上海地區夏季干旱、強光照對草地早熟禾的影響

袁曉君，龔振德，涂明月，陳祖春，吳月琴，何亞麗

（1. 上海市能源作物育種及應用重點實驗室 / 上海大學生命科學學院，上海 200444；2. 上海市花卉良種試驗場，上海 201615；3. 上海交通大學農業與生物學院，上海 200240）

草地早熟禾(Poa pratensis)原產于歐洲和亞洲北部，是溫帶地區常見的優質冷季型草坪草和牧草，具有質地柔軟、草坪密度高、耐踐踏、耐修剪和耐低溫等優點[1]。在濕潤冷涼的地區，草地早熟禾可以保持周年常綠，但在上海地區普遍存在越夏難的問題，往往會出現生長減緩，葉色發黃，甚至出現大面積的死亡，草坪觀賞質量大大下降。夏季田間脅迫是一個十分復雜的情況，高溫常被認為是影響冷季型草安全越夏的主要因子[2]。作為冷季型草，最適宜的地上部生長溫度是15～24 ℃，根系為10～18 ℃[3]。上海屬于亞熱帶季風氣候，冬冷夏熱，7、8月份最高平均溫度32 ℃，極端氣溫可達40 ℃。高溫會引起植物細胞內蛋白質變性，光合速率下降，呼吸作用增強，從而導致植株停止生長，甚至死亡[1]。

上海地區降水主要集中在6-8月，梅雨和臺風活動是該地區該階段降水的主要原因。梅雨過后，上海即進入酷熱的“三伏”天氣，這段時間的降水主要由臺風帶來，但每年臺風次數和影響強度并不穩定[4]，就會造成降水量在不同年份間存在巨大差異。因此，上海地區夏季除了高溫，還會面臨干旱或洪澇的情況，無論高溫干旱還是高溫高濕，都對草地早熟禾的生長極為不利。持續高溫干旱會加速土壤水分蒸發，同時也加大植株的蒸騰量，植物更快表現出葉片的脫水、失綠和衰老。高溫高濕環境有利于病菌的生長，尤其是真菌的擴散蔓延，病菌會侵入本已受高溫脅迫虛弱的草地早熟禾，如不及時采取防治措施，將對草坪造成巨大的傷害，比如常見的病害有銹病、枯萎病、褐斑病等[5-6]。

除了水分因素，夏季強烈的陽光對草坪的生長也會造成一定的傷害。光是植物生長發育的基本因子，隨著光照強度增大，植物光合速率提高，但當光照強度超出其光飽和點時，光合速率就會下降，產生光抑制現象。在持續的強光脅迫下，光合色素會發生光氧化，造成光合膜的損害，從而出現灼傷，甚至枯死的癥狀。在自然環境中，隨著光照強度增加，紫外線的強度也會隨之增加。20世紀末以來，大量研究表明，UV-B(280～320 nm)是生物的有效輻射[7]。高強度的UV-B照射會直接損傷光合系統，降低葉面積和光合色素，明顯減弱植株凈光合速率，導致產量下降，并且光合速率的降低程度與UV-B照射量呈正比[8]。

選育越夏性強的材料，采取合理的栽培管理，是保證包括草地早熟禾在內的冷季型草能在上海安全越夏的兩項重要措施。之前，已開展了一些關于越夏性強材料的選育工作，通過多年夏季田間鑒定篩選(自然脅迫、人工接種褐斑病菌、人工澇害脅迫)，選育出兩個越夏性好的材料KBG03和KBG04，它們具有葉片亮綠、生長速度快的特點，而且經過夏季炎熱干旱脅迫后，它們秋季綠色草坪草的蓋度可保持在70%左右[9]。目前，這兩個品系的混合群體已通過上海市農作物品種審定委員會的認定，品種名為‘滬禾2號'。如果能進一步弄清上海地區草地早熟禾夏季受脅迫的主要因子，有的放矢地進行材料的選育和管理，將大大提高研究效率，降低維護成本。因此，本研究選取8個越夏性有差異，且越夏性與耐熱性并不一致的材料，進行夏季田間的干旱、強光照脅迫處理，旨在尋找除高溫之外，可能造成上海地區草地早熟禾越夏困難的主要非生物脅迫因子，并分析它們是否是造成這些材料越夏性差異的主要原因。

