3種冷季型草坪草對持續(xù)干旱、高溫及其互作的生理生態(tài)響應(yīng)

宋婭麗， *， ， ，

(1. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與水土保持學(xué)院， 云南 昆明 650224； 2. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院， 北京 100083)

隨著水資源短缺和全球氣候變暖，部分區(qū)域發(fā)生旱災(zāi)頻率和嚴(yán)重性增加[1-2]，全球氣溫也被預(yù)測到21世紀(jì)末將上升1.8～4.0oC[3]。干熱地區(qū)的冷季型草坪草面臨著干旱和高溫的雙重脅迫，兩者共同影響著草坪草的生長、發(fā)育和生理生態(tài)過程，這種自然環(huán)境極大地限制了綠地草坪的普及和推廣，并嚴(yán)重影響其建坪質(zhì)量后期產(chǎn)量和效率[4-5]。干旱脅迫下質(zhì)膜透性增加，細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)滲透增多，電解液相對電導(dǎo)率升高；同時植物體內(nèi)可以積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖，冠層同化物向根系分配增多，促進(jìn)根系生長[6-7]。高溫脅迫下植物水分虧缺，光合速率降低，生長緩慢，活性氧代謝失調(diào)，膜脂過氧化發(fā)生，質(zhì)膜透性增加，但同時植物通過降低蒸騰和增加內(nèi)可溶性有機物質(zhì)的濃度來減緩水分缺失[8-10]。

黑麥草(LoliumperenneL.)、高羊茅(FestucaarundinaceaL.)和早熟禾(PoapratensisL.)為多年生冷季型草坪草，最適溫度范圍為15.6～23.9℃[11]，常作為建坪的先鋒草種，適合在我國過渡地帶及其冷涼地區(qū)生長[12]。已有的關(guān)于草坪草抗逆性的研究大多集中于抗旱、抗寒、抗高溫、抗病蟲害、耐鹽堿、耐酸鋁性等方面，且主要集中在單一脅迫對草坪草的影響，而缺乏干旱高溫互作或復(fù)合脅迫對不同冷季型草坪草生理生態(tài)的研究資料。研究表明，干旱和高溫協(xié)同發(fā)生比干旱或高溫單一脅迫對植物生長構(gòu)成的危害更大[13]，而這方面的研究將有助于全面理解不同逆境脅迫影響冷季型草坪草的內(nèi)在生理機制。由于夏季持續(xù)干旱高溫的影響，冷季型草坪草的生長受到了限制，但其傷害機制尚不明確。因此，本試驗選擇3種典型冷季型草坪草，設(shè)置干旱、高溫及其互作處理，對其幼苗進(jìn)行持續(xù)脅迫，觀測并掌握各品種在脅迫環(huán)境中的主要生理生態(tài)指標(biāo)變化，擬揭示3種冷季型草坪草對持續(xù)干旱高溫環(huán)境的生理適應(yīng)性，并為夏季持續(xù)干旱高溫區(qū)域進(jìn)行冷季型草坪草的引種和養(yǎng)護(hù)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為北京克勞沃公司進(jìn)口的3種多年生冷季型草坪草：黑麥草-輝煌(LoliumperenneL.)、高羊茅-火鳳凰2號(FestucaarundinaceaL.)、早熟禾-雪狼(PoapratensisL.)，均為價值較高的優(yōu)良品系。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地位于云南省西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與水土保持學(xué)院溫室大棚，2016年4月初采用盆栽方法進(jìn)行播種，種子種植于裝有多孔粘土(沙土比為1：1)的PVC管中(直徑 10 cm，深 40 cm)，灌水后將土壓實，放于玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)。溫室中采用自然光照，不加溫，且材料的培養(yǎng)的處理主要參考Qian和Fu[14]的方法。待種子發(fā)芽后每2 d澆一次水，每4 d用Hoagland營養(yǎng)液澆灌。在培養(yǎng)期間，每周修剪植物以保持平均高度控制在10 cm。

播種3個月后將植物轉(zhuǎn)入能夠控制環(huán)境因子的步入式恒溫培養(yǎng)箱中生長。在恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行2周的適應(yīng)性培養(yǎng)：溫度設(shè)定為白天21oC，晚上18oC(12 h光照，12 h黑暗)，控制空氣相對濕度為70%，光照強度為660 μmol m-2·s-1。2周后將葉片高度統(tǒng)一修剪為10 cm，進(jìn)行干旱、高溫及其互作處理，共4周。各處理分為4個：對照(CK)、干旱處理(D)、高溫處理(H)或干旱和高溫互作處理(D+H)。CK的溫度設(shè)置為白天20oC，晚上17oC，植物每2 d澆一次水，澆水量為100%水分蒸散量(ET)(澆水量用稱重法獲得)；D處理溫度與CK相同，植物同樣每2 d澆一次水，但澆水量減小為50% ET；H處理下的植物溫度設(shè)定為白天35oC，晚上32oC，澆水量與CK處理相同；D+H處理溫度與H處理相同，澆水量與D處理相同。

