CN102612943A

CN102612943A - 一种提高垃圾堆肥基质草皮抗旱性的方法

Info

Publication number: CN102612943A
Application number: CN2012100811411A
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: 2012-08-01

Abstract

本发明公开了一种提高垃圾堆肥基质草皮抗旱性的方法，它是选取草坪植物高羊茅和生活垃圾堆肥，在60g堆肥中施加0.2-0.4g·kg^-1稀土硝酸镧或硝酸铈，混匀备用；然后将高羊茅种子0.5g，分别播种于各杯中；控制堆肥田间最大持水量66%，重度胁迫为35~50%，实验初期正常供水，保证种子顺利萌发和幼苗生长，2个星期后按重度胁迫程度定量给水，干旱程度的控制采用称重法；最后测量各项指标。本发明的实验结果显示，施加稀土增加了干旱胁迫下高羊茅的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量以及叶绿素a/b比值，从而增强其对光能的吸收，促进光合产物的积累，提高了草坪植物高羊茅的抗逆性。

Description

一种提高垃圾堆肥基质草皮抗旱性的方法

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草坪植物的方法。更具体的说是一种提高垃圾堆肥基质草皮抗旱性的方法。

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。

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，对草坪植物生长以及质量的提高有明显促进作用。Landschoot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。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。

目前我国草皮的生产存在着诸多问题，无法满足城市草坪建植的需要，而其中草皮基质的研制和供应不足就是一个重要的限制因素。在草皮生产中，每完成一次草皮生产过程，至少要铲去2 cm以上的熟土，连续的3～4次操作，肥沃的农田即遭到破坏。要恢复表土肥力，短则需几年，多则几十年、上百年。为此，研制新的人工草坪基质以代替肥沃的表土具有较强的实际意义。

在城市草坪建植中，各种逆境条件的胁迫(干旱胁迫、盐胁迫、酸雨胁迫和低温胁迫等)不利于草皮的培植及草坪建植。草坪缺水问题一直存在，因为人工草坪根系较浅，不足以在土壤中吸收足够的水分，只能靠人工浇灌，尤其在我国北方城市，每年要消耗大量的水养护草坪，年灌水量大约为0.6~1.0 m³/m²。土壤盐渍化是限制草坪草生长的主要因素之一，盐胁迫几乎影响植物所有的重要生命过程，盐胁迫下，植物细胞的代谢过程受阻，导致活性氧积累和离子失衡，植株生长受抑制，严重时造成细胞死亡。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，影响草坪草的生长。此外，我国北方地区冬季寒冷，草坪草越冬困难，在春秋两季又常受寒流侵袭而造成泛斑、生长不良等现象，影响草坪的美观，降低草坪的利用价值。

在土壤基质的应用中，适量稀土元素可以促进植物生长，提高种子活力，促进种子萌发。有研究表明适量镧处理可促进草坪草的生长，适宜浓度的硝酸镧可通过提高盐胁迫下根系清除活性氧和渗透调节的能力，降低植株的膜脂过氧化，从而增强黑麦草的耐盐性。

本研究将稀土应用到草坪植物培植中，研究干旱胁迫下，施加稀土对垃圾堆肥基质草坪植物生理生态指标的影响，探讨稀土在干旱胁迫下对草坪植物的防护效应；稀土应用于以城市生活垃圾堆肥为基质建植草坪的抗旱性方面还没有报道。

发明内容

本发明在培养基质为生活垃圾堆肥的条件下，添加稀土，通过控制加水量进行干旱胁迫以及测定抗逆指标，来探讨施加稀土对高羊茅抗旱性的影响。为进一步优化以垃圾堆肥为基质的草坪建植、提高草坪植物抗逆性提供理论依据。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种提高垃圾堆肥基质草皮抗旱性的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）选取草坪植物高羊茅(Festuca arundinacea L.)，生活垃圾堆肥选自垃圾堆肥厂发酵后的垃圾堆肥；

（2）在上述60g堆肥中施加0.2-0.4 g·kg^-1稀土硝酸镧或硝酸铈，混匀备用；

（3）选择籽粒饱满的高羊茅种子0.5g，分别播种于各杯中；控制堆肥田间最大持水量66%，重度胁迫为35~50% ，实验初期正常供水，保证种子顺利萌发和幼苗生长，2个星期后按重度胁迫程度定量给水，干旱程度的控制采用称重法；

（4）培养期间实验室温度为15~28℃，相对湿度为30%~52%，光照强度为450~700μmol·m^-2·s^-1。

（5）将草坪植物齐根刈割，地上部分用蒸馏水冲洗干净，吸水纸吸干表面水分，放入烘箱中，在105℃下杀青1 h，80℃烘干至恒重，测量各项指标。

其中选用的保水剂为丙烯酸钾（A20~40目），保水剂为丙烯酸钾（B40~120），

本发明也公开了采用上述方法在制备增加干旱胁迫下高羊茅叶绿素含量提高抗逆性方面的应用。其中的稀土为0.2 g·kg^-1硝酸镧或0.4g·kg^-1硝酸铈。

本发明更加详细的制备方法如下：

1 材料与方法

1.1 实验材料

本实验选用我国北方常见的草坪植物高羊茅(Festuca arundinacea L.)，纯净度为99%，发芽率为93%。稀土元素为硝酸镧[La(NO₃)₃·6H₂O]和硝酸铈[Ce(NO₃)₃·6H₂O]。保水剂成分为丙烯酸钾，实验选用两种粒径，分别为A(20~40目)和B(40~120目)。

