污泥無土草皮基質配方優化研究

朱淑霞，張俊衛,尹少華

(華中農業大學園藝林學學院 園藝植物生物學教育部重點試驗室，湖北 武漢 430070)

目前，國內外城市污泥土地利用生產草皮的研究較多。與傳統草皮生產相比，污泥土地利用可縮短草皮生產周期，提高草皮品質，減輕草皮質量，移植后草皮更易生根成活[1-10]；還可明顯改善土壤理化性狀，降低容重，增加保水保肥性能和陽離子交換量[10-14]；長期施用后會對土壤產生潛在污染[14-18]。而在阻隔材料上用污泥基質生產無土草皮卷的研究報道相對較少[18-23]，朱淑霞等[18]的研究表明，污泥基質比其他幾種廢棄物基質能更好地生產無土草皮，但重金屬含量超標，并且草皮質量最大。Kabbaz和Petrovic[20]的結果顯示，由于污泥基質鹽分含量高，草坪草種子發芽很慢，因此，單一污泥基質生產無土草皮存在不足，需與其他基質混配以降低風險。另外，用其他農用廢棄物基質生產無土草皮卷的研究較多[24-26],而且這些有關無土草皮基質配比的試驗主要集中在幾種無土基質簡單配比時對草皮質量影響的定性分析，對它們之間定量關系的研究較少。本試驗在塑料薄膜阻隔材料上,以污泥為主要基質，以煤渣、蘑菇渣和沙子為配材，研究配方無土基質的草皮品質模型并進行定量和優化分析，為污泥無土草皮基質的選配與合理利用提供依據。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 試驗地位于武漢市洪山區華中農業大學花卉基地試驗地。113°41′～115°05′ E，29°58′～31°22′ N，屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，日照充足，四季分明。氣候環境總體良好，年均降水量1 269 mm，且多集中在6-8月。年均氣溫15.8～17.5 ℃，年無霜期一般為211～272 d，年日照總時數1 810～2 100 h。

1.2試驗材料 供試草種為狗牙根(Cynodondactylon),品種為天堂草328，由武漢九峰山草坪生產基地提供。

供試基質有污泥(南湖龍王嘴污水處理廠提供，動態發酵30 d后粉碎、風干)、煤渣(武昌南湖火車站提供，經過沙篩網篩選出較小且較均勻的顆粒)、蘑菇渣(蘑菇生產大棚廢棄的蘑菇渣，太陽暴曬30 d)和沙子(市售中沙)。

1.3試驗設計和方法 混料設計[27]又稱配方設計，是研究配方配比問題的一種重要試驗方法。各因子的取值按其所占總量的百分比計，其變化范圍受到約束條件，即配料比例的總和相同的限制。根據單形格子理論分析不同的基質配比與狗牙根無土草皮品質性狀之間的關系，建立相應的 Scheffe 數學模型；對 Scheffe 數學模型進行回歸式的顯著性測定及控制點檢驗；利用計算機對 Scheffe 數學模型進行模擬優化；對不同基質配比組合及無土草皮品質性狀理論值進行分組，并進行頻數分析，尋找最優解。本試驗采用{4，2}單形格子設計，11個處理，3次重復。每個小區面積2.4 m2，用塑料薄膜作阻隔材料，基質鋪設厚度1.2 cm，狗牙根草莖播量為150 g·m-2。試驗于2008年8月19日在華中農業大學花卉基地試驗田中進行，10月8日取樣。

{4，2}單形格子設計步驟：

Z1、Z2、Z3、Z4分別表示污泥、煤渣、蘑菇土、沙子在混合基質中所占的體積分數。x表示各個基質在單形格子設計中的碼值。根據試驗目的，x1、x2、x3和x4的最小值分別為0.50、0.15、0.15和0.10。根據轉換公式，得到結果如表1所示。

表1 {4，2}單形格子設計

1.4觀測項目與方法

1.4.1基質的性質以及成分 堿解氮采用NaOH-擴散法測定；有效磷采用Olsen法測定；速效鉀采用NH4Ac-提取法測定；重金屬采用HNO3-HF-HClO4聯合消煮法測定[28]。

