晉西黃土區(qū)核桃－谷子間作系統(tǒng)水肥影響域

王丹，畢華興，2，3，許華森，常譯方，蔡智才

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083；2.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；3.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京102206；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100094）

晉西黃土區(qū)核桃－谷子間作系統(tǒng)水肥影響域

王丹1，畢華興1，2，3，許華森4，常譯方1，蔡智才1

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100083；2.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；3.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京102206；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100094）

為了定量判定晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作系統(tǒng)水肥主要競爭區(qū)域，以核桃－谷子間作系統(tǒng)為研究對象，對土壤水分和土壤養(yǎng)分進(jìn)行定位監(jiān)測，采用移動窗口法定量判定間作系統(tǒng)中土壤水分和土壤養(yǎng)分的影響域。結(jié)果顯示：當(dāng)窗口寬度為2時，移動窗口法能有效地判定出土壤水分和土壤養(yǎng)分的影響域。40～100 cm土層，距樹行不同距離處的土壤水分和土壤養(yǎng)分含量相異性較小，難以判定影響域；綜合0～40 cm、0～100 cm土層的土壤水分狀況，土壤水分的影響域范圍是距樹南側(cè)1.75m到距樹北側(cè)1.25m，影響寬度為3m，即主要競爭區(qū)域為距樹南側(cè)1.75 m到距樹北側(cè)1.25m；不同的土壤養(yǎng)分指標(biāo)影響域的范圍不同，綜合考慮土壤養(yǎng)分的四個不同指標(biāo)（有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀）及其在0～40 cm、0～100 cm兩個土層的分布情況，土壤養(yǎng)分的影響域是距樹南側(cè)2.25m到距樹北側(cè)2.25m，影響寬度為4.5m，即主要競爭區(qū)域為距樹南側(cè)2.25 m到距樹北側(cè)2.25 m。建議在土壤水分和土壤養(yǎng)分的主要競爭區(qū)域，采取改變壟溝、起壟覆膜、選擇性施肥等措施，緩解核桃、谷子之間的競爭，提高資源利用效率，增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入。

核桃－谷子間作系統(tǒng)；土壤水分；土壤養(yǎng)分；影響域；主要競爭區(qū)域；晉西黃土區(qū)

農(nóng)林復(fù)合是生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)容之一。果農(nóng)間作作為一種典型的農(nóng)林復(fù)合模式，因其具有較高的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［1－2］，受到廣泛的推廣種植。果樹和農(nóng)作物在同一土地單元內(nèi)共享自然資源，會引起一定程度的競爭［3－4］，尤其是資源不足以滿足果樹和農(nóng)作物的共同生長需求時。這種資源競爭主要包括地上部分光的競爭［5－7］以及地下部分土壤水分［8－10］和土壤養(yǎng)分的競爭［9－13］。雖然現(xiàn)階段國內(nèi)外大量研究學(xué)者開展了對農(nóng)林復(fù)合的相關(guān)研究，取得了一定的成果，但是大部分集中在光、土壤水分、土壤養(yǎng)分、根系［14－16］等空間分布特征的研究，缺乏對果農(nóng)間作系統(tǒng)中地下部分競爭水平變化的定量判定。由于谷子根重90%以上集中在0～40 cm土層［17］，核桃根系主要分布在0～100 cm土層［18－21］，本研究將土層分為0～40、40～100 cm和0～100 cm三個層次對核桃－谷子間作系統(tǒng)中土壤水分和土壤養(yǎng)分進(jìn)行定位監(jiān)測，利用移動窗口法，從水分、養(yǎng)分競爭的角度分析核桃與谷子之間的關(guān)系，定量判定土壤養(yǎng)分、土壤水分的影響域，劃分核桃－谷子間作系統(tǒng)的主要競爭區(qū)域，以期為農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的高效可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣（35°53′10″～36°21′02″N，110°27′30″～111°07′20″E），地處黃河中游東岸，屬于典型的黃土高原殘垣溝壑區(qū)。吉縣土壤以褐土為主，黃土母質(zhì)，土層深厚。年均降水量522.8 mm，降水具有季節(jié)變化，4—10月降水量占全年降水量的90%以上。吉縣屬于典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，日照時數(shù)2 538 h，大于10℃的有效積溫3 361.5℃。無霜期年平均172 d，年均氣溫10.2℃，年均日較差11.5℃。常見的有木本植物193種，49科；草本植物180種，44科（不包括農(nóng)作物）；各類中草藥約141種。果農(nóng)間作系統(tǒng)中主要經(jīng)濟(jì)林樹種包括蘋果（Malus pumila）、核桃（Juglans regia）等，主要農(nóng)作物包括大豆（Glycine max）、花生（Arachis hypogaea）、谷子（Setaria）、苜蓿（Medicago sativa）等。

