鉴2018》数据显示:2018年中国草皮产量超过6万 hm2[1]。随着绿地面积的增加和质量的提升,草皮在园林绿化建设中的应用前景更加广阔[2]。但有研究表明:2018年中国耕地“非粮化”面积已达54.47万 km2,占全国耕地面积总量的32.3%,上海、浙江等6省(市)“非粮化”率已超过50.0%[3]。耕地“非粮化”问题与耕地保护的矛盾日益突出。浙江省水利厅资料显示:2018年浙江省全年河湖库塘清淤8 072.2万 m2[4]。目前,处理大量底泥的主要方法是干化处理后进行填埋,不仅占据了大片土地资源,还可能因为雨水冲刷造成土壤与水体的二次污染。另一方面,草坪草生产基本都是在同一耕地地块上重复进行,成坪后以草皮卷形式进行移植,不仅每次要带走2~3 cm的表层土壤,而且会对土壤的容重、密度和孔隙度等结构造成不可逆破坏,不利于耕地保护和可持续利用,因此,草坪生产耕地是“非粮化”整治重点关注领域之一[5]。无土栽培草皮具有种植灵活、可控性高、病虫害少、节水节肥等优越性,已在世界设施农业中被广泛采用[6]。将清淤产生的大量河湖库塘底泥代替耕地土壤用于草皮生产,不仅能有效解决“非粮化”引起的耕地挤占与土层破坏问题,而且能切实满足草皮等景观绿化种植的市场需求,还能协同解决河湖库塘底泥等有机固体废弃物的处理难题。
近年来,部分无土栽培基质出现了一些新的问题。块状岩棉很难分解,如果随意丢弃会污染环境;不可再生的天然泥炭被长期大量使用导致资源枯竭,并对地球湿地环境造成无法挽回的破坏;蛭石的结构松散、易破环,且使用周期短,维护成本高[7−8]。这促使栽培基质研究向环保型、经济型、技术型方向转变。选择资源循环利用、污染风险低且能解决环境问题的替代基质是主要发展方向[9]。在这种背景下,工农业有机固体废弃物基质研究备受关注[10]。沼渣是沼气发酵的产物,富含有机质、腐殖酸和氨基酸,以及速效养分和微量元素等,可以减少化肥使用,提高养殖业生态效益,降低草皮种植成本。生物质炭在土壤中的施用已经被证明可以改善土壤理化结构,固定土壤中重金属,有利于植物生长。将河道底泥、沼渣、生物质炭按一定比例复配制成种植基质,既符合绿色循环农业和可持续发展的要求,更具有实际的经济效益、环境效益和生态效益,是一种新的尝试。
本研究选取禾本科Gramineae冷季型草坪草匍匐剪股颖‘本特A-4’Agrostis stolonifera ‘PENN A-4’为研究对象,以清淤河道底泥为主料,复配沼渣和生物质炭,探究河道底泥为主料的基质对匍匐剪股颖‘本特A-4’生物量、叶绿素、根系活力、可溶性糖、丙二醛、抗氧化保护酶的影响,为河道底泥等有机固体废弃物的资源化利用提供理论参考。
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河道底泥取自钱塘江富阳段清淤产生的淤泥;沼渣取自杭州富阳某养殖场,为猪粪尿混合物经厌氧发酵(沼气工程)后产生的固体废渣;生物质炭以该养殖场猪粪为原料,经过500 ℃高温限氧炭化后得到的猪粪炭;耕作土取自试验基地旁耕地表层黏壤土,pH呈酸性。各供试材料理化指标如表1所示。
基质 酸碱度 电导率/(mS·cm−1) 容重/(g·cm−3) 总孔隙度/% 有机质/(g·kg−1) 全氮/(g·kg−1) 全磷/(g·kg−1) 全钾/(g·kg−1) 底泥 7.48 0.15 1.05 58.02 84.07 0.60 0.69 10.67 沼渣 6.54 2.49 0.51 72.41 309.50 15.23 24.69 3.71 生物质炭 9.40 1.26 0.63 59.85 699.63 20.83 21.91 14.50 耕作土 6.39 0.45 1.23 40.28 33.39 1.51 1.59 15.67 Table 1. Basic physical and chemical properties of the materials used in the study
试验草种为禾本科冷季型草坪草匍匐剪股颖‘本特A-4’。该品种具有“百草之王”的美誉,是当前世界范围内品质最高的草皮品种,广泛应用于庭院、公园、广场等观赏性草坪,也是高尔夫球场的主要草种,有出色的耐低修剪、耐高温、抗病虫害以及卓越的抗寒能力。
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本研究采用极端顶点设计,对河道底泥、沼渣、生物质炭进行混料,阶数为2[11]。基于底泥最大消耗原则(尽量多地消纳河道底泥),将上述3种基质的体积比例分别设定为50%≤底泥≤100%、0≤沼渣≤50%、0≤生物质炭≤10%。混料设计方案见表2,按体积比(v/v)进行混合。因目前草皮生产基本采用农田种植成坪后移植方式,故设置当地耕作表层土(0~20 cm)为对照组(ck)。
