汪 呈，刘志超，徐 伟，常智慧

（1. 北京林业大学草业与草原学院，北京 100083；2. 北京百花山国家级自然保护区管理处，北京 102311）

体育场地设施是体育发展的物质基础，其质量高低将会直接影响竞技体育的发展水平。运动场草坪作为足球、橄榄球等草上运动项目的竞技舞台，既要能耐受高频率、高强度地运动践踏，同时又要具备良好的排水性能以保证比赛在各种强降雨天气下如期举行[1]。为满足需要，运动场草坪多采用抗板结能力强、排水性能好的全人工型沙基坪床结构进行建造[2]。但沙粒之间缺乏粘聚力，使得沙基坪床表面稳定性较差[3-4]，特别是在新建运动场草坪投入使用初期，其根系尚未良好发育以固结坪床表层土壤时更为常见[5-6]。坪床表面稳定性差，不仅会影响运动员的水平发挥，还会对其安全构成极大威胁[7-8]。为此，坪床中常添加一定比例的加固材料以提高其表面稳定性，如聚丙烯纤维、三维网、小网片以及土工织物等[9]。但材料几乎都是一些合成高分子材料，生产成本相对较高[9-10]，且废弃后难以自然降解，会给生态环境带来一定负面效应。因此，寻求更加经济、环保的坪床加固材料已成为运动场草坪研究领域的一个重点。

目前已有工程研究发现，土壤中加入麦秆、棕榈纤维、椰壳纤维等植物纤维均能起到良好的加固效果[11]，但相关研究在运动场草坪坪床加固上却鲜有报道。我国每年都有大量的各类农林有机废弃物产生，其中废旧棉花、禾谷类作物秸秆、椰糠等均是可再生性的植物纤维资源，但多数并未得到合理利用而被焚烧或堆积遗弃，不仅造成了资源浪费，还污染了环境[12-14]。因此，对这些农林废弃物进行资源化利用具有十分重要的经济、生态和社会效益。为此，本研究选用废旧棉花、麦秆以及椰糠这3种价格低廉、生态环保、且来源丰富的植物纤维废弃物作为坪床混入材料，研究它们对草地早熟禾草坪外观质量、土壤条件以及运动质量的影响，以确定它们作为坪床加固材料的可行性，并为农林有机废弃物的进一步资源化利用和推广提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年5月至10月在北京市昌平区北京林业大学草坪试验基地 (116°14′ E，40°10′ N)大田中进行。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，平原地貌，平均海拔52 m，年均日照时数2 684 h，年均气温11.8 ℃，年均降水量550.3 mm。

1.2 试验材料

1.2.1 草皮

供试草地早熟禾草皮借助专业的起草皮机械取自于北京林业大学草坪试验基地，宽300 mm，厚约15 mm，品种为‘Midnight’。试验所取草地早熟禾草皮播种于2015年9月中旬，播种量为10 g·m-2。草皮铺植前，需用水将附着在根系表面的土壤冲洗干净，以尽量避免原有土壤对试验结果造成影响。

1.2.2 坪床材料

试验用沙为昌平本地中粗沙，均过2 mm筛，其粒径组成为：特粗沙(1～2 mm)占1.55%，中粗沙(0.25～1.0 mm)占71.87%，细沙(0.15～0.25 mm)占15.88%，特细沙(0.05～0.15 mm)占8.92%，粉粒和粘粒(＜ 0.05 mm)占1.78%；废旧棉花从废品收购站进行购买，平均长25.13 mm，直径0.03 mm；麦秆由中国农科院作科所昌平试验基地提供，经人工铡短，平均长25.74 mm，直径2.51 mm；椰糠自网上购买，产地为海南，其中椰壳纤维占总重的19.89%，平均长22.52 mm，直径0.11 mm。各坪床材料其他基本理化性质见表1。

