衛宏健, 王詠琪, 丁 杰, 楊 文, 劉天增, 葛良法, 張巨明*
(1. 華南農業大學林學與風景園林學院, 廣東 廣州 510642; 2. 廣東省草業工程技術研究中心, 廣東 廣州 510642)
踐踏是草坪草不可避免的重要脅迫,影響草坪質量和壽命[1]。踐踏對草坪的影響大部分來自于草皮磨損作用[2],該作用力對草坪草的葉、莖和根頸組織產生摩擦、擠壓、撕裂和斷落[3],嚴重影響草坪草的生長和生理代謝,磨損脅迫造成細胞膜結構損傷加劇或者引發膜質過氧化作用,破壞細胞內活性氧代謝平衡,導致細胞損傷甚至死亡[4],但是植物體內有包含多種抗氧化物酶的活性氧(Reactive oxygen species,ROS)清除系統[5]以及通過脯氨酸(Proline,Pro)、可溶性糖(Soluble sugar,SS)等滲透調節物質含量的變化來應對逆境所產生的一些生理變化,減輕逆境對植物的傷害。
硅(Si)是土壤中僅次于氧的第二豐富的礦質元素,在地殼中約含28%[6],大部分的硅元素以二氧化硅(SiO2)的形態在土壤中的儲量十分豐富,但可被植物直接吸收利用的有效硅含量極低[7]。硅作為植物生長的有益元素之一,可以促進植物健康生長,除此之外,硅元素能夠增強草坪草的抗氧化系統的酶活性,提高草坪草的抗逆性,國內外許多研究表明,硅能夠通過增強草坪草的光合速率或者降低蒸騰速率等方式來提高其抗旱性[8-9];可以增加草坪草細胞壁機械強度或者誘導草坪草抗病性基因表達來增強其抗病性[10-11];可以緩解草坪草鹽脅迫對幼苗的傷害,降低根系中的丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量和相對電導率(Relative conductivity,REC)增加其耐鹽性[12-14]。麥靖雯發現,澆用濃度為2 mmol·L-1的硅酸鉀(K2SiO3)溶液對提高黑麥草(LoliumperenneL.)的耐磨損性效果最好[15]。前人關于硅元素對提高草坪草的抗逆性研究大多集中在上述的耐旱性、耐鹽性和抗病性,鮮有關于硅元素對草坪草耐磨損性影響的研究和報道。
我國運動場地設施嚴重不足,大部分運動場草坪經常處于過度磨損狀態,通過科學施肥及合理養護可以提高運動場草坪的壽命和場地質量。結縷草(Zoysiajaponica)和狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers.)是我國南方地區運動場草坪常用的暖季型草坪草種[16],本研究以2種狗牙根品種和2種結縷草品種為研究對象,探究硅元素對暖季型草坪草耐磨損性的影響,為硅肥在運動場草坪的使用提供科學依據。
試驗在廣東省廣州市天河區華南農業大學莘園后大棚進行,試驗時間為2020年11月—2021年2月,大棚內實測平均溫度為22.54℃。
試驗草種為Tifgreen雜交狗牙根(Cynodondactylon×CynodontransvaalensisTifgreen)、普通狗牙根(Cynodondactylon)、蘭引Ⅲ號結縷草(ZoysiajaponicaLanyin No.3)和青島結縷草(ZoysiajaponicaQingdao)。試驗草種均來自華南農業大學增城教學科研基地。種植盆規格為長36.5 cm,寬27 cm,高15 cm。基質為80%沙+20%的泥炭土混合而成,泥炭土為德國Hawita(含有機質90%,pH為5.5~6.5),沙為當地過篩河沙,外源硅為硅酸鉀(K2SiO3,無水級),購于上海麥克林生化科技有限公司。
本試驗為3因素試驗設計(4個草坪草品種、磨損處理與不磨損處理、對照(澆水)與施外源硅處理)。每個草種進行4個處理,分別為不磨損對照處理(不磨損(CK))、不磨損施硅酸鉀處理(不磨損(Si))、磨損對照處理(磨損(CK))、磨損施硅酸鉀處理(磨損(Si))。每個草種每個處理3個重復,總共48盆。磨損處理使用自我研發的摩擦型模擬磨損器進行磨損處理8 min,磨損器長30 cm,寬27 cm,高9 cm,重2.2 kg,磨損器與草坪接觸面黏貼一塊同樣大小的柔性纖維摩擦布,磨損器每分鐘可產生1000次往復振動,磨損器對草坪往復磨損8 min相當于等重的標準足球鞋(FG類,底部有12顆直徑大小為1 cm±0.1 mm,高為1.5 cm±0.1 mm的鞋釘)對草坪進行往復45次磨損,磨損處理每周3次,強度屬于中度磨損[15]。