水分和践踏胁迫对结缕草生长及生理生化指标的影响
2021-01-26师春娟孙吉雄
王 齐，师春娟，孙吉雄，安 渊
(1.云南林业职业技术学院，云南 昆明 650224；2.云南省林业与草原科学院，云南 昆明 650200；3.甘肃农业大学 草业学院，甘肃 兰州 730070；4.上海交通大学 农业与生物学院，上海 201101)
草坪是园林植物景观中应用最广泛的观赏植物之一，然而随着城市化的建设与人均活动空间逐渐缩小，再加上不同年龄层次的人群对环境空间的需求也不同，所以在城市园林绿地中设计开放式草坪已成为城市园林绿地规划的新理念[1]。
与普通观赏草坪相比，开放式草坪存在更大的践踏问题，影响草坪土壤的水分分布，给草坪带来一系列的影响。已有研究表明，践踏能造成土壤紧实,使土壤水分含量下降[2]，引起草坪草根系向地表分布[3-4]；直接造成草坪磨损,叶片表皮组织受伤导致光合作用能力降低，影响草坪草干物质的积累[5]。同样，不同强度的水分胁迫很可能导致草坪草不同方式的适应性反应，包括胁迫感受、激素反应、信号传导、基因表达调控、酶活性变化、渗透调节、气孔运动、形态或生长速率改变等多个或其中几个环节的协同作用，以减少由其带来的胁迫伤害[6]。
因此，除了进行更精心地养护管理外，还要选择耐践踏的草种、合理的坪床土壤类型和坪床结构，以及科学的水分管理等技术要求。本研究通过不同梯度的水分与践踏胁迫模拟试验，研究在不同水分胁迫、不同践踏胁迫以及2种胁迫同时存在下草坪草的形态和生理指标的变化，探讨水分与践踏胁迫下的植物的抗逆性，为草坪草在不同胁迫下的养护管理提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在上海交通大学农业与生物学院实验农场进行，地理位置31°14′N、121°29′E，北亚热带季风气候，年平均气温17.6℃，≥10℃的有效积温2 857℃，年降水量1 302 mm，主要集中在5-9月。土壤质地黏重，呈酸性。
1.2 试验设计
试验草坪为大田露天种植的“JD-1”结缕草(zoysia)草坪，由种子播种而成的2年生草坪。试验前按设计做小区分隔。
大田样地采用裂区设计(以践踏为主区，水分为副区，随机区组排列)；3次重复，共27块小区；小区面积2 m×1.5 m；小区间用塑料板(120 cm×20 cm×0.5 cm)拼接隔档，防止水分交流；小区四周设保护行。
1.3 试验处理
1.3.1 践踏胁迫 采用践踏器模拟践踏(由2个并排粗细不同的实心铁辊构成，￠大30 cm×50 cm；￠小20 cm×50 cm，表面具套有橡皮的小钉，￠1.5 cm×3 cm，质量70 kg)。程度分别为：无践踏(不进行践踏处理)、中度践踏(每2 d用践踏器来回践踏3次)和重度践踏(每天用践踏器来回践踏3次)3种处理。
1.3.2 水分胁迫 分别为：水分充足(土壤水分含量>75%田间持水量)、轻度胁迫(土壤水分含量：45%～60%田间持水量)和重度胁迫(土壤水分含量为20%～40%田间持水量)3种处理。
水分梯度：称重法，即在试验地中埋放测量水分草坪塞柱，用于水分重量测定。
1.4 指标测定
试验于2016年3月开始，避开雨季影响，按试验设计开始处理后，为研究动态变化，分别在处理后第10、35、57天测定形态指标和生理指标；从第58天开始连续30 d，正常养护管理进行恢复期试验，直到试验结束。