1.3 试验设计

试验区草坪的坪床采用全人工型沙基坪床结构进行设计和建造。根际层深度为300 mm，其中底层200 mm为纯沙，而表层100 mm则由沙子与各植物纤维废弃物按照一定质量比混配而成，设4个处理：100%沙(CK)、99%沙 + 1%废旧棉花(T1)、99%沙 + 1%麦秆(T2)、99%沙 + 1%椰糠(T3)，3次重复，随机区组排列，共计12个小区。每个小区大小为1.5 m × 1.5 m，小区间设保护行，宽400 mm。草皮铺植前，先按N素施用量5 g·m-2在坪床基质中施入草坪专用复合肥(N∶P2O5∶K2O = 19∶6∶12)作底肥，并于2017年5月27日完成草皮密铺工作。草皮铺植后两周内，每天保证坪床土壤湿润以促进草皮生根。随后草坪采用常规方法进行养护管理，包括：适时浇水；根据草坪生长情况进行修剪，修剪高度28 mm；分别于9月和10月上旬按N素施用量2.5 g·m-2追施草坪专用复合肥；手工拔除杂草以及交替使用绘绿和扮绿这两种广谱性杀菌剂防治草坪病害等。草坪各指标自7月27日开始测定，每月测定1次，共测4次。

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

1.4 测定指标及方法

1.4.1 色泽

采用目测法，评分采用9分制，1分代表枯黄，9分代表墨绿。

1.4.2 密度

采用实测法，利用环刀托将一横截面积为20 cm2的环刀垂直压入草坪，取出后细数环刀内的草坪草枝条数，以单位面积内草坪草枝条数来表示草坪密度 (枝·cm-2)。

1.4.3 外观质量

采用美国国家草坪评比项目(NTEP)9分制法进行目测打分，基于色泽、密度、质地和均一性这4个项目对草坪外观质量进行综合评判。1分代表最差，9分代表最佳，6分及以上代表草坪外观质量可以接受。

1.4.4 土壤含水率

利用TZS-Ⅰ型土壤水分速测仪进行田间测定，测定时将金属探针插入草坪表面以下50 mm深，结果以体积含水率(v/v)表示。

1.4.5 土壤紧实度

利用TJSD-750Ⅱ型土壤紧实度仪测定，测定时将金属锥体探针匀速压入土壤100 mm深，记录土壤最大紧实度值(kPa)。

1.4.6 土壤抗剪强度

采用十字板剪切试验，通过剪切力矩大小来表示土壤抗剪强度。十字板头高40 mm，宽20 mm，厚1.33 mm，通过直径6.44 mm轴杆与扭力计连接。测定时将十字板头垂直插入草坪表面，使其上沿恰好与草坪地表齐平，然后通过扭力计对板头施加一个逐渐增大的扭力，直至土体破坏，读取扭力计所指示的最大剪切力矩(N·m)。

1.4.7 扭动摩擦性能

测定装置下端是一个直径150 mm的圆盘，其底部以中心点为圆心，以46 mm为半径等距离排列着6颗13 mm长的运动鞋鞋钉。圆盘通过一个转动杆经固定衬套与扭力计连接，整个装置重46 kg。测定时需将装置抬高至离草坪表面60 mm后释放，以保证鞋钉贯入草坪，然后通过扭力计将整个装置匀速转动360°，记录下最大扭动摩擦力矩 (N·m)。

1.4.8 表面硬度

利用SD仪器有限公司生产的CIST/883-2.25 kg型号Clegg土壤冲击测定仪进行测定，测定时将2.25 kg重冲击锤沿垂直导管升至离草坪表面450 mm高处自由释放，通过数字显示屏读取冲击锤第1次下落时的数值作为该测定点草坪的表面硬度值(Gm)。

1.4.9 回弹性

将一充气内压为0.7 bar的符合国际足联(FIFA)标准比赛用球放置离草坪表面3 m高，使其自由下落，通过相机观测其反弹高度，以反弹高度占下落高度的百分比进行表示。

1.5 数据分析

采用Excel 2010进行数据整理与图表绘制，利用SPSS 25.0进行单因素方差分析，并运用LSD最小显著差异法进行多重比较，P ＜ 0.05表示差异性显著，结果以平均值 ± 标准误 (mean ± SE)表示。