施硅酸鉀處理則是澆用濃度為2 mmol·L-1的硅酸鉀(K2SiO3)溶液,對照為澆灌同等體積的蒸餾水。草種移栽前一天在種植盆中裝基質,高度為13 cm,澆透水讓土壤沉降,正常生長的草莖于2020年11月8日從華南農業大學增城教學科研基地取樣后迅速帶回實驗室,移栽于盆中后覆沙2 mm,壓實,澆透。前2周內,每兩天用噴壺澆水一次,滲透土壤表層2 cm,人工拔除雜草,觀察生長情況正常。2020年11月22日開始,每兩周施用N∶P∶K=15∶15∶15的復合肥,每次用量為15 g·m-2。草坪草高度超過5~7 cm時及時進行修剪,留茬高度4 cm。參照麥靖雯[15]的試驗設計,試驗草種成坪后,2020年12月28日開始進行施硅酸鉀處理(2 mmol·L-1K2SiO3溶液,每2周施用一次,每次350 mL),用氯化鉀(KCl)調平對照處理的鉀離子含量,直至試驗結束。2周后開展磨損試驗,2021年1月11日開始使用磨損器對盆栽進行磨損處理,1月18日開始測量各個指標,試驗于2021年2月8日結束。
1.4.1顏色 采用目測法[17],根據草坪顏色的深淺和枯黃程度采用9分制評分方式目測打分。枯黃1分,綠色6分,深綠9分。3名觀測人員獨立對每盆草坪顏色目測打分,取3人觀測值的平均數。每一周測量一次,一共4次,下同。
1.4.2均一性 目測打分法[17]。根據草坪顏色、形態的整齊度和草坪表面的平坦程度采用9分制評分方式目測打分。1分為最差,6分為可接受水平,9分為最優。3名觀測人員獨立對每盆草坪均一性目測打分,取3人觀測值的平均數。
1.4.3蓋度 樣框法測定[17]。將由513個小格(1.4 cm×1.4 cm)組成的37 cm×27 cm樣框放置被測盆栽草坪上,目測草坪所占格子數,用百分數表示。
1.4.4密度 采用樣框法[17]。采用10 cm×10 cm的樣框放置盆栽草坪上,測定樣方內的草坪植株枝條數。
1.4.5生物量 試驗結束后,用直徑5 cm的取樣器取10 cm深的草皮柱,帶回實驗室。將草皮柱地上部分齊根剪下,地下部分清理出根系,洗凈后放進80℃烘箱內烘干至恒重,稱量并記錄。同時另取部分直立莖倒3葉,測定以下生理指標。草皮和葉片取樣的時間統一為當天上午7:00—8:00點。
超氧化物歧化酶(SOD)總活性采用氮藍四唑(NBT)法測定[18]。葉片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[19]。葉片可溶性糖含量(TSC)采用蒽酮比色法測定[19]。葉片游離脯氨酸(Pro)含量采用磺基水楊酸法測定[19]。葉片細胞膜透性(REC)測定參考陳愛葵的方法進行,用相對電導率來反映細胞膜的透性[20]。
試驗數據采用Microsoft Excel 2019進行圖表分析,用SPSS 22.0軟件進行方差分析,用Duncan’s法在P<0.05水平下進行多重比較。
不磨損處理的草坪顏色分值維持在7.6~8.0分,無論是否施外源硅,磨損處理下4種草坪草的顏色均隨著處理天數的增加而下降(表1),且顏色分值均顯著低于對應的不磨損處理(P<0.05)。從第三次測量開始,磨損(Si)的顏色顯著優于磨損CK(P<0.05),最后一次測量,4種草坪草不磨損(Si)的草坪顏色分值都略高于不磨損CK,但差異不顯著,Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的顏色評分比磨損CK的高9.38%,13.40%,5.83%,9.38%。

表1 外源硅對磨損脅迫下4種草坪草顏色的影響Table 1 Effects of exogenous silicon on color of four turfgrasses under wear stress/score
