植物纖維在運動場草坪坪床中的應用

汪 呈，劉志超，徐 偉，常智慧

（1. 北京林業大學草業與草原學院，北京 100083；2. 北京百花山國家級自然保護區管理處，北京 102311）

體育場地設施是體育發展的物質基礎，其質量高低將會直接影響競技體育的發展水平。運動場草坪作為足球、橄欖球等草上運動項目的競技舞臺，既要能耐受高頻率、高強度地運動踐踏，同時又要具備良好的排水性能以保證比賽在各種強降雨天氣下如期舉行[1]。為滿足需要，運動場草坪多采用抗板結能力強、排水性能好的全人工型沙基坪床結構進行建造[2]。但沙粒之間缺乏粘聚力，使得沙基坪床表面穩定性較差[3-4]，特別是在新建運動場草坪投入使用初期，其根系尚未良好發育以固結坪床表層土壤時更為常見[5-6]。坪床表面穩定性差，不僅會影響運動員的水平發揮，還會對其安全構成極大威脅[7-8]。為此，坪床中常添加一定比例的加固材料以提高其表面穩定性，如聚丙烯纖維、三維網、小網片以及土工織物等[9]。但材料幾乎都是一些合成高分子材料，生產成本相對較高[9-10]，且廢棄后難以自然降解，會給生態環境帶來一定負面效應。因此，尋求更加經濟、環保的坪床加固材料已成為運動場草坪研究領域的一個重點。

目前已有工程研究發現，土壤中加入麥稈、棕櫚纖維、椰殼纖維等植物纖維均能起到良好的加固效果[11]，但相關研究在運動場草坪坪床加固上卻鮮有報道。我國每年都有大量的各類農林有機廢棄物產生，其中廢舊棉花、禾谷類作物秸稈、椰糠等均是可再生性的植物纖維資源，但多數并未得到合理利用而被焚燒或堆積遺棄，不僅造成了資源浪費，還污染了環境[12-14]。因此，對這些農林廢棄物進行資源化利用具有十分重要的經濟、生態和社會效益。為此，本研究選用廢舊棉花、麥稈以及椰糠這3種價格低廉、生態環保、且來源豐富的植物纖維廢棄物作為坪床混入材料，研究它們對草地早熟禾草坪外觀質量、土壤條件以及運動質量的影響，以確定它們作為坪床加固材料的可行性，并為農林有機廢棄物的進一步資源化利用和推廣提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年5月至10月在北京市昌平區北京林業大學草坪試驗基地 (116°14′ E，40°10′ N)大田中進行。該地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，平原地貌，平均海拔52 m，年均日照時數2 684 h，年均氣溫11.8 ℃，年均降水量550.3 mm。

1.2 試驗材料

1.2.1 草皮

供試草地早熟禾草皮借助專業的起草皮機械取自于北京林業大學草坪試驗基地，寬300 mm，厚約15 mm，品種為‘Midnight’。試驗所取草地早熟禾草皮播種于2015年9月中旬，播種量為10 g·m-2。草皮鋪植前，需用水將附著在根系表面的土壤沖洗干凈，以盡量避免原有土壤對試驗結果造成影響。

1.2.2 坪床材料

試驗用沙為昌平本地中粗沙，均過2 mm篩，其粒徑組成為：特粗沙(1～2 mm)占1.55%，中粗沙(0.25～1.0 mm)占71.87%，細沙(0.15～0.25 mm)占15.88%，特細沙(0.05～0.15 mm)占8.92%，粉粒和粘粒(＜ 0.05 mm)占1.78%；廢舊棉花從廢品收購站進行購買，平均長25.13 mm，直徑0.03 mm；麥稈由中國農科院作科所昌平試驗基地提供，經人工鍘短，平均長25.74 mm，直徑2.51 mm；椰糠自網上購買，產地為海南，其中椰殼纖維占總重的19.89%，平均長22.52 mm，直徑0.11 mm。各坪床材料其他基本理化性質見表1。