2 结果与分析

2.1 不同处理对草坪外观质量的影响

2.1.1 色泽

草坪色泽能够反映草坪植物的生长情况，是衡量草坪坪用价值的一个重要指标。如图1所示，各处理草坪色泽评分随时间推移均呈增大趋势，其中以T3处理草坪色泽表现最佳，评分在7.5～8.3，并且在前3次评定时均显著高于T1及CK处理(P ＜0.05)，但同T2处理间始终无显著差异(P ＞ 0.05)；其次为T2处理，草坪色泽由7.2分增大至8.2分，在前3次评定时均显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，并且在前2次评定时显著高于T1处理(P ＜ 0.05)；T1处理草坪色泽评分较CK处理虽均有所提高，但差异并不显著(P ＞ 0.05)，不过均在6分以上。

图1 不同处理草坪色泽动态变化Figure 1 Dynamic changes of turf color under different treatments

2.1.2 密度

草坪分蘖密度大小不仅会直接影响草坪的坪用价值，同时还与草坪草耐践踏性密切相关[15]。如图2所示，除T3处理草坪密度随时间推移而逐步增大外，其余各处理草坪密度自7月27日至8月29日都略有降低，随后开始不断增大。在4次测定中，T3处理草坪密度始终表现最佳，其密度值介于2.08～2.38枝·cm-2，均显著高于T1和CK处理，但同T2处理间始终无显著差异(P ＞ 0.05)；T2处理次之，其草坪密度为2.00～2.27枝·cm-2，但仅在8月29日测定时显著高于CK处理(P ＜ 0.05)；T1处理草坪密度较CK处理虽有所提高，但差异始终未达显著水平 (P ＞ 0.05)。

图2 不同处理草坪密度动态变化Figure 2 Dynamic changes of turf density under different treatments

2.1.3 外观质量

各处理草坪外观质量动态变化情况如图3所示，随时间推移均呈上升趋势，且增长幅度较为一致，即从7月27日至8月29日草坪坪观质量增幅较小，而后增长加快。在整个评定周期内，各处理草坪坪观质量总体表现为 T3＞ T2＞ T1＞ CK，其中T3处理草坪坪观质量始终表现最好，评分在7.4～8.2，显著高于T1和CK处理(P ＜ 0.05)；其次为T2处理，草坪坪观质量评分从7.2增大至7.9，均显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，并且在7月27日和8月26日评定时显著高于T1处理(P ＜ 0.05)；T1和CK处理草坪坪观质量始处于较低水平，且两者间始终无显著差异(P ＞ 0.05)，但评分均高于6分，都在可接受范围内。

2.2 不同处理对草坪土壤条件的影响

2.2.1 含水率

图3 不同处理草坪外观质量动态变化Figure 3 Dynamic changes of turf appearance quality under different treatments

土壤水分是限制草坪草生长的一个重要土壤物理因素，会直接影响草坪的坪用价值[16]。如图4所示，在整个测定周期内，T3处理土壤持水性能均表现最佳，其土壤含水率稳定在14.48%～15.62%之间，均显著高于T1和CK处理(P ＜ 0.05)，并于8月29日测定时显著高于T2处理(P ＜ 0.05)；其次为T2处理，土壤含水率在13.41%～15.16%，并且在前3次测定时显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，但仅在8月29日测定时显著高于T1处理(P ＜ 0.05)；T1处理土壤含水率在4次测定中均高于CK处理，但两者间始终无显著差异(P ＞ 0.05)。

图4 不同处理土壤含水率动态变化Figure 4 Dynamic changes of soil moisture content under different treatments

2.2.2 紧实度

土壤紧实度大小与草坪草根系生长以及坪床表面稳定性都密切相关，是一个重要的土壤物理指标。如图5所示，各处理土壤紧实度自7月27日至8月29日都有所降低，随后均开始不断增大。在4次测定中，T1处理土壤紧实度始终表现最高，并于前3次测定时显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，而且在8月29日测定时同T3处理间差异达显著水平(P ＜0.05)，但与T2处理间始终无显著差异(P ＞ 0.05)；T2和T3处理土壤紧实度在整个测定周期内虽均高于CK处理，但差异不显著(P ＞ 0.05)。

图5 不同处理土壤紧实度动态变化Figure 5 Dynamic changes of soil compaction under different treatments

