晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作光競爭研究

田 陽，云 雷，畢華興，王莉莉，陳金煥，高路博，王寶寶，楊佳奇

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京100083；2.水利部水土保持監(jiān)測中心，北京100055；3.林木育種國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

黃土高原是中華民族的發(fā)祥地，但對這一地區(qū)森林的破壞，使得該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重。農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營作為治理黃土高原的一項(xiàng)主要措施和有效途徑被廣泛應(yīng)用。果農(nóng)間作是晉西黃土區(qū)開發(fā)的主要模式之一，特別是國家實(shí)行退耕還林政策以來，大量坡耕地改種為具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的果樹，使得果農(nóng)間作模式不斷被推廣。但在半干旱半濕潤的晉西黃土區(qū)，果農(nóng)間作不得不面對一個(gè)重要難題——種間競爭，如何有效減少競爭，提高土地生產(chǎn)力，增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益越來越成為人們，特別是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)前，已有大量有關(guān)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)水分競爭方面的研究［1－9］，但光競爭 的研究 較少［10－12］。系統(tǒng)分析農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的光照分布特征，是發(fā)展和完善農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營，保證其可持續(xù)發(fā)展的重要前提。本文以晉西黃土區(qū)具有代表性的核桃（Jugl ans regia）、蘋果（Mal us pu mil a）、花 生 （Archis hypogaea）、大 豆（Gl ycine max）所組成的4種果農(nóng)間作模式為研究對象，通過對其相對日照總量（KST）、光合有效輻射（PAR）、凈光合速率（Pn）等指標(biāo)進(jìn)行研究，旨在為該地區(qū)間作系統(tǒng)光分布模型的建立，光生態(tài)特征分析等提供一定基礎(chǔ)資料，也為該地區(qū)土地資源合理利用和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣東城鄉(xiāng)雷家莊（110°41′E，36°06′N），地處呂梁山南端，屬于典型的黃土殘塬溝壑區(qū)。年平均降雨量在580 mm左右，降水量季節(jié)分配不均，降雨集中在7—9月，占全年降水量的70%左右。該地區(qū)春季干旱多風(fēng)，氣候回升快，晝夜溫差大，年均氣溫10℃，年均日照時(shí)數(shù)2 740 h，無霜期175 d左右。土壤屬黃土母質(zhì)，土層深厚，土質(zhì)均勻。東城鄉(xiāng)雷家莊是全國優(yōu)質(zhì)果品生產(chǎn)基地、農(nóng)業(yè)部無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)地，該地區(qū)果樹以核桃、蘋果為主。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取當(dāng)?shù)刂饕麡漕愋汀颂遥〞x豐）、蘋果（紅富士）以及典型作物花生（晉花4號）、大豆（晉豆36號）為研究對象。核桃和蘋果均始栽植于2000年，果樹行間內(nèi)種植花生、大豆（同一樹行南北兩側(cè)種植相同作物），果樹行向與作物行向一致，皆為東西走向。核桃株行距為6.5 m×6.5 m，平均樹高4.2 m，冠幅半徑2.1 m；蘋果株行距為3.0 m×4.0 m，平均樹高4.0 m，冠幅半徑2.1 m；間作模式中的花生、大豆的株行距均為0.45 m×0.50 m，并設(shè)置單作花生和大豆作為對照，無論間作還是單作，作物的株行距及管理方式一致。核桃樹行與花生、大豆距離均為1 m，而蘋果樹行與二者的距離均為2 m。

2.2 光照強(qiáng)度與光合作用

光照強(qiáng)度測點(diǎn)布設(shè)與測定：在核桃—農(nóng)作物和蘋果—農(nóng)作物間作中，選出標(biāo)準(zhǔn)木，以核桃間作為例，以核桃樹下測點(diǎn)為中心，以4 m為半徑作出圓形測區(qū)范圍，以中心為起點(diǎn)，正北方向?yàn)槠鹗挤较?，將此圓形測區(qū)范圍沿順時(shí)針等分為8個(gè)方向（即相鄰方向之間的角度為45°），每個(gè)方向上布設(shè)測點(diǎn)，測點(diǎn)之間的距離為0.5 m，即共有65個(gè)測點(diǎn)；蘋果間作的測點(diǎn)布置與此相同，距離間作模式不遠(yuǎn)處的空曠場地設(shè)為對照。選擇晴朗無云的天氣，利用手持光量子計(jì)測定各測點(diǎn)的光照強(qiáng)度。測定時(shí)間為8：00—18：00，每2 h測定1次。

