上海地區(qū)夏季干旱、強(qiáng)光照對(duì)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(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200444；2. 上海市花卉良種試驗(yàn)場(chǎng)，上海 201615；3. 上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240）

草地早熟禾(Poa pratensis)原產(chǎn)于歐洲和亞洲北部，是溫帶地區(qū)常見的優(yōu)質(zhì)冷季型草坪草和牧草，具有質(zhì)地柔軟、草坪密度高、耐踐踏、耐修剪和耐低溫等優(yōu)點(diǎn)[1]。在濕潤冷涼的地區(qū)，草地早熟禾可以保持周年常綠，但在上海地區(qū)普遍存在越夏難的問題，往往會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)減緩，葉色發(fā)黃，甚至出現(xiàn)大面積的死亡，草坪觀賞質(zhì)量大大下降。夏季田間脅迫是一個(gè)十分復(fù)雜的情況，高溫常被認(rèn)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(zhǎng)溫度是15～24 ℃，根系為10～18 ℃[3]。上海屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，7、8月份最高平均溫度32 ℃，極端氣溫可達(dá)40 ℃。高溫會(huì)引起植物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)變性，光合速率下降，呼吸作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致植株停止生長(zhǎng)，甚至死亡[1]。

上海地區(qū)降水主要集中在6-8月，梅雨和臺(tái)風(fēng)活動(dòng)是該地區(qū)該階段降水的主要原因。梅雨過后，上海即進(jìn)入酷熱的“三伏”天氣，這段時(shí)間的降水主要由臺(tái)風(fēng)帶來，但每年臺(tái)風(fēng)次數(shù)和影響強(qiáng)度并不穩(wěn)定[4]，就會(huì)造成降水量在不同年份間存在巨大差異。因此，上海地區(qū)夏季除了高溫，還會(huì)面臨干旱或洪澇的情況，無論高溫干旱還是高溫高濕，都對(duì)草地早熟禾的生長(zhǎng)極為不利。持續(xù)高溫干旱會(huì)加速土壤水分蒸發(fā)，同時(shí)也加大植株的蒸騰量，植物更快表現(xiàn)出葉片的脫水、失綠和衰老。高溫高濕環(huán)境有利于病菌的生長(zhǎng)，尤其是真菌的擴(kuò)散蔓延，病菌會(huì)侵入本已受高溫脅迫虛弱的草地早熟禾，如不及時(shí)采取防治措施，將對(duì)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(qiáng)烈的陽光對(duì)草坪的生長(zhǎng)也會(huì)造成一定的傷害。光是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基本因子，隨著光照強(qiáng)度增大，植物光合速率提高，但當(dāng)光照強(qiáng)度超出其光飽和點(diǎn)時(shí)，光合速率就會(huì)下降，產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象。在持續(xù)的強(qiáng)光脅迫下，光合色素會(huì)發(fā)生光氧化，造成光合膜的損害，從而出現(xiàn)灼傷，甚至枯死的癥狀。在自然環(huán)境中，隨著光照強(qiáng)度增加，紫外線的強(qiáng)度也會(huì)隨之增加。20世紀(jì)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(qiáng)度的UV-B照射會(huì)直接損傷光合系統(tǒng)，降低葉面積和光合色素，明顯減弱植株凈光合速率，導(dǎo)致產(chǎn)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(qiáng)的材料，采取合理的栽培管理，是保證包括草地早熟禾在內(nèi)的冷季型草能在上海安全越夏的兩項(xiàng)重要措施。之前，已開展了一些關(guān)于越夏性強(qiáng)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(gè)越夏性好的材料KBG03和KBG04，它們具有葉片亮綠、生長(zhǎng)速度快的特點(diǎn)，而且經(jīng)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(gè)品系的混合群體已通過上海市農(nóng)作物品種審定委員會(huì)的認(rèn)定，品種名為‘滬禾2號(hào)'。如果能進(jìn)一步弄清上海地區(qū)草地早熟禾夏季受脅迫的主要因子，有的放矢地進(jìn)行材料的選育和管理，將大大提高研究效率，降低維護(hù)成本。因此，本研究選取8個(gè)越夏性有差異，且越夏性與耐熱性并不一致的材料，進(jìn)行夏季田間的干旱、強(qiáng)光照脅迫處理，旨在尋找除高溫之外，可能造成上海地區(qū)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(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院草坪草育種課題組前期搜集了80多個(gè)草地早熟禾材料，并利用人工氣候室進(jìn)行了耐熱鑒定，同時(shí)，選取其中40個(gè)材料種在田間，進(jìn)行了多年的成坪比較(數(shù)據(jù)略)。結(jié)合耐熱鑒定結(jié)果和田間成坪的越夏表現(xiàn)，從中選取4個(gè)越夏性強(qiáng)、4個(gè)越夏性弱的材料用于本研究，且這8個(gè)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(jiǎng)品'、‘優(yōu)美'、‘月夜'、‘布魯克'和‘炫目'是國外引進(jìn)的品種，前3個(gè)材料越夏性弱，但耐熱性較強(qiáng)，后2個(gè)越夏性強(qiáng)，‘布魯克'耐熱性弱，‘炫目'耐熱性中等?！畬幪m'為寧夏大學(xué)提供的野生材料，在上海地區(qū)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(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院農(nóng)場(chǎng)(121°26' E，31°12' N)進(jìn)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(qū)中，移栽供試的8個(gè)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(gè)材料，每個(gè)材料一列，每列6株。將材料置于玻璃溫室中先培養(yǎng)1個(gè)月(自然條件)，再移至室外，讓植株在露天環(huán)境下生長(zhǎng)。

