胡椒園間作檳榔體系小氣候?qū)樊a(chǎn)量的影響

祖超 楊建峰 李志剛 王燦 魚歡 鄔華松

摘 要 為確定胡椒園間作檳榔體系影響胡椒產(chǎn)量的關(guān)鍵小氣候因子，在海南胡椒園間作檳榔優(yōu)勢(shì)區(qū)開(kāi)展4種間作模式與單作胡椒園小氣候因子對(duì)產(chǎn)量影響的為期4 a的試驗(yàn)，研究不同間作密度下，對(duì)胡椒產(chǎn)量有主要貢獻(xiàn)的灌漿期的葉片光合作用參數(shù)、每日最高和最低氣溫、不同深度土層土壤溫度和含水量，分析胡椒園間作檳榔體系小氣候因子對(duì)胡椒產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：合理間作可以提高胡椒產(chǎn)量，其中間作檳榔株數(shù)為765株/hm2的T2處理可以顯著提高胡椒產(chǎn)量38.71%，為增產(chǎn)效應(yīng)最大的處理。分析T2處理增產(chǎn)的原因，發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)影響的關(guān)鍵光合參數(shù)氣孔導(dǎo)度對(duì)產(chǎn)量有極顯著正效應(yīng)，光合有效輻射、光合速率對(duì)產(chǎn)量有顯著正效應(yīng)，T2處理顯著提高了這三個(gè)光合參數(shù)；高溫干旱的灌漿期胡椒園日最高溫和升溫幅度與產(chǎn)量負(fù)相關(guān)，T2處理顯著降低了這兩個(gè)參數(shù)，使胡椒產(chǎn)量增加；表層土壤溫度與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，T2處理顯著降低了表層土壤溫度，對(duì)胡椒根系有保護(hù)作用。綜合分析，發(fā)現(xiàn)光合有效輻射、日最高溫、升溫幅度和表層土壤溫度是影響胡椒產(chǎn)量的關(guān)鍵小氣候因子，所以，這幾種小氣候因子是用來(lái)確定間作模式是否合理的關(guān)鍵參數(shù)。

關(guān)鍵詞 間作；胡椒；光合作用；氣溫；土壤溫度

中圖分類號(hào) S344.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract In order to determine the key microclimate factors which influence the production of pepper in intercropping system， experiments which had 4 intercropping models and monoculture as the control in pepper/arecanut intercropping advantage region of Hainan from 2009 to 2012 were conducted. Photosynthesis parameters of fully expanded leaves， maximum and minimum air temperature， soil temperature and moisture content in different depth at the filling stage were determined. The effects of microclimate factors on black pepper yield in intercropping system were analyzed . The results showed that the yield of black pepper increased in appropriate black pepper/arecanut intercropping systems. The T2 treatment that intercropping arecanut 765 plant/ha was the optimum intercropping model which could increase pepper yield 38.71% compared to momoculture. Analyzing the reason of T2 yield increase found that the key photosynthetic parameter of stomatal conductance which was affected by light intensity had a very significant positive effect on the yield. The photosynthetic active radiation and net photosynthetic rate had a significant positive effect on the yield. T2 could improve the three photosynthetic parameters. The maximum air temperature and air temperature rise had a negative correlation with yield. The two parameters decreased in filling stage and increased pepper yield in the T2 treatment. There was a negative correlationship between topsoil temperature and yield. T2 also reduced the soil temperature to defend pepper root from injury. Photosynthetic active radiation， the maximum air temperature， air temperature rise and topsoil temperature were the key microclimate factors impact on the pepper production of composite analysis. Therefore， the key microclimate factors used to judge an intercropping mode is reasonable.