处理 点类型 底泥/% 沼渣/% 生物质炭/% 处理 点类型 底泥/% 沼渣/% 生物质炭/% 1 顶点 50.00 50.00 0 8 双混合 70.00 20.00 10.00 2 顶点 50.00 40.00 10.00 9 中心点 72.50 22.50 5.00 3 顶点 100.00 0 0 10 轴点 61.25 36.25 2.50 4 顶点 90.00 0 10.00 11 轴点 61.25 31.25 7.50 5 双混合 50.00 45.00 5.00 12 轴点 86.25 11.25 2.50 6 双混合 95.00 0 5.00 13 轴点 81.25 11.25 7.50 7 双混合 75.00 25.00 0 说明:数值为体积百分比。 Table 2. Scheme of a mixed material design
试验在浙江科技大学校内试验基地(30°13′31″N,120°01′30″E,年日照时数为1 522.4 h)进行。坪床采用带排水孔规格为40 cm×40 cm×7 cm的育苗盘,底部铺30 g·m−2无纺布隔离,基质厚度为3.0 cm,上覆土厚度为0.5 cm。每处理重复3次。播种密度为12.0 g·m−2,发芽前每天浇水1次,发芽后7 d浇水1~2次,浇水量遵循见干见湿的原则。种植期间不额外施肥,待幼苗生长10 d左右,株高至10 cm后,按照1/3原则进行修剪[12]。本研究在开放自然环境下开展。2022年10月15日播种,共60 d,在第60天取样,测定植物理化指标。
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生物量干质量采用实测称量法,叶绿素采用乙醇浸提法,可溶性糖采用蒽酮比色法,丙二醛采用硫代巴比妥酸比色法,过氧化氢酶采用钼酸铵比色法,超氧化物歧化酶采用氮蓝四唑法,过氧化物酶采用愈创木酚法,根系活力采用氯化三苯四氮唑法。生物量干质量在杀青烘干后测定,其余指标采用鲜样测定。具体测定方法参考《植物生理学实验指导》[13]。
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将试验数据录入Excel 2013,并进行整理,用SPSS 26分析不同处理间差异显著性,Origin 2023制图。
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由图1A可见:处理1、处理2、处理10匍匐剪股颖‘本特A-4’地上部分干质量与ck相比差异最显著(P<0.05),分别比ck显著提高了172.98%、185.07%、189.27%,但三者之间差异不显著;处理3、处理4、处理6地上部分干质量显著低于ck (P<0.05),仅有ck地上部分干质量的12.46%、45.19%、28.50% (图1A)。主要原因是处理3、处理4、处理6未添加沼渣。随着混料基质中沼渣比例的增加,草皮地上部分干质量逐渐增加(图1B)。
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由表3可知:各处理间匍匐剪股颖‘本特A-4’叶绿素a、b质量分数分别为1.25~1.65和0.35~0.50 mg·g−1,低于ck。由于底泥性质更接近于黏土,故随着底泥比例的增加,叶绿素质量分数呈上升趋势。仅处理8和处理9叶绿素a/b略高于ck,但与ck相比,差异不显著。
处理 叶绿素a/
(mg·g−1)叶绿素b/
(mg·g−1)叶绿素a+b/
(mg·g−1)叶绿素a/b 处理 叶绿素a/
(mg·g−1)叶绿素b/
(mg·g−1)叶绿素a+b/
(mg·g−1)叶绿素a/b 1 1.33±0.01** 0.45±0.02** 1.77±0.03** 2.97±0.17** 8 1.49±0.04** 0.42±0.01** 1.91±0.04** 3.54±0.06 2 1.38±0.08** 0.46±0.03* 1.84±0.11** 3.00±0.04** 9 1.49±0.05** 0.42±0.05** 1.91±0.09** 3.54±0.41 3 1.65±0.10* 0.53±0.04 2.18±0.14* 3.10±0.08* 10 1.40±0.06** 0.44±0.05** 1.84±0.11** 3.20±0.21 4 1.28±0.02** 0.41±0.02** 1.69±0.03** 3.10±0.11* 11 1.50±0.03** 0.47±0.01* 1.97±0.03** 3.20±0.03 5 1.28±0.09** 0.45±0.03** 1.73±0.12** 2.87±0.04** 12 1.59±0.01** 0.48±0.01 2.07±0.02** 3.30±0.06 6 1.25±0.06** 0.37±0.04** 1.63±0.09** 3.36±0.28 13 1.40±0.04** 0.45±0.02** 1.85±0.07** 3.14±0.10* 7 1.33±0.18** 0.40±0.06** 1.74±0.25** 3.30±0.08 ck 1.81±0.10 0.53±0.03 2.33±0.14 3.42±0.02 说明:*表示不同处理与ck间差异显著(P<0.05),**表示不同处理与ck间差异极显著(P<0.01)。 