新型草坪模拟践踏器的研制及暖季型草坪草耐践踏性评价

刘天增，王旭盛，张巨明

(华南农业大学林学与风景园林学院，广东省草业工程技术研究中心，广东 广州 510642)

践踏是所有草坪草面临的一种非生物胁迫。轻度践踏可以促进草坪草分蘖并减缓生长速度，提升草坪质量，增加草坪实用性[1]。过度践踏则会造成草坪草茎叶和根茎组织磨损，草坪叶色、盖度和密度下降。受损的草坪草容易受到病菌的侵染和其他逆境的胁迫，使抗性本已下降的草坪同时受到多种逆境胁迫，导致恢复速度缓慢，严重影响草坪的生长和美观[2-3]。另外，过度践踏还可导致土壤紧实、通气和透水性降低，使土壤表层根系增多，深层根系生长减少，进而减少对养分和水分的吸收，破坏了正常的生理代谢活动，引起草坪草生理代谢紊乱[4-5]。因此，耐践踏性是评价运动场草坪质量高低的一个重要指标。

目前，在我国南方地区大多数运动场草坪赛事频繁、使用强度大，经常处于过度践踏状态。筛选耐践踏性强的草种建植场地，并研究其耐践踏机制是当前急需开展的工作。在以往草坪耐践踏性的研究中，用人工践踏和模拟践踏器两种方法进行践踏处理。虽然人工践踏更贴近实际，但费时费力，可变因素多，随机性大。采用模拟践踏器既能研究草坪草在践踏状态下的变化特征，又能节省人力和物力，是理想的践踏处理方式。纵观前人的研究，过去几十年研究人员研制出了各种类型的草坪模拟践踏器，推动了耐践踏的相关研究[6-9]。有的践踏器适用于田间试验，也有的适用于室内盆栽试验，这些践踏器都有各自的优点。尽管前人研制的模拟践踏器种类不少，但都有一定的局限性，一个共同缺点是产生的践踏强度一样，而实际情况中运动员在运动时的运动状态是随机的，对草坪的践踏强度也是变化的。鉴于此，为了更完整、便捷和科学地模拟不同运动状态对草坪的践踏，根据足球运动员不同运动状态对地面造成的压强不同，本研究设计并研制了新型的草坪模拟践踏器，使草坪受力情况趋近真实水平，确保践踏处理更加真实。

研究草坪耐践踏性时经常采用表观质量形状，包括草坪颜色、密度、盖度、生物量、均一性等指标。以往研究表明，虽然过度践踏会降低草坪表观质量，分蘖数和生物量减少，但不同草种间的耐践踏性差异较大[10-12]。自身遗传特性以及茎叶形态结构和解剖结构上的不同是导致草坪草耐践踏性差异的关键因素[13]。国内外大量研究表明，耐践踏性强的草种都有共同之处，如角质层更厚、更发达，机械组织排列更紧密，维管束和泡状细胞数量多，木质素含量高等特点[14-16]。

暖季型草坪草广泛分布在热带和亚热带地区。在主要的暖季型草坪草中，我国共有7个属12种，是暖季型草坪草资源最丰富的国家[17]。目前国内应用最广的暖季型草坪草有狗牙根属(Cynodon)、雀稗属(Paspalum)、结缕草属(Zoysia)和蜈蚣草属(Eremochloa)等。本研究采用自制的模拟践踏器，对国内应用最广的暖季型草坪草狗牙根属、雀稗属、结缕草属和蜈蚣草属的20份草坪草材料在大田条件下进行模拟践踏试验，探究不同草种间耐践踏性的差异，为合理利用草坪草提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 新型草坪模拟践踏器

为研究我国华南地区常见暖季型草坪草的耐践踏性，本研究研制了一种新型草坪模拟践踏器。践踏器主要有滚筒、钢板、鞋钉、轴承和框架5个部分组成，均为钢质。且钢板和鞋钉均可拆卸，便于更换。滚筒侧面开有阀门，可注水增重。滚筒外部有框架连接微耕机。滚筒直径21 cm，长100 cm,厚1.2 cm，滚筒重80 kg，加满水100～120 kg。滚筒中间有一轴承，轴承直径5 cm，长104 cm。在滚筒表面布置长100 cm，宽3 cm，厚1.2 cm可拆卸的钢板，并在钢板上装鞋钉来模拟运动员践踏的效果，开丝深度为0.5 cm。鞋钉是上底面直径0.5 cm，下底面直径1.0 cm，高1.4 cm的圆柱体。在滚筒侧面各有一块圆形钢板，用来连接轴承和框架。圆形钢板直径10 cm，厚1.2 cm，中心开有直径5 cm的孔用于固定轴承，旁边开有4个直径2 cm的孔，用螺丝固定圆形钢板和框架。

