水分和踐踏脅迫對結縷草生長及生理生化指標的影響

王 齊，師春娟，孫吉雄，安 淵

(1.云南林業職業技術學院，云南 昆明 650224；2.云南省林業與草原科學院，云南 昆明 650200；3.甘肅農業大學 草業學院，甘肅 蘭州 730070；4.上海交通大學 農業與生物學院，上海 201101)

草坪是園林植物景觀中應用最廣泛的觀賞植物之一，然而隨著城市化的建設與人均活動空間逐漸縮小，再加上不同年齡層次的人群對環境空間的需求也不同，所以在城市園林綠地中設計開放式草坪已成為城市園林綠地規劃的新理念[1]。

與普通觀賞草坪相比，開放式草坪存在更大的踐踏問題，影響草坪土壤的水分分布，給草坪帶來一系列的影響。已有研究表明，踐踏能造成土壤緊實,使土壤水分含量下降[2]，引起草坪草根系向地表分布[3-4]；直接造成草坪磨損,葉片表皮組織受傷導致光合作用能力降低，影響草坪草干物質的積累[5]。同樣，不同強度的水分脅迫很可能導致草坪草不同方式的適應性反應，包括脅迫感受、激素反應、信號傳導、基因表達調控、酶活性變化、滲透調節、氣孔運動、形態或生長速率改變等多個或其中幾個環節的協同作用，以減少由其帶來的脅迫傷害[6]。

因此，除了進行更精心地養護管理外，還要選擇耐踐踏的草種、合理的坪床土壤類型和坪床結構，以及科學的水分管理等技術要求。本研究通過不同梯度的水分與踐踏脅迫模擬試驗，研究在不同水分脅迫、不同踐踏脅迫以及2種脅迫同時存在下草坪草的形態和生理指標的變化，探討水分與踐踏脅迫下的植物的抗逆性，為草坪草在不同脅迫下的養護管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在上海交通大學農業與生物學院實驗農場進行，地理位置31°14′N、121°29′E，北亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.6℃，≥10℃的有效積溫2 857℃，年降水量1 302 mm，主要集中在5-9月。土壤質地黏重，呈酸性。

1.2 試驗設計

試驗草坪為大田露天種植的“JD-1”結縷草(zoysia)草坪，由種子播種而成的2年生草坪。試驗前按設計做小區分隔。

大田樣地采用裂區設計(以踐踏為主區，水分為副區，隨機區組排列)；3次重復，共27塊小區；小區面積2 m×1.5 m；小區間用塑料板(120 cm×20 cm×0.5 cm)拼接隔檔，防止水分交流；小區四周設保護行。

1.3 試驗處理

1.3.1 踐踏脅迫 采用踐踏器模擬踐踏(由2個并排粗細不同的實心鐵輥構成，￠大30 cm×50 cm；￠小20 cm×50 cm，表面具套有橡皮的小釘，￠1.5 cm×3 cm，質量70 kg)。程度分別為：無踐踏(不進行踐踏處理)、中度踐踏(每2 d用踐踏器來回踐踏3次)和重度踐踏(每天用踐踏器來回踐踏3次)3種處理。

1.3.2 水分脅迫 分別為：水分充足(土壤水分含量>75%田間持水量)、輕度脅迫(土壤水分含量：45%～60%田間持水量)和重度脅迫(土壤水分含量為20%～40%田間持水量)3種處理。

水分梯度：稱重法，即在試驗地中埋放測量水分草坪塞柱，用于水分重量測定。

1.4 指標測定

試驗于2016年3月開始，避開雨季影響，按試驗設計開始處理后，為研究動態變化，分別在處理后第10、35、57天測定形態指標和生理指標；從第58天開始連續30 d，正常養護管理進行恢復期試驗，直到試驗結束。

1.4.1 形態指標測定 測定指標有：密度、蓋度、株高、葉寬和地上生物量(以下稱生物量)；每個小區除密度、地上/地下生物量測3次重復外，其余指標各測10次重復。密度/(株·m-2)、葉長/cm：采用實測法；株高/cm：定點植株標記法；蓋度/%：針刺法；均一性：均勻度法；地上生物量/(g·100 m-2)：采用齊根修剪法。

