干旱脅迫下污泥對草地早熟禾生長及激素代謝的影響

張寧，曹允馨，徐偉，常智慧

（北京林業(yè)大學草業(yè)與草原學院，北京100083）

污泥是污水處理廠凈化處理污水時產生的不包括柵渣、浮渣和沉砂池沙礫的廢棄物［1］。城市污泥中不僅含有植物所需要的氮、磷和鉀等養(yǎng)分元素，而且含有可以改良土壤物理結構和生物學特性的大量有機質［2］。近年來有研究表明污泥中富含生物活性物質（biologically active substances，BAS），已經從污泥中確認并分離出的生物活性物質包括腐殖質、氨基酸、維生素和生長激素等［3-4］。這些生物活性物質可以調節(jié)植物的生長、代謝活動和抵抗非生物脅迫的防御系統(tǒng)［5-6］，其中腐殖質和氨基酸等可以影響植物激素和氮代謝［7］。色氨酸是生長素的合成前體，在污泥中加入色氨酸可以使其生長素的含量上升，將這種污泥施用于高羊茅（Festuca elata）可以顯著提高其葉綠素含量、光化學效率以及耐旱性［5］。此外，也有研究表明生物污泥可以改變植物內源激素的水平并影響抗氧化酶系統(tǒng)從而改善植物的抗旱性［8］。

植物體內的激素代謝及其相對平衡會根據發(fā)育和環(huán)境信號不斷變化［9-10］。吲哚-3-乙酸（auxin，IAA）能促進根的發(fā)育，細胞分裂素（cytokinin，CTK）可以抗衰老，脫落酸（abscisic acid，ABA）主要調節(jié)水分脅迫下氣孔的開閉［10］。IAA/CTK 的升高有利于根的發(fā)育，且IAA 和CTK 均能抑制ABA 誘導的生理效應。研究表明，噴施相關外源激素可提高草地早熟禾（Poa pratensis）的無融合生殖率［11］，將腐殖酸直接噴施在葉表面，能增加葉片激素（如細胞分裂素）的含量，影響植物體內激素平衡［12］。Zhang 等［5］將加入色氨酸的污泥施入土壤，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下污泥處理與葉片直接外施生長素處理都能增加植株葉片的IAA 和CTK 含量，減少ABA 含量，增加根生物量以及推遲葉片萎蔫。將污泥或有機肥料施用于土壤，在脅迫條件下可保持植物激素的內在平衡，能夠引起植物明顯的生理變化［12］。

草地早熟禾廣泛應用于我國北方綠地、運動場以及庭院草坪的建植，但其易受高溫和干旱脅迫的影響，應用受到限制。已有研究表明污泥能促進草坪草生長，但是其對植物和草坪草生長素代謝的影響尚未見報道。本試驗用硝酸銨與污泥作為氮源，研究干旱脅迫下污泥對草地早熟禾生長及激素代謝的影響，以期為污泥用于草坪生產實踐提供新的基礎數據和理論依據。

1 材料與方法

1.1 污泥

試驗污泥取自北京市某污水處理廠，其理化性質如表1 所示。

表1 供試污泥的理化性質Table 1 Properties of biosolids

1.2 供試草種

試驗所用草種是草地早熟禾，品種為“午夜”，播種量為15 g·m-2；基質是煅燒黏土（profile products，Chica?go），經800 ℃高溫煅燒，不含任何營養(yǎng)物質。

1.3 污泥中可吸收的有效氮含量的確定

試驗中的處理分為施用污泥和不施用污泥兩類，施用污泥的處理以污泥作為草地早熟禾的氮源，不施用污泥的處理以硝酸銨溶液作氮源。為保證所有處理能為草地早熟禾提供等量的有效氮素，本試驗采用不同梯度濃度的硝酸銨溶液和一定量的污泥來種植草地早熟禾，測定污泥中草地早熟禾可吸收的氮含量。