2 研究方法

2.1 研究對象

根據(jù)晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作的經(jīng)營特點(diǎn)以及實際情況，在山西省吉縣東城鄉(xiāng)柏東村建立核桃－谷子間作系統(tǒng)試驗示范區(qū)。試驗區(qū)核桃品種為晉龍1號，種植于2009年，樹齡為5 a，株行距為6m×6m，樹行走向為東西向；谷子品種為晉谷21，種植于2014年4月7日，距樹0.4 m開始種植作物，株距0.3m×0.4 m。在試驗區(qū)，以中央核桃?guī)橹行膹哪现帘辈荚O(shè)樣線，樣線與核桃樹行向垂直。以距核桃樹行南側(cè)3 m處為第一個樣點(diǎn)，每隔0.5 m取一個樣點(diǎn)，直到距樹北側(cè)3m，每條樣線布設(shè)13個樣點(diǎn)（圖1），共布設(shè)3條重復(fù)樣線。

圖1 核桃－谷子間作土壤水分、土壤養(yǎng)分定位監(jiān)測試驗布設(shè)圖Fig.1 Experiment layout of monitoring soil moisture and nutrients in walnut－millet intercropping systems

2014年8月，在谷子開花期，選擇晴朗的典型天氣，在3條樣線的各監(jiān)測點(diǎn)采用土鉆法取土，取土深度為100 cm，每20 cm為一層。利用烘干稱重法確定土壤水分的含量。土壤養(yǎng)分按照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定［22］，具體方法如下：土壤有機(jī)質(zhì)采用濃硫酸消煮－重鉻酸鉀氧化容量法；全氮采用濃硫酸消煮－凱氏定氮法；速效鉀采用醋酸銨浸提－火焰光度計法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法。測定3次，取其平均值。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

本文的數(shù)據(jù)處理方法主要有移動窗口法［23］和Microsoft Excel 2010。采用移動窗口法判定核桃－谷子間作的影響域范圍的原理如圖2所示：將一個窗口（含偶數(shù)個取樣點(diǎn)）平均分割成兩個半窗口，利用歐氏距離的平方（SED）計算比較兩個半窗口的相異性，按順序?qū)⒋翱谙蛴覀?cè)移動一個取樣點(diǎn)，再計算兩個半窗口的相異性，直到窗口包含最后一個樣點(diǎn)，即所有的取樣點(diǎn)都參與計算為止。利用歐氏距離的平方計算相異性的公式如下：

式中，SED是歐氏距離的平方；k是樣點(diǎn)的變量數(shù)；X是一個半窗口的均值；m和n分別為兩個半窗口；w是窗口的寬度。

以樣點(diǎn)位置為橫坐標(biāo)，歐氏距離的平方為縱坐標(biāo)作圖。當(dāng)曲線出現(xiàn)兩個明顯且穩(wěn)定的波峰時，根據(jù)陡峭的峰值寬度可以有效地判定核桃－谷子間作系統(tǒng)的影響域。本研究中，當(dāng)窗口寬度為2時，以中心點(diǎn)代表區(qū)域范圍，則歐氏距離的平方值與距樹距離的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。影響域內(nèi)距中心林帶不同距離處土壤水分和土壤養(yǎng)分的含量差異較大，即果樹與農(nóng)作物之間的競爭比影響域外更加激烈，為主要競爭區(qū)域。

圖2 移動窗口法原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of moving split window techniques

表1 歐氏距離平方值與距樹距離的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between SED and the distance from the tree