目前市面上专业足球鞋鞋底共有11个塑胶质或钢质的鞋钉，前脚掌7个，脚跟4个。运动员的运动状态不同，与地面的接触面积不同，对地面造成的压强也不同。当运动员在站立时，有22个鞋钉着地，此时对地面压强最小。走动或跑动时，运动员前脚掌发力，此时有11或7个鞋钉着地。运动员在一场球赛中的运动状态主要分为3个阶段：站立和走动约占48%，慢速、低速和中速跑约占45%，高速跑和冲刺跑约占7%。根据不同运动状态所占比例设计钢板数量，为了模拟不同运动状态对地面的压强，钢板上鞋钉的数量也不同。即草坪践踏器中，滚筒表面共有14块钢板，两块钢板间的夹角约为25.7°，7块钢板每块上面有17个鞋钉，6块钢板每块上面有6个鞋钉，1块钢板上面有3个鞋钉。不同鞋钉数量的钢板等距相间排列(图1)。

图1 新型草坪模拟践踏器

1.2 试验地概况

试验地位于广东省广州市华南农业大学增城试验基地，地处亚热带，海拔40 m，无坡度。土壤为壤土，有机质、速效N、P、K含量分别为1.65%、12.25 mg·kg-1、49.08 mg·kg-1、251.30 mg·kg-1，土壤pH 6.61，全年降水量 2081 mm，年均温22.4 ℃，最热月均温 28.8 ℃，最冷月均温14.6 ℃，极端最高温度38.2 ℃，极端最低温度1.5 ℃，无霜期346 d，年积温(≥0 ℃)7875.4 ℃，年有效积温(≥10 ℃)7146.4 ℃。春季短促少雨，夏季高温多雨，日照长，秋季高温少雨，冬季短暂，低温少雨，无雪，霜期短。总体来说，该地气候和土壤条件能满足暖季型草坪草的正常生长。

1.3 试验材料

试验选取狗牙根属、雀稗属、结缕草属和蜈蚣草属共20份暖季型草坪草材料(表1)，于2017年7月18日进行种植。普通型狗牙根(Cynodondactylon)按照40 g·m-2进行人工播种，播种后覆0.5 cm厚的沙，并用滚筒滚压。播种后立即浇透水，出苗前每天保持土壤湿润直至种子出苗，其他草种用营养体移栽。移栽前对小区进行松地、平整，以条播的方式进行移栽。成坪后正常管理，每月修剪2次，修剪高度为4 cm，每周喷灌2～3次，及时清除杂草。

1.4 践踏处理

用自主研制的草坪践踏器进行践踏处理，2018年2月26日开始践踏处理后，每周践踏2次，共进行4周,2018年3月26践踏处理结束，每次践踏6次往返，达到相似条件下的中等践踏强度。试验设计采用裂区设计，主区因素为践踏强度，分为践踏与不践踏，副区因素为草坪草，共20种暖季型草坪草。践踏处理重复3次，共80个小区。每个小区1.5 m×1.5 m，小区之间留0.5 m保护行，整个样地四周各留出1 m空地。践踏处理结束后观测数据并取样测定耐践踏指标。

表1 供试草坪草品种

1.5 草坪耐践踏评价指标[11]