不磨損處理的草坪均一性分值維持在7.6~8.0分,4種草坪草的均一性在磨損脅迫下出現不同程度的下降(表2),磨損處理的草坪均一性均顯著差于對應的不磨損處理(P<0.05)。從第二次測量開始,普通狗牙根磨損(Si)的均一性顯著優于磨損(CK)(P<0.05),在第三、第四次測量,蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草磨損(Si)的草坪均一性分值都顯著高于不磨損(CK)(P<0.05),最后一次測量中,Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的均一性評分比磨損(CK)的高9.09%,10.00%,8.82%,9.38%。

表2 外源硅對磨損脅迫下4種草坪草均一性的影響Table 2 Effects of exogenous silicon on uniformity of four turfgrass species under wear stress/score
不磨損處理的草坪蓋度始終保持在93%以上,無論是否施外源硅,4種草坪草的草坪蓋度在磨損脅迫下出呈下降趨勢(表3)。從第二次測量開始,普通狗牙根和Tifgreen雜交狗牙根磨損(Si)的蓋度顯著高于磨損(CK)(P<0.05),在第三、第四次測量中,蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草磨損(Si)的草坪蓋度都顯著高于磨損(CK)(P<0.05)。最后一次測量中,普通狗牙根不磨損(Si)的蓋度顯著高于不磨損(CK)(P<0.05),Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的蓋度比磨損(CK)的高14.70%,13.81%,11.11%,12.71%。

表3 外源硅對磨損脅迫下4種草坪草蓋度的影響Table 3 Effects of exogenous silicon on cover of four turfgrass species under wear stress/%
無論是施硅肥還是對照CK,4種草坪草的草坪密度在磨損脅迫下出呈下降趨勢(表4)。最后一次測量中,普通狗牙根和Tifgreen雜交狗牙根的不磨損(Si)的密度顯著高于不磨損(CK)(P<0.05),而蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草不磨損(Si)的密度雖然一直處于增長趨勢,但始終和不磨損(CK)無顯著差異(P>0.05)。從第二次測量開始,普通狗牙根和Tifgreen雜交狗牙根磨損(Si)的密度顯著高于磨損(CK)(P<0.05),蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草則從在第三、四次測量中,磨損(Si)的密度顯著高于磨損(CK)(P<0.05)。最后一次測量中,Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的密度比磨損(CK)的高14.93%,17.65%,13.51%,14.67%。

表4 外源硅對磨損脅迫下4種草坪草密度的影響Table 4 Effects of exogenous silicon on density of four turfgrass species under wear stress/shoot·100 cm-2
4種草坪草不磨損(Si)的生物量均高于不磨損(CK)的,但無顯著差異(P>0.05),無論是對照CK還是施硅肥,磨損脅迫下所有草種的生物量出現不同程度的下降(圖1),且4種草坪草磨損(Si)的生物量均顯著高于磨損(CK)(P<0.05),Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的生物量比磨損(CK)的高12.00%,14.65%,11.41%,11.35%。
4種草坪草不磨損(CK)與不磨損(Si)的SOD活性均無顯著差異(P>0.05),無論是對照CK還是施硅,磨損脅迫下所有草種的SOD活性表現出不同程度的上升趨勢(圖2),且4種草坪草磨損(Si)的SOD活性均顯著高于磨損(CK)(P<0.05),蘭引Ⅲ號結縷草磨損(Si)的SOD活性均顯著高于其他品種。Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的SOD活性比磨損(CK)的增加了5.65%,9.36%,6.60%,5.95%。