2.2.3 抗剪强度

土壤抗剪强度是衡量坪床表面稳定性的一个重要指标[17]。如图6所示，不同处理草坪土壤抗剪强度均随时间推移而不断增大，其中T1处理表现最好，剪切力矩在1.11～1.52 N·m，始终显著高于T2及CK处理(P ＜ 0.05)，并且在前3次测定时均显著高于T3处理(P ＜ 0.05)；其次是T3处理，剪切力矩介于0.88～1.46 N·m，在4次测定中均显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，并于8月29日测定时显著高于T2处理(P ＜ 0.05)；T2处理草坪剪切力矩虽然始终高于CK处理，但仅在8月29日测定时差异达显著水平 (P ＜ 0.05)。

图6 不同处理草坪剪切力矩动态变化Figure 6 Dynamic changes of turf shearing moment under different treatments

2.3 不同处理对草坪运动质量的影响

2.3.1 扭动摩擦性能

草坪扭动摩擦性能主要反映运动员脚底与草坪表面之间的摩擦状况，是影响运动员安全的一个重要指标。如表2所列，各处理草坪扭动摩擦力矩随时间推移均逐渐增大。T3处理草坪扭动摩擦力矩仅在8月29日测定时略低于T2处理，其余测定时均表现最好，始终显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，并且除了8月29日测定外，均显著高于T1处理(P ＜0.05)，但同T2处理间始终无显著差异(P ＞ 0.05)；其次为T2处理，草坪扭动摩擦力矩除10月27日测定外，均显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，但仅在7月27日测定时显著高于T1处理(P ＜ 0.05)；T1处理草坪扭动摩擦力矩在4次测定中均高于CK处理，但两者间差异并不显著(P ＞ 0.05)。

表2 不同处理扭动摩擦性能动态变化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体刻画或压入其表面的能力，与草坪的缓冲性能密切相关[18]。由表3可知，各处理草坪表面硬度随时间推移总体上呈现增大趋势，其中CK处理表面硬度在4次测定中均为最大，并自9月26日开始显著高于T2处理(P ＜ 0.05)，同T3处理之间也分别于8月29日和10月27日测定时差异达显著水平(P ＜ 0.05)，但与T1处理间始终无显著差异(P ＞ 0.05)；T1处理表面硬度在整个评定周期内均高于T2及T3处理，但处理间差异并不显著(P ＞ 0.05)。

表3 不同处理表面硬度动态变化Table 3 Dynamic changes of surface hardness under different treatments Gm

2.3.3 回弹性

草坪回弹性是指草坪在外力作用下保持其表面特征的能力。由图7可知，CK处理草坪回弹性在整个测定周期内均表现最高，并且在前3次测定时均显著高于T3处理(P ＜ 0.05)，同T2处理间也仅在10月27日测定时差异未达显著水平(P ＞ 0.05)，但与T1处理间始终无显著差异(P ＞ 0.05)；T1处理草坪回弹性仅次于CK处理，并于8月29日测定时显著高于T3处理(P ＜ 0.05)，但与T2处理间始终差异不显著(P ＞ 0.05)；T2和T3处理草坪回弹性始终处于较低水平，其中T2处理草坪回弹性仅在9月26日测定时低于T3处理，但两者间差异均不显著(P ＞ 0.05)。

图7 不同处理足球反弹率动态变化Figure 7 Dynamic changes of ball rebound resilience under different treatments

3 讨论与结论

3.1 草坪外观质量

草坪外观质量是草坪草生长状况的一个综合体现，能够直观地反映各坪床基质对草坪草生长的适宜性。在本研究条件下，同纯沙坪床基质(CK)相比，混入1%废旧棉花(T1)、1%麦秆(T2)以及1%椰糠(T3)均能提升草坪色泽、促进草坪分蘖、提高草坪外观质量，其中以T3处理表现最好，T2处理次之，而T1处理则改善效果不明显。由此表明，这3种植物纤维废弃物均适宜作为草地早熟禾草坪的生长基质，分析其原因，可能与这3种坪床基质具有较强的持水性能(图4)以及pH(表1)更趋于适宜草地早熟禾草坪生长的弱酸性有关[1,16]。坪床基质持水性好，可以减少因土壤水分流失而导致的养分淋失[19]，从而更利于草坪草根系对土壤水分及养分的吸收。此外，麦秆和椰糠中还含有氮、磷、钾以及各种微量元素，随时间推移，可以通过自身降解来提高土壤肥力[20-21]，因此也可能会促进草坪草的生长。