不同品種及不同處理各3個重復(fù)。為減小與避免不同恒溫培養(yǎng)箱中環(huán)境條件不同對樣品的影響，將樣品在培養(yǎng)箱內(nèi)隨機放置。每個星期將植物重新放在不同恒溫培養(yǎng)箱中。其他條件包括：70%的相對濕度、750 μmol m-2·s-1的光照強度，以及12小時的光周期。按照溫室中的培養(yǎng)方式對植物澆水和施肥。脅迫的第0、7、14、21、28天分別測定草坪外觀質(zhì)量(turf quality，TQ)、葉片萎蔫系數(shù)(leaf wilting score, LWS)、葉片相對含水量(leaf relative water content, LRWC)、光合速率(photosynthetic rate,Pn)、暗呼吸速率(dark respiration, R)、細(xì)胞質(zhì)膜透性(leaf relative conductivity, LRC)；試驗結(jié)束后測定地上部分干重(shoot biomass, SB)、根系干重(root biomass, RB)、脯氨酸含量(prolin content, Pro)和可溶性糖含量(soluble sugar content, SS)，所有指標(biāo)測定均重復(fù)3次。

1.3 試驗方法

草坪外觀質(zhì)量基于試驗過程中草坪草地上部分生長情況按照1到9的數(shù)值來評價，1是密度低、長勢差、質(zhì)地差(完全枯萎和棕色)的草坪，而9是密度高(充滿整個PVC管)、長勢好、均勻整齊、質(zhì)地好(水分充足、顏色鮮綠)的草坪[15]；葉片萎蔫系數(shù)是基于萎蔫狀況和葉片顏色按照1～9的數(shù)值來評價，1是完全萎蔫、枯黃的草坪，而9是水分狀況好、顏色鮮綠的草坪；葉片相對含水量測定采用常規(guī)烘干法[16]；生物量測定采用常規(guī)烘干法[17]；光合速率和暗呼吸速率使用便攜式紅外線分析儀(LI 6400, LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA)測定；細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)率法(DDS-308，上海精密科學(xué)儀器有限公司)[18-19]；脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法測定[20]；可溶性糖含量采用蒽酮法測定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

相關(guān)性分析時各指標(biāo)均采用不同處理時間相同處理的平均值，采用SPSS 19.0進(jìn)行分析，并用Microsoft Office Excel 2007繪制數(shù)據(jù)圖。

耐受性評價方法采用隸屬函數(shù)法[9,22]，評價時3個品種的各指標(biāo)均使用脅迫第28天時的數(shù)據(jù)。

(1)各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

當(dāng)指標(biāo)與植物耐受性呈正相關(guān)時：

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

當(dāng)指標(biāo)與植物耐受性呈負(fù)相關(guān)時：

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)平均隸屬值

X=∑Xi/n

式中，U(Xi)為各指標(biāo)的隸屬值，U(Xi)越大耐受性越強；Xi為某一指標(biāo)的測定值；Xmax和Xmin分別為某一指標(biāo)的最大值和最小值；X為平均隸屬值。

2 結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)干旱、高溫及其互作對3種冷季型草坪草生長外觀的影響

持續(xù)干旱、高溫及互作處理下，3種冷季型草坪草的外部形態(tài)均發(fā)生了明顯變化，且表現(xiàn)不同，受到影響的包括地上部分均勻度、整齊度以及葉片顏色。CK的3種草坪草均生長正常，葉色鮮綠，草坪外觀質(zhì)量(TQ)均保持在8以上。脅迫第7 d時，3種草坪草TQ在D、H和D+H處理下平均值較CK分別下降了3.7%，13.0%和51.6%；除D處理下的高羊茅在第7 d與CK差異性不顯著外，3種草坪草在各處理下均在第7 d開始顯著下降(P<0.05)(圖1)。從影響程度看，在7 d，14 d和21 d，D+H脅迫對TQ的影響大于D或H單獨脅迫，干旱和高溫互作效應(yīng)明顯，說明干旱和高溫互作對TQ的影響具有疊加效應(yīng)。當(dāng)脅迫持續(xù)到28 d時，H處理對黑麥草和早熟禾的影響程度與D+H無顯著差異，說明隨著時間的持續(xù)D+H的疊加效應(yīng)逐漸減弱。28 d時，D+H脅迫下黑麥草、高羊茅、早熟禾與CK相比分別下降了73.8%，75.2%和85.0%，此時早熟禾完全干枯。