1.4.2 生理指標測定 葉片相對含水量參照王晶英[7]的方法；葉片質膜透性參照李合生[8]的電導率法并加以改進；葉片游離脯氨酸含量用酸性茚酸酮顯色法[8]；葉片丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸顯色法[8]；可溶性總糖用蒽酮比色法[9]。

1.5 數據分析

差異性分析采用Excel 2010、SAS8.0軟件系統完成。

2 結果與分析

2.1 對結縷草密度的影響

從圖1中曲線變化可看出，水分與踐踏因子對結縷草密度都有不同的影響。隨水分脅迫程度的增加，結縷草的密度逐漸減小，且差異顯著(P<0.05)。而不同踐踏脅迫隨處理時間延長則呈先增后降趨勢，且在無水脅迫下，中度和重試踐踏之間差異不顯著(P>0.05)，與CK(無踐踏)之間差異顯著(P<0.05)；在輕度水分脅迫下，不同踐踏脅迫之間差異均不顯著(P>0.05)；而重度水分脅迫下，則無踐踏和中度踐踏之間差異不顯著(P>0.05)，與重試踐踏之間差異顯著(P<0.05)。

圖1 水分和踐踏脅迫對結縷草密度的影響Fig.1 Effects of water and trample stresses on the density of Zoysia grass

恢復期結縷草密度增加明顯，在無水和輕度水分脅迫下，受中度和重試踐踏的草坪恢復密度大于CK(無踐踏)；而重度水分脅迫下，重度踐踏脅迫下的草坪密度0.05)，表現出了脅迫的疊加效應。

2.2 對結縷草株高的影響

從圖2中可看出，水分脅迫能夠明顯抑制結縷草株高的生長，不同的水分脅迫之間差異顯著(P<0.05)；不同踐踏脅迫對株高的生長隨踐踏程度的增加而降低，除在無水分脅迫下，輕度和重度踐踏之間差異不顯著(P>0.05)，但與CK(無踐踏)之間差異顯著(P<0.05)外，在輕度、重試水分脅迫下，不同踐踏之間差異均不顯著(P>0.05)。

圖2 水分和踐踏脅迫對結縷草株高的影響Fig.2 Effects of water and trample stresses on the height of Zoysia grass

恢復期結縷草株高的恢復生長明顯，在不同水分脅迫下，結縷草株高的變化是無踐踏>中度>重度；在無水分脅迫下，不同踐踏脅迫之間的差異顯著(P<0.05)；在輕度水分脅迫下，中度和重度踐踏脅迫之間的差異不顯著(P>0.05)，與CK之間差異顯著(P<0.05)；在重度水分脅迫下，中度踐踏與CK之間差異不顯著(P>0.05)，重度踐踏與CK之間差異顯著(P<0.05)。

2.3 對結縷草地上生物量的影響

從圖3中可以看出，結縷草地上生物量隨水分脅迫程度的增加而生物量下降，且不同水分脅迫之間差異顯著(P<0.05)。踐踏脅迫隨處理時間的增加而呈增大的趨勢，在無水脅迫下，不同踐踏之間差異顯著(P<0.05)；在輕度水分脅迫下各踐踏處理之間差異不顯著(P>0.05)；而在重度水分脅迫下，中度、重度踐踏脅迫之間差異不顯著(P>0.05)，但與CK之間差異顯著(P<0.05)。

圖3 水分和踐踏脅迫對結縷草生物量的影響Fig.3 Effects of water and trample stresses on the biomass of Zoysia grass

恢復期結縷草地上生物量的恢復生長增加有差異，隨水分脅迫程度增加地上生物量則減少，不同水分脅迫處理間差異顯著(P<0.05)；在不同水分脅迫下，結縷草地上生物量的變化是無踐踏>中度>重度；在無水分脅迫下，中度踐踏與CK之間差異不顯著(P>0.05)，重度踐踏與CK之間差異顯著(P<0.05)；在輕度和重度水分脅迫下，各踐踏處理之間差異均不顯著(P>0.05)。

