袁晓君，龚振德，涂明月，陈祖春，吴月琴，何亚丽

（1. 上海市能源作物育种及应用重点实验室 / 上海大学生命科学学院，上海 200444；2. 上海市花卉良种试验场，上海 201615；3. 上海交通大学农业与生物学院，上海 200240）

草地早熟禾(Poa pratensis)原产于欧洲和亚洲北部，是温带地区常见的优质冷季型草坪草和牧草，具有质地柔软、草坪密度高、耐践踏、耐修剪和耐低温等优点[1]。在湿润冷凉的地区，草地早熟禾可以保持周年常绿，但在上海地区普遍存在越夏难的问题，往往会出现生长减缓，叶色发黄，甚至出现大面积的死亡，草坪观赏质量大大下降。夏季田间胁迫是一个十分复杂的情况，高温常被认为是影响冷季型草安全越夏的主要因子[2]。作为冷季型草，最适宜的地上部生长温度是15～24 ℃，根系为10～18 ℃[3]。上海属于亚热带季风气候，冬冷夏热，7、8月份最高平均温度32 ℃，极端气温可达40 ℃。高温会引起植物细胞内蛋白质变性，光合速率下降，呼吸作用增强，从而导致植株停止生长，甚至死亡[1]。

上海地区降水主要集中在6-8月，梅雨和台风活动是该地区该阶段降水的主要原因。梅雨过后，上海即进入酷热的“三伏”天气，这段时间的降水主要由台风带来，但每年台风次数和影响强度并不稳定[4]，就会造成降水量在不同年份间存在巨大差异。因此，上海地区夏季除了高温，还会面临干旱或洪涝的情况，无论高温干旱还是高温高湿，都对草地早熟禾的生长极为不利。持续高温干旱会加速土壤水分蒸发，同时也加大植株的蒸腾量，植物更快表现出叶片的脱水、失绿和衰老。高温高湿环境有利于病菌的生长，尤其是真菌的扩散蔓延，病菌会侵入本已受高温胁迫虚弱的草地早熟禾，如不及时采取防治措施，将对草坪造成巨大的伤害，比如常见的病害有锈病、枯萎病、褐斑病等[5-6]。

除了水分因素，夏季强烈的阳光对草坪的生长也会造成一定的伤害。光是植物生长发育的基本因子，随着光照强度增大，植物光合速率提高，但当光照强度超出其光饱和点时，光合速率就会下降，产生光抑制现象。在持续的强光胁迫下，光合色素会发生光氧化，造成光合膜的损害，从而出现灼伤，甚至枯死的症状。在自然环境中，随着光照强度增加，紫外线的强度也会随之增加。20世纪末以来，大量研究表明，UV-B(280～320 nm)是生物的有效辐射[7]。高强度的UV-B照射会直接损伤光合系统，降低叶面积和光合色素，明显减弱植株净光合速率，导致产量下降，并且光合速率的降低程度与UV-B照射量呈正比[8]。

选育越夏性强的材料，采取合理的栽培管理，是保证包括草地早熟禾在内的冷季型草能在上海安全越夏的两项重要措施。之前，已开展了一些关于越夏性强材料的选育工作，通过多年夏季田间鉴定筛选(自然胁迫、人工接种褐斑病菌、人工涝害胁迫)，选育出两个越夏性好的材料KBG03和KBG04，它们具有叶片亮绿、生长速度快的特点，而且经过夏季炎热干旱胁迫后，它们秋季绿色草坪草的盖度可保持在70%左右[9]。目前，这两个品系的混合群体已通过上海市农作物品种审定委员会的认定，品种名为‘沪禾2号'。如果能进一步弄清上海地区草地早熟禾夏季受胁迫的主要因子，有的放矢地进行材料的选育和管理，将大大提高研究效率，降低维护成本。因此，本研究选取8个越夏性有差异，且越夏性与耐热性并不一致的材料，进行夏季田间的干旱、强光照胁迫处理，旨在寻找除高温之外，可能造成上海地区草地早熟禾越夏困难的主要非生物胁迫因子，并分析它们是否是造成这些材料越夏性差异的主要原因。