試驗在光照培養(yǎng)箱中進行，日夜溫度為 24 ℃/18 ℃，光照 14 h，光強 600 μmol·m-2·s-1。采用直徑 16 cm，深10 cm 的聚乙烯塑料盆，每盆裝0.7 kg 煅燒黏土。試驗采用隨機區(qū)組設計，設6 個處理：1）對照；2）25 mg·kg-1氮素；3）50 mg·kg-1氮素；4）75 mg·kg-1氮素；5）15 g 未添加色氨酸的污泥（UB）；6）15 g 添加 20 μmol·g-1色氨酸的污泥（TB）。每個處理5 次重復。前4 個處理利用8 mg·mL-1硝酸銨溶液提供氮素，后兩個處理利用污泥提供氮素。播種前澆水，使每盆的土壤含水量達到90%田間持水量。硝酸銨溶液分別在播種前、播種15 d、播種30 d 分3 次等量加入，污泥在播種前用水調成勻漿加入基質中，混合均勻。

試驗持續(xù)8 周。全程保持充足的澆水，所有處理用無氮霍格蘭溶液提供除氮素外的其他營養(yǎng)物質。定期修剪以保持草坪草高度為8～10 cm，將每次修剪所得的草屑收集，烘干保存。試驗結束后，將所有地上部分全部收集烘干，與之前收集的樣品合并，采用凱氏定氮法［13］測定各處理草坪草的全氮含量。

利用前4 個處理的數據做出氮攝入量（Y，mg·pot-1）和氮施用量（X，mg·kg-1）的標準曲線，并得出線性方程：Y=0.3396X+7.0582（R2=0.9423）。通過方程計算出未加色氨酸的污泥的有效氮含量為2.339 mg·g-1，添加色氨酸的污泥的有效氮含量為2.577 mg·g-1。若將煅燒黏土的氮含量調整為75 mg·kg-1，則未加色氨酸的污泥、添加色氨酸的污泥的添加量分別為：19.87 和18.03 g·kg-1。

1.4 試驗設計

試驗在北京林業(yè)大學氣象站溫室內進行，日夜溫度約為29 ℃/17 ℃，光照時間為13 h，光照強度約600 μmol·m-2·s-1。盆栽，播種前及整個生長期內保持充足的澆水。試驗所用氮肥是硝酸銨溶液與污泥，除氮素外的營養(yǎng)物質由無氮霍格蘭營養(yǎng)液提供。

試驗采用裂區(qū)設計，主處理為水分條件，包括：1）充分澆水：土壤水分含量保持在90%田間持水量；2）干旱處理：不澆水，草坪自然干旱，待土壤水分含量降至25%田間持水量時復水，保持90%田間持水量一周。副處理共5 個：1）空白對照（CK）；2）2 μmol·L-1吲哚丁酸處理（indolebutyric acid，IBA）；3）19.87 g·kg-1未加色氨酸的污泥處理（UB）；4）18.03 g·kg-1添加色氨酸的污泥處理（TB）；5）360.6 μmol·kg-1色氨酸處理（TRP）。每處理 4 個重復。IBA 的施用量為0.365 mg·pot-1（相當于70%田間持水量時濃度為2 μmol·L-1的IBA）；色氨酸的用量與TB處理中的色氨酸含量相等。所有處理的氮施入量均為75 mg·kg-1。2016 年4 月20 日在25 cm×25 cm 的方形塑料花盆中裝入2.5 kg 煅燒黏土，澆透水靜置一段時間后，保持土表與盆沿距離不超過1 cm。污泥在播種前用水調成勻漿均勻混入基質中，IBA、TRP 配成溶液，播種前均勻混入基質中，硝酸銨溶液分別在播種前、播種后第15天、播種后第30 天分3 次等量加入。

取樣時間分別為：2017 年 7 月 7 日、7 月 14 日、8 月 3 日、8 月 11 日和 8 月 19 日，即干旱處理組土壤水分含量分別為田間持水量的90%、50%、30%、25%和90%（復水一周后）。