各脅迫下3種草坪草的葉片萎蔫系數(shù)(LWS)與TQ總體上變化一致，均隨脅迫時間的持續(xù)而顯著下降(圖2)。各脅迫處理7 d時，3種草坪草的葉片萎蔫系數(shù)均顯著下降，且D和D+H脅迫的下降程度顯著高于H(P<0.05)；脅迫持續(xù)到28 d，3種草坪草D、H和D+H脅迫的平均LWS與對照相比下降了73.2%，50.8%和71.7%，D和D+H處理無顯著差異，說明H脅迫對LWS影響較小，D起到關(guān)鍵作用。28 d時，D+H脅迫下黑麥草、高羊茅、早熟禾與CK相比分別下降了68.9%，63.3%和83.0%。

圖1 干旱、高溫及其互作脅迫對黑麥草(A)、高羊茅(B)和早熟禾(C)草坪外觀質(zhì)量TQ的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.1 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on turf quality of perennial ryegrass (A), tall fescue(B) and kentucky bluegrass (C) (mean±SD)注：圖中不同小寫字母表示同一處理時間不同脅迫之間差異顯著性(P<0.05)Note:Different lower-case letters meant significant difference among different treatments in the same time at the 0.05 level

圖2 干旱、高溫及其互作脅迫對黑麥草(A)、高羊茅(B)和早熟禾(C)葉片萎蔫系數(shù)LWS的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.2 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on leaf wilting score of perennial ryegrass (A), tall fescue (B) and kentucky bluegrass (C) (mean ± SD)

2.2 持續(xù)干旱、高溫及其互作對3種冷季型草坪草葉片相對含水量的影響

隨著脅迫時間的持續(xù)，3種草坪草葉片相對含水量呈下降的趨勢，脅迫時間越長對葉片相對含水量的影響越嚴(yán)重(圖3)。各處理下黑麥草和早熟禾LRWC第28 d均低于50%，比脅迫第21 d分別下降了36.2%和46.9%。各脅迫在第21 d時各處理下LRWC與CK相比均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，28 d時呈極顯著降低(P<0.01)。脅迫28 d時D、D+H脅迫下的LRWC無顯著差異(P<0.05)，黑麥草、高羊茅和早熟禾僅為CK的47.4%～56.4%、64.8%～71.3%、31.1%～32.8%；各脅迫下黑麥草、高羊茅和早熟禾的LRWC平均值分別下降44.9%，28.2%和61.7%。這表明逆境脅迫明顯導(dǎo)致草坪草葉片水分虧缺，高羊茅葉片持水能力強于黑麥草和早熟禾，早熟禾葉片脫水速度最快。

圖3 干旱、高溫及其互作脅迫對黑麥草(A)、高羊茅(B)和早熟禾(C)葉片相對含水量LRWC的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.3 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on leaf relative water content of perennial ryegrass (A), tall fescue (B) and kentucky bluegrass (C) (mean ± SD)

2.3 持續(xù)干旱、高溫及其互作對3種冷季型草坪草生物量及根冠比(R/S)的影響

D、H和D+H脅迫均使3種草坪草地上部分生物量(SB)、根系生物量(RB)顯著降低(P<0.05)(表1)。地上部分生物量、根系生物量最小值均出現(xiàn)在D+H脅迫下，D、H和D+H脅迫下3種草坪草的地上部分生物量與CK相比，平均下降幅度分別為21.5%，41.0%和50.3%，根系生物量平均下降幅度分別為28.1%，42.2%和55.6%，說明干旱和高溫互作對根系生物量的影響大于對地上部分生物量的影響。3種草坪草相比較，在D+H脅迫下早熟禾的下降幅度高于黑麥草和高羊茅，地上部分和根系生物量分別達(dá)到80.8%和80.3%，說明干旱和高溫互作對早熟禾生長的抑制作用高于黑麥草和高羊茅。各處理對3種草坪草根冠比的影響不盡相同，黑麥草和高羊茅在D+H脅迫下分別下降了16.7%和14.7%，早熟禾提高了9.3%。