Table 3. Chlorophyll contents in different treatments of A. stolonifera ‘PENN A-4’
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由图2A可见:与ck相比,处理4的匍匐剪股颖‘本特A-4’地下部分干质量最高,比ck显著提高了48.05% (P<0.05)。处理4与处理13基质上匍匐剪股颖‘本特A-4’地下部分干质量无显著差异,但2个处理显著高于其他处理(P<0.05),表明随着生物质炭比例逐渐增加,匍匐剪股颖‘本特A-4’地下部分根系生物量逐渐增加,但随着沼渣比例的增加,地下部分干质量有降低趋势(图2B)。
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由图3A可见:根系活力最强的是处理7的匍匐剪股颖‘本特A-4’,为0.03×16.67 nkat·g−1,比ck (0.01×16.67 nkat·g−1)高约2.4倍;处理9、处理10次之,比ck高约2.0倍; 与ck相比,处理12根系活力无显著差异;处理6和处理13的根系活力显著低于ck (P<0.05),仅分别为ck的65.84%、83.69%。随着沼渣比例提高、底泥比例降低(图3B),基质容重逐渐降低,根系活力逐渐增强,能从基质中吸收更多矿质元素和水分供应地上部分的生长,这与图1B中显示的随着混料基质中沼渣比例的增加,匍匐剪股颖‘本特A-4’地上部分干质量逐渐增加是一致的。混料基质中生物质炭比例的变化对匍匐剪股颖‘本特A-4’根系活力的影响不明显。
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由图4A可知:与ck相比,处理4的匍匐剪股颖‘本特A-4’可溶性糖质量分数最高,比ck显著提高了70.95% (P<0.05),但与处理1、处理2相比差异不显著。处理3次之。处理5匍匐剪股颖‘本特A-4’的可溶性糖质量分数显著低于ck (P<0.05),其余处理与ck相比无显著差异(图4A)。底泥比例为50.00%~100.00%时,随着底泥比例的增加,匍匐剪股颖‘本特A-4’可溶性糖质量分数呈先降低后逐渐升高的趋势;同时,混料基质中沼渣比例过高或过低都会导致匍匐剪股颖‘本特A-4’可溶性糖质量分数升高,生物质炭比例的变化与沼渣导致的匍匐剪股颖‘本特A-4’可溶性糖质量分数变化趋势基本一致(图4B)。
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由图5A可知:处理7的匍匐剪股颖 ‘本特A-4’丙二醛质量摩尔浓度最高,为20.65 nmol·g−1,处理1次之,为20.89 nmol·g−1,分别比ck显著提高了24.16%、25.60% (P<0.05),但处理1和处理7之间差异不显著,其余处理匍匐剪股颖‘本特A-4’丙二醛质量摩尔浓度与ck相比无显著差异。由图5B可见:随着混料基质中底泥和生物质炭比例降低,沼渣比例增加,匍匐剪股颖‘本特A-4’丙二醛质量摩尔浓度逐渐升高。
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由表4可见:与ck相比,处理4、处理8、处理13的匍匐剪股颖‘本特A-4’过氧化氢酶活性显著下降了42.33%、44.54%、46.45% (P<0.05),而处理7、处理9、处理11过氧化氢酶活性显著升高了35.02%、40.66%、25.23% (P<0.05),表明随着混料基质中生物质炭比例逐渐减少,匍匐剪股颖‘本特A-4’过氧化氢酶活性逐渐增加。
处理 过氧化氢酶/
(×16.67 nkat·g−1)超氧化物歧化酶/
(×16.67 nkat·g−1)过氧化物酶/
(×16.67 nkat·g−1)处理 过氧化氢酶/
(×16.67 nkat·g−1)超氧化物歧化酶/
(×16.67 nkat·g−1)过氧化物酶/
