李菡庭,田美榮,霍曉君,尤春赫,聶華月,,高吉喜①

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;3.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094)

湖泊底泥中沉積了水體中的各種物質(zhì),是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1-2],但過量的底泥沉積會影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康。因此,湖泊疏浚成為湖泊富營養(yǎng)化治理的重要舉措。如何合理處置疏浚產(chǎn)生的大量底泥,是長期以來亟需解決的問題之一。污染程度輕的湖泊底泥中含有可被植物吸收的堿解氮和有效磷等有機物以及豐富的礦物質(zhì)元素,對植物具有促生作用。因此,從植被修復(fù)的角度資源化利用湖泊底泥,不僅可減少湖泊底泥堆積造成的土地占用及其潛在環(huán)境影響與生態(tài)風險,而且可將底泥轉(zhuǎn)化為資源,變廢為寶[3-5]。

相關(guān)研究表明,在農(nóng)作物土壤改良方面,湖泊底泥可明顯提高植物發(fā)芽率、產(chǎn)量等,但存在施用閾值[6]。朱本岳等[7]將西湖疏浚底泥與化肥按照2∶8的體積比配成無機復(fù)合肥并用于農(nóng)田蔬菜種植,結(jié)果表明蔬菜產(chǎn)量明顯增加,成本降低。BRIGHAM等[8]按照9∶1和8∶2的體積比混合農(nóng)用土與底泥并用于大豆培育,表明底泥施用量與土壤有機質(zhì)增量、碳交換成正比。張茅等[9]選取當?shù)貜U棄生物質(zhì)材料、腐熟雞糞和復(fù)合肥作為固化底泥改良劑,表明固化底泥適宜河湖堤岸綠化草生長。楊星等[10]將底泥脫水后,混合玉米秸稈和麥麩并經(jīng)復(fù)合微生物發(fā)酵制成有機肥料,用于補充綠化植物養(yǎng)分。CANET等[11]應(yīng)用西班牙巴倫西亞地區(qū)阿爾比費拉底泥種植萵苣和番茄,在混合季節(jié)性干旱砂土后可促進污染敏感植物生長且無負面影響。目前,湖泊底泥研究與應(yīng)用主要集中在農(nóng)業(yè)種植培育方面,但在補充土壤養(yǎng)分時仍施用化肥,環(huán)保性較低[12]。由于湖泊底泥與應(yīng)用地距離遠,運輸成本高,未能大面積推廣,底泥利用量較小。

目前,湖泊底泥在農(nóng)作物土壤改良方面的應(yīng)用已有大量研究,但用于牧草的研究較少。呼倫湖位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部,是歐亞草原的重要組成部分,周邊土壤沙化和水土流失嚴重,導(dǎo)致湖泊底泥累積量逐年增加,對淺水型湖泊帶來極大威脅,加上近年來湖泊部分水質(zhì)指標超標,因此開展底泥疏浚以緩解呼倫湖污染將是今后工作的重點方向之一。前期研究表明,呼倫湖底泥沉積物中重金屬元素種類少且含量低,因此適合作為基質(zhì)材料。此外,呼倫湖流域部分區(qū)域土壤貧瘠,降水量偏低,過度放牧導(dǎo)致草地沙化嚴重[13]。將呼倫湖底泥用于呼倫湖流域沙化草地修復(fù),對呼倫湖流域生態(tài)環(huán)境改善、底泥資源化利用和湖泊質(zhì)量改善具有重要的協(xié)同意義。為此,基于呼倫湖底泥配置植物種植基開展研究,分析不同配比對草原牧草生長發(fā)育及其生理特征的影響,以期為呼倫湖疏浚底泥的可持續(xù)利用和干旱及半干旱地區(qū)草地生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗底泥取自內(nèi)蒙古呼倫湖,該湖泊位于我國中高緯度地區(qū),地理位置為48°30′40″～49°20′40″ N,117°00′10″～117°41′40″ E,地處呼倫貝爾市新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗和滿洲里之間,屬中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū),年均氣溫-1.3 ℃,年均降水量319 mm,年均日照時數(shù)2 840 h,年均蒸發(fā)量1 406 mm[14-15]。