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 试验方法

实验室内，用高5.7cm，直径5cm塑料容器进行盆栽试验，加入堆肥60g，在堆肥基质中施加不同水平的稀土和保水剂，混匀，使其不暴露于空气中。硝酸镧、硝酸铈各设3个水平，为0、0.2、0.4 g·kg^-1。保水剂A、B各设3个水平，为0、2、4 g·kg^-1。选择籽粒饱满的高羊茅种子0.5g，分别播种于各杯中。堆肥田间最大持水量(Max Field Capacity 简称：MFC)为66%，重度胁迫为35~50% MFC。实验初期正常供水，保证种子顺利萌发和幼苗生长，2个星期后按重度胁迫程度定量给水，干旱程度的控制采用称重法。对照为不加稀土和保水剂的堆肥基质，实验设3次重复。培养期间实验室温度为15~28℃，相对湿度为30%~52%，光照强度为450~700μmol·m^-2·s^-1。

1.3 指标测定

(1)生物量的测定

将草坪植物齐根刈割，地上部分用蒸馏水冲洗干净，吸水纸吸干表面水分，放入烘箱中，在105℃下杀青1 h，80℃烘干至恒重，测量其地上部分干重，视为生物量。

(2) 脯氨酸含量的测定

参考李合生(2000)的方法。称取0.5g草坪植物叶片并将其剪碎，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。

(3)丙二醛(MDA)含量的测定

参考张志良等(2003)的方法：取0.2g草坪植物叶片，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)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。

(5) 叶绿素含量测定

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草坪植物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。

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 稀土和保水剂对干旱胁迫下高羊茅地上生物量的影响

由图1和图2可以看出，施加稀土和保水剂增加了干旱胁迫下高羊茅的地上生物量，但与对照相比差异都不显著。稀土镧在0.2 g·kg^-1、0.4 g·kg^-1用量时，地上生物量分别比对照增加了19.4%和14.2%，稀土铈则分别比对照增加了17.1%和20.4%。保水剂A在用量为2 g·kg^-1、4 g·kg^-1时，高羊茅地上生物量分别比对照增加了10.9%和17.1%，保水剂B两种浓度下分别比对照增加了11.8%和11.4%。

附表

Figure 2012100811411100002DEST_PATH_IMAGE002

2.2 稀土和保水剂对干旱胁迫下高羊茅脯氨酸及丙二醛含量的影响

在逆境胁迫下，作为植物细胞质内渗透调节物质的脯氨酸会大量积累，以稳定生物大分子结构、降低细胞酸性、解除氨毒及作为能量库调节细胞氧化还原势。因此脯氨酸是反映植物抗逆性的生理指标之一。添加硝酸镧和硝酸铈后，高羊茅的脯氨酸含量与对照相比均有所下降(表1)。硝酸镧用量在0.2g·kg^-1、0.4g·kg^-1两种浓度下，脯氨酸含量分别比对照下降了50.96%和54.81%，硝酸铈两种浓度下分别比对照下降了40.38%和69.23%。与脯氨酸变化趋势相同，加入硝酸镧和硝酸铈后，高羊茅的丙二醛含量也呈下降趋势，硝酸镧在0.2g·kg^-1、0.4g·kg^-1浓度下，丙二醛含量分别比对照下降了28.85%和25%，硝酸铈两种浓度下，下降幅度分别为17.31%和19.23%。

添加两种不同粒径的保水剂后，高羊茅脯氨酸含量均呈下降趋势，但下降幅度不等(表1)。保水剂A在2 g·kg^-1、4 g·kg^-1两种浓度下脯氨酸含量分别比对照下降了24.04%和26.92%，保水剂B在2 g·kg^-1、4 g·kg^-1两种浓度下，下降幅度分别为67.31%和42.31%。丙二醛含量的变化趋势与脯氨酸一致，保水剂A在2 g·kg^-1、4 g·kg^-1两种浓度下，丙二醛含量与对照相比分别下降了21.15%和30.77%，保水剂B在两种浓度下则分别下降了26.92%和23.08%。