(×16.67 nkat·g−1)1 21.40±1.01 367.55±36.93** 697.92±42.87 8 12.43±2.48** 373.57±18.29** 594.51±39.24** 2 21.40±5.14 395.48±31.95** 793.27±21.60* 9 31.54±3.38** 430.98±18.62** 708.82±16.03 3 20.28±0.96 256.49±10.25* 659.04±28.40* 10 24.38±3.40 398.58±16.95** 764.31±29.50 4 12.93±0.79** 304.48±15.89 613.16±27.51** 11 28.08±0.98** 415.11±27.08** 828.98±36.13** 5 20.84±0.64 378.02±27.12** 715.14±27.55 12 18.19±1.71* 316.05±37.78 574.14±25.23** 6 17.81±1.89* 292.52±19.37 676.58±42.97 13 12.01±1.22** 319.52±15.16 787.36±43.58* 7 30.27±1.86** 392.23±10.75** 785.75±41.48 ck 22.42±2.64 304.96±29.18 729.52±34.36 说明:*表示不同处理与ck间差异显著(P<0.05);**表示不同处理与ck间差异极显著(P<0.01)。 Table 4. Antioxidant protective enzyme activities in different treatments of A. stolonifera ‘PENN A-4’
处理3匍匐剪股颖‘本特A-4’中的超氧化物歧化酶活性显著降低,较ck显著下降了15.89% (P<0.05);其次是处理6,但匍匐剪股颖‘本特A-4’的超氧化物歧化酶活性与对照组相比降低不显著。处理3、处理6的混料基质中底泥比例分别为100.00%和95.00%,表明混料基质中底泥比例提高会降低匍匐剪股颖‘本特A-4’的超氧化物歧化酶活性。
与ck相比,处理11的匍匐剪股颖‘本特A-4’过氧化物酶活性升幅最大,达极显著差异水平(P<0.01),处理2、处理13的匍匐剪股颖‘本特A-4’过氧化物酶活性较ck显著升高了8.74%和7.93% (P<0.05);但处理3、处理4、处理8和处理12与ck相比,匍匐剪股颖‘本特A-4’过氧化物酶活性显著下降,其中处理12降幅最大,达极显著水平(P<0.01)。随着混料基质中沼渣比例的增加,匍匐剪股颖‘本特A-4’过氧化物酶活性出现先缓慢增加再减少的趋势。当沼渣比例在30.00%~40.00%时,匍匐剪股颖‘本特A-4’过氧化物酶活性显著上升。
Effects of river sediment as the main substrate on the growth and physiological indexes of Agrostis stolonifera ‘PENN A-4’
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240157
- Received Date: 2024-01-31
- Accepted Date: 2024-04-25
- Rev Recd Date: 2024-04-23
- Available Online: 2024-06-14
- Publish Date: 2024-09-25
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Key words:
- river sediment /
- Agrostis stolonifera ‘PENN A-4’ /
- turf substrate /
- physiological indexes /
- biomass
Abstract:
Citation: | XIA Honglei, WANG Lei, FANG Chaochu, WANG Minyan, LIU Wanpeng, SHEN Cheng, ZHANG Jin. Effects of river sediment as the main substrate on the growth and physiological indexes of Agrostis stolonifera ‘PENN A-4’[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(5): 1075-1084. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240157 |