1.2 試驗材料

底泥采集時間為2022年5月,采集坐標為48°34′ N,117°13′ E,水深9 m,底泥采集深度3.6 m。根據(jù)文獻資料和當?shù)卦牧峡色@取性,利用底泥、腐熟牛糞、干羊糞和秸稈配置成種植基。呼倫湖底泥和牛羊糞養(yǎng)分含量見表1。選取當?shù)爻Ｓ糜谕嘶莸匦迯?fù)的冰草(Agropyronmongolicum)和羊草(Leymuschinensis)作為試驗?zāi)敛荨?/p>

表1 底泥和牛羊糞養(yǎng)分含量

1.3 試驗方法

為提高底泥的孔隙度,在原料中加入秸稈。按照物理結(jié)構(gòu),將底泥與秸稈的體積比設(shè)置為1∶1(固定參數(shù))。在此基礎(chǔ)上,添加牛糞或羊糞以增加基質(zhì)養(yǎng)分。設(shè)置7組不同比例配制基質(zhì),其中一組為對照,各處理組配制比例見表2。每個處理設(shè)3個重復(fù),共21組樣本。2種草原牧草種子按照每組樣本各100粒均勻埋于種植基表層下0.5～1.0 cm深度,使用標簽標記各樣本組號。將21組樣本置于普通溫室內(nèi)部,試驗期間溫度在19～28 ℃之間,濕度在46%～96%之間,每日光照時間12 h以上,溫室定期通風。

表2 植物種植基配比

1.4 項目測定

1.4.1牧草種子發(fā)芽率和成活率

試驗期間,對所種植的冰草和羊草每隔48 h觀察1次,記錄各樣本的發(fā)芽總數(shù),標記組別和植物種類,計算發(fā)芽勢(S)與發(fā)芽率(L)[16]。發(fā)芽期結(jié)束后,計算成活率(C)。

S=N1/N×100%。

(1)

式(1)中,N1為冰草3 d內(nèi)、羊草9 d內(nèi)發(fā)芽的種子數(shù);N為種子總數(shù)。

L=N2/N×100%。

(2)

式(2)中,N2為開始發(fā)芽10 d后發(fā)芽種子數(shù)。

C=N3/N×100%。

(3)

式(3)中,N3為發(fā)芽期結(jié)束后牧草苗成活數(shù)。

1.4.2牧草物理性狀

生長期內(nèi),分別在不同階段測量各樣本植物的株高,取3組數(shù)據(jù)的平均值作為平均株高。試驗期末,將根系挖出整理,測量各樣本植物的平均根長。同時,稱取各樣本植物鮮重與干重,用于計算牧草折干比(Z)。

Z=N4/N5×100%。

(4)

式(4)中,N4為牧草總干重,kg;N5為牧草總鮮重,kg。

1.4.3種植基和草原牧草的化學(xué)性質(zhì)測定

在生長期末,分別采集各63份羊草和冰草樣本,去除雜質(zhì)后陰干。采用梅特勒pH計(SK220)測量種植基酸堿度,采用錫囊包樣元素分析儀測定有機質(zhì)含量,采用連續(xù)流動分析儀測定速效氮含量,采用碳酸氫鈉溶液振蕩提取-鉬銻抗比色法測定速效磷含量,采用醋酸銨溶液振蕩提取-火焰光度計法測定速效鉀含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

對試驗所得數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SAS 6.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植基對牧草種子發(fā)芽率和成活率的影響