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分影響域

采用移動窗口法對土壤水分的影響域進(jìn)行分析，窗口寬度分別設(shè)為2、4、6、8。窗口寬度為4、6、8時，曲線波動較大，波峰位置不明顯，無法判定影響域范圍和影響寬度。當(dāng)窗口寬度為2時，有兩個明顯且穩(wěn)定的波峰出現(xiàn)（圖3），說明在窗口寬度為2時能夠辨析土壤水分的影響域。0～40 cm土層，在SED5和SED8有兩個明顯的波峰，峰寬分別是SED4－SED6和SED6－SED9，通過半波峰法判定影響域范圍是距樹南側(cè)1.25m到距樹北側(cè)1.25m，影響寬度為2.5 m。0～100 cm土層，在SED4和SED8出現(xiàn)兩個波峰，由此判定影響域范圍是距樹南側(cè)1.75 m到距樹北側(cè)1.25 m，影響寬度為3 m。40～100 cm土層，在SED6和SED9有兩個明顯的波峰，但兩個半窗口之間的相異系數(shù)較小，無法準(zhǔn)確地判斷影響域范圍。以上結(jié)果表明，綜合考慮各個土壤層次，土壤水分的影響域范圍是距樹南側(cè)1.75 m到距樹北側(cè)1.25m，影響寬度為3m；即核桃－谷子間作系統(tǒng)中，土壤水分的主要競爭區(qū)域是距樹南側(cè)1.75 m到距樹北側(cè)1.25 m。

圖3 窗口寬度為2時核桃－谷子間作系統(tǒng)土壤水分的相異性Fig.3 SED of soil moisture in walnut－millet intercropping systems when window width was2

3.2 土壤養(yǎng)分影響域

采用移動窗口法對土壤養(yǎng)分的不同指標(biāo)（有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀）進(jìn)行分析，曲線變化情況見圖4。與土壤水分相同，當(dāng)窗口寬度為4、6、8時，曲線沒有明顯且穩(wěn)定的波峰，土壤養(yǎng)分的影響域范圍和影響寬度難以判定。圖4是窗口寬度為2時土壤養(yǎng)分的影響域，隨著窗口向右移動，曲線變化趨于穩(wěn)定，有兩個明顯且穩(wěn)定的波峰，能夠準(zhǔn)確判定影響域。

核桃－谷子間作系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)在0～40 cm土層的影響域范圍是距樹南側(cè)2.25 m到距樹北側(cè)2.25 m，影響寬度為4.5 m，波峰分別出現(xiàn)在SED4和SED10。0～100 cm土層在SED4和SED9有兩個明顯的波峰。影響域范圍分別是距樹南側(cè)1.75 m到距樹北側(cè)2.25 m，影響寬度為4 m。40～100 cm土層，距中心林帶不同距離的土壤有機(jī)質(zhì)含量差異并不顯著，無法準(zhǔn)確量化影響域范圍（圖4a）。

核桃－谷子間作系統(tǒng)中土壤全氮在表層土壤0～40 cm相異性較大，SED6和SED8歐氏距離的平方值達(dá)到最大，呈現(xiàn)出兩個穩(wěn)定波峰，其影響域范圍是距樹南側(cè)1.25 m到距樹北側(cè)1.25m，影響寬度為2.5 m。0～100 cm土層，影響域范圍是距樹南側(cè)1.75m到距樹北側(cè)2.25 m，影響寬度為4 m。40～100 cm土層，曲線變化趨于穩(wěn)定，有兩個穩(wěn)定的波峰，但是與0～40 cm和0～100 cm相比，距中心林帶不同距離處土壤全氮含量相異性較小，波峰位置不明顯，難以判定影響域（圖4b）。在影響域范圍以外，中心林帶南側(cè)有小波峰出現(xiàn)，說明此處取樣點(diǎn)的全氮含量有較大的相異性，可能原因是該試驗示范區(qū)2013年種植具有固氮功能的大豆，大豆植株附近土壤全氮含量增加，使距樹行不同距離處土壤全氮的含量具有明顯差異。

核桃－谷子間作系統(tǒng)中土壤速效鉀在0～40 cm土層，波峰位置為SED4和SED8，影響域范圍是距樹南側(cè)1.75m到距樹北側(cè)2.25m，影響寬度為4m。0～100 cm土層，波峰出現(xiàn)在SED6和SED9，影響域范圍是距樹南側(cè)1.75m到距樹北側(cè)2.25m，影響寬度為4m（圖4c）。