1.4.1 形态指标测定 测定指标有：密度、盖度、株高、叶宽和地上生物量(以下称生物量)；每个小区除密度、地上/地下生物量测3次重复外，其余指标各测10次重复。密度/(株·m-2)、叶长/cm：采用实测法；株高/cm：定点植株标记法；盖度/%：针刺法；均一性：均匀度法；地上生物量/(g·100 m-2)：采用齐根修剪法。
1.4.2 生理指标测定 叶片相对含水量参照王晶英[7]的方法；叶片质膜透性参照李合生[8]的电导率法并加以改进；叶片游离脯氨酸含量用酸性茚酸酮显色法[8]；叶片丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸显色法[8]；可溶性总糖用蒽酮比色法[9]。
1.5 数据分析
差异性分析采用Excel 2010、SAS8.0软件系统完成。
2 结果与分析
2.1 对结缕草密度的影响
从图1中曲线变化可看出，水分与践踏因子对结缕草密度都有不同的影响。随水分胁迫程度的增加，结缕草的密度逐渐减小，且差异显著(P<0.05)。而不同践踏胁迫随处理时间延长则呈先增后降趋势，且在无水胁迫下，中度和重试践踏之间差异不显著(P>0.05)，与CK(无践踏)之间差异显著(P<0.05)；在轻度水分胁迫下，不同践踏胁迫之间差异均不显著(P>0.05)；而重度水分胁迫下，则无践踏和中度践踏之间差异不显著(P>0.05)，与重试践踏之间差异显著(P<0.05)。
图1 水分和践踏胁迫对结缕草密度的影响Fig.1 Effects of water and trample stresses on the density of Zoysia grass
恢复期结缕草密度增加明显，在无水和轻度水分胁迫下，受中度和重试践踏的草坪恢复密度大于CK(无践踏)；而重度水分胁迫下，重度践踏胁迫下的草坪密度
2.2 对结缕草株高的影响
从图2中可看出，水分胁迫能够明显抑制结缕草株高的生长，不同的水分胁迫之间差异显著(P<0.05)；不同践踏胁迫对株高的生长随践踏程度的增加而降低，除在无水分胁迫下，轻度和重度践踏之间差异不显著(P>0.05)，但与CK(无践踏)之间差异显著(P<0.05)外，在轻度、重试水分胁迫下，不同践踏之间差异均不显著(P>0.05)。
图2 水分和践踏胁迫对结缕草株高的影响Fig.2 Effects of water and trample stresses on the height of Zoysia grass
恢复期结缕草株高的恢复生长明显，在不同水分胁迫下，结缕草株高的变化是无践踏>中度>重度；在无水分胁迫下，不同践踏胁迫之间的差异显著(P<0.05)；在轻度水分胁迫下，中度和重度践踏胁迫之间的差异不显著(P>0.05)，与CK之间差异显著(P<0.05)；在重度水分胁迫下，中度践踏与CK之间差异不显著(P>0.05)，重度践踏与CK之间差异显著(P<0.05)。
2.3 对结缕草地上生物量的影响
从图3中可以看出，结缕草地上生物量随水分胁迫程度的增加而生物量下降，且不同水分胁迫之间差异显著(P<0.05)。践踏胁迫随处理时间的增加而呈增大的趋势，在无水胁迫下，不同践踏之间差异显著(P<0.05)；在轻度水分胁迫下各践踏处理之间差异不显著(P>0.05)；而在重度水分胁迫下，中度、重度践踏胁迫之间差异不显著(P>0.05)，但与CK之间差异显著(P<0.05)。
图3 水分和践踏胁迫对结缕草生物量的影响Fig.3 Effects of water and trample stresses on the biomass of Zoysia grass