將光合作用測點(diǎn)布設(shè)與測定：由于核桃和蘋果果樹的株行距的差異，二者光合作用測點(diǎn)布設(shè)并不完全一致：在核桃間作中，以選擇的核桃樹行為中心，在距核桃樹行南北兩側(cè)分別以1.5 m，2.5 m和3.5 m作為兩種作物的觀測點(diǎn)，每種間作模式選擇作物18株（圖1）；蘋果間作在距蘋果樹干東西兩側(cè)以2 m作為兩種作物的觀測點(diǎn)，每種間作模式選擇作物6株。單作對照花生、大豆按照“S”形各選取5株。選擇與測定光照強(qiáng)度相同的天氣，利用光合測定系統(tǒng)（Licor-6400）測定花生、大豆的凈光合速率（Pn，μmol／（m2·s）、光合有效輻射（PAR，μmol／（m2·s），測定時(shí)間為8：00—18：00，每2 h測定1次。每株選取生長狀況良好的標(biāo)準(zhǔn)葉3片，每個(gè)指標(biāo)測定3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)記錄3個(gè)數(shù)據(jù)，然后取平均值。

圖1 核桃－農(nóng)作物間作光合作用監(jiān)測試驗(yàn)布設(shè)

取樣時(shí)間：2009年作物的典型物候期（花生結(jié)莢期和大豆結(jié)莢期）。

2.3 數(shù)據(jù)處理

為了更好地研究間作模式林下的光照強(qiáng)度分布和樹木遮蔭對農(nóng)作物產(chǎn)生的影響，本文引入透光率TSY［13］與光效應(yīng)EL（即樹木對農(nóng)作物光合影響的程度），其計(jì)算公式分別為：

式中：Ri——林下受蔭處輻射累積量；Rck——空地的地標(biāo)輻射累積量；L——間作模式中作物的凈光合速率；Lck——單作對照作物的凈光合速率；EL——光效應(yīng)（%）。

數(shù)據(jù)處理主要是使用Excel 2003，SPSS 15.0，Surfer 8.0等統(tǒng)計(jì)、繪圖軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 林下的光照強(qiáng)度分布

圖2 間作模式林下輻射百分比強(qiáng)度的分布

圖2 為間作系統(tǒng)林下透光率的分布情況，由圖2可以看出，兩種間作模式樹下日輻射百分比強(qiáng)度差異明顯。在核桃間作模式中，林下透光率與距果樹中心距離有關(guān)，隨著距果樹中心距離的增大，透光率增大，在以2 m為半徑的區(qū)域內(nèi)（核桃冠幅半徑約為2 m），透光率為28%，其它區(qū)域的透光率為82%。在蘋果間作模式中，透光率分布較為復(fù)雜，透光率較多的部分主要集中在兩行果樹中間的作物帶上，但由于這個(gè)區(qū)域受到多重遮蔭的影響，地面的受光相對有限，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的透光率僅為33%。

這主要與兩種間作模式的果樹配置有關(guān)（株行距不同），核桃—農(nóng)作物間作的林木群體結(jié)構(gòu)類似于疏散型，樹行上能保持較大空隙的樹冠間的透光，雖然樹的行距小于日出或日落最長樹影的長度（經(jīng)測量），但在農(nóng)作物生長的主要光照時(shí)間內(nèi)，同一樹行相鄰樹木蔭影不會發(fā)生重疊。比較而言，蘋果—農(nóng)作物間作的林木群體結(jié)構(gòu)更類似于緊密型，林下作物不僅受到同一行內(nèi)臨近樹木蔭影的影響，還會受到臨近樹行由于太陽斜射所產(chǎn)生的蔭影影響。所以核桃間作作物的遮蔭區(qū)域是單株樹木遮蔭區(qū)域的加和（無多重遮蔭影響），遮蔭程度相對較輕；蘋果間作作物的受到多重遮蔭的影響，群體遮蔭區(qū)域時(shí)間較長，遮蔭程度較重。