2.1.1發(fā)芽率

對于沙化與退化草地,種植牧草是生態(tài)修復(fù)的重要手段。為此,研究不同底泥配比對羊草和冰草種子的發(fā)芽率影響。試驗表明,冰草種子在第3天開始發(fā)芽,在72 h內(nèi)CK發(fā)芽勢達80.00%,遠高于其他處理,各處理組發(fā)芽勢表現(xiàn)為CK>TN3>TN2>TN1>TY6>TY5>TY4,其中添加腐熟牛糞處理組(TN1、TN2和TN3)發(fā)芽勢遠高于添加干羊糞組(TY4、TY5和TY6)。試驗第13天,CK發(fā)芽率跌至57%左右,其他處理組發(fā)芽率大幅提高,TN1、TN2和TN3組達60%以上,其中TY6和TN3超過70%,總體表現(xiàn)為TN3>TY6>TN2>TN1>CK>TY5>TY4(表3)。

表3 冰草和羊草的發(fā)芽指標

羊草相比冰草發(fā)芽略晚,于第9天開始發(fā)芽。不同處理組發(fā)芽勢表現(xiàn)為TN6≈TY3>TN2>CK>TN1>TY5>TY4。TY4和TY5發(fā)芽率平均值低于CK,TN3發(fā)芽率為19.00%,TY6發(fā)芽率為28.00%,顯著優(yōu)于TY4和TY5(P<0.05)。

分析表明,種子發(fā)芽的必要條件包括自身養(yǎng)分條件和外界的環(huán)境條件(如土壤水分、養(yǎng)分和土壤的物理結(jié)構(gòu))。CK組由于配方僅為底泥和秸稈,種植基的孔隙度高于添加牛糞和羊糞處理組,提供了更好的發(fā)芽條件,因此試驗72 h時CK組的冰草發(fā)芽率達最高值。羊草發(fā)芽時間較晚,因基質(zhì)硬度會隨時間延長而增大,發(fā)芽越晚越不利于羊草頂芽。添加腐熟牛糞的TN1、TN2組以及添加羊糞的TY4、TY5組底泥與秸稈占比相對較低,空氣流通差,種子發(fā)芽受阻。TN3和TY6組底泥與秸稈占比高,底泥孔隙度大,養(yǎng)分供給適宜,有利于牧草吸收營養(yǎng),所以發(fā)芽率高。

2.1.2成活率

從開始出苗后第15天開始測定成活率變化,并每隔2 d測定1次,共測定3次。如圖1所示,21 d時,TN3、TY6處理冰草成活率高且穩(wěn)定性好,超過70%,其中TY6處理成活率可達80%。CK、TN1、TN2、TY4和TY5成活率均較低,21 d時低于30%,且CK、TN1、TN2和TY5處理成活率隨時間延長呈下降趨勢。

羊草成活率如圖1所示,28 d時羊草整體成活率較冰草低,其中TY6、TN3處理成活率最高,分別為30%、18%。28 d時,CK、TN1、TY4和TY5處理的成活率低于10%。

結(jié)果顯示,在養(yǎng)分配置條件相同時,底泥與秸稈占比越高,種植基孔隙度條件越好,其對草原牧草發(fā)芽和成活的正向影響越明顯。冰草和羊草的成活率整體上表現(xiàn)為TY6處理高于TN3,表明羊糞肥效高于牛糞。TY4、TY5處理較不利于草原牧草種子發(fā)芽,成活率低。

各處理種植基配比見表2。

2.2 對牧草生長和產(chǎn)量的影響試驗

2.2.1牧草株高和根長

牧草種植30 d時達到生長旺期,選取該時段測定牧草株高。結(jié)果顯示,各處理組冰草株高態(tài)勢總體呈現(xiàn)為TY6>TY4>TY5>TN3>CK>TN1>TN2。添加羊糞處理組株高顯著高于CK(P<0.05),其中TY6處理比CK高39.47%。添加牛糞的3個處理中,只有TN3處理株高顯著高于CK(P<0.05)。說明在相同底泥和秸稈配比下,添加牛糞的種植基對冰草生長的促進作用低于添加羊糞的種植基(表4)。