1.3 試驗設計

試驗區草坪的坪床采用全人工型沙基坪床結構進行設計和建造。根際層深度為300 mm，其中底層200 mm為純沙，而表層100 mm則由沙子與各植物纖維廢棄物按照一定質量比混配而成，設4個處理：100%沙(CK)、99%沙 + 1%廢舊棉花(T1)、99%沙 + 1%麥稈(T2)、99%沙 + 1%椰糠(T3)，3次重復，隨機區組排列，共計12個小區。每個小區大小為1.5 m × 1.5 m，小區間設保護行，寬400 mm。草皮鋪植前，先按N素施用量5 g·m-2在坪床基質中施入草坪專用復合肥(N∶P2O5∶K2O = 19∶6∶12)作底肥，并于2017年5月27日完成草皮密鋪工作。草皮鋪植后兩周內，每天保證坪床土壤濕潤以促進草皮生根。隨后草坪采用常規方法進行養護管理，包括：適時澆水；根據草坪生長情況進行修剪，修剪高度28 mm；分別于9月和10月上旬按N素施用量2.5 g·m-2追施草坪專用復合肥；手工拔除雜草以及交替使用繪綠和扮綠這兩種廣譜性殺菌劑防治草坪病害等。草坪各指標自7月27日開始測定，每月測定1次，共測4次。

表1 坪床材料基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the rootzone mixes

1.4 測定指標及方法

1.4.1 色澤

采用目測法，評分采用9分制，1分代表枯黃，9分代表墨綠。

1.4.2 密度

采用實測法，利用環刀托將一橫截面積為20 cm2的環刀垂直壓入草坪，取出后細數環刀內的草坪草枝條數，以單位面積內草坪草枝條數來表示草坪密度 (枝·cm-2)。

1.4.3 外觀質量

采用美國國家草坪評比項目(NTEP)9分制法進行目測打分，基于色澤、密度、質地和均一性這4個項目對草坪外觀質量進行綜合評判。1分代表最差，9分代表最佳，6分及以上代表草坪外觀質量可以接受。

1.4.4 土壤含水率

利用TZS-Ⅰ型土壤水分速測儀進行田間測定，測定時將金屬探針插入草坪表面以下50 mm深，結果以體積含水率(v/v)表示。

1.4.5 土壤緊實度

利用TJSD-750Ⅱ型土壤緊實度儀測定，測定時將金屬錐體探針勻速壓入土壤100 mm深，記錄土壤最大緊實度值(kPa)。

1.4.6 土壤抗剪強度

采用十字板剪切試驗，通過剪切力矩大小來表示土壤抗剪強度。十字板頭高40 mm，寬20 mm，厚1.33 mm，通過直徑6.44 mm軸桿與扭力計連接。測定時將十字板頭垂直插入草坪表面，使其上沿恰好與草坪地表齊平，然后通過扭力計對板頭施加一個逐漸增大的扭力，直至土體破壞，讀取扭力計所指示的最大剪切力矩(N·m)。

1.4.7 扭動摩擦性能

測定裝置下端是一個直徑150 mm的圓盤，其底部以中心點為圓心，以46 mm為半徑等距離排列著6顆13 mm長的運動鞋鞋釘。圓盤通過一個轉動桿經固定襯套與扭力計連接，整個裝置重46 kg。測定時需將裝置抬高至離草坪表面60 mm后釋放，以保證鞋釘貫入草坪，然后通過扭力計將整個裝置勻速轉動360°，記錄下最大扭動摩擦力矩 (N·m)。

1.4.8 表面硬度

利用SD儀器有限公司生產的CIST/883-2.25 kg型號Clegg土壤沖擊測定儀進行測定，測定時將2.25 kg重沖擊錘沿垂直導管升至離草坪表面450 mm高處自由釋放，通過數字顯示屏讀取沖擊錘第1次下落時的數值作為該測定點草坪的表面硬度值(Gm)。

1.4.9 回彈性

將一充氣內壓為0.7 bar的符合國際足聯(FIFA)標準比賽用球放置離草坪表面3 m高，使其自由下落，通過相機觀測其反彈高度，以反彈高度占下落高度的百分比進行表示。

1.5 數據分析

采用Excel 2010進行數據整理與圖表繪制，利用SPSS 25.0進行單因素方差分析，并運用LSD最小顯著差異法進行多重比較，P ＜ 0.05表示差異性顯著，結果以平均值 ± 標準誤 (mean ± SE)表示。