Key words intercropping； black pepper； photosynthesis； air temperature； soil temperature

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.007

胡椒園間作檳榔種植模式符合間作種植的單、雙子葉作物搭配原則[1]；且胡椒和檳榔地上部彼此干擾少，有利于通風(fēng)透光，檳榔可提供適度遮蔭，有利于胡椒正常生長(zhǎng)[2]。胡椒與檳榔間作已成為海南省胡椒復(fù)合種植的主要模式[1]。胡椒生長(zhǎng)環(huán)境中光照強(qiáng)度超過(guò)900 μmol/（m2·s）時(shí)[4]，光合速率開(kāi)始下降，所以胡椒生長(zhǎng)需要被適度遮蔭，以降低光強(qiáng)、提高光合速率[2]和養(yǎng)分利用率[3]，增加果實(shí)產(chǎn)量[1-3]。胡椒生長(zhǎng)以年均溫24～26 ℃最適宜，溫度過(guò)高對(duì)植株生長(zhǎng)不利，氣溫高于35 ℃時(shí)，生長(zhǎng)受抑制，高于39 ℃時(shí)，嫩葉受害，地表溫度高于52.5 ℃時(shí)，幼苗貼近地面的枝蔓被灼傷，甚至引起植株枯死，因此椒園應(yīng)適當(dāng)蔭蔽和覆蓋[5]。胡椒種植園土壤含水量低于21%時(shí)，植株生長(zhǎng)受到抑制，土壤含水量低于18%時(shí)，輕者植株生長(zhǎng)不良，葉片褪綠，影響開(kāi)花結(jié)果，造成減產(chǎn)；重者植株枯萎死亡[5]?？梢?jiàn)小氣候是生物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的環(huán)境因子[6]，并且越來(lái)越受到人們的極大關(guān)注。

關(guān)于胡椒與檳榔的適宜間作密度，間作效益[1]、胡椒光合效應(yīng)[2]、胡椒與檳榔根系空間分布特征[7]，以及養(yǎng)分利用率[3]都有報(bào)道，但是小氣候因子對(duì)不同間作模式產(chǎn)量的影響還沒(méi)有研究，已有研究表明胡椒灌漿期對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為52%[2]，所以本文對(duì)胡椒/檳榔間作園的胡椒灌漿期主要小氣候因子特征進(jìn)行比較分析，確定胡椒/檳榔復(fù)合種植系統(tǒng)影響胡椒產(chǎn)量的關(guān)鍵小氣候因子，為評(píng)價(jià)間作模式是否合理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2009～2012年，在海南省瓊海市大路鎮(zhèn)西昌村、國(guó)營(yíng)東紅農(nóng)場(chǎng)1隊(duì)、大路鎮(zhèn)川教村和大路鎮(zhèn)安竹村進(jìn)行，試驗(yàn)點(diǎn)年均溫23.0～24.5 ℃，年降雨量1 700～2 150 mm，均為紅壤土。試驗(yàn)區(qū)土壤狀況見(jiàn)表1，試驗(yàn)以常規(guī)管理胡椒園間作的檳榔密度為處理，大路鎮(zhèn)西昌村處理編號(hào)為T1、國(guó)營(yíng)東紅農(nóng)場(chǎng)1隊(duì)編號(hào)為T2、大路鎮(zhèn)川教村編號(hào)為T3、大路鎮(zhèn)安竹村編號(hào)為T4，4個(gè)處理的檳榔種植于2000年，長(zhǎng)勢(shì)良好，正處于豐產(chǎn)期，密度分別是615、765、1 665、2 265株/hm2，間作規(guī)格（胡椒行數(shù)×檳榔行數(shù)）分別為：3×1、2×1、1×1和1×1；每個(gè)處理內(nèi)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，均以當(dāng)?shù)胤N植密度為2 265株/hm2、常規(guī)管理的單作胡椒園為對(duì)照。每個(gè)處理和對(duì)照面積各為0.2～0.3 hm2，每年每株胡椒所施肥料為0.25 kg有機(jī)質(zhì)、0.17 kg氮肥、0.41 kg磷肥、1.94 kg鉀肥，每株檳榔所施肥料為1 kg復(fù)合肥（15-15-15）。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 產(chǎn)量測(cè)定 在胡椒成熟期（5～7月），測(cè)定2010～2012年單位面積白胡椒產(chǎn)量。

1.2.2 光合作用參數(shù)測(cè)定 用便攜式光合儀（Li6400）在胡椒灌漿期測(cè)定陽(yáng)面中部完全展開(kāi)葉9 ： 00～11 ： 30和14 ： 00～16 ： 30時(shí)的光合有效輻射（PARi）、凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）。