1 材料與方法

1.1 供試材料

上海交通大學農業與生物學院草坪草育種課題組前期搜集了80多個草地早熟禾材料，并利用人工氣候室進行了耐熱鑒定，同時，選取其中40個材料種在田間，進行了多年的成坪比較(數據略)。結合耐熱鑒定結果和田間成坪的越夏表現，從中選取4個越夏性強、4個越夏性弱的材料用于本研究，且這8個材料在越夏性和耐熱性上存在一定差異 (表 1)。其中，‘KBG03'和‘KBG04'是選育出的品系[9]，越夏性好，耐熱性分別為中等偏弱和中等。‘獎品'、‘優美'、‘月夜'、‘布魯克'和‘炫目'是國外引進的品種，前3個材料越夏性弱，但耐熱性較強，后2個越夏性強，‘布魯克'耐熱性弱，‘炫目'耐熱性中等。‘寧蘭'為寧夏大學提供的野生材料，在上海地區越夏困難，由于其未參加前期的耐熱鑒定，故耐熱性不詳。

1.2 試驗設計

本研究在上海交通大學農業與生物學院農場(121°26' E，31°12' N)進行，氣候冬冷夏熱，四季分明，雨熱同季，降水充沛，但變化較大。2017年3月23日從田間成坪小區中，移栽供試的8個材料到穴盤中，每穴1株，每穴大小5 cm × 5 cm × 5 cm。每盆種植8個材料，每個材料一列，每列6株。將材料置于玻璃溫室中先培養1個月(自然條件)，再移至室外，讓植株在露天環境下生長。

2017年6月19日上海進入梅雨期，梅雨期間最高氣溫均在30 ℃以下，且雨水充沛。7月5日出梅，次日對植株進行修剪(株高約10 cm)，打藥，每日中午陽光強烈時進行遮陰，等待持續晴天開始試驗。7月12日傍晚給所有材料澆水(澆透)，次日對材料進行不同處理。本研究共設4個處理：不遮陰/澆水、遮陰/澆水、遮陰/斷水、不遮陰/斷水。不遮陰處理完全處于自然光照狀態，遮陰處理全天用遮陰網遮陰，澆水處理每天每盆澆水1 L，斷水處理完全不澆水。每個處理種植5盆，共20盆。

7月13日進行第1次測定，之后分別在7月15日、7月17日、7月19日、7月21日進行4次測定。整個試驗期間，持續高溫、無雨。

1.3 試驗方法

1.3.1 環境因子測定

5個測定日，每隔2 h測定一次遮陰和不遮陰條件下的溫度、濕度、光強和紫外光照強度。測定時間分別為 08:30、10:30、12:30、14:30、16:30 和 17:00，即每日測定6次，每次每個指標測定2遍。使用中國臺灣生產的UVAB Light Meter (TENMARSTM-213)進行紫外強度測定，使用一號光源(DLI-2000)測定全光譜照度。

1.3.2 土壤、葉片含水量的測定

每個處理中固定2盆用于破壞性取樣，于每個測定日上午進行。每個處理的每個材料取兩株(兩次重復)，剪取所有地上部分葉片，同時取該穴中的所有泥土(不含根)，在田間迅速稱取鮮重。再將之置于烘箱中，90 ℃干燥10 h后取出，室溫冷卻，稱取干重。然后，計算葉片和土壤的含水量。

1.3.3 生長速度和目測評分

每個處理中固定3盆用于株高測定和評分，即3次重復，于每個測定日下午進行。每盆每個材料(1列)測量3個株高值，并采用“九分制”目測評分法對該列進行整體評價。9分最高，表示植株狀態最好，0分最低，表示全部死亡。不同測定日測得株高的差值作為生長速度的指標。

1.4 數據統計與分析

用Microsoft Office Excel 2007對株高、葉片含水量、土壤含水量等數據進行了統計分析及作圖。如果同一處理中不同材料間存在顯著差異，則采用LSD法進行多重比較，并用小寫字母進行標注。

1.4 統計學分析 運用SPSS 18.0軟件對數據進行統計學分析，數據均符合正態分布，計量資料以表示，數據比較采用獨立樣本t檢驗，計數資料以例(%)表示，數據比較采用χ2檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 不同脅迫處理下的環境因子變化

將5個測定日測定的溫度、濕度、光照和紫外強度值取平均，繪制田間白天這段時間內的基本氣象情況(圖1)。一天中，中午的光照強度最大，在不遮陰條件下12:30時的光照強度和紫外強度分別達到82 kLux和6.3 mW·cm-2，15:30后明顯減弱，僅為最高峰時的一半左右。在遮陰條件下，光照強度和紫外強度大大減弱，最高值在10:30，分別為 10 kLux和 0.78 mW·cm-2，12:30次之。

圖 1 白天田間光照強度、紫外強度、溫度、濕度變化Figure 1 Changes in light intensity, UV radiation intensity, temperature, and humidity in the field during the day