2.4 對結縷草葉片相對電導率的影響

由圖4可看出，結縷草葉片相對電導率隨踐踏脅迫程度的增加而增大，且隨處理時間有先降后增再降的趨勢，在試驗處理前35 d，葉片相對電導率呈下降趨勢，且CK差異顯著(P<0.05)；隨后開始上升，到第57天達到最大值；恢復期葉片相對電導率明顯下降；水分脅迫的效果與踐和踐踏脅迫的效果一致且疊加，葉片相對電導率隨水分脅迫程度的增加而增大；由此表明結縷草葉片在前35 d，水分和踐踏脅迫對結縷草生長影響不大；第35天后結縷草受脅迫影響，葉片細胞開始受影響受損；至恢復期又得了恢復生長，相對電導率明顯下降，在重度水分脅迫下，重度踐踏與CK之間差異顯著(P<0.05)，中度踐踏與CK之間差異不顯著(P>0.05)。

圖4 水分和踐踏脅迫對結縷草相對電導率的影響Fig.4 Effects of water and trample stresses on the relative conductivity of Zoysia grass

2.5 對結縷草葉片游離脯氨酸含量的影響

由圖5可以看出，結縷草葉片游離脯氨酸含量有隨踐踏脅迫的程度增加而增大，且隨處理時間的增加而呈增大的趨勢；至恢復期又顯著下降，脅迫處理后的恢復更快，與對照差異顯著(P<0.05)；水分脅迫處理效應與踐踏相似，葉片游離脯氨酸含量明顯高于無水脅迫對照，且差異顯著(P<0.05)；綜合作用有明顯的疊加效應。由此表明，葉片游離脯氨酸主要作為滲透調節物質，在結縷草受脅迫后在體內隨脅迫處理后就出現，但含量相對較小，隨脅迫時間的增長，其含量也隨之增加，至結縷草恢復期又下降到較小水平。

圖5 水分和踐踏脅迫對結縷草游離脯氨酸含量的影響Fig.5 Effects of water and trample stresses on the proline content of Zoysia grass

2.6 對結縷草葉片丙二醛含量的影響

由圖6可以看出，結縷草葉片丙二醛含量的變化趨勢與葉片相對電導率的變化趨勢基本一致，即隨踐踏脅迫程度的增加而增大，且隨處理時間延長有先降后增再降的趨勢，在試驗處理前35 d，葉片丙二醛含量呈下降趨勢，且差異顯著(P<0.05)；隨后開始上升，到第57天達到最大值；恢復期葉片丙二醛含量明顯下降；水分脅迫的效果與踐和踐踏脅迫的效果基本一致，葉片丙二醛含量隨水分脅迫程度的增加而增大。

圖6 水分和踐踏脅迫對結縷草葉片丙二醛含量的影響Fig.6 Effects of water and trample stresses on the MDA content of Zoysia grass

2.7 對結縷草葉片可溶性糖含量的影響

由圖7可以看出，不同水分脅迫下，結縷草葉片可溶性糖含量有隨踐踏脅迫的程度增加而增大，且隨處理時間的增加而呈增大的趨勢；至恢復期又顯著下降，與對照差異顯著(P<0.05)。與無水分脅迫對照相比，葉片可溶性糖含量隨水分脅迫程度增加而增大，且輕度和重度脅迫與對照之間差異顯著(P<0.05)。由此表明，葉片可溶性糖結縷草葉片受到脅迫后起了滲透調節物質，對植物細胞起了保護作用，脅迫后含量增加，但含量相對較小，隨脅迫時間的處長，其含量也隨之增加，至結縷草恢復期又下降到較小水平。

圖7 水分和踐踏脅迫對結縷草葉片可溶性糖含量的影響Fig.7 Effects of water and trample stresses on the solubile sugar content of Zoysia grass