2.4 持續(xù)干旱、高溫及其互作對3種冷季型草坪草葉片光合速率(Pn)和暗呼吸速率(R)的影響

3種冷季型草坪草的葉片光合速率(Pn)均隨時間的持續(xù)呈顯著下降的趨勢，且各脅迫處理顯著降低了Pn(圖4)。黑麥草和高羊茅Pn在脅迫7 d時與0 d有顯著差異，早熟禾直到14 d才顯著降低(P<0.05)。28 d時各脅迫下Pn與CK相比呈極顯著下降趨勢(P<0.01)，D+H脅迫下Pn幾乎接近于0 μmol CO2·m-2·s-1。28 d 時各脅迫下Pn與CK相比下降幅度表現(xiàn)為：D+H>H>D；D+H下黑麥草、高羊茅和早熟禾的Pn分別為CK的8.7%，11.0%和2.5%，下降幅度表現(xiàn)為：早熟禾>黑麥草>高羊茅，這表明早熟禾在干旱高溫互作脅迫下葉片光合能力受到嚴(yán)重抑制。

表1 干旱、高溫及其互作脅迫對黑麥草、高羊茅和早熟禾生物量和根冠比的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 1 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on biomass and root/shoot rate of ryegrass, tall fescue and kentucky bluegrass (mean±SD)

注：同行不同小寫字母表示同一測定指標(biāo)下不同脅迫處理之間差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一測定指標(biāo)下相同脅迫處理不同草坪草間差異顯著(P<0.05)

Note：Different lower-case letters meant significant difference among different treatments under same grasses at the 0.05 level, different capital letters meant significant difference among different grasses under same treatment at the 0.05 level

圖4 干旱、高溫及其互作脅迫對黑麥草(A)、高羊茅(B)和早熟禾(C)葉片光合速率Pn的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.4 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on photosynthetic rate of ryegrass (A), tall fescue (B) and kentucky bluegrass (C) (mean ± SD)

各脅迫下葉片暗呼吸速率(R)與Pn表現(xiàn)相反(圖5)。H和D+H脅迫下3種冷季型草坪草的R均隨時間的持續(xù)呈顯著增加的趨勢，在28 d時最高，且各脅迫顯著增加了R。黑麥草R在H和D+H脅迫7 d時與0 d相比顯著升高，高羊茅和早熟禾在7 d無顯著差異，直到14 d才顯著升高(P<0.05)。28 d 時R與CK相比脅迫增加幅度表現(xiàn)為：D+H>H>D。28 d時H和D+H下的黑麥草、高羊茅和早熟禾R分別比CK增加了137.5%和258.9%，132.1%和169.1%，361.6%和446.9%，升高幅度中早熟禾最高，這表明早熟禾在干旱高溫互作脅迫下葉片耐受性和碳代謝狀態(tài)受到嚴(yán)重抑制。

2.5 持續(xù)干旱、高溫及其互作對3種冷季型草坪草細(xì)胞質(zhì)膜透性的影響

葉片相對電導(dǎo)率是反映植物膜系統(tǒng)狀況的一個重要生理生態(tài)指標(biāo)，植物細(xì)胞膜是控制小分子物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的屏障，植物在受到逆境脅迫時細(xì)胞膜蛋白受損傷，導(dǎo)致胞質(zhì)的胞液外滲而使相對電導(dǎo)率增大(LRC)。持續(xù)干旱、高溫及其互作脅迫下黑麥草和高羊茅的LRC變化趨勢基本相同(圖6)，均是在脅迫初期直至脅迫14 d無顯著變化，21 ～ 28 d時顯著上升(P<0.05)；而早熟禾隨著脅迫時間的持續(xù)，LRC變化不明顯。D+H脅迫下，28 d時3種草坪草LRC均顯著高于CK。

圖5 干旱、高溫及其互作脅迫對黑麥草(A)、高羊茅(B)和早熟禾(C)葉片暗呼吸速率R的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.5 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on dark respiration rate of ryegrass (A), tall fescue (B) and kentucky bluegrass (C) (mean ± SD)

圖6 干旱、高溫及其互作脅迫對黑麥草(A)、高羊茅(B)和早熟禾(C)葉片相對電導(dǎo)率LRC的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.6 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on relative conductivity of ryegrass (A), tall fescue (B) and kentucky bluegrass (C) (mean ± SD)

2.6 持續(xù)干旱、高溫及其互作對3種冷季型草坪草滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