圖1 外源硅對磨損脅迫下4種草坪草生物量的影響Fig.1 Effects of exogenous silicon on biomass of four turfgrass species under wear stress注:Si為施硅肥處理,CK為對照,不同小寫字母表示不同草種對照CK在相同的磨損條件下差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示不同草種施硅處理在相同的磨損條件下差異顯著(P<0.05),“*”表示同一品種在相同磨損條件下不同施硅處理差異顯著,“Tifgreen”為Tifgreen雜交狗牙根,“蘭引Ⅲ號”為蘭引Ⅲ號結縷草,下同Note:Si is silica fertilizer treatment,CK is control,different lowercase letters indicate that the data of different grass species control ck are significantly different at 0.05 level under the same wear condition,different capital letters indicate that the data of different grass species silica fertilizer treatment are significantly different at the 0.05 level under the same wear condition,“*” indicates different fertilization treatments of the same variety under the same wear conditions were significantly different. “Tifgreen” means Tifgreen hybrid bermudagrass,“Lanyin No.3” means Lanyin No.3 zoysiagrass. The same as below

圖2 外源硅對磨損脅迫下4種草坪草超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響Fig.2 Effects of exogenous silicon on superoxide dismutase (SOD) activity of four turfgrass species under wear stress
試驗結束后,4種草坪草不磨損(CK)與不磨損(Si)的MDA含量均無顯著差異(P>0.05),無論是對照CK還是施外源硅,磨損脅迫下所有草種的丙二醛含量均有所上升(圖3),且4種草坪草磨損(Si)的丙二醛含量均顯著低于磨損(CK)(P<0.05)。蘭引Ⅲ號結縷草與青島結縷草磨損(Si)的丙二醛含量均低于另外2種狗牙根品種。Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的MDA含量比磨損(CK)的下降了20.43%,15.38%,13.59%,13.83%。

圖3 外源硅對磨損脅迫下4種草坪草丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of exogenous silicon on malondialdehyde content of four turfgrasses under wear stress