表4 試驗30 d時草原牧草的平均株高

羊草株高變化總體表現(xiàn)為TY6>TY5>TN1>CK>TN3>TY4>TN2。在添加羊糞條件下,羊草株高表現(xiàn)為TY6處理顯著優(yōu)于TY4、TY5(P<0.05),比CK高約1倍。在添加牛糞條件下,TN1、TN2、TN3處理羊草株高與CK差異不顯著。因此,施加羊糞的TY6種植基配方更適合羊草生長發(fā)育,并能促進羊草對養(yǎng)分的吸收,增加產(chǎn)量。

試驗50 d時草原牧草平均根長見表5。

表5 試驗50 d時草原牧草的平均根長

冰草根長表現(xiàn)為TY6>TN3>TN2>TY5>TN1>TY4>CK。TY6處理的冰草根長最長,達14.00 cm,是CK的2.71倍;TN3處理的冰草根長是CK的2.13倍。羊草根長表現(xiàn)為TY6>TN3>TN2>TN1>TY5>TY4>CK。TY6處理的羊草根長為10.32 cm,是CK的3.87倍,與TY4、TY5差異顯著(P<0.05);TN3處理的羊草根長為6.33 cm,是CK的2.37倍,相比TN2高11.6%。表明TY6、TN3種植基的物理結(jié)構(gòu)可有效促進早期根系伸長發(fā)育,有利于草原牧草根系對養(yǎng)分和水分的吸收,為植株輸送營養(yǎng)提供基礎(chǔ)。

2.2.2牧草折干比

在牧草生長周期結(jié)束后,測量草原牧草鮮重和干重,并計算牧草折干比(表6)。TY6、TN3處理的冰草產(chǎn)量明顯高于其他處理。TY6處理的冰草鮮重分別是TY5、TY4的5.07、3.11倍,是CK的4.11倍。TN3處理的冰草鮮重是TN2的2.84倍。TN1、TY5處理的冰草鮮重低于CK,TN2、TY4處理與CK的差異較小。就冰草干重而言,TY6處理分別為TY5、TY4的6.10、4.69倍。TN3處理的冰草干重是TN2的3.12倍,是TN1的7.07倍。

羊草鮮重表現(xiàn)為TY6處理顯著高于其他處理組(P<0.05),TY6處理分別是TY5、TY4、CK的3.67、7.33、7.33倍。TN3處理的羊草鮮重分別是TN2、TN1的1.63、2.17倍,是CK的4.33倍。TY6、TN3處理的羊草干重平均值分別為0.058、0.032 kg,TY4、CK的平均值則分別為0.006、0.005 kg。TY6、TN3處理的冰草折干比分別為29.7%、28.6%,分別比CK高11.2、10.1百分點。TY6、TN3處理的羊草折干比分別為26.3%、25.1%,分別比CK高9.6、8.4百分點?？傮w上,TY6、TN3處理的牧草產(chǎn)量與折干比高于其他處理組,說明TY6、TN3配比的種植基適宜種植冰草和羊草,短時間內(nèi)可有效增產(chǎn)。

表6 草原牧草產(chǎn)量

2.3 對草原牧草養(yǎng)分含量的影響

冰草和羊草的養(yǎng)分含量見表7。由表7可知,不同處理組冰草全碳含量表現(xiàn)為TY6>TN3>TN2>CK>TN1>TY5>TY4。TN3、TN2處理冰草全碳含量比CK分別高23.88、4.01 g·kg-1,TY6處理比CK高25.20 g·kg-1。冰草全氮含量表現(xiàn)為TY6>TY5>TY4>TN3>TN2>TN1>CK,TN3處理比CK高11.06 g·kg-1,TY6處理比CK高27.52 g·kg-1。冰草全磷含量表現(xiàn)為TY6>TN3>CK>TY5>TN2>TY4>TN1,TN3處理比CK高0.11 g·kg-1,TY6處理比CK高0.96 g·kg-1。冰草全鉀含量表現(xiàn)為TY6>TN3>TY4>CK>TY5>TN1>TN2,TN3處理比CK高0.37 g·kg-1,TY6處理比CK高1.76 g·kg-1?？傮w而言,TN3、TY6處理的冰草養(yǎng)分含量高于其他處理組,CK中冰草全磷、全鉀含量高于TN1、TN2、TY5處理,說明呼倫湖底泥有助于增加冰草有機質(zhì),促進冰草固定養(yǎng)分,對牧草養(yǎng)分含量具有正反饋作用。