2 結果與分析

2.1 不同處理對草坪外觀質量的影響

2.1.1 色澤

草坪色澤能夠反映草坪植物的生長情況，是衡量草坪坪用價值的一個重要指標。如圖1所示，各處理草坪色澤評分隨時間推移均呈增大趨勢，其中以T3處理草坪色澤表現最佳，評分在7.5～8.3，并且在前3次評定時均顯著高于T1及CK處理(P ＜0.05)，但同T2處理間始終無顯著差異(P ＞ 0.05)；其次為T2處理，草坪色澤由7.2分增大至8.2分，在前3次評定時均顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，并且在前2次評定時顯著高于T1處理(P ＜ 0.05)；T1處理草坪色澤評分較CK處理雖均有所提高，但差異并不顯著(P ＞ 0.05)，不過均在6分以上。

圖1 不同處理草坪色澤動態變化Figure 1 Dynamic changes of turf color under different treatments

2.1.2 密度

草坪分蘗密度大小不僅會直接影響草坪的坪用價值，同時還與草坪草耐踐踏性密切相關[15]。如圖2所示，除T3處理草坪密度隨時間推移而逐步增大外，其余各處理草坪密度自7月27日至8月29日都略有降低，隨后開始不斷增大。在4次測定中，T3處理草坪密度始終表現最佳，其密度值介于2.08～2.38枝·cm-2，均顯著高于T1和CK處理，但同T2處理間始終無顯著差異(P ＞ 0.05)；T2處理次之，其草坪密度為2.00～2.27枝·cm-2，但僅在8月29日測定時顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)；T1處理草坪密度較CK處理雖有所提高，但差異始終未達顯著水平 (P ＞ 0.05)。

圖2 不同處理草坪密度動態變化Figure 2 Dynamic changes of turf density under different treatments

2.1.3 外觀質量

各處理草坪外觀質量動態變化情況如圖3所示，隨時間推移均呈上升趨勢，且增長幅度較為一致，即從7月27日至8月29日草坪坪觀質量增幅較小，而后增長加快。在整個評定周期內，各處理草坪坪觀質量總體表現為 T3＞ T2＞ T1＞ CK，其中T3處理草坪坪觀質量始終表現最好，評分在7.4～8.2，顯著高于T1和CK處理(P ＜ 0.05)；其次為T2處理，草坪坪觀質量評分從7.2增大至7.9，均顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，并且在7月27日和8月26日評定時顯著高于T1處理(P ＜ 0.05)；T1和CK處理草坪坪觀質量始處于較低水平，且兩者間始終無顯著差異(P ＞ 0.05)，但評分均高于6分，都在可接受范圍內。

2.2 不同處理對草坪土壤條件的影響

2.2.1 含水率

圖3 不同處理草坪外觀質量動態變化Figure 3 Dynamic changes of turf appearance quality under different treatments

土壤水分是限制草坪草生長的一個重要土壤物理因素，會直接影響草坪的坪用價值[16]。如圖4所示，在整個測定周期內，T3處理土壤持水性能均表現最佳，其土壤含水率穩定在14.48%～15.62%之間，均顯著高于T1和CK處理(P ＜ 0.05)，并于8月29日測定時顯著高于T2處理(P ＜ 0.05)；其次為T2處理，土壤含水率在13.41%～15.16%，并且在前3次測定時顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，但僅在8月29日測定時顯著高于T1處理(P ＜ 0.05)；T1處理土壤含水率在4次測定中均高于CK處理，但兩者間始終無顯著差異(P ＞ 0.05)。

圖4 不同處理土壤含水率動態變化Figure 4 Dynamic changes of soil moisture content under different treatments

2.2.2 緊實度

土壤緊實度大小與草坪草根系生長以及坪床表面穩定性都密切相關，是一個重要的土壤物理指標。如圖5所示，各處理土壤緊實度自7月27日至8月29日都有所降低，隨后均開始不斷增大。在4次測定中，T1處理土壤緊實度始終表現最高，并于前3次測定時顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，而且在8月29日測定時同T3處理間差異達顯著水平(P ＜0.05)，但與T2處理間始終無顯著差異(P ＞ 0.05)；T2和T3處理土壤緊實度在整個測定周期內雖均高于CK處理，但差異不顯著(P ＞ 0.05)。

圖5 不同處理土壤緊實度動態變化Figure 5 Dynamic changes of soil compaction under different treatments