1)盖度：用自制的50 cm×50 cm方格网进行目测，方格内共100个点，目测草坪所占点数，以百分数表示。

2)密度：用直径5 cm的取样器钻取10 cm深的草柱，3个重复，带回实验室人工统计其分蘖数量。

3)颜色：采用目测法，根据草坪颜色的深浅和枯黄程度采用9分制评分方式进行打分。颜色深绿9分，枯黄1分，绿色6分。

4)生物量：用直径5 cm的取样器取10 cm深的草皮柱，带回实验室。将草皮柱地上茎叶和地下根系分开，冲洗干净后放入80 ℃烘箱内烘干至恒重。

5)草坪综合质量：采用目测法，根据草坪颜色、密度、盖度、病虫害、杂草数量等方面进行综合评分，1分最低，9分最高。

1.6 草坪草叶片机械组织测定

经过践踏处理后，根据草坪草的表观质量和生物量，每属选择一个耐践踏性最强的品种和一个耐践踏性最弱的品种，共8个品种测定叶片纤维素和木质素含量[18-19]。

叶片解剖结构：取相同部位的草叶片，切成0.5 cm的小段，用FAA(formalin, acetic acid and alcohol)固定7 d，石蜡切片，用番红固绿对染。在奥林巴斯BX43生物显微镜下观察角质层、维管束、泡状细胞等结构并拍照。

1.7 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行试验数据分析和图表绘制, 用SPSS 17.0软件进行方差分析和主成分分析，采用Duncan’s法在P<0.05水平下进行多重比较，用主成分提取法提取主成分特征值和主成分因子载荷。

2 结果与分析

2.1 践踏对草坪表观质量的影响

践踏处理前同属的材料在综合质量评分上无显著差异(P>0.05)。践踏处理后，狗牙根属中Tifgreen草坪综合质量评分显著高于其他品种(P<0.05)，其他狗牙根品种间无显著差异(P>0.05)，普通狗牙根草坪综合质量评分最低(表2)。雀稗属中SeaIsle 草坪综合质量评分显著高于其他3个品种(P<0.05)，Salam草坪综合质量评分最低。结缕草属中大穗结缕草、中华结缕草、广绿结缕草和兰引Ⅲ号结缕草综合质量评分显著高于其他3个品种(P<0.05)，细叶结缕草和沟叶结缕草综合质量评分差异不显著(P>0.05)。兰引Ⅲ号结缕草综合质量评分最高，青岛结缕草综合质量评分最低。蜈蚣草属中华南假俭草综合质量评分最高，三水假俭草和I-34 假俭草盖度最低且两者无显著差异(P>0.05)。从草坪综合质量评分出发综合考虑20个草种，结缕草属综合质量评分相对较高，蜈蚣草属和雀稗属次之，狗牙根属最低。

践踏处理后狗牙根属中Tifgreen盖度显著高于其他品种(P<0.05)，其他不同品种间无显著差异(P>0.05)。普通狗牙根盖度最低，较Tifgreen狗牙根盖度下降9.6%(图2)。雀稗属中SeaIsle 和Platinum盖度较高，且与Superme和Salam差异显著(P<0.05)，Salam盖度最低。结缕草属中大穗结缕草、中华结缕草、广绿结缕草和兰引Ⅲ号结缕草盖度显著高于其他3个品种(P<0.05)，细叶结缕草和沟叶结缕草盖度差异不显著(P>0.05)。其中，兰引Ⅲ号结缕草盖度最高，青岛结缕草盖度最低，两者相差21.2%。蜈蚣草属中华南假俭草盖度最高，三水假俭草和I-34 假俭草盖度较低且无显著差异(P>0.05)。从草坪盖度出发综合考虑20个草种，结缕草属盖度相对较高，蜈蚣草属和雀稗属次之，狗牙根属最低。

表2 践踏处理前后各参试品种的草坪综合质量评分

注：不同小写字母表示同属材料间在0.05水平差异显著。

Note: Different small letters under genus indicate significant differences at theP<0.05 level.

践踏处理后狗牙根属、雀稗属不同品种间草坪密度均无显著差异(P>0.05)。狗牙根属中Tifgreen密度最大，普通狗牙根密度最小(图3)。雀稗属中SeaIsle密度最大，Salam密度最小。结缕草属中细叶结缕草和沟叶结缕草的密度显著高于其他品种(P<0.05)。中华结缕草、广绿结缕草、兰引Ⅲ号结缕草和大穗结缕草密度相近，无显著差异(P>0.05)。沟叶结缕草密度最大，青岛结缕草密度最小，两者相差60.3%。蜈蚣草属中，华南假俭草密度显著高于三水假俭草和I-34假俭草。三水假俭草密度最低，较华南假俭草低20.7%。从草坪密度出发综合考虑20个草种，结缕草属密度相对较高，狗牙根属和雀稗属次之，蜈蚣草属最低。