就羊草全碳含量而言,TN3、TY6、CK相對其他處理組略高,但差距較小。羊草全氮含量表現(xiàn)為TY6>TY4>TY5>TN3>CK>TN2>TN1,TN3處理比CK高1.19 g·kg-1,TY6處理比CK高17.80 g·kg-1。羊草全磷含量表現(xiàn)為TY6>TN3>TN2>TY5>TN1>TY4>CK,各處理組整體均高于CK。羊草全鉀含量表現(xiàn)為TN3>TY6>TY5>TY4>TN2>TN1>CK。總體來看,種植基對羊草全鉀和全磷含量有明顯促進作用,能夠防止水肥流失,提高羊草養(yǎng)分含量。

2.4 種植基pH值和養(yǎng)分含量變化

由表8可知,種植周期結(jié)束后,種植基化學(xué)性質(zhì)均發(fā)生變化。TN3、TY4、TY5、TY6處理種植基pH值<7,呈弱酸性,TY6處理pH值為6.82,與CK相比有明顯改善。種植基速效氮含量表現(xiàn)為TY6>TY5>TY4>CK>TN3>TN2>TN1,CK比TN3高11.60 mg·kg-1,比TN2高32.73 mg·kg-1,是TN1的4.49倍。TY4、TY5、TY6處理速效氮含量均值為399.79 mg·kg-1,是TN1、TN2、TN3處理均值的12.43倍。各處理組種植基速效磷和速效鉀含量均顯著高于CK(P<0.05)。各處理組種植基有機質(zhì)含量較CK高6.27～13.74 g·kg-1。TN1、TN2、TN3處理種植基全氮含量均值為8.15 g·kg-1,相比于CK高55.24%,TY4、TY5、TY6處理的全氮含量均值為12.05 g·kg-1,相比于CK高129.52%。不同處理與CK間種植基全鉀含量無明顯差異,全磷含量變化也不大,且符合植物生長的基本要求。結(jié)果顯示,相同底泥與秸稈配比下,添加羊糞的種植基速效磷、速效鉀以及全氮、全磷、全鉀含量高于添加腐熟牛糞的種植基。

表7 草原牧草養(yǎng)分含量

表8 試驗50 d時種植基養(yǎng)分含量與pH值

3 討論

隨著美麗河湖建設(shè)的推進,湖泊底泥資源化利用越來越受到重視[17]。目前由于受到經(jīng)濟、技術(shù)、制度等限制,湖泊底泥資源化利用主要用于農(nóng)業(yè)和園藝綠化等方面[18-19],如許宇平等[20]利用腐殖酸有機肥制備(HAF)技術(shù)經(jīng)過預(yù)處理、二次發(fā)酵、造粒等步驟得到腐殖酸有機肥,可有效改良結(jié)構(gòu)性差的農(nóng)業(yè)土壤;劉軍武等[21]利用混合蘆葦桿、秸稈的脫水無害化底泥制成20～30 cm厚的土壤基肥材料,用于貧瘠或風沙頻繁地區(qū)的生態(tài)護坡綠化。但在生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域湖泊底泥應(yīng)用較少,主要原因是污染程度低的底泥與修復(fù)地距離遠,運輸成本高,且相關(guān)試驗較少,底泥與修復(fù)植被之間相互作用的機理不清。為此,該試驗選用無害化呼倫湖底泥為研究對象,并加入秸稈、牛糞與羊糞等農(nóng)業(yè)有機廢棄物,制備沙化草地植物種植基,增加植物抗逆性,用于呼倫湖沙化草地修復(fù),不僅使廢棄物得到循環(huán)利用,且可進一步修復(fù)沙化草地生態(tài)系統(tǒng)。

