棗與棉花間作巷道內(nèi)的光環(huán)境研究

王世偉，潘存德，張翠芳，李 星，郭佳歡

(新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

棗與棉花間作巷道內(nèi)的光環(huán)境研究

王世偉，潘存德*，張翠芳，李 星，郭佳歡

(新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

【目的】棗是新疆環(huán)塔里木盆地特色林果栽培面積最大的樹種，環(huán)塔里木盆地棗樹的栽培大多與農(nóng)作物間作?！痉椒ā繛榱颂矫鳁椗c農(nóng)作物間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)的光環(huán)境變化對農(nóng)作物產(chǎn)量形成的影響，本研究以環(huán)塔里木盆地棗與棉花間作系統(tǒng)為研究對象，通過度量與棉花間作條件下棗樹間作巷道內(nèi)棉花不同生育時期冠層飽和光合有效輻射(PAR)時空窗的大小及其與棉花產(chǎn)量形成的關(guān)系，為棗與棉花間作系統(tǒng)的可持續(xù)經(jīng)營提供科學依據(jù)。【結(jié)果】棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)達到棉花光飽和點的光量子通量密度持續(xù)時間是影響棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗大小的決定因素，并隨著棗樹樹齡的增大和栽植株行距的減小而縮短。棉花產(chǎn)量形成受間作巷道內(nèi)棉花冠層飽和有效輻射時空窗大小的直接影響，并表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。【結(jié)論】新疆南疆盆地棗樹栽植行距小于4 m的棗與棉花間作系統(tǒng)中，當棗樹樹齡達到5 a以上，間作巷道內(nèi)棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗已經(jīng)關(guān)閉或趨于關(guān)閉，棉花產(chǎn)量與單作棉田相比大幅降低，已不適合繼續(xù)間作棉花。

間作；棗；棉花；光合有效輻射時空窗；光環(huán)境

【研究意義】棗(ZiziphusjujubeMill.)為鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(Ziziphus)木本植物[1]。新疆環(huán)塔里木盆地地勢平坦，屬于暖溫帶干旱氣候，光熱資源豐富，降雨稀少，蒸發(fā)量大，土壤類型為潮土性灌淤土和沙壤土，為棗的生長發(fā)育提供了得天獨厚的自然條件。截止2015年底，環(huán)塔里木盆地棗樹栽培面積突破了4.33×105hm2，已經(jīng)成為新疆特色林果栽培面積最大的樹種。然而，隨著新疆環(huán)塔里木盆地灌溉綠洲耕地沙化、鹽堿化程度的加劇，導致可利用耕地面積日益減少，新疆特色林果產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展過程中林農(nóng)爭地的矛盾日益尖銳，已經(jīng)成為制約特色林果業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸[2]?！厩叭搜芯窟M展】果樹與糧棉間的模式成為兼顧新疆環(huán)塔里木盆地特色林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展和保障糧棉生產(chǎn)的有效途徑[3]。在果樹與糧棉間作條件下，上層林冠對光的攔截作用使得間作巷道內(nèi)農(nóng)作物冠層接收到的太陽輻射減少[4-6]，影響了農(nóng)作物干物質(zhì)的積累[7]，最終會導致作物減產(chǎn)[8-10]，這在棉花[11-13]、冬小麥[14-15]、玉米[16]等農(nóng)作物與林木間作系統(tǒng)的產(chǎn)量效應(yīng)研究中都得到了較為一致的結(jié)論。隨著林農(nóng)爭地的矛盾日益突出，在有限的宜耕土地上高效產(chǎn)出的同時如何保障棉花的穩(wěn)定生產(chǎn)，已經(jīng)成為維持新疆環(huán)塔里木盆地特色林果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵問題?！颈狙芯壳腥朦c】本研究以棗與棉花間作系統(tǒng)為研究對象，以棉花生長發(fā)育對光照的需求為出發(fā)點，探討棗與棉花間作系統(tǒng)中棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗對棉花產(chǎn)量形成的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在探明棗與棉花間作系統(tǒng)中造成棉花減產(chǎn)的主要因素，以期為棗與棉花間作系統(tǒng)的科學管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣新疆林業(yè)科學院佳木試驗站。佳木試驗站地處天山南麓中段，塔里木盆地北緣，位于溫宿縣東南部，距離阿克蘇市30 km。地理坐標：E 80°32′，N 41°15′，海拔1103 m。該地屬于大陸性干旱荒漠氣候，氣候干旱，降雨稀少，蒸發(fā)量大，年均降雨量僅有65.4 mm，年均蒸發(fā)量可達2002.2 mm，年平均氣溫10.1 ℃，全年≥10 ℃有效積溫3970 ℃，年均日照時數(shù)2747.7 h，年均太陽輻射量140 kcal/m2，無霜期185 d。春夏兩季大風浮塵天氣較多，常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。