正如預期，田間12:30的氣溫達到最高，不遮陰和遮陰情況下分別為46.2和37.8 ℃，遮陰的降溫效果十分顯著。濕度呈現與溫度相反的變化趨勢，中午低、早晚高，遮陰比不遮陰濕度普遍提高15%～25%。遮陰時，14:30左右濕度最低(不到60%)，早晚濕度超過70%。未遮陰時，最低濕度出現在12:30，僅30%，早晚濕度超過50%。

2.2 不同脅迫處理下的土壤和葉片含水量變化

澆水條件下，在不遮陰時土壤含水量穩定，維持在50%～60%，說明每日澆水量與土壤蒸發和植株消耗量基本持平。在遮陰時，土壤含水量逐漸提高，從50%左右上升到75%左右，可能因為遮陰環境下濕度大、蒸發量小，灌水量大于消耗量所致。斷水條件下，無論是否遮陰，土壤含水量隨處理時間增加而逐步降低，處理第9天，遮陰下土壤平均含水量跌至8.5%，不遮陰僅為2.4%，都已達到一個極低的水平。

同時，考察植株葉片中的水分變化。澆水條件下，無論是否遮陰，植株葉片含水量均保持穩定，維持在70%～80%。斷水條件下，葉片含水量在初始幾天內同樣能維持在70%以上，而遮陰的第7天葉片含水量開始降低，到第9天時僅為25%，不遮陰的第5天葉片含水量就已開始明顯下降，到第9天時僅為2.6%。顯然，在斷水后不遮陰比遮陰的植物葉片更早出現缺水，且情況更嚴重。土壤和葉片含水量的測定結果與普遍認知一致，同時量化給出了上海地區夏季田間不灌水時，草地早熟禾在不同遮陰條件下開始缺水的時間和缺水程度。此外，同一處理下不同材料的土壤和葉片含水量變化并沒有顯著差異。

2.3 不同脅迫處理下的植物生長速度和狀態

澆水處理下，各材料在遮陰時的生長速度明顯較不遮陰時快，但不同材料的累計株高增長量存在顯著差異(圖2)，J43生長最快，在遮陰和不遮陰時分別為10.5和6.8 cm，其次是J31和J30。只要給予充足的水分，無論是否遮陰，草地早熟禾均能保持良好的狀態，平均評分維持在8分以上(圖3)。

圖 2 不同處理下各材料生長速度的比較Figure 2 Comparison of growth rates among different cultivars under different treatments不同小寫字母表示同一處理下不同材料間存在顯著差異(P ＜ 0.05)。Different lowercase letters within a treatment indicate a significant difference among different materials at the 0.05 level.

圖 3 不同處理下各材料的目測評分變化Figure 3 Visual rating of different cultivars under different treatments

斷水處理后，各材料的株高累計增長量明顯較澆水處理時少，后2次測定時大部分材料已基本停止生長，且同一斷水處理下不同材料間株高累計增長量并沒有顯著差異(圖2)。同時，斷水第5天植物的平均評分開始出現下降，尤其是不遮陰時下降十分明顯，第5、7、9天平均評分依次為4、1.9和1.4分(圖3)，可見干旱和高光強/紫外共同作用對植株造成了更加嚴重的脅迫。

3 討論與結論

3.1 干旱對草地早熟夏季生長的脅迫

夏季冷季型草受到的非生物脅迫，除了高溫，可能還來自干旱。本研究發現，斷水5～7 d后葉片含水量開始下降，草坪表現出嚴重的受脅迫狀態。這與柴燁[10]對包括草地早熟禾屬在內的4個屬11個品種的冷季型草夏季斷水一周的表現一致，并且與高羊茅(Festuca arundinacea)中在高溫斷水處理后葉片含水量變化情況也相仿[11]。而且，由于本研究的脅迫強度更大(高溫更高、持續時間更長、光照更強)，葉片含水量下降出現的更早且更嚴重。

水分在植物體內的功能是多方面的，光合作用所需的水分只占植物吸收水分的1%以下[14]。只有葉片水分含量高于維持細胞形態所需水分，才能開始進行光合作用。王紀華等[15]發現，小麥(Triticum aestivum)葉片含水量下降到70%左右是葉片光合生理活性的一個重要轉折點。在夏玉米的研究中也證實了葉片含水量是影響葉片凈光合速率的重要因子[12]，當含水量降到70%時，凈光合效率為0。本研究中，反映植株狀態的目測評分和葉片含水量的變化趨勢一致，并且同樣發現70%左右是草地早熟禾葉片含水量的一個重要轉折點，低于該值后，植株狀態明顯變差，可能光合作用受到了嚴重的破壞。

3.2 強光照/紫外對草地早熟夏季生長的脅迫

光合作用是植物生長發育的基礎，不同植物的光飽和點不同。草地早熟禾‘Nassu'品種[16]的近光飽和點和光補償點分別約為 850 和 18 μmol·(m2·s)-1，在陽光下相當于47和1 kLux。本研究中，白天遮陰條件下的光強均高于報道的光補償值，可滿足草地早熟禾正常生長的需要；同時未遮陰的光強已遠遠超過報道的光飽和點，過剩的光能可能會引起光抑制現象的發生，甚至對植株造成不可逆的傷害。

