CN102612941B

CN102612941B - 采用镧增强垃圾堆肥基质黑麦草草皮抗酸雨的方法

Info

Publication number: CN102612941B
Application number: CN 201210081133
Authority: CN
Inventors: 多立安; 赵树兰; 李丹
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: CN102612941A

Abstract

本发明公开了一种采用镧增强垃圾堆肥基质黑麦草草皮抗酸雨的方法，它在塑料杯中加入垃圾堆肥60g，选择籽粒饱满的黑麦草种子，称取黑麦草种子0.4g，播于杯中，于室温下在实验室中培养；17天后施加0.2-0.4g·kg^-1浓度的稀土镧，继续培养10天，培养期间实验室温度为23~30℃，相对湿度为35~70%；然后开始喷洒酸雨一次喷洒12ml，每5天喷洒一次，共喷洒5次，然后经过处理后测量各项指标。本发明的实验结果表明：在酸雨胁迫下，稀土镧能缓解酸雨胁迫对黑麦草伤害，提高其细胞内渗透调节物质，抑制细胞膜脂过氧化作用，维持细胞膜稳定性，提高叶绿素含量，增强其光合作用，积累光合产物，进而提高了黑麦草的抗逆性。

Description

采用镧增强垃圾堆肥基质黑麦草草皮抗酸雨的方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及以城市生活垃圾堆肥作为基质培养黑麦草的方法。更具体的说是一种采用镧增强垃圾堆肥基质黑麦草草皮抗酸雨的方法。

背景技术

城市生活垃圾堆肥含有丰富的有机质和氮、磷、钾等营养元素，可用作草皮培养基质，用于城市草坪建植。将城市生活垃圾堆肥用于草皮培养基质，即解决了传统草皮生产耗费肥沃土壤的问题，节约农用土地资源，缓解目前人口压力大，土地资源紧张的现状，又拓宽了垃圾堆肥的应用途径，减少垃圾处理的费用以及垃圾堆肥向外地运输等难题，同时也有利于城市草坪建植体系的完善。但需要指出的是，堆肥也有含大量污染物，对草坪植物的生长也会造成不利影响，因此，添加外源物质，来改善堆肥这一性状具有重要意义。

草坪是由人工建植或人工养护管理并能够提供人们休闲、游乐和适度体育运动的坪状草地。草坪作为城市园林绿化的重要组成部分，对人类生存环境绿化、美化、保护和改善的作用日趋突出和重要，草坪绿化已日益受到人们的重视。国内外研究表明生活垃圾堆肥可作为一种肥料来改善草坪草观赏特征和质量特征，对黑麦草生长以及质量的提高有明显促进作用。Landschoo研究发现，与空白对照相比，垃圾堆肥可以降低土壤容重，提高土壤渗透性，而且至少在两个生长季内能为草坪生长提供大部分所需的营养元素。垃圾堆肥及其复合肥与化肥相比能明显促进黑麦草的茎与根系的生长，提高生物量，改善叶片的色泽和整齐度，提高草坪的密度和质量；促进黑麦草对氮的吸收，叶片中氮和叶绿素含量明显高于化肥与空白处理。

近年来，随着各国经济的发展与进步，酸雨污染的日趋严重越来越受到人们的广泛关注，已成为当代国际性的重大生态环境问题之一，对自然环境造成极大危害。关于酸雨对植物的影响已有大量研究报道。但关于酸雨对草坪草的影响很少。吴杏春等研究了模拟酸雨对草坪草若干生理指标的影响，结果表明在酸雨影响下，草坪草叶绿素含量、保护酶活性随pH下降呈下降趋势。程澄研究了模拟酸雨对草坪草种子萌发及幼苗生长的影响，结果表明4种草坪草的细胞膜透性和丙二醛含量随胁迫加强而增加。随着经济发展和社会进步，草坪日益成为现代人类生活环境与现代文明的重要组成部分，有关环境变化对草坪草品质的影响越来越引起人们的关注。因此研究酸雨胁迫下如何提高草坪草抗逆性意义重大。

发明内容

本发明在培养皿中以垃圾堆肥为基质培养草坪草，在施加稀土镧后进行人工模拟酸雨的胁迫，通过测定叶绿素、保护酶、丙二醛、脯氨酸和相对电导率的变化来探讨稀土镧对酸雨胁迫下堆肥草坪草抗逆性的影响，以期为稀土应用于草坪建植以及优化以垃圾堆肥为基质的草坪建植提供理论依据。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种采用镧增强垃圾堆肥基质黑麦草草皮抗酸雨的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥；