1.2 試驗材料

試驗樣園內(nèi)棗樹南北行向栽種，棗樹栽種株行距為1.0 m×2.5 m、1.0 m×3.0 m、0.5 m×4.0 m、1.5 m×3.0 m、1.5 m×4.0 m，樹齡5～8年，品種為“灰棗”，林相整齊。行間間作棉花，棉花品種為‘中棉49’。以管理措施和地力水平一致的單作棉花作為對照。

1.3 數(shù)據(jù)采集

1.3.1 棉花光合生理數(shù)據(jù)采集 在棉花的三真葉期(4月下旬)、五真葉期(5月下旬)、現(xiàn)蕾期(6月中旬)、花鈴期(7月下旬)和吐絮期(9月上旬)，選擇晴朗天氣，在上午9:30-10:30，采用Li-6400XT光合測定儀及其自帶LED人工光源活體測定單作棉花(中棉49)葉樣在1800、1500、1200、1000、800、500、200、100、50、0 μmol·m-2·s-1不同光合光量子通量密度(PPFD)下的凈光合速率(Pn)。所測樣株生長良好，無病蟲害，每次測定固定的10個葉片作為重復。

圖1 間作巷道光量子通量密度測定示意圖Fig.1 PPFD determination in intercropping alley

1.3.2 間作巷道棉花冠層光量子通量密度數(shù)據(jù)采集 間作巷道棉花冠層光量子通量密度(PPFD)采用LI-191線狀量子傳感器進行測定。在一條間作巷道的東西兩行棗樹中選擇樹體(地徑、樹高、冠幅)大小一致且位置相對的2株樹建立一條行間PAR測定樣線，從2016年5月開始，分別于棉花的三真葉期(4月下旬)、五真葉期(5月下旬)、現(xiàn)蕾期(6月中旬)、花鈴期(7月下旬)和吐絮期(9月上旬)，選擇晴朗天氣，在樣線上從間作巷道東側(cè)距離樹干50 cm處開始自東向西測定棉花冠層光量子通量密度值，每隔50 cm設(shè)置一個測點，至距離間作巷道西側(cè)樹干50 cm處。在同一間作巷道內(nèi)，選擇樹體位置相對且大小一致的3組(6株)棗樹建立3條測定樣線作為重復(圖1)，以單作的棉花作為對照，測定時間從8:00至20:00，每隔2 h測定1次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 棉花光飽和點計算 采用非直角雙曲線模型[17]擬合棉花光合作用光響應(yīng)曲線，式(1)。

(1)

式中：Pn為凈光合速率(μmol·m-2·s-1)；I為光量子通量密度(μmol·m-2·s-1)；Pmax為最大凈光合速率(μmol·m-2·s-1)；Rd為暗呼吸速率(μmol·m-2·s-1)；a為表觀量子效率(μmol·m-2·s-1CO2/μmol·m-2·s-1PPFD)；θ為非直角雙曲線的凸角。

由棉花最大凈光合速率與PPFD200 μmol·m-2·s-1以下的線性回歸方程估算其光飽和點(LSP)和光補償點(LCP)[18-19]。

1.4.2 棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗計算 棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗計算采用“光合有效輻射時空窗法”[20]。

表1 棉花不同生育時期的光飽和點和光補償點(平均值±標準誤)Table 1 LSP and LCP of cotton in different growth periods (Mean±SE)

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0等統(tǒng)計軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花不同生育時期光飽和點和光補償點

采用非直角雙曲線模型擬合棉花不同生育時期光響應(yīng)曲線，計算得到棉花三真葉期、五真葉期、現(xiàn)蕾期、花鈴期和吐絮期的光飽和點(LSP)和光補償點(LCP)。由表1可以看出，棉花生長發(fā)育過程中光飽和點呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，五真葉期光飽和點最高，吐絮期光飽和點最低。光補償點與光飽和點呈現(xiàn)出一致的變化趨勢。