UV-B輻射會減緩植物生長，抑制下胚軸生長，使株高降低[17]，同時它還會影響植物的生理生化代謝，破壞葉綠體，降低光合效率[18]。本研究中，無論是否澆水，在未遮陰的強紫外下，草地早熟禾生長都明顯減緩。在斷水情況下，紫外越強，草地早熟禾受脅迫越嚴重，且脅迫出現的時間也越早；而在澆水情況下，強紫外并未對植株造成明顯傷害。可見，本研究中強紫外對植株造成的傷害遠不及干旱，在干旱情況下，強紫外會明顯加重脅迫。

本研究中，強紫外和干旱的雙重脅迫加重對草地早熟禾的傷害程度，超過單一的干旱脅迫，這與對滇楊(Populus yunnanensis)的研究結果相似[19]。但對春小麥[20]、向日葵(Helianthus annuus)[21]、胡枝子(Lespedeza)[22]等的研究發現，這兩種脅迫復合時可以緩解單因子傷害的程度。UV-B輻射能緩解水分限制對苦蕎麥(Fagopyrum tataricum)生長造成的負效應，但對普通蕎麥(Fagopyrum esculentum)并沒有明顯影響[23]。另外，在對青藏高原高海拔和低海拔的兩種沙棘(Hippophae rhamnoide)研究中發現[24]，UV-B和干旱復合對低海拔沙棘可能會造成協同傷害，而UV-B照射能減弱高海拔沙棘的缺水敏感性。可見這兩種脅迫疊加對植物所造成的影響是加重加還是緩解并不一定，可能與植物種類以及脅迫強度有關。

3.3 上海地區草地早熟禾越夏困難原因分析

從20世紀90年代開始，上海夏天的平均氣溫越來越高，入夏越來越早，而且夏季越來越長。在本研究開展期間，連續晴熱無雨、氣溫節節攀高，尤其在2017年7月21日徐家匯站測得最高溫度達40.9 ℃，該氣溫刷新了上海145年氣象史上的最高紀錄。這階段的天氣(極端高溫、強光照、無降水)保證了本研究的順利開展。

本研究選用的是耐熱性和越夏性基本相反的材料，目的在于排除越夏性中的高溫因素。這些材料在干旱脅迫下受傷害均十分明顯，但不同材料間并沒有表現出明顯的耐旱性差異。此外，強光照/紫外在斷水情況下會加重干旱對植物的傷害程度，但強光照對不同材料的脅迫程度同樣沒有顯著差異。由于設計試驗時，考慮到田間工作量和操作性，僅以植株整體狀態評分和葉片含水量作為主要指標，來初步比較不同材料間的抗性差異。更多的生理、生化和表型指標[25-26]將在后續的試驗中進行檢測，對本研究結論進行進一步的確認。根據目前結果分析，造成草地早熟禾在上海地區越夏困難的主要非生物脅迫因子是干旱，如果能保證充足的水分，植株就有希望在田間保持良好的狀態。

同時，本研究還發現造成不同草地早熟禾材料在該地區越夏性差異的原因可能并非非生物脅迫因子(高溫、強光照、干旱)。根據觀察，在本研究澆水組中發現NL和J43兩個越夏弱的材料在處理第5天起就出現了銹病，并且在之前多年的田間種植中也發現NL很容易感染銹病，且十分嚴重。銹病是草坪草的一種重要病害，病原菌種類多，一旦環境適宜，其傳播速度快，葉片、葉鞘或莖稈上會迅速布滿大片的棕色銹病孢子堆，影響光合作用，最終導致植株變黃，甚至枯死[27]。如果遇到夏季雨水多的年份，濕熱的氣候就極易造成草地早熟禾感染包括銹病在內的一系列病害，因此這可能也是上海地區夏季的又一個重要脅迫因子，將進一步開展對這些材料的病菌接種試驗加以驗證。

為了讓草地早熟禾能在上海地區安全越夏，采取合理的管理措施必不可少。綜上所述，在少雨干旱的時候，需進行及時的澆水灌溉，不僅可以降低植株和土壤溫度，更是為了保證植株能有充足的水分進行正常的生理活動。補水時間需在葉片含水量未顯著下降時，不然將造成植株難以逆轉的傷害，根據本研究結果，建議高溫暴曬下不要超過3 d，高溫遮陰下不要超過5 d。當然澆水還要注意適時適量，避免造成新的澇害，進而引發一些生物脅迫的發生。