践踏处理后狗牙根属中Tifgreen草坪颜色得分显著高于其他品种(P<0.05)，其他不同品种间无显著差异(P>0.05)。普通狗牙根草坪颜色得分最低，较Tifgreen狗牙根下降1.1分(图4)。雀稗属中SeaIsle和Platinum草坪颜色得分较高，且与Superme和Salam差异显著(P<0.05)。Salam草坪颜色得分最低，较SeaIsle下降1.0分。结缕草属中大穗结缕草、中华结缕草、广绿结缕草和兰引Ⅲ号结缕草颜色得分显著高于其他品种(P<0.05)。细叶结缕草和沟叶结缕草颜色得分无显著差异(P>0.05)。青岛结缕草颜色得分最低，与兰引Ⅲ号结缕草相差2.34分。蜈蚣草属中，不同品种间草坪颜色得分无显著差异(P>0.05)，但华南假俭草最高，三水假俭草最低。从草坪叶色得分出发综合考虑20个草种，蜈蚣草属草坪颜色得分较高，结缕草属和雀稗属次之，狗牙根属最低。

图2 践踏处理后各参试品种的草坪盖度

图3 践踏处理后各参试品种的草坪密度

图4 践踏处理后各参试品种的叶色得分

2.2 践踏对草坪生长的影响

为了进一步分析不同参试材料的耐践踏性，践踏处理后测定地上和地下生物量。在地上生物量方面，狗牙根属中Tifgreen、Tifsport、Tifeagle和南京狗牙根显著高于Tifway狗牙根和普通狗牙根(P<0.05)，Tifeagle最大，普通狗牙根最小，两者相差51.1%。雀稗属中，SeaIsle地上生物量最大，其他品种间无显著差异(P>0.05)。结缕草属中，中华结缕草生物量最大，其次是大穗结缕草和广绿结缕草。细叶结缕草、兰引Ⅲ号结缕草、沟叶结缕草和青岛结缕草生物量较小，且品种间无显著差异(P>0.05)。蜈蚣草属中，I-34假俭草生物量最大，华南假俭草最小，两者相差47.8%(图5)。

图5 践踏处理后各参试品种的地上生物量变化

在地下生物量方面，狗牙根属中不同品种间无显著差异(P>0.05)。雀稗属中Superme生物量最高，其他品种间无显著差异(P>0.05)。结缕草属中，大穗结缕草、中华结缕草和兰引Ⅲ号结缕草生物量显著高于其他品种(P<0.05)，其次是广绿结缕草，细叶结缕草、沟叶结缕草和青岛结缕草较小。蜈蚣草属中3个品种间生物量均有显著差异(P<0.05)，华南假俭草最大，I-34假俭草最小(图6)。

图6 践踏处理后各参试品种的地下生物量变化

2.3 耐践踏与叶片生理和解剖结构的关系

践踏处理前，同一属的材料草坪盖度、密度和颜色均无明显差别。经过践踏处理后，从狗牙根属、雀稗属、结缕草属和蜈蚣草属材料中分别筛选出表观质量较好的品种和较差的品种(表3)。与践踏处理前相比，践踏处理后Tifgreen，SeaIsle，兰引Ⅲ号结缕草和华南假俭草表观质量指标下降更少，表现出良好的耐践踏性。相反，普通狗牙根，Salam，青岛结缕草和三水假俭草表观质量指标下降更多，耐践踏性较差。

选取以上8个品种材料测定其叶片纤维素和木质素含量，并做石蜡切片观察其解剖结构。结果表明，只有结缕草属2个材料的纤维素含量差异显著(P<0.05)，其他属材料无显著差异(P>0.05)。木质素含量测定结果表明，各属材料间差异均不显著(P>0.05)(图7)。