表1 稀土和保水剂对干旱胁迫下高羊茅脯氨酸及丙二醛含量的影响

Figure 2012100811411100002DEST_PATH_IMAGE004

注：同列中稀土处理或保水剂处理字母相同者差异不显著 (P>0.05)；下同。

2.3 稀土和保水剂对干旱胁迫下高羊茅保护酶活性的影响

与对照相比，添加稀土可能有助于缓解堆肥基质的干旱胁迫环境，高羊茅SOD、POD活性都低于对照(表2)，硝酸镧在0.2g·kg^-1、0.4g·kg^-1浓度下，高羊茅SOD活性分别比对照下降了47.85%和29.77%，POD分别比对照下降了7.07%和9.01%。硝酸铈在0.2g·kg^-1、0.4g·kg^-1浓度下，SOD和POD活性下降幅度略大于硝酸镧，其中SOD分别比对照下降了10.91%和73.26%，POD分别比对照下降了17.96%和16.24%。但是高羊茅的CAT活性变化则相反，加入硝酸镧和硝酸铈后，与对照相比有上升的趋势，但差异不显著(P＞0.05)。

保水剂能迅速吸水并缓慢释放水，加入两种不同粒径的保水剂后，缓解了堆肥基质的干旱胁迫程度，与对照相比，高羊茅的SOD和POD活性明显降低(表2)。保水剂A在2 g·kg^-1、4 g·kg^-1两种浓度下，SOD活性比对照分别降低了67.34%和56.75%，POD比对照分别降低了18.18%和9.57%。保水剂B在2 g·kg^-1、4 g·kg^-1两种浓度下，SOD活性比对照分别降低了29.46%和15.9%，POD比对照分别降低了7.69%和10.04%。高羊茅的CAT活性变化与SOD和POD不同，和对照相比，均呈上升趋势。

表2 添加稀土和保水剂对干旱胁迫下高羊茅保护酶活性的影响

Figure 2012100811411100002DEST_PATH_IMAGE006

2.4 稀土和保水剂对干旱胁迫下高羊茅叶绿素含量的影响

由表3可知，添加不同浓度的硝酸镧和硝酸铈后，高羊茅的叶绿素含量均高于对照。硝酸镧用量在0.2g·kg^-1浓度下效果显著，其中叶绿素a含量比对照增加38%，叶绿素b含量比对照增加17%，总叶绿素含量增加30%。硝酸铈用量在0.4g·kg^-1效果显著，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量及叶绿素a/b分别比对照高出47%、13%、33%、31%。

保水剂能迅速吸收并保持自身质量数百倍乃至上千倍的水分，并且能反复吸水、缓慢释放供植物利用。加入保水剂后，明显改善了堆肥基质干旱胁迫程度，进而缓解了高羊茅叶片光合机构遭到不可逆破坏的程度，促进叶绿素的合成(表3)。保水剂A用量在2 g·kg^-1浓度下效果优于浓度4 g·kg^-1，其叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量分别比对照高出40%、12%、29%。保水剂B用量在4 g·kg^-1浓度下效果最好，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量及叶绿素a/b分别比对照高出40%、6%、27%、33%。

表3 添加稀土和保水剂对干旱胁迫下高羊茅叶绿素含量的影响(mg·g^-1FW)

Figure 2012100811411100002DEST_PATH_IMAGE008

3结论

综上所述，施加稀土和保水剂对干旱胁迫下高羊茅的生长具有一定的促进作用，缓解了干旱胁迫对其抑制作用。在本实验中，稀土和保水剂所设浓度的效果相近，差异不显著。

附图说明

图1稀土对干旱胁迫下高羊茅地上生物量的影响；

图2保水剂对干旱胁迫下高羊茅地上生物量的影响。

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。硝酸镧和硝酸铈有市售，其他所用到的试剂也有市售。

实施例1

（2）在上述60g堆肥中施加0.2 g·kg^-1稀土硝酸镧，混匀备用；

（3）选择籽粒饱满的高羊茅种子0.5g，分别播种于各杯中；控制堆肥田间最大持水量66%，重度胁迫为35% ，实验初期正常供水，保证种子顺利萌发和幼苗生长，2个星期后按重度胁迫程度定量给水，干旱程度的控制采用称重法；

（4）培养期间实验室温度为15℃，相对湿度为30%%，光照强度450μmol·m^-2·s^-1。

实施例2

（2）在上述60g堆肥中施加0.4 g·kg^-1稀土硝酸铈，混匀备用；

（3）选择籽粒饱满的高羊茅种子0.5g，分别播种于各杯中；控制堆肥田间最大持水量66%，重度胁迫为45% ，实验初期正常供水，保证种子顺利萌发和幼苗生长，2个星期后按重度胁迫程度定量给水，干旱程度的控制采用称重法；

（4）培养期间实验室温度为28℃，相对湿度为40%，光照强度为600μmol·m^-2·s^-1。

Claims

1.一种提高垃圾堆肥基质草皮抗旱性的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（4）培养期间实验室温度为15~28℃，相对湿度为30%~52%，光照强度为450~700μmol·m^-2·s^-1;

2.权利要求1所述方法在制备增加干旱胁迫下高羊茅叶绿素含量提高抗逆性方面的应用。

3.权利要求2所述的应用，其中的稀土为0.2 g·kg^-1硝酸镧或0.4g·kg^-1硝酸铈。