選用具有養(yǎng)分的原料作為種植基,能夠極大地提升種子發(fā)芽率,促進植物生長。李嵐峰等[22]選用大豆秸稈粉作為生物質(zhì)調(diào)理底泥,白菜發(fā)芽率和月季開花率明顯提高,含鹽量穩(wěn)定,調(diào)理劑使用量與發(fā)酵溫度、堆肥效果呈正相關(guān);有研究將底泥制成浸液,浸泡后的種子發(fā)芽率均在80%以上[23-24]。為提高資源化利用與生態(tài)修復(fù)成效,該試驗直接將底泥作為牧草生長的基質(zhì),并加入農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈,以提升種植基的孔隙度與毛細結(jié)構(gòu)、增加吸水性,使基質(zhì)具有良好的保濕減蒸能力,進而提升牧草的發(fā)芽率與成活率。結(jié)果顯示,相同配料條件下,湖泊底泥與秸稈含量最高的處理組(TN3、TY6)冰草與羊草的出苗率、成活率、株高、根長等均表現(xiàn)最好,對冰草與羊草生長的促進作用最強,且TY6優(yōu)于TN3。這是因為底泥、秸稈占比高,基質(zhì)物理結(jié)構(gòu)良好,具有透氣保濕效果,且底泥可起到促進植物有機質(zhì)固定和養(yǎng)分吸收、穩(wěn)定代謝活動的作用,秸稈可增加基質(zhì)的有機質(zhì)和氮含量,進而提高植物產(chǎn)量。筆者對于底泥配置比例的研究結(jié)果與夏軍[25]得出的底泥摻量在50%～70%最佳的結(jié)論基本一致。相同配置比例下,因羊糞有機質(zhì)含量是牛糞的2倍,添加羊糞效果更佳,且在添加相同體積牛羊糞的情況下,底泥與秸稈比例越高,植物生長狀況越好。因此,河湖底泥可通過添加不同秸稈、牛羊糞等生物質(zhì)廢棄物材料,制作種植基以促進植物生長。

該試驗應(yīng)用重金屬含量低、無污染的呼倫湖底泥作為植物種植基主要成分,采用腐熟的牛羊糞作為土壤養(yǎng)分補充,是畜牧業(yè)處理固體廢棄物的常規(guī)手段[26-27]。秸稈不僅可改善基質(zhì)物理結(jié)構(gòu),增大孔隙度,使植物更易吸收養(yǎng)分,還可以固碳減排,修復(fù)重金屬污染[28]。因該試驗所用材料不存在環(huán)境風險,未對使用后的種植基進行重金屬和污染指標的相關(guān)測試,下一步將加強對不同來源底泥的環(huán)境風險識別研究,避免底泥資源化利用帶來的二次環(huán)境污染。

4 結(jié)論

以呼倫湖底泥為主要原料的種植基養(yǎng)分含量高,具有保水保肥效能,安全無污染。試驗結(jié)果表明,種植基促進了草原牧草生長,其中TN3與TY6處理明顯提升了草原牧草的發(fā)芽率、成活率,提高了草原牧草的株高,增加了牧草產(chǎn)量,且冰草優(yōu)于羊草。添加相同比例的牛羊糞時,底泥與秸稈含量越高,牧草生長狀況越好。TY6處理的效果優(yōu)于TN3,即種植基原料配比相同條件下,添加羊糞的種植基更有利于牧草生長。將種植基應(yīng)用于沙化草地修復(fù),可提高生態(tài)修復(fù)效率。研究結(jié)果可為呼倫湖底泥資源化利用以及沙化草地治理提供技術(shù)支撐,同時可為干旱及半干旱區(qū)沙化草地生態(tài)修復(fù)提供參考。