表3 践踏处理后不同品种草坪表观质量下降百分比

图7 践踏处理后各参试品种的纤维素和木质素含量

践踏处理后筛选出的8个草种均属于C4植物，维管束鞘由单层较大的薄壁细胞组成，在维管束鞘外连着一圈叶肉细胞。狗牙根属中Tifgreen木质化程度高于普通狗牙根，而普通狗牙根的纤维素细胞壁含量较高，角质层两者均不明显，泡状细胞也无差异。雀稗属中2个草种均无角质层，SeaIsle有少量木质化维管束的存在，Salam海滨雀稗几乎没有木质化，泡状细胞和纤维素细胞壁两者均无明显差别。结缕草属中兰引Ⅲ号和青岛结缕草均有厚且连续的角质层，泡状细胞和维管束木质化无明显差别，兰引Ⅲ号结缕草的纤维素细胞壁含量要大于青岛结缕草。蜈蚣草属中华南假俭草的角质层较三水假俭草厚且连续，维管束木质化程度和纤维素细胞壁含量也较高。单从解剖结构上来看，结缕草属耐践踏性最强，其次是蜈蚣草属，雀稗属最差。通过对比表观质量和生理指标的结果，从解剖结构上可以发现角质层越厚，泡状细胞数量多且排列紧密，木质化程度越高，纤维素细胞壁含量越多，则草坪草的耐践踏性越强(表4)。

2.4 耐践踏性综合评价

对草坪盖度(X1)、草坪密度(X2)、草坪颜色(X3)、地上生物量(X4)、地下生物量(X5)、叶木质素(X6)、叶纤维素(X7)等7个指标进行主成分分析，得到主成分所对应的特征值和累计贡献率(表5)。选取前3个特征根大于1的主成分，累积方差贡献率为91%，基本可以反映全部指标信息。提取的3个主成分的因子载荷矩阵如表5所示。第1主成分中草坪盖度、颜色和地下生物量载荷较高，即第1主成分主要反映这3个指标信息，称之为表观指标。第2主成分中草坪密度和地上生物量载荷较高，说明第2主成分主要反映这2个指标信息，称之为分蘖指标。第3主成分中叶纤维素和叶木质素载荷较高，说明第3主成分主要反映这2个指标的信息，称之为生理指标。综合分析，3个主成分中第1主成分所占比重较大，即草坪盖度、颜色和地下生物量可作为测量耐践踏性的首选指标。

表4 不同品种解剖结构的差异

“-”表示未检测出Means not detected.

3 讨论与结论

目前，在草坪耐践踏性研究中使用多种多样的模拟践踏器，大多数践踏器都以圆形单滚筒或双滚筒为主体，通过调整滚筒的直径和重量，在滚筒表面布置橡胶带或鞋钉来模拟践踏[20-21]。虽然直接使用滚筒进行践踏处理的方法比较简便，但滚筒与草坪的接触面积恒定，对草坪造成的压强较小，不适合对运动场草坪的模拟践踏处理。使用两个表面装有鞋钉但直径不同的滚筒进行模拟践踏，对草坪造成的压强比单滚筒更大，双筒滚动距离与运动员奔跑时对草坪的撕拉距离相当，能模拟运动员对草坪垂直和水平方向的践踏，但对草坪的压强单一，无变化[6]。使用椭圆形滚筒并安装足球鞋钉进行草坪践踏处理，能模拟足球运动员奔跑过程中的重心起伏状况。当水平拉力较小时滚筒在草坪表面滑动，当拉力较大时滚筒对草坪有向下砸的作用，很难计算践踏器对草坪的真实压强，而且拉力大小会影响践踏器对草坪的践踏效果[22]。还有学者根据足球比赛中大禁区的平均践踏强度研制出一种便携式草坪践踏器，使草坪同时受到垂直的压力和水平的作用力，对草坪造成的压强比较全面[23]。该践踏器体积小、劳动强度不大，操作方便，但使用范围有限，只能在室内盆栽试验中使用，不适合野外大田试验。足球运动员在球场上不同的运动状态会对草坪造成不同方向的压力，产生大小不一的压强。为了更全面、便捷地模拟这种效果，在前人研究的基础上自行研制出一款新型草坪模拟践踏器，弥补以往研究的不足和空白。该践踏器在滚筒表面根据运动员不同运动状态的比例布置多块钢板，钢板上有数量不等的鞋钉，可对地面造成2.29、7.28和14.4 MPa的压强，当有多排鞋钉着地时，会对地面造成1.77和2.04 MPa的压强，能模拟运动员不同运动状态对地面造成的压强。践踏器由微耕机作动力牵引，前进过程中对草坪既有垂直向下的力，又有水平方向的摩擦力，进行践踏处理时只需控制微耕机方向和速度，省时省力。由于鞋钉数量不同，对地面的压强也一直在变化，能真实地模拟运动员对草坪的践踏效果。