1.4.2草皮坪用性狀指標 蓋度采用電子影像Photoshop直線交叉法[29-30]；草皮質量和生物量采用直接稱量法[31]；顏色采用丙酮∶乙醇=1∶1混合液浸提葉綠素法[32]；根系活力采用改良的TTC測定法[33]；成坪時間采用蓋度觀測法；成卷時間采用逐日觀測法，即蓋度超過95%、同時可以卷起并不斷裂時，即為成卷時間；綜合評分采用灰色關聯度法[34]。

1.5數據處理與分析 用Excel 2003和SPSS 13.0統計軟件進行數據分析與處理。

2 結果與分析

2.1基質的性質以及成分分析

2.1.1營養成分分析 處理H的營養成分最高，堿解氮和有效磷的含量分別是664.77和851.22 mg·kg-1；處理C的堿解氮含量最低，為326.34 mg·kg-1，處理G的有效磷含量最低，為339.16 mg·kg-1(表2)。可能是不同比例基質的混合使得基質中某些物質相互產生了不同程度的反應，或者是促進了基質中不同微生物的活性，導致不同處理的營養成分有差異。另外，基質混合后，各處理的堿解氮和有效磷比單一的污泥基質中的含量明顯降低，可能是元素之間的鈍化作用導致[18]。

2.1.2重金屬元素含量分析 各基質Cd的含量范圍是0.24～0.54 mg·kg-1，處理H中Cd的含量最高，處理C最低；Pb的含量范圍是14.86～20.96 mg·kg-1，處理B中含量最高，處理J最低；Ni的含量范圍是15.66～43.01 mg·kg-1，處理C的含量最高，處理H的最低；Cu的含量范圍是50.99～229.43 mg·kg-1，處理C的含量最高，處理G的含量最低；Zn的含量范圍是82.03～190.57 mg·kg-1，處理H的含量最高，處理C的含量最低。參照2006年國家食用農產品產地環境質量評價標準[35]，部分處理的Cd和Cu含量超標，其他重金屬元素的含量均在標準范圍之內。但是參照2009年園林綠化用泥質的環境評價標準[36]，各配方處理的重金屬元素均在標準范圍之內，可以用于園林綠化。從測定結果還可以發現，Cd、Pb、Ni、Cu、Zn含量最多的分別是處理H、B、C、C、H(表2)。因此,H和C處理的重金屬含量比較高。另外，基質混合后，各處理的重金屬含量比單一的污泥基質中的含量(Cd、Pb、Ni、Cu和Zn的含量分別為0.90、34.47、63.16、278.24和227.82 mg·kg-1)明顯降低，緩解了污泥重金屬含量較高的難題[18]。

表2 各處理基質的成分分析結果

2.2不同基質處理對草皮坪用性狀的影響

2.2.1草皮顏色 各處理的葉綠素含量沒有顯著差異(P>0.05)。但從平均值來看，H處理的葉綠素含量最大(表3)，為11.89 mg·g-1干質量，E處理最差，為5.33 mg·g-1干質量。H處理的堿解氮的含量較高，因此草皮的顏色較好。氮以銨態氮和硝態氮的形式被狗牙根吸收，起到增加草坪綠度的作用[31]。

2.2.2草皮質量 處理J的草皮質量最大，約124.86 g·dm-2，最輕的是A處理，約102.73 g·dm-2。并且J與A、B、F、G處理間差異顯著(P<0.05)，其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。草皮質量的差異來自2個方面：一是草皮生物量的差異，二是不同配比基質材料的密度與保水性的差異。前期的研究表明[18]，污泥處理草皮質量的平均值為123 g·dm-2，可見基質混合后，除J處理外，其他處理的草皮質量均變小。

2.2.3生物量 地上生物量最大的是D處理，即3.37 g·dm-2，最小的是I處理，即2.23 g·dm-2。D和其他所有處理差異顯著(P<0.05)，而其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。 地下生物量最大的是D處理，即2.00 g·dm-2，最小的是G處理，即0.94 g·dm-2。D和A、B、G、H、J處理差異顯著(P<0.05)，其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。