2.2 棉花不同生育時期飽和光合有效輻射時空窗

采用“光合有效輻射時空窗法”，以棗與棉花間作巷道橫斷面上棉花冠層不同測點的最大光量子通量密度(PPFD)為因變量，測定時間(t)為自變量，采用一元二次多項式建立回歸關(guān)系式，計算得到不同株行距棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)棉花冠層接收到等于和高于棉花光飽和點的光量子通量密度起止時間t1(h)和t2(h)，計算結(jié)果見表2。

棉花三真葉期各株行距間作巷道內(nèi)棉花冠層接受到的光量子通量密度都能達到其光飽和點以上，其中株行距1.5 m×4.0 m、棗樹樹齡6年的棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)達到棉花光飽和點的光量子通量密度持續(xù)時間最長，為4.40 h，棗樹樹齡7年、株行距1.0 m×2.5 m的間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)達到棉花光飽和點的光量子通量密度持續(xù)時間最短，僅為0.55 h。在棉花五真葉期，棗樹樹齡6～8年、行距小于4 m的間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)棉花冠層接受到的光量子通量密度都未能達到其光飽和點以上。在棉花現(xiàn)蕾期和花鈴期，棗樹樹齡7～8年、行距小于4 m的間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)棉花冠層接受到的光量子通量密度也未能達到其光飽和點以上，而株行距1.5 m×4.0 m、棗樹樹齡6年的棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)達到棉花光飽和點的光量子通量密度持續(xù)時間均為該生育時期的最高值，分別為5.02.和3.64 h。棉花吐絮期，各間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)棉花冠層接受到的光量子通量密度都未達到其光飽和點以上。

表2 棉花冠層達到光飽和點的光量子通量密度起止時間Table 2 Start-stop time of PPFD higher than the light saturation point of cotton

注：表中t1、t2分別表示光合有效輻射高于棉花光飽和點的開始和結(jié)束時間，-表示光合有效輻射未達到棉花光飽和點以上。
Note:t1,t2means the start and end time of light saturation point between cotton photosynthetic effective radiation in table,-means photosynthetic effective radiation did not reach above the light saturation point of cotton.

建立棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道任意橫斷面上棉花冠層接收到的光量子通量密度等于和高于棉花光飽和點的的寬度l(m)與時間t之間的一元n次多項式l=f(t)，以間作巷道任意橫斷面上棉花冠層接受到光量子通量密度等于和高于棉花光飽和點的起止時間(t1，t2)作為積分的下限和上限，對一元n次多項式進行積分，計算得到了各株行距棗與棉花間作系統(tǒng)中不同生育時期棉花冠層的飽和光合有效輻射時空窗(表3)。不同株行距棗與棉花間作系統(tǒng)棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗大小均明顯低于對照(單作棉田)，尤其在棉花的五真葉期，各間作系統(tǒng)棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗的最大值也僅達到對照的28.37 %。在棉花不同生育時期，棉花飽和光合有效輻射時空窗大小大致呈現(xiàn)出隨棗樹栽培密度的減小升高、隨棗樹樹齡的增大而減小的變化趨勢。株行距分別為1.0 m×2.5 m、1.0 m×3.0 m、1.5 m×3.0 m，樹齡6～8年的棗與棉花間作系統(tǒng)棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗在棉花的各生育時期都已經(jīng)或接近關(guān)閉。株行距1.5 m×4.0 m、棗樹樹齡6年的棗與棉花間作系統(tǒng)棉花冠層的飽和光合有效輻射時空窗在棉花各生育時期均高于其他間作系統(tǒng)，但其最高值(花鈴期)也僅達到對照的52.77 %。棉花吐絮期各間作系統(tǒng)棉花飽和光合有效輻射時空窗都已經(jīng)關(guān)閉。

通過調(diào)查各樣園棉花產(chǎn)量(表3)，棗與棉花間作系統(tǒng)中棉花產(chǎn)量均低于對照(單作棉田)，各間作系統(tǒng)中棉花產(chǎn)量與棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗的變化趨勢一致。株行距1.5 m×4.0 m、棗樹樹齡6年的棗與棉花間作系統(tǒng)棉花產(chǎn)量高于其他間作系統(tǒng)，可達到對照(單作棉田)的88.25 %。在棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗已經(jīng)接近關(guān)閉的株行距1.0 m×2.5 m、1.0 m×3.0 m、1.5 m×3.0 m、樹齡6～8年的棗與棉花間作系統(tǒng)中，棉花產(chǎn)量比對照分別降低34.19%、29.51 %、22.51 %、25.20 %。