（2）在塑料杯中加入上述堆肥60g，选择籽粒饱满的黑麦草种子，称取黑麦草种子0.4g，播种于杯中，于室温下在实验室中培养；

（3）17天后施加0.2-0.4 g·kg^-1浓度的稀土镧，继续培养10天，培养期间实验室温度为23~30℃，相对湿度为35~70%；

（4）然后开始喷洒酸雨酸雨一次喷洒12ml，每5天喷洒一次，共喷洒5次，然后将黑麦草齐根刈割，地上部分用蒸馏水冲洗干净，吸水纸吸干表面水分，称量鲜重，然后放入烘箱中，在105℃下杀青1h，80℃烘干至恒重，测量各项指标。

本发明所述的方法，其中酸雨的配制是SO₄ ^2-、NO^3-、NH⁴⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、K⁺和Na⁺分别为14.96、6.54、3.71、0.82、1.38、1.68、0.64和0.78 mg·L^-，通过酸度计用HCl调节酸雨pH分别为pH=5.0、pH=4.0。

本发明进一步公开了所述方法在制备稀土镧缓解酸雨胁迫对黑麦草伤害方面的应用。其中稀土镧的用量为0.2-0.4 g·kg^-1。优选稀土镧的用量为0.4 g·kg^-1。

本发明更加详细的制备方法如下：

1 材料和方法

1.1 实验材料

本实验选用草坪植物为黑麦草(Lolium perenne L.)，购自北京寰宇绿谷科技有限公司。稀土元素为硝酸镧[La(NO₃)₃·6H₂O]。垃圾堆肥来自天津市小淀垃圾堆肥厂，垃圾堆肥源为城市日常生活提供服务活动中产生的固体废物，也包含可回收垃圾、有害垃圾和其他如取暖煤灰等废弃物。堆肥制备与处理采用德国工艺技术与设备，堆肥前将城市生活垃圾中的塑料、金属、玻璃纸张等可回收利用物质进行分选后，剩余的物质作为堆料。堆肥过程为好氧发酵，堆料含水率为 45%~60%，在pH为6.5-7.5，温度为45- 55℃条件下，通风供氧，发酵30 d。发酵后的垃圾堆肥在利用前要进行筛选以进一步去除各类塑料、金属、碎玻璃及砖瓦石块等杂物，然后对垃圾堆肥背景进行分析。垃圾堆肥主要理化性质为：有机质12.12%，pH 7.62，饱和含水量0.76 mL /g，容重0.85g /mL，全氮5.18%，有效磷77.92 mg /kg，全钾1.21%，Ca 含量30.62 g /kg，Fe19.95 g /kg，Mg 5.78 g /kg，Cu 546.15 mg /kg，Zn 534.53 mg /kg，Pb 163.62 mg /kg，Cr 89.87 mg /kg，Ni 76.26 mg /kg ，Cd 2.06 mg /kg，Mn 324.59 mg /kg 。

1.2 实验方法

在高5.7cm，直径5cm的塑料杯中加入堆肥60g，选择籽粒饱满的黑麦草种子，称黑麦草种子0.4g，分别播于各杯中，于室温下在实验室中培养。17天后施加不同浓度水平的稀土镧。镧施加浓度设为3个水平，为0、0.2、0.4 g·kg^-1。加入稀土镧后继续培养10天，之后开始喷洒酸雨。酸雨的配制是根据天津市2006年降雨离子组分平均值(韩毓，2008)，利用Na₂SO₄、(NH4)₂SO₄、Mg(NO₃)₂、K₂SO₄、Ca(NO₃)₂、Mg(NO₃)₂、H₂SO₄、HCl配制SO₄ ^2-、NO^3-、NH⁴⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、K⁺、Na⁺分别为14.96、6.54、3.71、0.82、1.38、1.68、0.64和0.78 mg·L^-1的酸雨。通过酸度计(PHS-3E型)用HCl调节酸雨pH，本实验设酸雨pH为两个水平，分别为pH=5.0、pH=4.0。酸雨一次喷洒12ml，每5天喷洒一次，共喷洒5次。实验设3次重复。培养期间实验室温度为23~30℃，相对湿度为35~70%。