恢复期结缕草地上生物量的恢复生长增加有差异，随水分胁迫程度增加地上生物量则减少，不同水分胁迫处理间差异显著(P<0.05)；在不同水分胁迫下，结缕草地上生物量的变化是无践踏>中度>重度；在无水分胁迫下，中度践踏与CK之间差异不显著(P>0.05)，重度践踏与CK之间差异显著(P<0.05)；在轻度和重度水分胁迫下，各践踏处理之间差异均不显著(P>0.05)。
2.4 对结缕草叶片相对电导率的影响
由图4可看出，结缕草叶片相对电导率随践踏胁迫程度的增加而增大，且随处理时间有先降后增再降的趋势，在试验处理前35 d，叶片相对电导率呈下降趋势，且CK差异显著(P<0.05)；随后开始上升，到第57天达到最大值；恢复期叶片相对电导率明显下降；水分胁迫的效果与践和践踏胁迫的效果一致且叠加，叶片相对电导率随水分胁迫程度的增加而增大；由此表明结缕草叶片在前35 d，水分和践踏胁迫对结缕草生长影响不大；第35天后结缕草受胁迫影响，叶片细胞开始受影响受损；至恢复期又得了恢复生长，相对电导率明显下降，在重度水分胁迫下，重度践踏与CK之间差异显著(P<0.05)，中度践踏与CK之间差异不显著(P>0.05)。
图4 水分和践踏胁迫对结缕草相对电导率的影响Fig.4 Effects of water and trample stresses on the relative conductivity of Zoysia grass
2.5 对结缕草叶片游离脯氨酸含量的影响
由图5可以看出，结缕草叶片游离脯氨酸含量有随践踏胁迫的程度增加而增大，且随处理时间的增加而呈增大的趋势；至恢复期又显著下降，胁迫处理后的恢复更快，与对照差异显著(P<0.05)；水分胁迫处理效应与践踏相似，叶片游离脯氨酸含量明显高于无水胁迫对照，且差异显著(P<0.05)；综合作用有明显的叠加效应。由此表明，叶片游离脯氨酸主要作为渗透调节物质，在结缕草受胁迫后在体内随胁迫处理后就出现，但含量相对较小，随胁迫时间的增长，其含量也随之增加，至结缕草恢复期又下降到较小水平。
图5 水分和践踏胁迫对结缕草游离脯氨酸含量的影响Fig.5 Effects of water and trample stresses on the proline content of Zoysia grass
2.6 对结缕草叶片丙二醛含量的影响
由图6可以看出，结缕草叶片丙二醛含量的变化趋势与叶片相对电导率的变化趋势基本一致，即随践踏胁迫程度的增加而增大，且随处理时间延长有先降后增再降的趋势，在试验处理前35 d，叶片丙二醛含量呈下降趋势，且差异显著(P<0.05)；随后开始上升，到第57天达到最大值；恢复期叶片丙二醛含量明显下降；水分胁迫的效果与践和践踏胁迫的效果基本一致，叶片丙二醛含量随水分胁迫程度的增加而增大。
图6 水分和践踏胁迫对结缕草叶片丙二醛含量的影响Fig.6 Effects of water and trample stresses on the MDA content of Zoysia grass
2.7 对结缕草叶片可溶性糖含量的影响
由图7可以看出，不同水分胁迫下，结缕草叶片可溶性糖含量有随践踏胁迫的程度增加而增大，且随处理时间的增加而呈增大的趋势；至恢复期又显著下降，与对照差异显著(P<0.05)。与无水分胁迫对照相比，叶片可溶性糖含量随水分胁迫程度增加而增大，且轻度和重度胁迫与对照之间差异显著(P<0.05)。由此表明，叶片可溶性糖结缕草叶片受到胁迫后起了渗透调节物质，对植物细胞起了保护作用，胁迫后含量增加，但含量相对较小，随胁迫时间的处长，其含量也随之增加，至结缕草恢复期又下降到较小水平。