3 結論與討論

結果表明，水分與踐踏脅迫對草坪草都產生明顯的影響，并且在重度水分脅迫和重度踐踏脅迫下的影響有疊加效應，對草坪草的生長十分不利；但在輕度水分脅迫下，結縷草密度、地上生物量和葉片相對電導率、MDA含量、游離脯氨酸含量和可溶性糖含量在不同踐踏脅迫下的差異不顯著(P>0.05)；在無水分脅迫和重度水分脅迫下各指標的差異顯著性有所不同，在一定程度上輕度水分脅迫有助于提高結縷草的耐踐踏性。

對于受水分脅迫和踐踏脅迫受損的草坪草，在30 d恢復后發現，踐踏脅迫后的草坪密度增加、株高生長量和地上生物量的明顯增加，但與對照相比差異不顯著(P>0.05)；而水分脅迫后的密度、株高和地上生物量的差異顯著(P<0.05)；葉片相對電導率、MDA含量、游離脯氨酸含量和可溶性糖含量等生理指標與對照相比差異不顯著(P>0.05)，都能恢復到結縷草正常生長的水平，脅迫效果可完全恢復到與無脅迫生長的相同水平。

作為運動草坪或綠地開放草坪，經常受到不同程度的踐踏或水分因子的影響，尤其受踐踏影響會導致草坪受到不同程度的草皮磨損、土壤緊實、土壤迫移和草皮削起損傷[10]；同時也會影響草坪草的形態、生長發育、生理代謝、坪床結構和草坪群落構成等[11]。本研究結果也看出，結縷草的密度、株高和生物量隨水分脅迫程度的增加而降低，不同水分脅迫之間的差異顯著(P<0.05)；踐踏脅迫能夠明顯影響結縷草的株高，但對密度和生物量的影響不顯著(P>0.05)，因此，水分是影響結縷草形態指標的關鍵因子。這主要與結縷草植物結構有關，水分因子決定促進結縷草幼嫩植物組織與器官形成，但踐踏可以直接造成其磨損、撕裂和斷折，對結縷草的正常生長發育和營養物質的積累產生抑制作用，與普遍的研究結果一致[11-13]。

水分與踐踏是影響植物生長的直接環境因子，除直接影響植物生長的形態特征外，也可以引起植物體內地系列抗逆生理的反應機制，如葉片相對電導率和MDA含量、游離脯氨酸含量等生理指標的變化[14]，在本研究中，水分和踐踏脅迫因子對結縷草生理指標的影響也很明顯，表現在水分和踐踏脅迫下生理指標與對照相比都有明顯的增大，相對電導率和MDA含量的變化有隨處理時間延長而先降后升的趨勢，其原因可能與結縷草受脅迫程度有關，在無脅迫或者脅迫程度輕微情況下，結縷草細胞僅受到水分的縮減影響，細胞膜沒有受到損傷，葉片相對電導率和MDA含量變化很小；隨結縷草受脅迫程度的增加，葉片細胞超出了細胞自身調節能力的范圍，細胞膜輕度受損，使得相對電導率和MDA含量值增大，表現出先緩慢降，然后再升高的變化。游離脯氨酸含量和可溶性糖含量隨處理時間延長呈遞增的趨勢，是由于結縷草葉片受到脅迫影響后，通過自身生理滲透調節所發生的反應機制形成的[15]。

對于水分與踐踏脅迫之間的關系，水分脅迫(尤其輕度脅迫)能夠提高結縷草的抗踐踏性，表現在結縷草密度、地上生物量和葉片相對電導率、MDA含量、游離脯氨酸含量和可溶性糖含量在不同的踐踏脅迫下的差異不顯著(P>0.05)；在無水分脅迫和重度水分脅迫下各指標的表現有差異。由此可推斷適當的水分虧缺能夠通過降低水的化學活性而引起細胞膨壓下降，使植物細胞的柔軟度(彈性)增大[16]，并能誘導滲透調節機制的發生，從而保持細胞生長、氣孔開放和光合作用等生理過程的正常進行[17]，從而在一定程度上增強了其耐踐踏性，這樣對于運動草坪和開放草坪的養護來說很有意義。