1.5 測定指標及方法

坪觀質量的判斷是根據觀察草坪草的總體表現(xiàn)打分，采用9 分制，1 分代表全部枯萎死亡，6 分代表可接受的最低質量，9 分代表非常健康，擁有理想的顏色、均一度［14］。利用 Li-6400 光合儀（Lincoln，Nebraska USA）測定草地早熟禾葉片光合速率［15］。參照趙汝［16］的方法測定葉綠素和類胡蘿卜素含量：用95%乙醇浸提，分光光度計測定浸提液在波長為665、649 和470 nm 處的吸光度，計算色素含量。采用高效液相色譜法［17］測定吲哚乙酸和色氨酸含量，提取方式參考禚來強［18］的方法。

1.6 數據處理

使用Microsoft Excel 2007 軟件整理原始數據、繪制圖表，用SPSS 20.0 對數據分別進行雙因素方差分析和單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下污泥對草地早熟禾生長的影響

2.1.1 坪觀質量 充分澆水條件下，所有處理的草地早熟禾外觀均表現(xiàn)良好（表2），8 月3 和11 日，污泥以及添加色氨酸污泥處理的坪觀質量均極顯著高于對照（P＜0.01）。干旱處理條件下，各處理的坪觀質量隨土壤含水量的下降而顯著下降，復水一周后坪觀質量顯著恢復。干旱期間，UB 和TB 處理的坪觀質量始終極顯著高于對照（P＜0.05），TRP 處理的坪觀質量在復水后顯著高于對照（P＜0.05），說明添加污泥和色氨酸可以顯著減輕干旱對草坪草的脅迫。

表2 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾坪觀質量的影響Table 2 Effects of biosolids on turfgrass quality of P.pratensis under two water conditions

2.1.2 類胡蘿卜素含量 充分澆水條件下，兩種污泥處理的類胡蘿卜素含量始終高于對照，施用污泥能夠提高草地早熟禾葉片類胡蘿卜素的含量（表3）。干旱脅迫下，所有處理的葉片類胡蘿卜素含量在干旱處理開始后呈上升趨勢，幾乎均在8 月3 日（土壤水分含量降至30%田間持水量）時達到最高，8 月11 日（土壤水分含量降至25%田間持水量）時顯著下降（P＜0.05），除純污泥處理外，各處理的類胡蘿卜素含量均顯著高于對照。田間持水量為50%時，施用污泥能提高草地早熟禾的葉片類胡蘿卜素含量；田間持水量低于30%時，激素處理可以顯著提高草地早熟禾葉片類胡蘿卜素的含量。

表3 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾類胡蘿卜素含量的影響Table 3 Effects of biosolids on leaf carotenoid content of P.pratensis under two water conditions（mg·g-1）

2.1.3 葉片葉綠素含量 充分澆水條件下，色氨酸處理的葉綠素沒有顯著變化，吲哚丁酸處理和兩種污泥處理的葉綠素含量在試驗期內都表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢（表4）。7 月14 日后，所有處理均能顯著提高草地早熟禾葉片葉綠素含量（P＜0.05），且污泥處理對葉綠素含量的影響更顯著。干旱脅迫下，隨著干旱程度的加重，各處理的葉綠素含量都明顯下降，在復水一周后明顯恢復。干旱脅迫下，各處理的葉綠素含量均顯著高于對照，且兩種污泥處理的影響比兩種激素處理更顯著（P＜0.05）。

表4 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾葉綠素含量的影響Table 4 Effects of biosolids on leaf chlorophyll content of P.pratensis under two water conditions（mg·g-1）

2.1.4 光合速率 充分澆水條件下，各處理的光合速率在試驗期內均無明顯變化（表5），試驗后期，各種激素和污泥處理的光合速率均顯著高于對照（P＜0.05），且污泥和色氨酸處理的光合速率均高于吲哚丁酸處理（P＜0.05）。干旱脅迫下，所有處理的光合速率均隨著土壤水分含量的下降而降低，在復水一周后回升。與其他處理相比，兩種污泥處理能顯著提高干旱脅迫下草地早熟禾的光合速率（P＜0.05）。