1 材料与方法

1.1 供试材料

上海交通大学农业与生物学院草坪草育种课题组前期搜集了80多个草地早熟禾材料，并利用人工气候室进行了耐热鉴定，同时，选取其中40个材料种在田间，进行了多年的成坪比较(数据略)。结合耐热鉴定结果和田间成坪的越夏表现，从中选取4个越夏性强、4个越夏性弱的材料用于本研究，且这8个材料在越夏性和耐热性上存在一定差异 (表 1)。其中，‘KBG03'和‘KBG04'是选育出的品系[9]，越夏性好，耐热性分别为中等偏弱和中等。‘奖品'、‘优美'、‘月夜'、‘布鲁克'和‘炫目'是国外引进的品种，前3个材料越夏性弱，但耐热性较强，后2个越夏性强，‘布鲁克'耐热性弱，‘炫目'耐热性中等。‘宁兰'为宁夏大学提供的野生材料，在上海地区越夏困难，由于其未参加前期的耐热鉴定，故耐热性不详。

1.2 试验设计

本研究在上海交通大学农业与生物学院农场(121°26' E，31°12' N)进行，气候冬冷夏热，四季分明，雨热同季，降水充沛，但变化较大。2017年3月23日从田间成坪小区中，移栽供试的8个材料到穴盘中，每穴1株，每穴大小5 cm × 5 cm × 5 cm。每盆种植8个材料，每个材料一列，每列6株。将材料置于玻璃温室中先培养1个月(自然条件)，再移至室外，让植株在露天环境下生长。

2017年6月19日上海进入梅雨期，梅雨期间最高气温均在30 ℃以下，且雨水充沛。7月5日出梅，次日对植株进行修剪(株高约10 cm)，打药，每日中午阳光强烈时进行遮阴，等待持续晴天开始试验。7月12日傍晚给所有材料浇水(浇透)，次日对材料进行不同处理。本研究共设4个处理：不遮阴/浇水、遮阴/浇水、遮阴/断水、不遮阴/断水。不遮阴处理完全处于自然光照状态，遮阴处理全天用遮阴网遮阴，浇水处理每天每盆浇水1 L，断水处理完全不浇水。每个处理种植5盆，共20盆。

7月13日进行第1次测定，之后分别在7月15日、7月17日、7月19日、7月21日进行4次测定。整个试验期间，持续高温、无雨。

1.3 试验方法

1.3.1 环境因子测定

5个测定日，每隔2 h测定一次遮阴和不遮阴条件下的温度、湿度、光强和紫外光照强度。测定时间分别为 08:30、10:30、12:30、14:30、16:30 和 17:00，即每日测定6次，每次每个指标测定2遍。使用中国台湾生产的UVAB Light Meter (TENMARSTM-213)进行紫外强度测定，使用一号光源(DLI-2000)测定全光谱照度。

1.3.2 土壤、叶片含水量的测定

每个处理中固定2盆用于破坏性取样，于每个测定日上午进行。每个处理的每个材料取两株(两次重复)，剪取所有地上部分叶片，同时取该穴中的所有泥土(不含根)，在田间迅速称取鲜重。再将之置于烘箱中，90 ℃干燥10 h后取出，室温冷却，称取干重。然后，计算叶片和土壤的含水量。

1.3.3 生长速度和目测评分

每个处理中固定3盆用于株高测定和评分，即3次重复，于每个测定日下午进行。每盆每个材料(1列)测量3个株高值，并采用“九分制”目测评分法对该列进行整体评价。9分最高，表示植株状态最好，0分最低，表示全部死亡。不同测定日测得株高的差值作为生长速度的指标。

1.4 数据统计与分析

用Microsoft Office Excel 2007对株高、叶片含水量、土壤含水量等数据进行了统计分析及作图。如果同一处理中不同材料间存在显著差异，则采用LSD法进行多重比较，并用小写字母进行标注。

1.4 统计学分析 运用SPSS 18.0软件对数据进行统计学分析，数据均符合正态分布，计量资料以表示，数据比较采用独立样本t检验，计数资料以例(%)表示，数据比较采用χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 不同胁迫处理下的环境因子变化

将5个测定日测定的温度、湿度、光照和紫外强度值取平均，绘制田间白天这段时间内的基本气象情况(图1)。一天中，中午的光照强度最大，在不遮阴条件下12:30时的光照强度和紫外强度分别达到82 kLux和6.3 mW·cm-2，15:30后明显减弱，仅为最高峰时的一半左右。在遮阴条件下，光照强度和紫外强度大大减弱，最高值在10:30，分别为 10 kLux和 0.78 mW·cm-2，12:30次之。

图 1 白天田间光照强度、紫外强度、温度、湿度变化Figure 1 Changes in light intensity, UV radiation intensity, temperature, and humidity in the field during the day

正如预期，田间12:30的气温达到最高，不遮阴和遮阴情况下分别为46.2和37.8 ℃，遮阴的降温效果十分显著。湿度呈现与温度相反的变化趋势，中午低、早晚高，遮阴比不遮阴湿度普遍提高15%～25%。遮阴时，14:30左右湿度最低(不到60%)，早晚湿度超过70%。未遮阴时，最低湿度出现在12:30，仅30%，早晚湿度超过50%。