普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草不磨損(CK)與不磨損(Si)的可溶性糖含量均無顯著差異(P>0.05),而Tifgreen雜交狗牙根不磨損(Si)的可溶性糖含量顯著高于不磨損(CK)(P<0.05)。無論是對照CK還是施外源硅,磨損脅迫下所有草種的可溶性糖含量均有所上升(圖4),且4種草坪草磨損(Si)的可溶性糖含量均顯著高于磨損(CK)(P<0.05),蘭引Ⅲ號結縷草磨損(Si)的可溶性糖含量顯著高于其他品種。Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的可溶性糖含量比磨損(CK)的上升了10.11%,11.11%,9.61%,7.06%。

圖4 外源硅在磨損脅迫下4種草坪草可溶性糖含量的影響Fig.4 Effects of exogenous silicon on soluble sugar content of four turfgrass species under abrasion stress
4種草坪草不磨損(CK)與不磨損(Si)的游離脯氨酸含量均無顯著差異(P>0.05),無論是對照CK還是施外源硅,磨損脅迫下所有草種的游離脯氨酸含量均有所上升(圖5),且4種草坪草磨損(Si)的游離脯氨酸含量均顯著低于磨損(CK)(P<0.05)。Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的游離脯氨酸含量比磨損(CK)的下降了11.18%,10.91%,11.52%,8.38%。

圖5 外源硅對磨損脅迫下4種草坪草游離脯氨酸含量的影響Fig.5 Effects of exogenous silicon on free proline content of four turfgrass species under wear stress
試驗結束后,4種草坪草不磨損(CK)與不磨損(Si)的相對電導率均無顯著差異(P>0.05),無論是對照CK還是施外源硅,磨損脅迫下所有草種的相對電導率表現出不同程度的上升趨勢(圖6),且4種草坪草磨損(Si)的相對電導率均顯著低于磨損(CK)(P<0.05)。蘭引Ⅲ號結縷草與青島結縷草磨損(Si)的丙二醛含量均顯著低于另外2種狗牙根品種(P<0.05)。Tifgreen雜交狗牙根、普通狗牙根、蘭引Ⅲ號結縷草和青島結縷草的磨損(Si)的相對電導率比磨損(CK)的下降了15.14%,11.81%,11.38%,13.43%。

圖6 外源硅在磨損脅迫下4種草坪草相對電導率含量的影響Fig.6 Effects of exogenous silicon on relative electric condutivity of four turfgrass species under wear stress
Epstein和Bloom對于元素的重要性提出了最新定義,認為硅應該被作為高等植物的基本元素[21],因為缺硅植物往往會生長異常,而補硅植物生長正常。此外,當硅過量存在時,不會對植物有害[22]。由于土壤中的硅元素大部分以SiO2的形態存在,而這種形態是不能直接被植物吸收利用[23],因此土壤中常常需要人工添加植物能夠吸收的硅元素。本研究中,4種草坪草在正常生長(即不磨損)的條件下,施外源硅的狗牙根和結縷草的表觀質量指標(顏色、均一性、密度、蓋度和生物量)均在不同程度上優于不磨損(CK),說明施外源硅能夠補充草坪草所能夠吸收的硅元素,促進草坪草的生長。其中Tifgreen雜交狗牙根和普通狗牙根不磨損(Si)的密度顯著高于不磨損(CK)(P<0.05);而兩種結縷草不磨損(Si)的密度均與不磨損(CK)無顯著差異(P>0.05),表明施外源硅可以更有效地提高狗牙根的密度。
硅元素從土壤進入禾木科植物體內后大部分沉積在植物地上部分,形成硅化細胞,使植物表皮的細胞壁和細胞外周的角質層加厚,同時在表皮細胞形成“角質―硅質”的雙層結構,該結構能夠增加細胞組織的維管束直徑,從而增加其機械強度,極大地保護了細胞[24]。Trenholm發現對海濱雀稗(PaspalumvaginatumSw.)施22.4 kg·hm-2的硅酸鉀溶液后可以減少20%由踐踏脅迫所造成的傷害[25]。與之相似,本研究中,中等強度磨損脅迫下,4種草坪草磨損(Si)的蓋度和均一性均高于對應磨損(CK),說明硅元素能減少磨損脅迫對草坪草造成的傷害,避免損傷過度導致整體均一性、蓋度大幅度下降,有效地保護草坪草。葉綠素含量降低也是植物遭受逆境脅迫的重要特征之一[26],中等強度磨損脅迫下,草坪草葉綠素含量迅速下降,草坪顏色由綠轉黃,硅的添加可以提高植物中保護酶的活性,減輕磨損脅迫下活性氧自由基的傷害,這有助于提高葉綠素含量[27]。本研究中,硅酸鉀的添加一定程度上減少了草坪草顏色下降的幅度,這或許是因為硅進入植物體內后,改變了細胞內葉綠體的結構,如體積增大、片層結構增多、基粒增多[28],導致葉綠素含量增加。