表5 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾葉片光合速率的影響Table 5 Effects of biosolids on leaf photosynthetic rate of P.pratensis under two water conditions（μmol·m-2 ·s-1）

2.2 干旱脅迫下污泥對草地早熟禾色氨酸含量的影響

2.2.1 根系 充分澆水條件下，各處理的草地早熟禾根系色氨酸含量均隨著試驗的進行而逐漸下降，色氨酸處理下降最為顯著，添加色氨酸的污泥處理的根系色氨酸含量始終極顯著高于對照（P＜0.01，表6）。干旱脅迫下，各處理的根系色氨酸含量均在8 月11 日（土壤水分含量降至25%田間持水量）顯著升高，所有處理都可以在干旱脅迫中提高草地早熟禾根系TRP 的含量，按照影響程度從高到低排列為：TRP＞UB、TB＞IBA。

2.2.2 葉片 充分澆水條件下，除對照外其他處理的葉片色氨酸含量均在8 月3 日顯著上升，所有處理在8 月11 日顯著下降，在8 月19 日又顯著上升（表7）。各處理的葉片色氨酸含量基本低于對照或對其無顯著影響。干旱脅迫下，所有處理的葉片色氨酸含量都在8 月3 日（土壤水分為30%田間持水量）時達到最高，而后又顯著下降。干旱期間，色氨酸處理的葉片色氨酸含量幾乎始終高于對照，但復水一周后，與對照無顯著差異。

表6 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾根系色氨酸含量的影響Table 6 Effects of biosolids on root TRP content of P. praten?sis under two water conditions（μg·g-1）

表7 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾葉片色氨酸含量的影響Table 7 Effects of biosolids on leaf TRP content of P.pratensis under two water conditions（μg·g-1）

2.3 干旱脅迫下污泥對草地早熟禾吲哚乙酸代謝的影響

2.3.1 土壤 充分澆水條件下，所有處理的土壤中吲哚乙酸含量均在試驗起始時最高，在此后的試驗過程中出現(xiàn)不同程度的下降（表8）。所有處理的土壤IAA 含量均高于對照。干旱處理條件下，兩種污泥處理和色氨酸處理均能在干旱脅迫中顯著提高土壤IAA 的含量，復水后無顯著影響；相反，吲哚丁酸處理在干旱脅迫中沒有顯著影響土壤IAA 的含量，復水后顯著提高了土壤IAA 的含量（P＜0.05）。

2.3.2 根系 充分澆水條件下，除純污泥以外的其他處理的根系IAA 含量均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢（表9）。干旱脅迫下，所有處理的根系IAA 含量隨干旱加重而顯著下降（P＜0.05），復水后，除對照含量再次下降外，其他處理均回升（P＜0.05）。IBA、UB、TB 和TRP 處理都能提高草地早熟禾根系IAA含量，UB 和 TB 的影響比 IBA 和 TRP 的影響更顯著。

表8 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾土壤IAA 含量的影響Table 8 Effects of biosolids on soil IAA content of P. praten?sis under two water conditions（μg·g-1）

2.3.3 葉片 充分澆水條件下，對照的葉片IAA含量在7 月14 日有所升高，此后基本無顯著變化。IBA、UB、TB 和TRP 處理并未穩(wěn)定地表現(xiàn)出能提高草地早熟禾葉片IAA 含量的作用。干旱脅迫下，從干旱處理開始至土壤水分含量降至30%田間持水量時，各處理的葉片IAA 含量呈上升趨勢，土壤水分含量降至25%田間持水量時，除純污泥處理變化不顯著外其他處理均顯著下降。復水一周后，僅對照的葉片IAA含量顯著回升（P＜0.05），UB 處理的顯著下降（P＜0.05）。TB 處理在輕度至中度干旱時可以顯著提高葉片IAA 含量，IBA 和TRP 在干旱處理開始前均顯著高于對照，但隨著土壤水分含量的降低，其含量逐漸低于對照（表10）。