1.2.3 空氣溫度測(cè)定 空氣溫度在每月連續(xù)晴天的第3天的7 ： 00～8 ： 00、13 ： 00～14 ： 00、17 ： 00～18 ： 00以水銀溫度計(jì)測(cè)定，每個(gè)園塊測(cè)定5次取平均值，測(cè)定高度距離地面1.5 m。

1.2.4 土壤溫度和含水量測(cè)定 在每月連續(xù)晴天的第3天的7 ： 00～8 ： 00、13 ： 00～14 ： 00、17 ： 00～18 ： 00 3個(gè)時(shí)間段，于胡椒與檳榔植株的中間位置地表、0～20、20～40 cm測(cè)定土壤溫度，并分0～20、20～40、40～60 cm共3層取土樣以烘干法測(cè)定土壤含水量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 13.0和SAS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式產(chǎn)量比較

從圖1可以看出，T2為所有間作模式中干白胡椒產(chǎn)量最高的，單產(chǎn)為3 246.5 kg/hm2，比最小值T4提高了62.88%。4種間作模式與單作相比，T1和T2兩種間作模式顯著提高了胡椒產(chǎn)量，其中T2相對(duì)于單作增長(zhǎng)量最大，為38.71%，T1相對(duì)于單作提高了32.26%，T3和T4兩種間作模式?jīng)]有顯著提高胡椒產(chǎn)量。所以，胡椒與檳榔合理間作有利于胡椒產(chǎn)量增加，這一優(yōu)勢(shì)可能與胡椒園間作檳榔改善了胡椒種植園的光照、溫度和土壤溫濕度等小氣候環(huán)境有關(guān)，所以，需要分析胡椒園間作檳榔小氣候環(huán)境對(duì)產(chǎn)量的影響。

2.2 胡椒灌漿期光強(qiáng)對(duì)胡椒產(chǎn)量的效應(yīng)分析

已有研究表明胡椒灌漿期光合作用對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大[2]。光照強(qiáng)度對(duì)葉片光合作用有決定性作用，葉片光合有效輻射PARi是植物吸收的太陽(yáng)輻射中用來(lái)進(jìn)行光合作用的那部分能量，是形成生物量的基本能源，主要受光強(qiáng)影響，比較灌漿期各處理葉片的PARi，發(fā)現(xiàn)T2處理PARi為789.64 μmol/（m2·s）比另外3種間作密度處理提高95.28%～307.64%，但是與單作差異不顯著（圖2-a），把幾種間作處理的PARi與產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)分析（圖2-b），發(fā)現(xiàn)二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p=0.01），可見(jiàn)光強(qiáng)使胡椒地上部葉片光合有效輻射在193.71～789.64 μmol/（m2·s）范圍內(nèi)，對(duì)產(chǎn)量有顯著正效應(yīng)。光合速率Pn在光強(qiáng)不高于450 μmol/（m2·s）時(shí)，是隨著光強(qiáng)的增加而增加的，450～900 μmol/（m2·s）是光飽和范圍，所以對(duì)間作處理的PARi和Pn進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)二者呈極顯著正相關(guān)線性關(guān)系（p<0.000 1），線性方程為y=0.003 1x+1.932 0，比較了間作與單作以及間作處理間的Pn ，發(fā)現(xiàn)T1、T2和T3處理的Pn相對(duì)于對(duì)照沒(méi)有顯著提高，T2處理比其余處理提高了31.00%～79.58%（圖2-c），同時(shí)分析了Pn對(duì)產(chǎn)量的影響（圖2-d），結(jié)果表明Pn對(duì)產(chǎn)量也有顯著正效應(yīng)（p=0.03），所以，光強(qiáng)提高T2處理胡椒產(chǎn)量可能是通過(guò)增強(qiáng)PARi，進(jìn)而提高Pn來(lái)影響產(chǎn)量的。但是相對(duì)于單作，T2處理的PARi和Pn并沒(méi)有顯著提高（圖2-a，c），然后又分析了光強(qiáng)影響的另外一個(gè)重要光合參數(shù)氣孔導(dǎo)度Gs（圖2-e），發(fā)現(xiàn)T2處理的Gs顯著高于對(duì)照和其他間作處理，比對(duì)照提高了12.53%，比其他間作處理提高了25%～150%，同時(shí)分析了氣孔導(dǎo)度和產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系（圖2-f），發(fā)現(xiàn)Gs與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.000 1），所以，光強(qiáng)影響產(chǎn)量，可能主要是通過(guò)改變光合參數(shù)Gs來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3 胡椒灌漿期園區(qū)氣溫對(duì)胡椒產(chǎn)量的影響