2.2 不同胁迫处理下的土壤和叶片含水量变化

浇水条件下，在不遮阴时土壤含水量稳定，维持在50%～60%，说明每日浇水量与土壤蒸发和植株消耗量基本持平。在遮阴时，土壤含水量逐渐提高，从50%左右上升到75%左右，可能因为遮阴环境下湿度大、蒸发量小，灌水量大于消耗量所致。断水条件下，无论是否遮阴，土壤含水量随处理时间增加而逐步降低，处理第9天，遮阴下土壤平均含水量跌至8.5%，不遮阴仅为2.4%，都已达到一个极低的水平。

同时，考察植株叶片中的水分变化。浇水条件下，无论是否遮阴，植株叶片含水量均保持稳定，维持在70%～80%。断水条件下，叶片含水量在初始几天内同样能维持在70%以上，而遮阴的第7天叶片含水量开始降低，到第9天时仅为25%，不遮阴的第5天叶片含水量就已开始明显下降，到第9天时仅为2.6%。显然，在断水后不遮阴比遮阴的植物叶片更早出现缺水，且情况更严重。土壤和叶片含水量的测定结果与普遍认知一致，同时量化给出了上海地区夏季田间不灌水时，草地早熟禾在不同遮阴条件下开始缺水的时间和缺水程度。此外，同一处理下不同材料的土壤和叶片含水量变化并没有显著差异。

2.3 不同胁迫处理下的植物生长速度和状态

浇水处理下，各材料在遮阴时的生长速度明显较不遮阴时快，但不同材料的累计株高增长量存在显著差异(图2)，J43生长最快，在遮阴和不遮阴时分别为10.5和6.8 cm，其次是J31和J30。只要给予充足的水分，无论是否遮阴，草地早熟禾均能保持良好的状态，平均评分维持在8分以上(图3)。

图 2 不同处理下各材料生长速度的比较Figure 2 Comparison of growth rates among different cultivars under different treatments不同小写字母表示同一处理下不同材料间存在显著差异(P ＜ 0.05)。Different lowercase letters within a treatment indicate a significant difference among different materials at the 0.05 level.

图 3 不同处理下各材料的目测评分变化Figure 3 Visual rating of different cultivars under different treatments

断水处理后，各材料的株高累计增长量明显较浇水处理时少，后2次测定时大部分材料已基本停止生长，且同一断水处理下不同材料间株高累计增长量并没有显著差异(图2)。同时，断水第5天植物的平均评分开始出现下降，尤其是不遮阴时下降十分明显，第5、7、9天平均评分依次为4、1.9和1.4分(图3)，可见干旱和高光强/紫外共同作用对植株造成了更加严重的胁迫。

3 讨论与结论

3.1 干旱对草地早熟夏季生长的胁迫

夏季冷季型草受到的非生物胁迫，除了高温，可能还来自干旱。本研究发现，断水5～7 d后叶片含水量开始下降，草坪表现出严重的受胁迫状态。这与柴烨[10]对包括草地早熟禾属在内的4个属11个品种的冷季型草夏季断水一周的表现一致，并且与高羊茅(Festuca arundinacea)中在高温断水处理后叶片含水量变化情况也相仿[11]。而且，由于本研究的胁迫强度更大(高温更高、持续时间更长、光照更强)，叶片含水量下降出现的更早且更严重。

水分在植物体内的功能是多方面的，光合作用所需的水分只占植物吸收水分的1%以下[14]。只有叶片水分含量高于维持细胞形态所需水分，才能开始进行光合作用。王纪华等[15]发现，小麦(Triticum aestivum)叶片含水量下降到70%左右是叶片光合生理活性的一个重要转折点。在夏玉米的研究中也证实了叶片含水量是影响叶片净光合速率的重要因子[12]，当含水量降到70%时，净光合效率为0。本研究中，反映植株状态的目测评分和叶片含水量的变化趋势一致，并且同样发现70%左右是草地早熟禾叶片含水量的一个重要转折点，低于该值后，植株状态明显变差，可能光合作用受到了严重的破坏。

3.2 强光照/紫外对草地早熟夏季生长的胁迫

光合作用是植物生长发育的基础，不同植物的光饱和点不同。草地早熟禾‘Nassu'品种[16]的近光饱和点和光补偿点分别约为 850 和 18 μmol·(m2·s)-1，在阳光下相当于47和1 kLux。本研究中，白天遮阴条件下的光强均高于报道的光补偿值，可满足草地早熟禾正常生长的需要；同时未遮阴的光强已远远超过报道的光饱和点，过剩的光能可能会引起光抑制现象的发生，甚至对植株造成不可逆的伤害。