1.3 指标测定

（1）生物量的测定

将黑麦草齐根刈割，地上部分用蒸馏水冲洗干净，吸水纸吸干表面水分，称量鲜重，然后放入烘箱中，在105℃下杀青1 h，80℃烘干至恒重，测量其地上部分的干重。

（2）叶绿素含量的测定

叶绿素含量测定参考张志良等(2003)编写的《植物生理学实验指导》(第三版)：取0.2g黑麦草地上部分置于研钵中，加入少量石英砂和80%丙酮，进行充分研磨提取，将匀浆转入离心管中，用适量80%丙酮洗涤钵体，一并转入离心管中，定容至10ml，离心后弃沉淀取上清液，以80%丙酮作为对照，用SHIMADZU产UV-1700型紫外分光光度计分别测定在663nm、645nm波长处的吸光度值。

（3）丙二醛(MDA)含量的测定

参考张志良等(2003)的方法：取0.2g黑麦草叶片，用10%TCA研磨匀浆进行提取，定容至10ml，4000r·min^-1离心10min，取上清液2ml，加入2ml 0.6%的TBA沸水浴中反应20min，迅速冷却，离心，取上清液分别于532nm、450nm波长下测定吸光值。对照以2ml水代替提取液。

（4）脯氨酸含量的测定

参考李合生(2000)的方法。称取0.5g黑麦草叶片并将其剪碎，分别置于大试管中，然后向各管分别加入5ml 3%的磺基水杨酸溶液，在沸水浴中提取10min(提取过程要经常摇动)，冷却后3000 r·min^-1离心10min，吸取2ml提取液于另一干净的带塞试管中，加入2ml冰醋酸及2ml酸性茚三酮，在沸水中加热30min，冷却后加入4ml甲苯提取，振荡30s，静置一夜。以甲苯为空白对照，取上层液用SHIMADZU产UV-1700型紫外分光光度计在520nm波长下测吸光值。

（5）相对电导率的测定

相对电导率采用电导率仪法进行测定(汤章成，1999)：将10 ml的无离子水放入已编号的试管中，测定I₀。各样品称取叶片0.2 g，剪成0.5 cm²的小块置于试管中，准确加入无离子水10 ml，浸泡24 h，用DDS-11D直读式电导仪测定电导率为I₁。测定后将试管放在水浴锅中沸水浴0.5 h，杀死组织，于室温下测I₂。计算相对电导率(%)=(I₁-I₀)/(I₂-I₀)×100%。

（6）保护酶的测定

粗酶液的提取方法：称取叶片0.2g，加入pH7.8的磷酸缓冲液进行冰浴研磨，提取匀浆至离心管中，定容至10ml， 4℃下离心(10000r/min)20 min，上清液为酶的粗提液，4℃保存备用。

超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定：采用NBT光还原法(张志良等，2003)。在盛有3ml反应混合液(包括14.5mmol/L dl-甲硫氨酸、3μmol/L EDTA 、2.25mmol/L NBT、60μmol/L核黄素溶液)的试管中，加入50μL的粗酶液，混合后放在透明的试管架上，于光照培养箱中在4000 Lx日光灯下准确照光反应20 min，以不加酶液的照光管为光照对照，同时将空白对照管置于暗处(以缓冲液代替酶液)，用做调零。在560nm波长下测定吸光值。SOD活性单位是以抑制NBT光化还原的50%为一个酶活性单位。

过氧化物酶(POD)活性的测定：采用愈创木酚法(张志良等，2003)取3mL的反应混合液于比色皿中，对照以pH=7.8磷酸缓冲液代替。加入酶液100μL，立即开启秒表计时，在470 nm波长下测量吸光值，每隔0.5 min读数一次。以每分钟△A₄₇₀变化0.01为一个过氧化物酶活性单位。

过氧化氢酶(CAT)活性的测定：采用紫外分光光度法(Maria et al.，2004)。在试管中加入反应混合液(pH7.8的磷酸缓冲液1.5ml、酶液0.2ml、蒸馏水1.0ml)，对照管用缓冲液代替酶液，然后在测定管中加入0.3ml浓度为0.1mol/L的过氧化氢，同时立即计时，在240nm波长下测量吸光值，每隔0.5 min读数一次。以每分钟△A₂₄₀变化0.1为一个过氧化氢酶活性单位。

1.4 数据处理：数据分析采用EXCEL和SPSS17.0分析软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 镧对酸雨胁迫下黑麦草生物量的影响