脯氨酸(Pro)是反映植物抗逆性的重要生理生態(tài)指標(biāo)，植物在正常條件下，Pro含量很低；但植物在受干旱高溫等逆境脅迫時，Pro會大量積累以進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，其積累指數(shù)可在一定程度上反映植物受逆境傷害的程度；植物體內(nèi)Pro積累量越多，則抗逆能力越強。3種冷季型草坪草在受到干旱、高溫及其互作脅迫時，體內(nèi)Pro含量均有不同程度的增加；在H和D+H下呈極顯著增加(P<0.01)(圖7)。脅迫28 d時，D脅迫下的早熟禾根系Pro與CK相比無顯著變化；黑麥草和高羊茅與CK差異顯著(P<0.05)，葉片和根系平均值分別增加了104.3%和312.9%，說明高羊茅在干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)能力優(yōu)于黑麥草和早熟禾。H脅迫下，黑麥草、高羊茅和早熟禾Pro與CK相比增幅分別為268.3%，118.1%和315.1%；D+H脅迫下Pro分別增加362.8%，300.4%和832.9%。D、H和D+H脅迫下根系脯氨酸與CK相比增幅顯著高于葉片，平均高出86.0%，39.2%和60.9%，說明在干旱脅迫下根系所能發(fā)揮的滲透調(diào)節(jié)能力高于高溫及兩者互作條件下。

圖7 干旱、高溫及其互作脅迫對3種冷季型草坪草葉片脯氨酸含量(A)和根系脯氨酸含量(B)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.7 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on leaf proline content (A) and root proline content (B) of three kinds of cool season turfgrasses (mean ± SD)

可溶性糖(SS)是植物生長發(fā)育的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，是植物脅迫誘導(dǎo)的小分子溶質(zhì)之一，隨脅迫程度增加而增加，有利于維持植物體細(xì)胞膨壓，能減緩由脅迫造成的植物生理代謝不平衡問題。在脅迫28 d植物收獲后，3種草坪草各處理下的SS與CK相比均有不同程度的上升(圖8)。在D、H和D+H脅迫下，黑麥草葉片和根系平均SS與CK相比分別增加了35.8%，33.1%和46.6%；高羊茅分別增加了54.5%，10.0%和40.8%；早熟禾分別增加了50.6%，53.9%和65.2%。高羊茅在D脅迫下SS上升幅度最高，黑麥草和早熟禾上升幅度最高的表現(xiàn)在D+H互作下，說明高羊茅在H脅迫下滲透調(diào)節(jié)性能較差。

圖8 干旱、高溫及其互作脅迫對3種冷季型草坪草葉片可溶性糖含量(A)和根系可溶性糖含量(B)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.8 Effect of drought stress, heat stress and their interaction on leaf soluble sugar content (A) and root soluble sugar content (B) of three kinds of cool season turfgrasses (mean ± SD)

2.7 持續(xù)干旱、高溫及其互作對3種冷季型草坪草各生理生態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性分析

對干旱、高溫及其互作脅迫下3種冷季型草坪草各生理生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，以求反映3種冷季型草坪草在干旱、高溫及其互作脅迫下的生理生態(tài)指標(biāo)變化情況。結(jié)果表明，TQ與LWS、LRWC、Pn呈極顯著正相關(guān)；與R、L-Pro、R-Pro、LRC呈極顯著負(fù)相關(guān)；與R/S、R-SS分別呈顯著正負(fù)相關(guān)。LWS與LRWC、Pn呈極顯著正相關(guān)；與R、LRC呈極顯著負(fù)相關(guān)；與R/S呈顯著正相關(guān)；與L-Pro、R-Pro呈顯著負(fù)相關(guān)。RWC與Pn呈極顯著正相關(guān)；與R、L-Pro、R-Pro、LRC、R-SS呈極顯著負(fù)相關(guān)。Pn與R、LRC呈極顯著負(fù)相關(guān)；與L-Pro、R-Pro呈顯著負(fù)相關(guān)；R與L-Pro、LRC呈極顯著正相關(guān)；與R-Pro呈顯著正相關(guān)。說明持續(xù)干旱、高溫及其互作使葉片缺水、光合作用升高、呼吸作用降低的同時，對Pro含量含量的增加有一定的誘導(dǎo)作用。

表2 干旱、高溫及其互作脅迫下3種冷季型草坪草個生理生態(tài)指標(biāo)相關(guān)性分析Table 2 Correlations between physiological and ecological indices in three kinds of cool season turfgrasses under drought stress, heat stress and their interaction

注：TQ：草坪外觀質(zhì)量；LWS：葉片萎蔫系數(shù)；LRWC：葉片相對含水量；SB：地上部分干重；RB：根系干重；R/S：根冠比；Pn：光合速率；R：暗呼吸速率；LRC：葉片相對電導(dǎo)率；L-Pro：葉片脯氨酸；R-Pro：根系脯氨酸； L-SS：葉片可溶性糖；R-SS：根系可溶性糖；*表示α=0.05水平下相關(guān)性達(dá)到顯著；**表示α=0.01水平下相關(guān)性達(dá)到顯著；下同