2017年6月19日上海進(jìn)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(duì)植株進(jìn)行修剪(株高約10 cm)，打藥，每日中午陽光強(qiáng)烈時(shí)進(jìn)行遮陰，等待持續(xù)晴天開始試驗(yàn)。7月12日傍晚給所有材料澆水(澆透)，次日對(duì)材料進(jìn)行不同處理。本研究共設(shè)4個(gè)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(tài)，遮陰處理全天用遮陰網(wǎng)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(gè)處理種植5盆，共20盆。

7月13日進(jìn)行第1次測(cè)定，之后分別在7月15日、7月17日、7月19日、7月21日進(jìn)行4次測(cè)定。整個(gè)試驗(yàn)期間，持續(xù)高溫、無雨。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 環(huán)境因子測(cè)定

5個(gè)測(cè)定日，每隔2 h測(cè)定一次遮陰和不遮陰條件下的溫度、濕度、光強(qiáng)和紫外光照強(qiáng)度。測(cè)定時(shí)間分別為 08:30、10:30、12:30、14:30、16:30 和 17:00，即每日測(cè)定6次，每次每個(gè)指標(biāo)測(cè)定2遍。使用中國臺(tái)灣生產(chǎn)的UVAB Light Meter (TENMARSTM-213)進(jìn)行紫外強(qiáng)度測(cè)定，使用一號(hào)光源(DLI-2000)測(cè)定全光譜照度。

1.3.2 土壤、葉片含水量的測(cè)定

每個(gè)處理中固定2盆用于破壞性取樣，于每個(gè)測(cè)定日上午進(jìn)行。每個(gè)處理的每個(gè)材料取兩株(兩次重復(fù))，剪取所有地上部分葉片，同時(shí)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(jì)算葉片和土壤的含水量。

1.3.3 生長(zhǎng)速度和目測(cè)評(píng)分

每個(gè)處理中固定3盆用于株高測(cè)定和評(píng)分，即3次重復(fù)，于每個(gè)測(cè)定日下午進(jìn)行。每盆每個(gè)材料(1列)測(cè)量3個(gè)株高值，并采用“九分制”目測(cè)評(píng)分法對(duì)該列進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。9分最高，表示植株?duì)顟B(tài)最好，0分最低，表示全部死亡。不同測(cè)定日測(cè)得株高的差值作為生長(zhǎng)速度的指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Microsoft Office Excel 2007對(duì)株高、葉片含水量、土壤含水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(jìn)行多重比較，并用小寫字母進(jìn)行標(biāo)注。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 運(yùn)用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，計(jì)量資料以表示，數(shù)據(jù)比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料以例(%)表示，數(shù)據(jù)比較采用χ2檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同脅迫處理下的環(huán)境因子變化