從圖3-a可以看出，與單作相比，T1、T2和T4都顯著降低了胡椒灌漿期園區(qū)每日的最高溫，其中T2相對(duì)于單作降低最多，為7.7 ℃，T1和T4分別降低了4.7 ℃和4 ℃；胡椒果實(shí)灌漿期不同間作模式處理均降低了胡椒園的升溫幅度，單作胡椒園14 ： 00氣溫比8 ： 00氣溫升高11.0～14.3 ℃，而間作檳榔后，升溫幅度均未超過(guò)10.5 ℃，間作比單作降低了15.73%～50%。其中T2處理的升溫幅度最小，比單作降低了50.00%（圖3-b）。胡椒灌漿期間作降溫效果排序?yàn)椋篢2>T1>T4>T3。對(duì)灌漿期每日最高溫和升溫幅度與產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)每日最高溫度越高，升溫幅度越大，產(chǎn)量越低（圖3-c，d），尤其是升溫幅度對(duì)產(chǎn)量有顯著負(fù)效應(yīng)（p=0.01），所以，灌漿期降低日最高溫和升溫幅度對(duì)提高胡椒產(chǎn)量具有重要意義。

2.4 灌漿期胡椒園土壤溫度和含水量對(duì)胡椒產(chǎn)量的影響

灌漿期間作降低了胡椒園區(qū)13 ： 00～14 ： 00的土壤溫度，T2和T4處理顯著降低了地表溫度，分別降低了11.7 ℃和10 ℃，T4處理使0～20 cm土層的溫度平均降低5 ℃，T2處理使20～40 cm土層平均降低了1.8 ℃，T1和T3處理都沒(méi)有顯著降低地表和0～40 cm土壤溫度（圖4-a）。檳榔和胡椒間作使得單位土地面積的耗水量增加，所以間作降低了胡椒園土壤濕度，其中胡椒葉片蒸騰速率較大的T2處理顯著降低了0～20 cm和40～60 cm土層土壤含水量，T4顯著降低了20～40 cm土層土壤含水量，T1和T3對(duì)土壤含水量沒(méi)有顯著影響（圖4-b）。分析灌漿期土壤溫度和含水量與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤溫度與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)（圖4-c），含水量與產(chǎn)量呈正相關(guān)（圖4-d），但相關(guān)性都不顯著。

3 討論

農(nóng)林間作這種土地利用制度能夠盡可能實(shí)現(xiàn)發(fā)展經(jīng)濟(jì)與保護(hù)生態(tài)環(huán)境之間的有機(jī)結(jié)合，提高對(duì)土地、 光、熱、水等資源的利用率，增加土地生產(chǎn)力，保持水土，使單位面積耕地上獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。光照是農(nóng)林間作中最受人們重視的因子之一[8]。胡椒園間作檳榔使胡椒產(chǎn)量增加，其中T2處理胡椒產(chǎn)量相對(duì)于單作增加最多，這與T2處理檳榔適度遮蔭促進(jìn)胡椒葉片光合作用是分不開(kāi)的。在胡椒灌漿期T2處理的光合有效輻射為789.64 μmol/（m2·s），在胡椒葉片光飽和范圍內(nèi)[450～900 μmol/（m2·s）]，其余間作處理光合有效輻射都低于450 μmol/（m2·s），光合有效輻射透過(guò)率低導(dǎo)致胡椒產(chǎn)量增加受限[9]，可見(jiàn)，T2處理模式有利于胡椒冠層截獲光合有效輻射，冠層截獲的光合有效輻射主要受葉面積指數(shù)的影響[10]，所以，該種模式有利于增加胡椒葉面積指數(shù)，從而增加光能利用率，提高產(chǎn)量，這與玉米間作系統(tǒng)研究結(jié)果相似[11]。T2處理光照強(qiáng)度顯著提高了胡椒葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度，灌漿期，光合速率顯著增加可能增加胡椒對(duì)碳的固定[12]，是促進(jìn)T2處理胡椒產(chǎn)量增加的又一主要原因，但是通過(guò)分析光強(qiáng)影響的主要光合參數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)量有極顯著正效應(yīng)的為氣孔導(dǎo)度。所以，灌漿期光強(qiáng)影響胡椒產(chǎn)量，主要是通過(guò)改變?nèi)~片氣孔導(dǎo)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，氣孔導(dǎo)度對(duì)胡椒產(chǎn)量增加有極顯著正效應(yīng)，在對(duì)小麥的研究中也發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，氣孔導(dǎo)度與小麥果實(shí)千粒重呈極顯著正相關(guān)[13]，胡椒灌漿期為每年的3～5月，恰逢海南胡椒主要植區(qū)的干旱期，所以，該時(shí)期，氣孔導(dǎo)度對(duì)胡椒產(chǎn)量有極顯著正效應(yīng)，與小麥研究結(jié)果相同。