Note: TQ: turf quality; LWS: leaf wilting score; LRWC: leaf relative water content; SB: shoot biomass; RB: root biomass; R/S: root to shoot; Pn: photosynthetic rate;R: dark respiration; LRC: leaf relative conductivity; L-Pro: leaf proline content; R-Pro: root proline content; L-SS: leaf soluble sugar; R-SS: root soluble sugar. *indicates significant correlation at the level of alpha=0.05); **indicates significant correlation at the level of alpha =0.01; the same as below

2.8 持續(xù)干旱、高溫及其互作對3種冷季型草坪草的耐受性評價

利用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法對3種冷季型草坪草的9項生理生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行耐受性的綜合評價(表3)，用每種草坪草各項指標(biāo)隸屬度的平均值作為不同草坪草抗逆性綜合鑒定標(biāo)準(zhǔn)，該值越大抗逆性則越強。結(jié)果表明，黑麥草、高羊茅和早熟禾在D、H、D+H脅迫下的隸屬函數(shù)平均值分別為0.521，0.827和0.224，表明3種草坪草抗干旱、抗高溫、抗干旱與高溫互作能力順序均為高羊茅>黑麥草>早熟禾。

3 討論

干旱和高溫是兩個主要限制冷季型植物生長的環(huán)境因子，持續(xù)的干旱高溫脅迫會通過影響生理過程而抑制植物的正常生長發(fā)育[23]。這種抑制作用最初體現(xiàn)在植物葉片外觀質(zhì)量變化上。本研究發(fā)現(xiàn)早熟禾受持續(xù)干旱高溫脅迫的傷害最大，在處理28 d時整株葉片枯黃，比黑麥草和早熟禾草坪外觀質(zhì)量值低42.9%和40.0%。從葉片萎蔫系數(shù)可知，干旱高溫對高羊茅的傷害同樣輕于黑麥草和早熟禾，其通過調(diào)節(jié)自身的生理機制做出積極且持久的抗逆反應(yīng)，耐受性最強；黑麥草介于高羊茅和早熟禾之間。14 d后，D、H及D+H脅迫下，3種草坪草的葉片相對含水量顯著下降，下降的幅度隨著時間的持續(xù)而逐漸增大，平均值從高到低依次為高羊茅>黑麥草>早熟禾，高羊茅的葉片相對含水量顯著高于其他草坪草，這與葉片外觀質(zhì)量和葉片萎蔫系數(shù)表現(xiàn)一致。葉片水分相對含水量在28 d時迅速降低，說明隨著脅迫時間的持續(xù)，蒸騰速率增大，草坪草體內(nèi)水分虧缺加劇。生物量在根系和地上部分之間的分配對于植物生長是決定性因素，這種分配作用在脅迫下更明顯[24-25]。逆境脅迫下，3種草坪草根系生物量的下降幅度高于地上部分，說明干旱和高溫對根系生長的影響比地上部分更敏感。這個結(jié)果同樣出現(xiàn)在其他種類的草坪上[26]。從生物量可知，干旱和高溫脅迫對早熟禾生長的抑制作用高于黑麥草和高羊茅。

表3 三種冷季型草坪草對干旱、高溫及其互作脅迫的耐受性綜合評價Table 3 Comprehensive evaluation on drought stress, heat stress and their interaction of three kinds of cool season turfgrasses

研究表明，植物受到一定程度的干旱脅迫時，植物的水分利用效率將提高[27]。本研究中，當(dāng)干旱脅迫持續(xù)到第7 d，葉片相對含水率并沒有顯著降低，這可能是由于干旱脅迫下草坪草由氣孔導(dǎo)度減小而導(dǎo)致降低的光合速率速度小于或滯后于蒸騰速率的下降速度，導(dǎo)致葉片水分利用效率增加。也有研究表明，葉片相對含水量小于50%時，光合機構(gòu)的正常運轉(zhuǎn)受到影響[28]。本試驗中，28 d時干旱和高溫互作脅迫下黑麥草和早熟禾的LRWC均小于50%，光合速率趨向于0，低于干旱或高溫單一脅迫下。3種草坪草的光合作用對干旱和高溫互作脅迫下的響應(yīng)強于單一脅迫下。此時草坪草通過積累大量脯氨酸和可溶性糖(比CK高207.0%～1 102.5%)來防止植物水分散失，主動降低滲透勢提高滲透調(diào)節(jié)能力，降低質(zhì)膜熱受害程度，以保證草坪草在逆境下的生存。