同上所述，核桃－谷子間作系統(tǒng)中土壤速效磷在0～40、0～100 cm土層，均有兩個穩(wěn)定的波峰。0～40 cm土層，在SED4和SED9出現(xiàn)波峰，影響域范圍是距樹南側(cè)2.25m到距樹北側(cè)2.25m，影響域?qū)挾葹?.5 m。0～100 cm土層，影響域范圍距樹南北兩側(cè)各2.25 m，影響域?qū)挾葹?.5 m。40～100 cm土層，有兩個穩(wěn)定的波峰，但是與0～40 cm和0～100 cm相比，總體波動不明顯（圖4d）。

圖4 核桃－谷子間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的相異性Fig.4 SED of soil nutrients in walnuts－millet intercropping systems

綜合考慮土壤養(yǎng)分的四個不同指標(biāo)，核桃－谷子間作系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分的主要競爭區(qū)域為距樹南側(cè)2.25m到距樹北側(cè)2.25 m。對比土壤水分和土壤養(yǎng)分的影響域，總體而言，除0～40 cm土層的土壤全氮外，在0～40 cm和0～100 cm土層，土壤水分的影響域?qū)挾染∮谕寥鲤B(yǎng)分各指標(biāo)的影響域?qū)挾?。土層深度?0～100 cm，兩個半窗口之間歐氏距離的平方明顯小于0～40 cm和0～100 cm土層，難以判定該土層土壤水分和土壤養(yǎng)分的影響域。這主要是因為核桃根系主要集中在0～100 cm土層［17］，谷子根重90%以上集中在0～40 cm土層［18－21］，核桃和谷子的競爭主要集中在0～40 cm土層。土壤養(yǎng)分的不同指標(biāo)影響域范圍進(jìn)行對比，全氮的影響寬度最小，可能原因是上季種植具有固氮作用的農(nóng)作物大豆，增加了土壤全氮的含量，進(jìn)而在一定程度上緩解了果農(nóng)間作系統(tǒng)中全氮的競爭。

4 討論

影響域的判定方法主要有多元序列［24］、主成分分析［25］、聚類分析［26］、除趨勢對應(yīng)分析（DCA）［27］以及移動窗口法［23］等。本文主要采用移動窗口法對影響域進(jìn)行定量判定。李麗光［28］等利用移動窗口法研究發(fā)現(xiàn)岷江上游花椒地和林地邊界土壤水分影響域，王曉等［29］辨析了濕地－干草原生態(tài)交錯帶的寬度和邊界，石培禮等［30］發(fā)現(xiàn)了岷江冷杉林線的影響域范圍和寬度。雖然眾多研究者利用移動窗口法成功對影響域進(jìn)行定量判定，但此方法仍然具有一定的局限性，從本文實際研究可知，只有窗口寬度為2時才能夠有效地判定影響域，即適當(dāng)?shù)拇翱趯挾炔拍軠?zhǔn)確地判斷影響域的范圍和影響寬度。

通過對核桃－谷子間作系統(tǒng)中水肥的影響域研究初步發(fā)現(xiàn)，在垂直方向上，40～100 cm土層基本不存在競爭，0～40 cm土層是土壤水分和土壤養(yǎng)分的主要競爭區(qū)域。由于谷子根重90%以上存在于0～40 cm土層［17］，所以本研究中將土壤水分和土壤養(yǎng)分的監(jiān)測分為0～40、40～100 cm兩個土層，要想精確地判定核桃－谷子間作系統(tǒng)在垂直方向上的影響域以及主要競爭區(qū)域，需要更加精細(xì)地劃分土層進(jìn)行進(jìn)一步研究。隨著核桃與谷子生長、降雨等條件的動態(tài)變化，間作系統(tǒng)中土壤水分和土壤養(yǎng)分的含量、分布、影響域及主要競爭區(qū)域也不斷發(fā)生變化，而本文只是研究了谷子開花期（雨季）核桃－谷子間作系統(tǒng)的主要競爭區(qū)域，因此劃分多尺度、多時間、多空間、多類型果農(nóng)間作系統(tǒng)中水肥影響域，并判定主要競爭區(qū)域，是果農(nóng)間作系統(tǒng)高效可持續(xù)經(jīng)營研究中一個重要的方向。