表9 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾根系IAA 含量的影響Table 9 Effects of biosolids on root IAA content of P. praten?sis under two water conditions（μg·g-1）

表10 2 種水分條件下污泥對草地早熟禾葉片IAA 含量的影響Table 10 Effects of biosolids on leaf IAA content of P.pratensis under two water conditions（μg·g-1）

3 討論與結論

3.1 干旱脅迫下污泥能顯著促進草地早熟禾的生長，增強其光合作用

本研究表明充分澆水條件下，兩種污泥處理顯著提高了其坪觀質量；干旱脅迫下，UB、TB 和TRP 處理可以減少坪觀質量的下降，施用污泥對改善草地早熟禾的坪觀質量有更顯著的影響。草坪草的坪觀質量涵蓋了草坪的顏色、密度、均一度、質地等［19］，是綜合性的評價指標。根據已有的研究表明，施用污泥能夠提高高羊茅的坪觀質和葉綠素含量［20］。此外，污泥能加快干旱脅迫復水后坪觀質量的恢復速率，在干旱脅迫下，污泥與無機肥料混合施用比單獨施用污泥更有利于減緩干旱對坪觀質量造成的損傷［18］。

UB 和TB 處理在水分充足或是干旱脅迫下均可提高草地早熟禾的光合速率，IBA 和TRP 處理在干旱脅迫下可以提高其光合速率，Zhang 等［5］的研究表明污泥能夠提高高羊茅的光合速率，本試驗研究結果與其一致。

沈志平等［21］的研究表明風干污泥淋洗液能夠顯著提高黑麥草（Lolium perenne）葉綠素含量，趙曉莉等［22］的研究發(fā)現(xiàn)黑麥草的葉綠素含量在污泥施用量為25～30 g·kg-1的情況下達到極大值。本試驗中，在兩種水分條件下，4 種處理對草地早熟禾葉片葉綠素含量有顯著提高的效果，且污泥處理的表現(xiàn)優(yōu)于激素處理。葉綠素含量在一定程度上能反映植物的光合作用能力，其會在草坪草遭受干旱脅迫時下降，是因為葉片失水減少了葉綠素的合成并加速了已合成葉綠素的分解［23］，本試驗中，各處理的葉綠素含量隨著干旱程度的加深而逐漸下降，復水后得到回升，與上述理論一致。

類胡蘿卜素能將吸收的光能傳遞給葉綠素a，而且能夠保護葉綠素，有研究表明干旱脅迫會導致類胡蘿卜素含量的下降［24］，在本試驗中，草地早熟禾的類胡蘿卜素在干旱脅迫下先呈上升的趨勢，而后在干旱最嚴重時下降。范敏等［25］在研究中發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下，馬鈴薯（Solanum tuberosum）的β-胡蘿卜素羥化酶1 基因的表達增加，這種酶是類胡蘿卜素合成途徑中一個重要的酶，即干旱脅迫下馬鈴薯中的類胡蘿卜素的合成是增加的，上述研究推測這是由于干旱脅迫導致細胞中產生過多的活性氧和自由基，細胞需要合成較多的類胡蘿卜素來消除活性氧對細胞的危害。所以推測本試驗中干旱脅迫前期類胡蘿卜素含量的增加也可能是出于同樣的原因，而在干旱脅迫最嚴重時，細胞膜可能受損嚴重，無法合成更多的類胡蘿卜素而導致其含量顯著下降。