由表1可知镧对酸雨胁迫下黑麦草生物量的影响。从表中可以看出，酸雨胁迫强度加大对黑麦草的损伤也加大，进而影响其生物量的积累。施加镧后缓解了酸雨胁迫带来的影响，提高了黑麦草的生物量。在酸雨pH为5.0时，镧用量在0.4 g·kg^-1时黑麦草地上鲜重、地上干重和干鲜比分别比对照高出18.3%、31.4%、10.4%。在酸雨pH为4.0时，镧用量在0.4 g·kg^-1时黑麦草地上鲜重、地上干重和干鲜比分别比对照高出12.5%、18.2%、4.2%。

表1 镧对酸雨胁迫下黑麦草生物量的影响

2.2 镧对酸雨胁迫下黑麦草丙二醛、脯氨酸和相对电导率的影响

酸雨胁迫下以及镧处理对黑麦草丙二醛、脯氨酸和相对电导率的影响见表2。随着酸雨pH值的降低，黑麦草丙二醛含量升高。不加镧的处理其黑麦草的丙二醛含量上升幅度高于镧处理；同时在同一pH值下，镧的两个浓度处理，其黑麦草的丙二醛含量均低于不加镧处理的，说明镧处理能够在一定程度上缓解酸雨胁迫对黑麦草细胞膜的损伤。在酸雨pH为5.0时，镧用量在0.2 g·kg^-1和0.4 g·kg^-1时，黑麦草的丙二醛含量无差异，均比对照降低了23.2%。在酸雨pH为4.0时，镧用量在0.2 g·kg^-1和0.4 g·kg^-1时，黑麦草的丙二醛含量分别比对照降低了56.4%和40.7%。黑麦草脯氨酸含量随酸雨pH值降低而增加，镧处理与不加镧处理相比，在不同酸雨pH值下，其脯氨酸含量均上升，说明镧处理可在一定程度上增加黑麦草的渗透调节能力。在酸雨pH为5.0和4.0时，镧用量在0.2 g·kg^-1时，黑麦草脯氨酸含量分别比对照提高了23.9%和144.4%。从表1可知，镧处理降低了黑麦草在酸雨胁迫下的相对电导率，但差异不显著。在酸雨pH为5.0和4.0时，镧用量在0.4 g·kg^-1时，黑麦草相对电导率分别比对照降低了7.5%和14.2%。

表2 镧对酸雨胁迫下黑麦草丙二醛、脯氨酸和相对电导率的影响

2.3 镧对酸雨胁迫下黑麦草保护酶的影响

酸雨胁迫对黑麦草保护酶的影响以及镧对酸雨胁迫下黑麦草保护酶的影响见表2随酸雨pH值的降低，同一镧浓度处理的黑麦草SOD活性、POD活性和CAT活性基本都表现出升高(镧用量在0.2g·kg^-1时黑麦草CAT活性例外)，说明酸雨胁迫打破了黑麦草体内的自由基平衡，自由基积累对细胞产生一定的破坏，黑麦草体内发生一定的反应，可能通过提高保护酶活性来保护自身细胞不受伤害。但在同一酸雨pH值下，镧处理组，黑麦草的SOD活性比对照有所下降，POD、CAT活性则比对照有所升高。在酸雨pH为5.0时，镧用量在0.4g·kg^-1时，SOD活性比对照降低了451.8%，POD活性比对照提高了10.7%， CAT活性在镧用量为0.4g·kg^-1时比对照提高了22.5%。在酸雨pH为4.0时，镧用量在0.4g·kg^-1时，黑麦草SOD活性比对照降低了87.2 %，POD和CAT活性则在镧用量为0.2g·kg^-1时分别比对照提高了4.5%和10.8%。

表3 镧对酸雨胁迫下黑麦草保护酶的影响

2.4 镧对酸雨胁迫下黑麦草叶绿素含量的影响

对草坪来说观赏价值很大程度上体现在叶的颜色上，一旦叶片失绿、枯黄甚至发黑将严重影响草坪草的观赏度。叶色是叶片中多种色素的综合表现，叶绿素是其中重要的一种，同时叶绿素也是参与光合作用重要的物质，植物通过叶绿素从光中吸收能量，然后利用所吸收的能量进一步将二氧化碳转变为碳水化合物。叶绿素含量的多少在一定程度上影响着植物光合强度的高低，进而影响植物的生长。植物叶片衰老或逆境胁迫时，由于活性氧的积累会使叶绿素降解，且叶绿素a对活性氧的反应较叶绿素b敏感。酸雨胁迫对黑麦草叶绿素含量的影响以及镧的作用效果见表4。从表中可知，镧的各浓度处理下，随着酸雨pH值下降，黑麦草叶绿素含量也下降，说明酸雨胁迫对黑麦草叶绿素含量有一定影响，进而影响其光合作用。不同酸雨pH值下，镧处理能够提高黑麦草的叶绿素含量，促进其进行光合作用，积累光合产物从而提高抗逆性。在酸雨pH为5.0和4.0时，镧用量在0.4g·kg^-1时，黑麦草叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量分别比对照高出15.5%、40%、22.2%和16.9%、13.8%、15.3%。