3.2 草坪土壤条件

土壤水分是草坪草吸收水分的主要来源，其含量高低与草坪草生长密切相关。在本研究中，各处理均能增强草坪土壤的持水性能。其中T3处理表现最好，这可能与椰糠自身具有良好的持水性能密切相关[22]。并且已有研究表明，土壤中加入椰糠能够显著增强其持水能力[23]，这与本研究结果相一致。另有研究报道，秸秆还田后能够改善土壤结构，提高土壤持水性[24]，这或许能够解释T2处理同样具有较强的持水性能。

对于沙基运动场草坪而言，土壤适度紧实不仅有利于草坪草根系与土壤间紧密接触，同时还能为其提供一个稳定的运动表面，但土壤过度紧实则会增大草坪草根系生长的机械阻力，导致草坪退化。已有研究报道，植物根系穿透土壤所能承受的最大紧实度为2 060 kPa[25]。在本研究中，各处理草坪土壤紧实度介于851～1 079 kPa，都在可接受范围内。其中T1处理土壤紧实度表现最高，并在前3次测定时显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，而T2和T3处理土壤紧实度较CK处理虽有所提高，但始终无显著差异 (P ＞ 0.05)。

土壤抗剪强度是衡量坪床表面稳定性的一个重要指标，与草坪草根系含量呈正相关关系[26]。在本研究中，T1和T3处理土壤抗剪强度始终显著高于CK处理(P ＜ 0.05)，并且T1处理在前3次测定时均显著高于T2及T3处理(P ＜ 0.05)，而T2处理土壤抗剪强度虽高于CK处理，但仅在8月29日测定时差异达显著水平(P ＜ 0.05)。由此表明，坪床中添加1%废旧棉花以及1%椰糠均能够在草坪草根系尚未良好发育的情况下对其表面起到有效加固作用，其中添加1%废旧棉花加固效果更佳。

3.3 草坪运动质量

为保障运动员进行必要的移动、加速、拼抢等动作而不至于滑倒，运动场草坪表面应提供一定大小的扭动摩擦性能。Canaway等[27]认为，运动场草坪表面的最佳扭动摩擦力矩大小应不低于25 N·m，其中可接受的扭动摩擦力矩大小应不低于20 N·m。虽然没有给出扭动摩擦力矩大小的上限，但Baker等[28]建议草坪表面扭动摩擦力矩大小应不超过80 N·m，否则就可能导致运动员脚裸或膝盖扭伤。本研究中，各处理草坪扭动摩擦力矩大小介于39.1～48.6 N·m，都在合理范围内。其中CK处理草坪扭动摩擦力矩始终低于其他3个处理，这可能与其草坪密度较低有关[3]。

草坪表面硬度过大，容易导致运动员受伤，过小则容易消耗体能。Canaway等[27]认为，运动场草坪表面硬度最佳范围应在20～80 Gm，其中可接受范围应在10～100 Gm。本研究中，各处理草坪表面硬度大小介于54.0～63.7 Gm，都在最佳推荐标准范围内。其中CK处理草坪表面硬度始终表现最高，这可能与CK处理较低的土壤含水率有关[29]。

根据Canaway等[27]推荐的运动场草坪回弹性标准，最佳范围应在20%～50%，其中可接受范围应在15%～55%。本研究中，各处理草坪回弹性大小介于20.11%～23.22%，均符合草坪回弹性的最佳标准。其中CK处理草坪回弹性始终高于其他处理，这可能与其草坪密度较低或表面硬度较大有关[30]。

综上所述，沙基坪床中添加1%废旧棉花、1%麦秆以及1%椰糠均可提高草坪外观质量，增强土壤持水性，增大土壤紧实度和抗剪强度，同时草坪运动质量(扭动摩擦性能、表面硬度以及回弹性)均符合运动场草坪质量相关评价标准。由此表明，这3种植物纤维废弃物均可作为沙基运动场草坪坪床加固材料，其中添加1%废旧棉花(T1)处理坪床加固效果最佳，值得在运动场草坪建植中推广应用。