將5個(gè)測(cè)定日測(cè)定的溫度、濕度、光照和紫外強(qiáng)度值取平均，繪制田間白天這段時(shí)間內(nèi)的基本氣象情況(圖1)。一天中，中午的光照強(qiáng)度最大，在不遮陰條件下12:30時(shí)的光照強(qiáng)度和紫外強(qiáng)度分別達(dá)到82 kLux和6.3 mW·cm-2，15:30后明顯減弱，僅為最高峰時(shí)的一半左右。在遮陰條件下，光照強(qiáng)度和紫外強(qiáng)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(qiáng)度、紫外強(qiáng)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(yù)期，田間12:30的氣溫達(dá)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(xiàn)與溫度相反的變化趨勢(shì)，中午低、早晚高，遮陰比不遮陰濕度普遍提高15%～25%。遮陰時(shí)，14:30左右濕度最低(不到60%)，早晚濕度超過70%。未遮陰時(shí)，最低濕度出現(xiàn)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(shí)土壤含水量穩(wěn)定，維持在50%～60%，說明每日澆水量與土壤蒸發(fā)和植株消耗量基本持平。在遮陰時(shí)，土壤含水量逐漸提高，從50%左右上升到75%左右，可能因?yàn)檎陉幁h(huán)境下濕度大、蒸發(fā)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(shí)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(dá)到一個(gè)極低的水平。

同時(shí)，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(wěn)定，維持在70%～80%。斷水條件下，葉片含水量在初始幾天內(nèi)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(shí)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(shí)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(xiàn)缺水，且情況更嚴(yán)重。土壤和葉片含水量的測(cè)定結(jié)果與普遍認(rèn)知一致，同時(shí)量化給出了上海地區(qū)夏季田間不灌水時(shí)，草地早熟禾在不同遮陰條件下開始缺水的時(shí)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(zhǎng)速度和狀態(tài)

澆水處理下，各材料在遮陰時(shí)的生長(zhǎng)速度明顯較不遮陰時(shí)快，但不同材料的累計(jì)株高增長(zhǎng)量存在顯著差異(圖2)，J43生長(zhǎng)最快，在遮陰和不遮陰時(shí)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(tài)，平均評(píng)分維持在8分以上(圖3)。

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

3 討論與結(jié)論

3.1 干旱對(duì)草地早熟夏季生長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)，斷水5～7 d后葉片含水量開始下降，草坪表現(xiàn)出嚴(yán)重的受脅迫狀態(tài)。這與柴燁[10]對(duì)包括草地早熟禾屬在內(nèi)的4個(gè)屬11個(gè)品種的冷季型草夏季斷水一周的表現(xiàn)一致，并且與高羊茅(Festuca arundinacea)中在高溫?cái)嗨幚砗笕~片含水量變化情況也相仿[11]。而且，由于本研究的脅迫強(qiáng)度更大(高溫更高、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、光照更強(qiáng))，葉片含水量下降出現(xiàn)的更早且更嚴(yán)重。

水分在植物體內(nèi)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(xì)胞形態(tài)所需水分，才能開始進(jìn)行光合作用。王紀(jì)華等[15]發(fā)現(xiàn)，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(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在夏玉米的研究中也證實(shí)了葉片含水量是影響葉片凈光合速率的重要因子[12]，當(dāng)含水量降到70%時(shí)，凈光合效率為0。本研究中，反映植株?duì)顟B(tài)的目測(cè)評(píng)分和葉片含水量的變化趨勢(shì)一致，并且同樣發(fā)現(xiàn)70%左右是草地早熟禾葉片含水量的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，低于該值后，植株?duì)顟B(tài)明顯變差，可能光合作用受到了嚴(yán)重的破壞。

3.2 強(qiáng)光照/紫外對(duì)草地早熟夏季生長(zhǎng)的脅迫

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，不同植物的光飽和點(diǎn)不同。草地早熟禾‘Nassu'品種[16]的近光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)分別約為 850 和 18 μmol·(m2·s)-1，在陽光下相當(dāng)于47和1 kLux。本研究中，白天遮陰條件下的光強(qiáng)均高于報(bào)道的光補(bǔ)償值，可滿足草地早熟禾正常生長(zhǎng)的需要；同時(shí)未遮陰的光強(qiáng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過報(bào)道的光飽和點(diǎn)，過剩的光能可能會(huì)引起光抑制現(xiàn)象的發(fā)生，甚至對(duì)植株造成不可逆的傷害。