干旱會伴隨高溫同時發(fā)生，并加劇高溫對植物的光合影響，光合作用是對高溫反應(yīng)最敏感的生理過程之一[29]。當(dāng)溫度超過植物自身調(diào)節(jié)的控制范圍后導(dǎo)致植物出現(xiàn)熱害癥狀，甚至萎蔫死亡[30]。本研究中在高溫脅迫導(dǎo)致3種草坪草的光合速率顯著降低，造成光合速率大大下降的原因可能是干旱高溫導(dǎo)致水分散平衡細(xì)胞質(zhì)與液泡間的滲透勢失和植物細(xì)胞脫水，光合色素含量急劇下降，造成光合機構(gòu)的傷害，氣孔導(dǎo)度降低使葉綠體內(nèi)CO2的供應(yīng)受阻[8]。同時，本研究中耐熱性強的高羊茅光合速率下降幅度小于耐熱性弱的黑麥草和早熟禾，這也體現(xiàn)在其他植物中，如新疆榛(Corylusheterophylla×C.avellan)[31]、玉米(Zeamays)[32]和金蕎麥(Fogopyrumdibotrys)[33]等，結(jié)論與本研究結(jié)果一致。但值得注意的是，本研究中14 d時在各處理下草坪草并未死亡，說明此時氣孔并未完全關(guān)閉，相反必須保持一定的開度，使強烈的蒸騰帶走過多的熱量，以適應(yīng)逆境。干旱和高溫互作脅迫會抑制冷季型草坪草的光合作用，加劇光合速率降低，但在此實驗中耐干旱高溫的高羊茅比不耐干旱高溫的草種具有更高的Pn，這可能與其葉片內(nèi)具有較高的抗氧化酶活性和葉綠素合成速率有關(guān)[34-35]。這些生理代謝的變化有助于減緩逆境對其光合系統(tǒng)的破壞。同時，其自身又通過各種生理機理的變化以增強自己對極端干旱和高溫環(huán)境的適應(yīng)。

持續(xù)干旱、高溫導(dǎo)致3種草坪草通過增加呼吸速率來適應(yīng)環(huán)境的改變，呼吸作用的增強消耗了大量的糖類等能源物質(zhì)，在28 d時平均增加132.1%～446.9%，在干旱高溫互作脅迫下增加高于單一脅迫，說明干旱高溫互作下植物光合產(chǎn)量仍在進(jìn)一步減少，最終導(dǎo)致CO2吸收的終止，比單一脅迫對植物造成的傷害更為嚴(yán)重。干旱和高溫互作脅迫下高羊茅的呼吸速率顯著低于黑麥草(15.2%)和早熟禾(30.5%)，說明逆境生長條件下的高羊茅具有較好的干旱高溫耐受性和碳代謝狀態(tài)。細(xì)胞膜是防止細(xì)胞外物質(zhì)自由進(jìn)入細(xì)胞的屏障，它能保證細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定，使各種生化反應(yīng)能夠有序運行。植物在受到逆境脅迫時，質(zhì)膜透性增大已被許多研究證實[9,33,36]。但本研究中干旱高溫互作脅迫下的質(zhì)膜透性增大幅度并不顯著高于干旱或高溫單一脅迫。這可能是由于單一脅迫已導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)失去活性，膜對細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換和控制能力消失，外滲液電導(dǎo)趨近死亡電導(dǎo)率[37]。逆境脅迫會抑制冷季型草坪草的光合作用，提高呼吸作用，但較為耐熱的草種比不耐熱的草種具有更高的光合速率，和更低的呼吸速率。這些生理代謝的變化有助于緩解高溫對其光合系統(tǒng)的破壞[38]。

脯氨酸和可溶性糖是植物體內(nèi)的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，兩者均能通過降低細(xì)胞原生質(zhì)的滲透勢來減輕滲透脅迫，促使細(xì)胞從外界吸收水分，使植物保持一定的含水量和膨壓，防止膜質(zhì)和蛋白質(zhì)的過氧化[39]。本試驗中，3種草坪草葉片和根系脯氨酸含量均在各脅迫下顯著增加，這與李力等[9]的研究結(jié)果一致。研究表明，植物體內(nèi)脯氨酸的積累程度與植物的抗逆性強弱有一定關(guān)聯(lián)[34,40]，本試驗在脅迫28 d時，D+H下早熟禾葉片和根系Pro的含量最高，Pro積累程度為早熟禾>黑麥草>高羊茅，結(jié)果與草坪外觀質(zhì)量和葉片萎蔫系數(shù)變化一致，表明脯氨酸是草坪草應(yīng)對干旱高溫脅迫的主導(dǎo)性滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，這與史燕山等[41]和韓春梅[42]的研究結(jié)果一致。在受到逆境脅迫時，脯氨酸可通過最有效的滲透作用來調(diào)節(jié)細(xì)胞水分環(huán)境的變化，抵抗外界滲透脅迫，從而減輕干旱高溫脅迫對植物體內(nèi)水分虧缺的影響。持續(xù)干旱高溫脅迫可誘導(dǎo)3種冷季型草坪草體內(nèi)大量形成可溶性糖，以提高植物的抗逆性。本試驗中，3種草坪草的可溶性糖含量在各脅迫處理下均有不同程度的上升，早熟禾的可溶性糖含量變化幅度均比黑麥草和高羊茅高，且對干旱高溫互作處理表現(xiàn)的更為敏感，而黑麥草和高羊茅的敏感程度差異較小，因此早熟禾對干旱高溫的響應(yīng)速度最快。較高的可溶性糖含量不僅可以提高細(xì)胞的持水力，提高其滲透調(diào)節(jié)作用，還能增強原生質(zhì)彈性，有效的保護(hù)細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)，保證植株的正常生長[43]。