硅可促進植物根系生長,增加根系活力,改善通氣組織和根部的氧化能力,提高其對水分和養分的吸收量,有利于植物生長[29],同時葉綠素含量的上升,使植物光合作用增強,生物量上升[30]。本研究中,施硅酸鉀的4種草坪草在中等強度磨損脅迫下的生物量始終高于相對應磨損程度的對照CK,有學者認為這是硅元素催化了某些與光合作用相關的酶的合成[31],但仍需進一步的研究。此外,有學者發現,施用硅肥可以有效促進草坪草的分蘗[32-33]。本研究中,4種草坪草磨損(Si)密度均比磨損(CK)高。另外,相較于磨損(CK),兩種狗牙根磨損(Si)的表觀質量指標(顏色、均一性、密度、蓋度和生物量)上升的幅度幾乎都大于兩種結縷草,表明外源硅更能提高狗牙根對磨損脅迫的適應能力,這或許是草坪草品種本身的生物學特性差異所致。
SOD作為清除活性氧的第一道防線,在植物抵御不良環境中發揮了重要作用[34]。大量研究表明,活性氧清除能力是判斷草坪草抗逆性的重要的標志[35-37],4種草坪草磨損(Si)的SOD活性均顯著高于磨損(CK)(P<0.05),因此施用適量的外源硅能夠有效提高狗牙根和結縷草在磨損脅迫下的活性氧清除能力和抗氧化損傷能力。游離脯氨酸作為一種重要的滲透調節物質,可提高細胞的滲透調節能力,參與細胞代謝[38],維持膨壓,保護膜結構的完整性,以維持其正常的代謝活動,從而降低磨損脅迫對草坪草細胞的傷害[39],本研究中,磨損脅迫下4種草坪草的葉片脯氨酸含量都呈增加趨勢,其中不施外源硅條件下各草種的脯氨酸增幅較大,而施用硅后增幅較小,說明硅肥可提高狗牙根和結縷草的滲透調節能力,提高植物的抗逆性。顧躍等[40]研究發現,施硅能夠降低狗牙根的葉片游離脯氨酸含量,本研究結論與其相似。可溶性總糖是草坪草細胞碳水化合物代謝中的關鍵物質,對組織、器官的構建起重要作用,有利于增強草坪草的抗逆性,其含量高低一般與植物抵抗逆境的能力成正比[41],本研究中,4種草坪草磨損(Si)的可溶性總糖含量均顯著高于磨損(CK)(P<0.05),說明硅肥可提高狗牙根和結縷草的碳水化合物代謝能力,更好的保護植物。
逆境脅迫會破壞植物的細胞膜結構,質膜相對透性增大,大量電解質外滲,相對電導率增大[42],同時積累大量ROS,加劇膜脂過氧化作用,導致其氧化終產物MDA含量上升,MDA具有細胞毒性,破壞細胞的正常代謝活動[43]。部分學者在硅應用于植物的抗逆性研究中發現,施硅可以有效地降低脅迫中植物葉片相對電導率和丙二醛含量[44-45],本試驗結果與前人的研究結果相似。說明狗牙根和結縷草在施外源硅條件下受到磨損脅迫時其細胞膜內容物外滲較少,膜相對較完整,膜脂的過氧化作用減弱,MDA含量下降,有效地維護細胞膜結構和功能的穩定性和降低細胞毒性。其中,兩種結縷草不管是CK還是施外源硅,其磨損脅迫下的MDA含量、游離脯氨酸含量和相對電導率均低于兩種狗牙根,SOD活性和可溶性糖含量均高于兩種狗牙根,這或許是因為結縷草相較于狗牙根,其葉木質素和纖維素含量更高,擁有更發達的機械組織和角質層,本身的耐磨損性強于狗牙根[46],在面對同等強度的磨損脅迫時,結縷草的損傷程度更小,有更強的抵抗磨損脅迫的能力。而對相比于磨損(CK),磨損(Si)處理下兩種狗牙根的MDA含量、游離脯氨酸含量和相對電導率下降幅度大部分都大于兩種結縷草,同時SOD活性和可溶性糖含量的增加幅度都幾乎大于兩種結縷草,說明外源硅對提升狗牙根的耐磨損性效果更好。
施外源硅可以通過促進狗牙根和結縷草的分蘗和生長,以及降低葉片丙二醛、游離脯氨酸含量和相對電導率,同時提高葉片SOD活性和可溶性糖含量,一定程度上減輕磨損脅迫對狗牙根和結縷草生長的影響。綜合比較表觀質量指標和生理指標的變化,外源硅對提高狗牙根的耐磨損性效果更好。