3.2 間作模式作物光合有效輻射日變化

不同間作模式下花生的光合有效輻射日變化趨勢與大豆基本一致（圖3）：除了距離核桃1.5 m的花生和大豆的光合有效輻射日變化趨勢呈“雙峰型”曲線外，其它測點(diǎn)處花生和大豆的光合有效輻射日變化均為單峰型曲線，并且波峰值出現(xiàn)在中午12：00；花生、大豆的光合有效輻射強(qiáng)度從小到大依次為距核桃1.5 m、距蘋果2.0 m、距核桃2.5 m、距核桃3.5 m、單作，即同一作物類型下，單作作物的光合有效輻射大于間作作物，隨著離樹木距離的增加，間作作物光合有效輻射逐漸增大。這些變化主要是由測定位置果樹對作物的遮蔭影響所導(dǎo)致的。

3.3 間作模式農(nóng)作物凈光合速率日變化

與光合有效輻射日變化類似，不同間作模式下花生的凈光合速率日變化趨勢與大豆也具有一定的相似性（圖4）：在蘋果間作中，花生的凈光合速率變化趨勢與大豆一致，均呈現(xiàn)“單峰型”曲線（波峰值出現(xiàn)在中午12：00）；在核桃間作中，花生、大豆的凈光合速率變化趨勢均呈現(xiàn)“雙峰型”曲線，但核桃間作中花生凈光合速率日變化出現(xiàn)峰值的時(shí)間是10：00和14：00，而大豆凈光合速率日變化出現(xiàn)峰值的時(shí)間是10：00和16：00；間作作物的凈光合速率同樣表現(xiàn)為距離果樹越遠(yuǎn)，凈光合速率值越大，并且相同作物類型的單作作物的凈光合速率大于間作作物。

圖3 不同間作模式作物光合有效輻射的日變化

從圖4看出，距核桃2.5 m、3.5 m和單作的花生和大豆均呈現(xiàn)出較為明顯的“午休”現(xiàn)象［14－17］，而距核桃1.5 m的花生和大豆的凈光合速率日變化為“雙峰型”曲線，主要是由果樹遮蔭，光合有效輻射降低造成的。而在蘋果間作中，兩種作物均沒有出現(xiàn)明顯的“午休”現(xiàn)象，這可能主要是由蘋果樹對作物的遮蔭造成的。

圖4 不同間作模式下凈光合速率的日變化

3.4 間作系統(tǒng)光效應(yīng)

根據(jù)公式（2）計(jì)算間作系統(tǒng)光效應(yīng)，得出蘋果—花生、核桃—花生、蘋果—大豆和核桃—大豆四種間作模式的光效應(yīng)值分別為－26.39%，－16.62%，－21.89%和－18.12%，即4種間作模式均為負(fù)效應(yīng)，說明果樹對農(nóng)作物存在光競爭。針對同一種作物而言，光效應(yīng)值表現(xiàn)為：核桃—花生＞蘋果—花生，核桃—大豆＞蘋果—大豆，說明蘋果對作物光的影響要大于核桃，即核桃間作模式的光照條件要優(yōu)于蘋果間作模式，這也與前面林下光照強(qiáng)度得出的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

（1）在核桃間作中，花生、大豆的遮蔭區(qū)域是單株核桃樹遮蔭區(qū)域的加和（無多重遮蔭影響），遮蔭程度相對較輕；在蘋果間作中，花生、大豆的遮蔭區(qū)域受到多重遮蔭的影響，地面的受光相對有限，群體遮蔭區(qū)域的時(shí)間段相對較長，遮蔭程度相對較重，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的相對日照總量僅為33%。

（2）由于果樹遮蔭的影響，間作作物光合有效輻射和凈光合速率均出現(xiàn)了不同程度的降低，降低的程度與果樹和農(nóng)作物的距離有關(guān)，離果樹越近，作物的光合有效輻射和凈光合速率越??；反之，則越大。

（3）引入光效應(yīng)量化果樹對作物的影響程度，四種間作模式的光效應(yīng)具體表現(xiàn)為核桃—花生（－16.62%）、核桃—大豆（－18.12%）、蘋果—花生（－26.39%）和蘋果—大豆（－21.89%），均為負(fù)效應(yīng)，表明果樹對作物存在光競爭，相對而言，核桃對作物光的影響要小于蘋果對作物光的影響。

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