2.2.3 抗剪強度

土壤抗剪強度是衡量坪床表面穩定性的一個重要指標[17]。如圖6所示，不同處理草坪土壤抗剪強度均隨時間推移而不斷增大，其中T1處理表現最好，剪切力矩在1.11～1.52 N·m，始終顯著高于T2及CK處理(P ＜ 0.05)，并且在前3次測定時均顯著高于T3處理(P ＜ 0.05)；其次是T3處理，剪切力矩介于0.88～1.46 N·m，在4次測定中均顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，并于8月29日測定時顯著高于T2處理(P ＜ 0.05)；T2處理草坪剪切力矩雖然始終高于CK處理，但僅在8月29日測定時差異達顯著水平 (P ＜ 0.05)。

圖6 不同處理草坪剪切力矩動態變化Figure 6 Dynamic changes of turf shearing moment under different treatments

2.3 不同處理對草坪運動質量的影響

2.3.1 扭動摩擦性能

草坪扭動摩擦性能主要反映運動員腳底與草坪表面之間的摩擦狀況，是影響運動員安全的一個重要指標。如表2所列，各處理草坪扭動摩擦力矩隨時間推移均逐漸增大。T3處理草坪扭動摩擦力矩僅在8月29日測定時略低于T2處理，其余測定時均表現最好，始終顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，并且除了8月29日測定外，均顯著高于T1處理(P ＜0.05)，但同T2處理間始終無顯著差異(P ＞ 0.05)；其次為T2處理，草坪扭動摩擦力矩除10月27日測定外，均顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，但僅在7月27日測定時顯著高于T1處理(P ＜ 0.05)；T1處理草坪扭動摩擦力矩在4次測定中均高于CK處理，但兩者間差異并不顯著(P ＞ 0.05)。

表2 不同處理扭動摩擦性能動態變化Table 2 Dynamic change of rotational traction performance under different treatments N·m

2.3.2 表面硬度

草坪表面硬度是指草坪抵抗其他物體刻畫或壓入其表面的能力，與草坪的緩沖性能密切相關[18]。由表3可知，各處理草坪表面硬度隨時間推移總體上呈現增大趨勢，其中CK處理表面硬度在4次測定中均為最大，并自9月26日開始顯著高于T2處理(P ＜ 0.05)，同T3處理之間也分別于8月29日和10月27日測定時差異達顯著水平(P ＜ 0.05)，但與T1處理間始終無顯著差異(P ＞ 0.05)；T1處理表面硬度在整個評定周期內均高于T2及T3處理，但處理間差異并不顯著(P ＞ 0.05)。

表3 不同處理表面硬度動態變化Table 3 Dynamic changes of surface hardness under different treatments Gm

2.3.3 回彈性

草坪回彈性是指草坪在外力作用下保持其表面特征的能力。由圖7可知，CK處理草坪回彈性在整個測定周期內均表現最高，并且在前3次測定時均顯著高于T3處理(P ＜ 0.05)，同T2處理間也僅在10月27日測定時差異未達顯著水平(P ＞ 0.05)，但與T1處理間始終無顯著差異(P ＞ 0.05)；T1處理草坪回彈性僅次于CK處理，并于8月29日測定時顯著高于T3處理(P ＜ 0.05)，但與T2處理間始終差異不顯著(P ＞ 0.05)；T2和T3處理草坪回彈性始終處于較低水平，其中T2處理草坪回彈性僅在9月26日測定時低于T3處理，但兩者間差異均不顯著(P ＞ 0.05)。

圖7 不同處理足球反彈率動態變化Figure 7 Dynamic changes of ball rebound resilience under different treatments

3 討論與結論

3.1 草坪外觀質量

草坪外觀質量是草坪草生長狀況的一個綜合體現，能夠直觀地反映各坪床基質對草坪草生長的適宜性。在本研究條件下，同純沙坪床基質(CK)相比，混入1%廢舊棉花(T1)、1%麥稈(T2)以及1%椰糠(T3)均能提升草坪色澤、促進草坪分蘗、提高草坪外觀質量，其中以T3處理表現最好，T2處理次之，而T1處理則改善效果不明顯。由此表明，這3種植物纖維廢棄物均適宜作為草地早熟禾草坪的生長基質，分析其原因，可能與這3種坪床基質具有較強的持水性能(圖4)以及pH(表1)更趨于適宜草地早熟禾草坪生長的弱酸性有關[1,16]。坪床基質持水性好，可以減少因土壤水分流失而導致的養分淋失[19]，從而更利于草坪草根系對土壤水分及養分的吸收。此外，麥稈和椰糠中還含有氮、磷、鉀以及各種微量元素，隨時間推移，可以通過自身降解來提高土壤肥力[20-21]，因此也可能會促進草坪草的生長。