表4镧对酸雨胁迫下黑麦草叶绿素含量的影响(mg·g^-1 FW)

3结论

本实验结果显示，酸雨胁迫下黑麦草叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均下降，镧处理能够黑麦草的叶绿素含量，促进其进行光合作用，积累光合产物从而提高抗逆性。

综上所述，本实验结论是在酸雨胁迫下，镧通过提高黑麦草的生物量，降低丙二醛含量和相对电导率，提高脯氨酸含量和叶绿素含量，提高POD和CAT保护酶活性等一系列综合反应来缓解酸雨胁迫对黑麦草的伤害，提高其细胞内渗透调节物质，抑制细胞膜脂过氧化作用，维持细胞膜稳定性，提高叶绿素含量，增强其光合作用，积累光合产物，进而提高黑麦草的抗逆性。

具体实施方式

下面结合实施例说明本发明，这里所述实施例的方案，不限制本发明，本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化，所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内，本发明的范围和实质由权利要求来限定。硝酸镧有市售，其他所用到的试剂也有市售。

实施例1

（1）堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥；

（2）在塑料杯中加入上述堆肥60g，选择籽粒饱满的黑麦草种子，称取黑麦草种子0.4g，播于杯中，于室温下在实验室中培养；

（3）17天后施加0.2g·kg^-1浓度的稀土镧，继续培养10天，培养期间实验室温度为23℃，相对湿度为38%；

（4）然后开始喷洒酸雨一次喷洒12ml，每5天喷洒一次，共喷洒5次，然后将黑麦草齐根刈割，地上部分用蒸馏水冲洗干净，吸水纸吸干表面水分，称量鲜重，然后放入烘箱中，在105℃下杀青1 h，80℃烘干至恒重，测量各项指标；其中酸雨的配制是SO₄ ^2-、NO^3-、NH⁴⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、K⁺和Na⁺分别为14.96、6.54、3.71、0.82、1.38、1.68、0.64和0.78 mg·L^-，通过酸度计用HCl调节酸雨pH分别为pH=5.0、pH=4.0。

实施例2

（1）堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥；

（3）17天后施加0.4 g·kg^-1浓度的稀土镧，继续培养10天，培养期间实验室温度为30℃，相对湿度为60%；

（4）然后开始喷洒酸雨酸雨一次喷洒12ml，每5天喷洒一次，共喷洒5次，然后将黑麦草齐根刈割，地上部分用蒸馏水冲洗干净，吸水纸吸干表面水分，称量鲜重，然后放入烘箱中，在105℃下杀青1 h，80℃烘干至恒重，测量各项指标；其中酸雨的配制是SO₄ ^2-、NO^3-、NH⁴⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、K⁺和Na⁺分别为14.96、6.54、3.71、0.82、1.38、1.68、0.64和0.78 mg·L^-，通过酸度计用HCl调节酸雨pH分别为pH=5.0、pH=4.0。

Claims

1.一种采用镧增强垃圾堆肥基质黑麦草草皮抗酸雨的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥；

（4）然后开始喷洒酸雨一次喷洒12ml，每5天喷洒一次，共喷洒5次，然后将黑麦草齐根刈割，地上部分用蒸馏水冲洗干净，吸水纸吸干表面水分，称量鲜重，然后放入烘箱中，在105℃下杀青1 h，80℃烘干至恒重，测量各项指标。

2.如权利要求1所述的方法，其中酸雨的配制是SO₄ ^2-、NO₃ ^-、NH₄ ⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、K⁺和Na⁺分别为14.96、6.54、3.71、0.82、1.38、1.68、0.64和0.78 mg·L^-1，通过酸度计用HCl调节酸雨pH分别为pH=5.0、pH=4.0。

3.如权利要求1所述采用镧增强垃圾堆肥基质黑麦草草皮抗酸雨的方法在利用稀土镧缓解酸雨胁迫对黑麦草伤害方面的应用。

4.如权利要求3所述的应用，其中稀土镧的用量为0.2-0.4 g·kg^-1。

5.如权利要求3所述的应用，其中稀土镧的用量为0.4 g·kg^-1。