2.2.4草皮密度 A處理的密度最大，為2.45枝·cm-2，I處理的密度最小，為1.73枝·cm-2。A與F、H、I、J處理差異顯著(P<0.05)。草坪草的密度主要由基因型決定，同時還受自然環境和管理因素的影響[31]。試驗中的材料都是狗牙根，并且自然環境和管理因素相同，所以產生草皮密度的主要原因就是基質配比不同。

2.2.5根系活力 D處理的根系活力最大，為44.82 mg TTF·g-1·h-1，A處理的根系活力最小，為33.83 mg TTF·g-1·h-1。根系的生長和地上部的生長是密切相關的，根系生長好才能保證地上部各器官也相應地繁茂茁壯。

2.2.6成坪時間 不同處理基質成坪時間差異顯著，H處理的成坪時間最短，約為28 d，D處理次之，為29 d，B處理的成坪時間最長，約為40 d。H與B差異顯著(P< 0.05)，與其他處理之間差異均不顯著(P>0.05)。成坪時間越短，越早收到較好的觀賞效果。

表3 不同處理的草皮坪用指標比較

2.2.7成卷時間 各處理之間的成卷時間差異顯著(P<0.05)。D處理的成卷時間最短，約為48 d，A處理的成坪時間最長，約為64 d。由此可見，成卷時間和根系的變化趨勢相似，根系活力越大，根系生物量越大，草皮成卷時間越短，則效益越高。

2.2.8綜合品質評價

2.2.8.1關聯度-綜合品質 用關聯度表示草皮的綜合品質，各處理關聯度最大的是D處理，即0.837 8，其次是H處理，即0.779 1，最小的是I處理，即0.484 2。關聯度排序為：D>H>E>C>G>F>A>CK>J>B>I(表4)。因此，D處理的綜合性狀最優，I處理的綜合性狀最差。

當土壤受到重金屬污染時，草坪的色澤、成坪性能、使用情況等受到嚴重影響[37]。H處理的重金屬含量比較多，同時堿解氮和有效磷含量也比較高，綜合性狀反而較好，僅次于D處理。

2.2.8.2關聯度單形格子scheffe模型的建立 按照單形格子設計建模的方法，得到各變量單形格子的{4，2}碼值方程模型：

y= 0.59x1+0.58x2+0.65x3+0.84x4+0.44x1x2-0.02x1x3-0.38x1x4+0.67x2x3-0.90x2x4-0.64x3x4。

該回歸方程的F=186.43**>F0.01(4,6)=9.15，達到0.01極顯著水平，表明差異來自配方組合，而不是試驗誤差所致，處理效應明顯。

表4 各指標的灰色關聯系數和關聯度

控制點檢驗：計算對照的估計值，得：

yCK=0.618 1。

估計精度=94.36%。

因此從整體上來說，所建立的Scheffe模型的使用程度較高，可以在實踐中應用。

2.2.8.3模型優化分析 模型的最優解：在Z步長為0.005的0.50≤Z1≤0.60,0.15≤Z2≤0.25,0.15≤Z3≤0.25,0.10≤Z4≤0.20區間內進行優化模型式微機處理，得到本試驗條件關聯度的最大值為0.837 9，最小值為0.466 0，最大值時對應的配方是(0.50、0.15、0.15和0.20)，即污泥50%、煤渣15%、蘑菇渣15%、沙子20%。最小值時對應的配方是(0.50、0.215、0.15和0.135)，即污泥50%、煤渣21.5%、蘑菇渣15%、沙子13.5%。