图7 水分和践踏胁迫对结缕草叶片可溶性糖含量的影响Fig.7 Effects of water and trample stresses on the solubile sugar content of Zoysia grass
3 结论与讨论
结果表明，水分与践踏胁迫对草坪草都产生明显的影响，并且在重度水分胁迫和重度践踏胁迫下的影响有叠加效应，对草坪草的生长十分不利；但在轻度水分胁迫下，结缕草密度、地上生物量和叶片相对电导率、MDA含量、游离脯氨酸含量和可溶性糖含量在不同践踏胁迫下的差异不显著(P>0.05)；在无水分胁迫和重度水分胁迫下各指标的差异显著性有所不同，在一定程度上轻度水分胁迫有助于提高结缕草的耐践踏性。
对于受水分胁迫和践踏胁迫受损的草坪草，在30 d恢复后发现，践踏胁迫后的草坪密度增加、株高生长量和地上生物量的明显增加，但与对照相比差异不显著(P>0.05)；而水分胁迫后的密度、株高和地上生物量的差异显著(P<0.05)；叶片相对电导率、MDA含量、游离脯氨酸含量和可溶性糖含量等生理指标与对照相比差异不显著(P>0.05)，都能恢复到结缕草正常生长的水平，胁迫效果可完全恢复到与无胁迫生长的相同水平。
作为运动草坪或绿地开放草坪，经常受到不同程度的践踏或水分因子的影响，尤其受践踏影响会导致草坪受到不同程度的草皮磨损、土壤紧实、土壤迫移和草皮削起损伤[10]；同时也会影响草坪草的形态、生长发育、生理代谢、坪床结构和草坪群落构成等[11]。本研究结果也看出，结缕草的密度、株高和生物量随水分胁迫程度的增加而降低，不同水分胁迫之间的差异显著(P<0.05)；践踏胁迫能够明显影响结缕草的株高，但对密度和生物量的影响不显著(P>0.05)，因此，水分是影响结缕草形态指标的关键因子。这主要与结缕草植物结构有关，水分因子决定促进结缕草幼嫩植物组织与器官形成，但践踏可以直接造成其磨损、撕裂和断折，对结缕草的正常生长发育和营养物质的积累产生抑制作用，与普遍的研究结果一致[11-13]。
水分与践踏是影响植物生长的直接环境因子，除直接影响植物生长的形态特征外，也可以引起植物体内地系列抗逆生理的反应机制，如叶片相对电导率和MDA含量、游离脯氨酸含量等生理指标的变化[14]，在本研究中，水分和践踏胁迫因子对结缕草生理指标的影响也很明显，表现在水分和践踏胁迫下生理指标与对照相比都有明显的增大，相对电导率和MDA含量的变化有随处理时间延长而先降后升的趋势，其原因可能与结缕草受胁迫程度有关，在无胁迫或者胁迫程度轻微情况下，结缕草细胞仅受到水分的缩减影响，细胞膜没有受到损伤，叶片相对电导率和MDA含量变化很小；随结缕草受胁迫程度的增加，叶片细胞超出了细胞自身调节能力的范围，细胞膜轻度受损，使得相对电导率和MDA含量值增大，表现出先缓慢降，然后再升高的变化。游离脯氨酸含量和可溶性糖含量随处理时间延长呈递增的趋势，是由于结缕草叶片受到胁迫影响后，通过自身生理渗透调节所发生的反应机制形成的[15]。
对于水分与践踏胁迫之间的关系，水分胁迫(尤其轻度胁迫)能够提高结缕草的抗践踏性，表现在结缕草密度、地上生物量和叶片相对电导率、MDA含量、游离脯氨酸含量和可溶性糖含量在不同的践踏胁迫下的差异不显著(P>0.05)；在无水分胁迫和重度水分胁迫下各指标的表现有差异。由此可推断适当的水分亏缺能够通过降低水的化学活性而引起细胞膨压下降，使植物细胞的柔软度(弹性)增大[16]，并能诱导渗透调节机制的发生，从而保持细胞生长、气孔开放和光合作用等生理过程的正常进行[17]，从而在一定程度上增强了其耐践踏性，这样对于运动草坪和开放草坪的养护来说很有意义。