表5 草坪耐践踏性主成分分析

草坪盖度、密度、颜色和生物量是评价草坪耐践踏性的重要表观质量指标。践踏处理后，草坪草茎叶组织受到损伤，分蘖能力降低，植株叶片会变窄变卷曲，株型变小。若生长恢复时间不够则直立茎的生长量显著减少，进而草坪密度和盖度降低、颜色变浅[24-25]。本研究表明，践踏处理后所有材料的表观质量均降低，且下降越多耐践踏性越差，与前人的研究结果一致。狗牙根属和雀稗属的生物量与耐践踏性正相关，即草坪耐践踏性越强，践踏后生物量下降越少。然而兰引Ⅲ号结缕草和华南假俭草在同属草种中耐践踏性最强，但其地上生物量却相对较低，可能与叶片含水量有关。当叶片含水量较高时，其生物量干重则相对较低，而且一定水平的叶片含水量能增强细胞的机械性能，从而提升草坪草的耐践踏性[26]。也有研究表明，轻度践踏能促进草坪草的分蘖，从而增加地上生物量[27]。本研究发现，践踏后草坪地上生物量减少，原因是试验设计的践踏强度较大，已达到中等强度，并未促进草坪草分蘖，增加生物量。

叶纤维素和木质素是细胞壁的重要组成成分，含量越多，植株的韧性越强，耐践踏性也越强。Shearman等[14]对比7种冷季型草坪草的叶片纤维素和木质素含量发现，其与耐践踏性显著相关。狗牙根茎叶中木质素和纤维素含量越多，耐践踏性越强，而海滨雀稗的耐践踏性则随着叶片总细胞壁含量的增加而降低[15]。本研究中，兰引Ⅲ号结缕草的叶纤维素和木质素含量最高，耐践踏性最强，与上述结果一致。从解剖学上看，草坪草的耐践踏性与植物体内机械组织的分布和表皮角质层有密切关系[28]。观测暖季型草坪草种细叶结缕草、海滨雀稗和狗牙根的叶解剖结构发现，细叶结缕草的机械组织发达，表皮细胞有发达的角质层，耐践踏性强于狗牙根和海滨雀稗[29]。冷季型草坪草种，草地早熟禾(Poapratensis)的角质层厚度、机械组织和厚壁细胞数量均高于黑麦草(Loliumperenne)和紫羊茅(Festucarubra)，耐践踏性最强[30]。本试验中，兰引Ⅲ号结缕草和华南假俭草细胞排列得最为紧密，角质层厚度最大，木质化程度高，耐践踏性最强。狗牙根属和雀稗属的草种角质层薄或无角质层，维管束木质化程度较低，不耐践踏。此结果与前人的研究结果相似，即在我国南方常用的暖季型草坪草中，结缕草属的耐践踏性相对较好，而雀稗属的耐践踏性较差，从解剖结构方面解释了品种耐践踏性的差异[31]。

综合比较表观质量、生物量、生理指标和解剖结构，践踏处理后所有参试品种材料的耐践踏性强弱依次为结缕草属、蜈蚣草属、雀稗属、狗牙根属。践踏会造成狗牙根、海滨雀稗和假俭草分蘖减少，草坪盖度、密度和颜色等指标受到影响。假俭草叶片较宽，植株低矮，抗性较强。海滨雀稗的恢复能力弱，践踏后植株一直处于倒伏状态，叶片贴近地面，在视觉上会增加草坪的盖度和颜色。狗牙根恢复性强，践踏后植株处于直立状态，视觉上会降低草坪盖度和颜色。兰引Ⅲ号结缕草耐践踏性强，坪用价值高，适合建植使用频率较高的运动场地。值得指出的是，以上只是试验的初步结果。草坪草最终是否耐践踏，除以上因素外，草坪草受践踏损伤以后的恢复能力非常关键,而这将是本试验进一步研究的重要内容。