胡椒園間作檳榔后使高溫干旱的灌漿期園區(qū)每日最高氣溫顯著降低，特別是T2處理，灌漿期每日最高溫為33.5 ℃，胡椒可以正常生長(zhǎng)，其余間作處理園區(qū)氣溫最高溫都超過(guò)35 ℃，胡椒生長(zhǎng)受到抑制[5]，T2處理每日升溫幅度也顯著降低，這對(duì)于該時(shí)期胡椒的生長(zhǎng)具有重要意義。T2處理降低了系統(tǒng)每日最高溫和升溫幅度，與該模式胡椒冠層截獲光合有效輻射量增加密切相關(guān)，冠層截獲量增加，地面輻射降低，空氣溫度相應(yīng)降低。T2的降溫作用也可能是葉片蒸騰作用高于其余處理導(dǎo)致的（圖5），這與張勁松等[14]的研究結(jié)果相似。分析灌漿期每日最高溫以及升溫幅度與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)每日最高溫與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，升溫幅度對(duì)產(chǎn)量有顯著負(fù)效應(yīng)，所以T2處理胡椒產(chǎn)量最高，這與該時(shí)期園區(qū)的每日最高溫降低最多、升溫幅度最小有很大關(guān)系。

灌漿期間作胡椒園13 ： 00～14 ： 00的地表土壤溫度降低，其中T2處理降溫效果最為顯著，這與胡椒冠層截獲光合有效輻射量增加，使得投射到地面的光照強(qiáng)度減弱有關(guān)。胡椒根系垂直分布主要在0～60 cm土層，土壤溫度過(guò)高會(huì)損傷根系，所以，淺層土壤溫度降低，有利于胡椒根系正常生長(zhǎng)。分析表層土壤溫度與產(chǎn)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)溫度越低，產(chǎn)量越高，但相關(guān)性不顯著。胡椒園土壤含水量低于18%抑制胡椒正常生長(zhǎng)[5]，但是土壤含水量為30%相對(duì)于25%會(huì)降低胡椒葉片葉綠素含量和干物質(zhì)累積[15]，4個(gè)間作處理0～60 cm土層土壤含水量平均值分別為33.14%、30.17%、27.10%和28.15%，T3和T4的土壤含水量最適宜胡椒生長(zhǎng)，但是胡椒產(chǎn)量并沒(méi)有顯著提高，于是分析了0～20 cm土層土壤含水量與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)性積弱，可見(jiàn)，土壤含水量對(duì)胡椒產(chǎn)量的提升貢獻(xiàn)率很小。

通過(guò)分析胡椒園間作檳榔體系主要小氣候因子與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)光合有效輻射是影響產(chǎn)量的主要因子，它主要通過(guò)增加葉片氣孔導(dǎo)度值來(lái)提高胡椒產(chǎn)量，其次，間作系統(tǒng)日最高溫和降溫幅度對(duì)胡椒產(chǎn)量也有顯著正效應(yīng)，表層土壤溫度對(duì)產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng)，所以，在優(yōu)化胡椒與其他間作物種植模式時(shí)，這幾種小氣候因子是確定間作模式是否合理的關(guān)鍵參考因子。

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