UV-B輻射會(huì)減緩植物生長(zhǎng)，抑制下胚軸生長(zhǎng)，使株高降低[17]，同時(shí)它還會(huì)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(qiáng)紫外下，草地早熟禾生長(zhǎng)都明顯減緩。在斷水情況下，紫外越強(qiáng)，草地早熟禾受脅迫越嚴(yán)重，且脅迫出現(xiàn)的時(shí)間也越早；而在澆水情況下，強(qiáng)紫外并未對(duì)植株造成明顯傷害。可見，本研究中強(qiáng)紫外對(duì)植株造成的傷害遠(yuǎn)不及干旱，在干旱情況下，強(qiáng)紫外會(huì)明顯加重脅迫。

本研究中，強(qiáng)紫外和干旱的雙重脅迫加重對(duì)草地早熟禾的傷害程度，超過單一的干旱脅迫，這與對(duì)滇楊(Populus yunnanensis)的研究結(jié)果相似[19]。但對(duì)春小麥[20]、向日葵(Helianthus annuus)[21]、胡枝子(Lespedeza)[22]等的研究發(fā)現(xiàn)，這兩種脅迫復(fù)合時(shí)可以緩解單因子傷害的程度。UV-B輻射能緩解水分限制對(duì)苦蕎麥(Fagopyrum tataricum)生長(zhǎng)造成的負(fù)效應(yīng)，但對(duì)普通蕎麥(Fagopyrum esculentum)并沒有明顯影響[23]。另外，在對(duì)青藏高原高海拔和低海拔的兩種沙棘(Hippophae rhamnoide)研究中發(fā)現(xiàn)[24]，UV-B和干旱復(fù)合對(duì)低海拔沙棘可能會(huì)造成協(xié)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(duì)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(qiáng)度有關(guān)。

3.3 上海地區(qū)草地早熟禾越夏困難原因分析

從20世紀(jì)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(zhǎng)。在本研究開展期間，連續(xù)晴熱無雨、氣溫節(jié)節(jié)攀高，尤其在2017年7月21日徐家匯站測(cè)得最高溫度達(dá)40.9 ℃，該氣溫刷新了上海145年氣象史上的最高紀(jì)錄。這階段的天氣(極端高溫、強(qiáng)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(xiàn)出明顯的耐旱性差異。此外，強(qiáng)光照/紫外在斷水情況下會(huì)加重干旱對(duì)植物的傷害程度，但強(qiáng)光照對(duì)不同材料的脅迫程度同樣沒有顯著差異。由于設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，考慮到田間工作量和操作性，僅以植株整體狀態(tài)評(píng)分和葉片含水量作為主要指標(biāo)，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(biāo)[25-26]將在后續(xù)的試驗(yàn)中進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)本研究結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)。根據(jù)目前結(jié)果分析，造成草地早熟禾在上海地區(qū)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(tài)。

同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)造成不同草地早熟禾材料在該地區(qū)越夏性差異的原因可能并非非生物脅迫因子(高溫、強(qiáng)光照、干旱)。根據(jù)觀察，在本研究澆水組中發(fā)現(xiàn)NL和J43兩個(gè)越夏弱的材料在處理第5天起就出現(xiàn)了銹病，并且在之前多年的田間種植中也發(fā)現(xiàn)NL很容易感染銹病，且十分嚴(yán)重。銹病是草坪草的一種重要病害，病原菌種類多，一旦環(huán)境適宜，其傳播速度快，葉片、葉鞘或莖稈上會(huì)迅速布滿大片的棕色銹病孢子堆，影響光合作用，最終導(dǎo)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(nèi)的一系列病害，因此這可能也是上海地區(qū)夏季的又一個(gè)重要脅迫因子，將進(jìn)一步開展對(duì)這些材料的病菌接種試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

為了讓草地早熟禾能在上海地區(qū)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(shí)候，需進(jìn)行及時(shí)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(jìn)行正常的生理活動(dòng)。補(bǔ)水時(shí)間需在葉片含水量未顯著下降時(shí)，不然將造成植株難以逆轉(zhuǎn)的傷害，根據(jù)本研究結(jié)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(dāng)然澆水還要注意適時(shí)適量，避免造成新的澇害，進(jìn)而引發(fā)一些生物脅迫的發(fā)生。