干旱高溫脅迫對植物的影響是多方面的，植物也可以通過自身營養(yǎng)物質(zhì)、光合呼吸速率、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等多種生理機制的共同作用來減輕或減緩傷害的發(fā)生。干旱高溫脅迫下，3種冷季型草坪草通過各種生理生態(tài)反應(yīng)以低于逆境，維持正常生長，各種抗干旱高溫指標(biāo)的變化趨勢總體相同，不同脅迫處理和不同品種各指標(biāo)的變化規(guī)律存在差異，3個品種的耐干旱高溫能力也存在一定區(qū)別。本試驗中，草坪外觀質(zhì)量、葉片萎蔫系數(shù)、葉片相對含水量、根冠比、光合速率、暗呼吸速率、質(zhì)膜透性、脯氨酸含量和可溶性糖含量對干旱高溫脅迫處理比較敏感，故可作為冷季型草坪草抗逆性生理鑒定指標(biāo)。3種冷季型草坪草在干旱高溫脅迫下各生理指標(biāo)的變化情況比較復(fù)雜，但根據(jù)整個脅迫中植株的生長狀態(tài)，并通過隸屬函數(shù)法綜合分析各種草坪草的耐干旱高溫性能，綜合分析得出3種冷季型草坪草抗干旱高溫能力由強到弱依次為：高羊茅>黑麥草>早熟禾。3種草坪草在干旱高溫條件下通過增加細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，降低水分喪失，平衡細(xì)胞質(zhì)與液泡問的滲透勢，來增強其對干旱高溫環(huán)境的適應(yīng)能力，干旱高溫共同脅迫對草坪草的傷害高于單一脅迫。

4 結(jié)論

3種草坪草的草坪外觀質(zhì)量、葉片萎蔫系數(shù)和葉片相對含水量在持續(xù)干旱、高溫及干旱高溫互作脅迫下顯著下降，下降的幅度隨著時間的持續(xù)而逐漸增大，平均值從高到低依次為高羊茅>黑麥草>早熟禾；在干旱、高溫及干旱高溫互作脅迫下草坪草根系生物量的下降幅度高于地上部分，逆境對根系生長的影響比地上部分更敏感。

持續(xù)干旱、高溫及干旱高溫互作脅迫導(dǎo)致3種草坪草的光合速率顯著降低，兩者互作下的降低幅度高于單一脅迫下，耐熱性強的高羊茅光合速率下降幅度小于耐熱性弱的黑麥草和早熟禾；相反，干旱、高溫及干旱高溫互作脅迫導(dǎo)致3種草坪草暗呼吸速率增加，且在干旱高溫互作脅迫下增加高于單一脅迫，說明干旱高溫互作比單一脅迫對植物造成的傷害更為嚴(yán)重。

3種草坪草葉片和根系脯氨酸和可溶性糖含量均在高溫、以及干旱高溫互作下顯著增加，早熟禾的變化幅度均高于黑麥草和高羊茅，且對干旱高溫互作處理表現(xiàn)的更為敏感，而黑麥草和高羊茅的敏感程度差異較小，因此早熟禾對干旱高溫的響應(yīng)速度最快。

3種冷季型草坪草在干旱高溫脅迫下各生理指標(biāo)的變化情況比較復(fù)雜，但根據(jù)整個脅迫中植株的生長狀態(tài)，并通過隸屬函數(shù)法綜合分析各種草坪草的耐干旱高溫性能，綜合分析得出3種冷季型草坪草抗干旱高溫能力由強到弱依次為：高羊茅>黑麥草>早熟禾。