UV-B辐射会减缓植物生长，抑制下胚轴生长，使株高降低[17]，同时它还会影响植物的生理生化代谢，破坏叶绿体，降低光合效率[18]。本研究中，无论是否浇水，在未遮阴的强紫外下，草地早熟禾生长都明显减缓。在断水情况下，紫外越强，草地早熟禾受胁迫越严重，且胁迫出现的时间也越早；而在浇水情况下，强紫外并未对植株造成明显伤害。可见，本研究中强紫外对植株造成的伤害远不及干旱，在干旱情况下，强紫外会明显加重胁迫。

本研究中，强紫外和干旱的双重胁迫加重对草地早熟禾的伤害程度，超过单一的干旱胁迫，这与对滇杨(Populus yunnanensis)的研究结果相似[19]。但对春小麦[20]、向日葵(Helianthus annuus)[21]、胡枝子(Lespedeza)[22]等的研究发现，这两种胁迫复合时可以缓解单因子伤害的程度。UV-B辐射能缓解水分限制对苦荞麦(Fagopyrum tataricum)生长造成的负效应，但对普通荞麦(Fagopyrum esculentum)并没有明显影响[23]。另外，在对青藏高原高海拔和低海拔的两种沙棘(Hippophae rhamnoide)研究中发现[24]，UV-B和干旱复合对低海拔沙棘可能会造成协同伤害，而UV-B照射能减弱高海拔沙棘的缺水敏感性。可见这两种胁迫叠加对植物所造成的影响是加重加还是缓解并不一定，可能与植物种类以及胁迫强度有关。

3.3 上海地区草地早熟禾越夏困难原因分析

从20世纪90年代开始，上海夏天的平均气温越来越高，入夏越来越早，而且夏季越来越长。在本研究开展期间，连续晴热无雨、气温节节攀高，尤其在2017年7月21日徐家汇站测得最高温度达40.9 ℃，该气温刷新了上海145年气象史上的最高纪录。这阶段的天气(极端高温、强光照、无降水)保证了本研究的顺利开展。

本研究选用的是耐热性和越夏性基本相反的材料，目的在于排除越夏性中的高温因素。这些材料在干旱胁迫下受伤害均十分明显，但不同材料间并没有表现出明显的耐旱性差异。此外，强光照/紫外在断水情况下会加重干旱对植物的伤害程度，但强光照对不同材料的胁迫程度同样没有显著差异。由于设计试验时，考虑到田间工作量和操作性，仅以植株整体状态评分和叶片含水量作为主要指标，来初步比较不同材料间的抗性差异。更多的生理、生化和表型指标[25-26]将在后续的试验中进行检测，对本研究结论进行进一步的确认。根据目前结果分析，造成草地早熟禾在上海地区越夏困难的主要非生物胁迫因子是干旱，如果能保证充足的水分，植株就有希望在田间保持良好的状态。

同时，本研究还发现造成不同草地早熟禾材料在该地区越夏性差异的原因可能并非非生物胁迫因子(高温、强光照、干旱)。根据观察，在本研究浇水组中发现NL和J43两个越夏弱的材料在处理第5天起就出现了锈病，并且在之前多年的田间种植中也发现NL很容易感染锈病，且十分严重。锈病是草坪草的一种重要病害，病原菌种类多，一旦环境适宜，其传播速度快，叶片、叶鞘或茎秆上会迅速布满大片的棕色锈病孢子堆，影响光合作用，最终导致植株变黄，甚至枯死[27]。如果遇到夏季雨水多的年份，湿热的气候就极易造成草地早熟禾感染包括锈病在内的一系列病害，因此这可能也是上海地区夏季的又一个重要胁迫因子，将进一步开展对这些材料的病菌接种试验加以验证。

为了让草地早熟禾能在上海地区安全越夏，采取合理的管理措施必不可少。综上所述，在少雨干旱的时候，需进行及时的浇水灌溉，不仅可以降低植株和土壤温度，更是为了保证植株能有充足的水分进行正常的生理活动。补水时间需在叶片含水量未显著下降时，不然将造成植株难以逆转的伤害，根据本研究结果，建议高温暴晒下不要超过3 d，高温遮阴下不要超过5 d。当然浇水还要注意适时适量，避免造成新的涝害，进而引发一些生物胁迫的发生。