本試驗研究表明添加污泥的處理能顯著促進草地早熟禾的生長，其帶來的益處是單獨施用某一激素或營養(yǎng)物質所無法代替的。

3.2 干旱脅迫下污泥對草地早熟禾生長素代謝的影響

3.2.1 干旱脅迫下污泥能提高草地早熟禾根系和葉片色氨酸含量 色氨酸是植物體內吲哚乙酸（IAA）生物合成的主要前體［26］，合成途徑至少有5 種，絕大多數植物合成吲哚乙酸的途徑都相似，只是有些中間產物不一樣［27-29］。在本試驗中，充分澆水條件下，TB 處理提高其根系色氨酸含量作用最佳，干旱脅迫下，TRP 和UB 處理能提高草地早熟禾葉片色氨酸含量，污泥和激素處理都能提高根系色氨酸含量。

色氨酸不是單純作為一種營養(yǎng)物質去發(fā)揮其營養(yǎng)效應，而是由于該物質很容易轉變成IAA［30］。根系和葉片都是植物合成IAA 的部位，TB 處理在充分澆水條件下對根系TRP 和IAA 含量都可以大幅提高，說明TB 能增加IAA 在根系中的合成。噴施色氨酸調控植物的生長發(fā)育是通過色氨酸影響植物體內的激素平衡和促進營養(yǎng)物質如N、P 和K 等吸收的結果［31］。所以，干旱脅迫下污泥提高草地早熟禾根系和葉片的色氨酸含量，可以進一步促進其體內的激素平衡和營養(yǎng)吸收，從而增強草地早熟禾的耐旱性。這與韓朝等［20］施用污泥能夠促進干旱條件下高羊茅的氮素利用的結論一致，也與于安東等［32］施用生物污泥可以增強草地早熟禾耐旱性的結論相同。

3.2.2 干旱脅迫下污泥能提高草地早熟禾土壤、根系和葉片IAA 含量 生長素在一定的濃度范圍內，起著促進植物維管系統(tǒng)的分化、調節(jié)植物“源一庫”關系的作用［33］。在本試驗中，污泥和色氨酸處理在水分充足和干旱脅迫條件下均能提高草地早熟禾根系和土壤中的吲哚乙酸含量，添加色氨酸的污泥對根系吲哚乙酸含量的影響最顯著。

有研究表明污泥能夠提高草坪草葉片IAA 含量［5］，但在本試驗中UB 和TB 在充分澆水條件下沒有顯著提高草地早熟禾葉片IAA 含量。禚來強［18］在研究污泥對草地早熟禾氮代謝和根系生長的影響時發(fā)現(xiàn)，充分澆水條件下半污泥處理能夠提高草地早熟禾葉片IAA 含量，但全污泥處理的葉片IAA 含量沒有高于對照甚至有時會低于對照，并推測可能是污泥中的重金屬導致草坪草葉片中的重金屬離子含量升高而影響了生長素的代謝平衡，所以本試驗的結果表明可能是IAA 在草坪草體內的運輸受到處理的干擾，導致其在根部積累而在葉片中減少。

根據禚來強［18］的研究，干旱脅迫下，全污泥和半污泥處理都能提高草地早熟禾葉片IAA 含量，且全污泥的促進作用更顯著，并推測干旱條件下，生物活性物質的含量對葉片IAA 含量的影響較大，所以含有更多生物活性物質的全污泥處理表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，本試驗結果與此一致，本試驗中，干旱脅迫下，TB 處理可以提高草地早熟禾葉片IAA 的含量。禚來強［18］的研究還表明，污泥能在充分澆水條件下提高草地早熟禾根系生長素含量，本試驗結果也與此一致。在本試驗中，TB 處理可提高土壤IAA 含量可能是因為污泥中IAA 以及微生物合成IAA 直接增加了其含量。

綜上，施用污泥能夠提高草地早熟禾根系和土壤中的吲哚乙酸含量，提高葉片和根系的色氨酸含量，從而促進草地早熟禾的生長，并且能在干旱脅迫下使草地早熟禾維持較高的生長勢和較高的激素水平，減輕干旱脅迫對其生長素代謝的影響。