配方的模擬優化，根據所建立的以0.005為步長的數學模型進行優化模型式微機處理，共可以得到1 771個配套組合配方關聯度的理論值(表5)。可見，0.6～0.7頻率分布最大，關聯度中等，較為穩定。另外關聯度0.8～0.9的方案數為2，雖然關聯度比較大，但是頻率太小，不穩定，不適合用于實際的生產。0.7～0.8的方案數為178，頻率比0.6～0.7的小，但遠大于0.8～0.9，關聯度較大，比較適合無土草皮的生產實際。因此，優化配方方案為：污泥的含量51.41%～51.83%，煤渣的含量18.32%～18.86%，蘑菇渣的含量18.19%～18.81%，沙子的含量10.87%～11.72%，其可信程度達95%。

表5 關聯度優化區段

表6 收獲草皮后的基質和草樣成分分析結果

2.3環境效應分析 收獲草皮后的基質重金屬含量均達到了國家規定的食用農產品要求土壤的含量標準[35]。處理A、B、C、E、F、I、J和CK中Ni的含量降低的最多，即分別降低了54%、55%、67%、65%、56%、59%、60%和35%；D、G處理中Zn含量降低的最多，分別為60%和80%；H處理中Pb降低的最多，約為45%(表6)。各處理草樣中重金屬含量從高到低的順序為Zn>Ni>Cu>Cd>Pb，各重金屬的含量范圍分別在38.85～60.22、26.32～35.11、7.34 ～12.91、3.60 ～6.41、0.20～0.26 mg·kg-1。因此，本試驗中狗牙根對Zn、Ni的富集作用較強，對其他重金屬也有一定的富集作用。另外，D處理的狗牙根草樣中氮、磷的含量最高，能夠解釋色澤較好、根系活力較強的原因。

3 討論與結論

無土草皮卷生產的關鍵為基質的篩選問題。是否適宜草生長是由栽培基質本身的物理、化學及生物學特性所決定的[39-40]。某一種基質雖然在性能上非常適合某一種草坪草生長的需要，但若其成本過高，對基質用戶來說也不是最優選擇[37]。基質混合后，同單一的污泥基質生產狗牙根無土草皮相比而言，解決了草皮質量較大以及重金屬含量超標的問題。草皮收獲前后土樣以及草樣中重金屬的含量發生了變化，即土樣中Ni含量降低的最多，狗牙根中Zn、Ni的富集量最大，原因有可能是基質混合后不同種類或者不同形態的元素之間發生了某些理化反應[37]。元素含量與基質配比之間的定量關系不明確問題有待于探索，并最終為徹底解決污泥農用的重金屬超標問題提供科學依據。通過對各指標進行方差分析，結果表明，除葉綠素外，其他指標間的差異均顯著，這說明基質的不同配比確實對無土草皮的生產產生了顯著的影響。草皮的色澤與氮元素的含量有關，草皮質量與混合基質的容重和保水性能等有關，生物量、草皮密度、根系活力等因素與基質中的營養元素以及保水保肥性能有關[31]。成坪時間和密度是2個緊密聯系的指標，因此限制密度的因素也決定著草皮成坪的快慢[41]。成卷時間的長短直接影響草皮卷上市的時間，因此探索決定草皮成卷時間快慢的因素至關重要。D處理成坪和成卷的時間均較短，這可能是由于其成坪較早，生長期長勢較旺，達到了快速成卷的目的[42]。單一基質關聯度的大小代表了相應的基質配比生產狗牙根無土草皮的優劣程度。用頻數分析法把關聯度分組，然后通過計算機模擬尋優，得到最佳的基質配方區間為：污泥的含量51.41%～51.83%，煤渣的含量18.32%～18.86%，蘑菇渣的含量18.19%～18.81%，沙子的含量10.87%～11.72%。在此配比區間內，混合基質的孔隙度、容重、有機基質含量和保水保肥性等物理性能較好，能為狗牙根生長提供協調的水、肥、氣、熱根際環境，使其生長環境保持相對穩定，狗牙根的密度、生物量、草皮質量、根系活力、色澤等坪用性狀表現最佳，成坪時間和成卷時間均較短，即無土草皮的綜合品質最好。由于時間緊迫以及關聯度分組的精確程度問題，目前只得到了最佳的配方區間，未明確具體的基質配方值，但是這已為今后狗牙根無土草皮卷的生產提供了有力的參考價值。

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