3.2 草坪土壤條件

土壤水分是草坪草吸收水分的主要來源，其含量高低與草坪草生長密切相關。在本研究中，各處理均能增強草坪土壤的持水性能。其中T3處理表現最好，這可能與椰糠自身具有良好的持水性能密切相關[22]。并且已有研究表明，土壤中加入椰糠能夠顯著增強其持水能力[23]，這與本研究結果相一致。另有研究報道，秸稈還田后能夠改善土壤結構，提高土壤持水性[24]，這或許能夠解釋T2處理同樣具有較強的持水性能。

對于沙基運動場草坪而言，土壤適度緊實不僅有利于草坪草根系與土壤間緊密接觸，同時還能為其提供一個穩定的運動表面，但土壤過度緊實則會增大草坪草根系生長的機械阻力，導致草坪退化。已有研究報道，植物根系穿透土壤所能承受的最大緊實度為2 060 kPa[25]。在本研究中，各處理草坪土壤緊實度介于851～1 079 kPa，都在可接受范圍內。其中T1處理土壤緊實度表現最高，并在前3次測定時顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，而T2和T3處理土壤緊實度較CK處理雖有所提高，但始終無顯著差異 (P ＞ 0.05)。

土壤抗剪強度是衡量坪床表面穩定性的一個重要指標，與草坪草根系含量呈正相關關系[26]。在本研究中，T1和T3處理土壤抗剪強度始終顯著高于CK處理(P ＜ 0.05)，并且T1處理在前3次測定時均顯著高于T2及T3處理(P ＜ 0.05)，而T2處理土壤抗剪強度雖高于CK處理，但僅在8月29日測定時差異達顯著水平(P ＜ 0.05)。由此表明，坪床中添加1%廢舊棉花以及1%椰糠均能夠在草坪草根系尚未良好發育的情況下對其表面起到有效加固作用，其中添加1%廢舊棉花加固效果更佳。

3.3 草坪運動質量

為保障運動員進行必要的移動、加速、拼搶等動作而不至于滑倒，運動場草坪表面應提供一定大小的扭動摩擦性能。Canaway等[27]認為，運動場草坪表面的最佳扭動摩擦力矩大小應不低于25 N·m，其中可接受的扭動摩擦力矩大小應不低于20 N·m。雖然沒有給出扭動摩擦力矩大小的上限，但Baker等[28]建議草坪表面扭動摩擦力矩大小應不超過80 N·m，否則就可能導致運動員腳裸或膝蓋扭傷。本研究中，各處理草坪扭動摩擦力矩大小介于39.1～48.6 N·m，都在合理范圍內。其中CK處理草坪扭動摩擦力矩始終低于其他3個處理，這可能與其草坪密度較低有關[3]。

草坪表面硬度過大，容易導致運動員受傷，過小則容易消耗體能。Canaway等[27]認為，運動場草坪表面硬度最佳范圍應在20～80 Gm，其中可接受范圍應在10～100 Gm。本研究中，各處理草坪表面硬度大小介于54.0～63.7 Gm，都在最佳推薦標準范圍內。其中CK處理草坪表面硬度始終表現最高，這可能與CK處理較低的土壤含水率有關[29]。

根據Canaway等[27]推薦的運動場草坪回彈性標準，最佳范圍應在20%～50%，其中可接受范圍應在15%～55%。本研究中，各處理草坪回彈性大小介于20.11%～23.22%，均符合草坪回彈性的最佳標準。其中CK處理草坪回彈性始終高于其他處理，這可能與其草坪密度較低或表面硬度較大有關[30]。

綜上所述，沙基坪床中添加1%廢舊棉花、1%麥稈以及1%椰糠均可提高草坪外觀質量，增強土壤持水性，增大土壤緊實度和抗剪強度，同時草坪運動質量(扭動摩擦性能、表面硬度以及回彈性)均符合運動場草坪質量相關評價標準。由此表明，這3種植物纖維廢棄物均可作為沙基運動場草坪坪床加固材料，其中添加1%廢舊棉花(T1)處理坪床加固效果最佳，值得在運動場草坪建植中推廣應用。