5 結(jié)論

在晉西黃土區(qū)，對主要競爭區(qū)域的水肥進(jìn)行科學(xué)調(diào)控，是緩解果農(nóng)間作系統(tǒng)中種間競爭、提高資源利用效率、增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入關(guān)鍵技術(shù)之一。在研究區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依靠天然降水，水資源緊缺是制約果農(nóng)間作系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)效益的主要因素。根據(jù)本研究可知，土壤水分的主要競爭區(qū)域是距樹南側(cè)1.75 m到距樹北側(cè)1.25 m，建議在此區(qū)域改變壟溝進(jìn)行降雨就地富集，引導(dǎo)非耕地地區(qū)徑流向此處富集以及起壟覆膜等措施，最大程度利用降水，提高水資源利用效率和降水生產(chǎn)力。同時，果農(nóng)間作系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分含量對作物的產(chǎn)量也具有較大影響［31］，因此根據(jù)土壤養(yǎng)分的主要競爭區(qū)域，建議在距樹南側(cè)1.75 m到距樹北側(cè)2.25m主要施用氮肥和鉀肥；在距樹南北兩側(cè)各2.25m施用磷肥；若施用肥料品種為氮磷鉀復(fù)合肥，建議在距樹南北兩側(cè)各2.25m進(jìn)行施肥。有目的性的施肥，可以提高作物產(chǎn)量以及肥料利用率，同時防止過度施肥造成資源浪費(fèi)和農(nóng)田污染。

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Distance of edge influence of soil moisture and nutrients in walnut-millet intercropping systems in the Loess Plateau in west Shanxi Province

WANG Dan1，BIHua-xing1，2，3，XU Hua-sen4，CHANG Yi-fang1，CAIZhi-cai1
（1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing，100083，China；2.Ji county station，Chinese National Ecosystem Research Network（CNERN），100083，Beijing，China；3.The Collaborative Innovation Center for Promoting Ecological Functions of Forestry and Economic Trees，Beijing，102206，China；4.College of Resource and Environment，China Agricultural University，Beijing 100094，China）

In order to divide the main competition area for intercropping systems and provide a theoretical guidance for the sustainable and efficient management of intercropping systems on the Loess Plateau in west Shanxi Province，the walnut-millet intercropping system was studied.Soil moisture and nutrients in the intercropping systems were monitored.Moving split window technique was used to detect the distance of edge influence of soil moisture and nutrients in the intercropping systems.The results showed that when the window width reached 2，the distance of edge influence of soil moisture and nutrients could be detected by moving split window technique.It is difficult to determine the distance of edge influence in 40～100 cm soil layer because soil moisture and nutrients content at different distances from the tree row were quite similar.Combining soil moisture in 0～40 cm and 0～100 cm soil layers，distance of edge influence of soil moisture was from 1.75m away in the south to1.25m away in the north side of the tree，that was to say influencing width was 3m，which means the main competition area of soil moisture ranged from 1.75m south of the tree to 1.25m north of the tree.Different soil nutrient indicators had different distance of edge influence.Taking into account of the distribution of four soil nutrient indicators（organic matter，total N，available P and available K）in 0～40 cm and 0～100 cm soil layers，distance of edge influence of soil nutrients was 2.25m south away from the tree to 2.25m north away from the tree and the influencing width was4.5m，which means the main competition area was from 2.25m south of thetree to 2.25 m north of the tree.Changing ridge and furrow，covering ridge and fertilizing selectively in the main competition area of soil moisture and nutrients was proposed to ease the competition between walnuts and millet so as to improve efficiency of resource use and increase the income of local farmers.

walnut-millet intercropping systems；soil moisture；soil nutrients；distance of edge influence；the main competition area；the Loess Plateau in west Shanxi Province

S344.2

A

1000-7601（2016）06-0150-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.23

2016-01-30

國家自然科學(xué)基金（31470638）

王丹（1990—），女，河南鶴壁人，在讀碩士研究生，研究方向為林業(yè)生態(tài)工程。E-mail：beilinwangdan＠126.com。

畢華興，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為林業(yè)生態(tài)工程。E-mail：bhx＠bjfu.edu.cn。