3 討 論

棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗減小的根本原因在于間作巷道內(nèi)達到棉花光飽和點的光量子通量密度持續(xù)時間在縮短。在林木與農(nóng)作物間作系統(tǒng)中，林木的樹高、冠幅、樹形、栽植株行距都會影響農(nóng)作物冠層對光的截獲量和光能轉(zhuǎn)化效率[21]。楊樹與冬小麥間作系統(tǒng)中，楊樹樹冠下達到小麥光飽和點的光量子通量密度持續(xù)時間比對照減少2.6～3.0 h，小麥產(chǎn)量降低7.9 %～10 %[22]。蘋果與大豆間作系統(tǒng)中大豆冠層光合有效輻射隨著蘋果樹齡的增大而減弱，與樹齡4年蘋果與大豆間作系統(tǒng)相比，樹齡6年和樹齡8年蘋果與大豆間作系統(tǒng)大豆冠層光合有效輻射分別減小了27.29 % 和 37.86 %[23]。

表3 棗-棉間作系統(tǒng)棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗和產(chǎn)量Table 3 Spatial-temporal window of PAR on the cotton canopy and yield in intercropping alley

棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗大小與棉花產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。棉花五真葉期的光飽和點高于其他生育時期，表明五真葉期是棉花對光照的需求最為迫切的時期，而不同株行距棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗在棉花五真葉期都已經(jīng)關(guān)閉或趨于關(guān)閉，這是影響棉花產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素。在林木與農(nóng)作物間作系統(tǒng)中，林木冠層對下層農(nóng)作物冠層的遮陰不僅影響農(nóng)作物冠層對光的截獲量[24-27]，太陽光譜中大部分的藍光和紅光還會被林木冠層吸收，改變到達農(nóng)作物冠層的光質(zhì)，從而影響農(nóng)作物生物量的累積[28-29]。扁桃與冬小麥間作系統(tǒng)中，與自然光對照相比，扁桃冠層下總輻射中藍紫光、黃綠光和紅橙光波段的消減最為劇烈。泡桐與小麥間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)小麥冠層光譜受樹冠影響，在冬小麥不同生育時期差異顯著[30]。

4 結(jié) 論

棗與棉花間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)達到棉花光飽和點的光量子通量密度持續(xù)時間是影響棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗的決定因素，并隨著棗樹樹齡的增大和栽植株行距的減小而縮短。棉花產(chǎn)量形成受間作巷道內(nèi)棉花冠層飽和有效輻射時空窗的直接影響，并表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

新疆南疆盆地棗與棉花間作系統(tǒng)普遍采用的棗樹栽植株行距中，行距4 m以下、樹齡5～8年的棗與棉花間作系統(tǒng)中棉花冠層飽和光合有效輻射時空窗已幾乎全部關(guān)閉，導致棉花生長發(fā)育過程中對光照的需求難以滿足，棉花產(chǎn)量與單作棉田相比大幅降低，已不適合繼續(xù)間作棉花，可以對棗樹進行適度間伐，增大栽植株行距以改善間作巷道內(nèi)的光照環(huán)境或者間作耐陰作物。

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StudyonLightEnvironmentinIntercroppingAlleyofJujubeandCotton

WANG Shi-wei,PAN Cun-de*,ZHANG Cui-fang,LI Xing,GUO Jia-huan

(College of Forestry and Horticulture,Xinjiang Agricultural University/Key Laboratory of Forestry Ecology and Industry Technology in Arid Region,Education Department of Xinjiang,Xinjiang Urumqi 830052,China)

【Objective】Jujube tree area is the largest area of fruit cultivations and often intercrops with crops in Tarim Basin of Xinjiang.【Method】 In this study,the jujube trees of different ages intercropping with cotton were selected as tested objects,the size of saturated photosynthetic active radiation (PAR) space-time window of the cotton canopy in the intercropping alley was measured to study the effects of the variation of light environment in the intercropping alley on cotton production and to provide a scientific basis and technological approaches for better cultivating intercropping jujube with cotton.【Result】In the alley of jujube with cotton intercropping,the duration of the photon flux density at cotton light saturation point was the decisive factor that affected the size of saturatedPARspace-time window of the cotton canopy,and the duration shortened along with the increase of the age of jujube tree and the decrease of intercropping plots.The size of saturatedPARspace-time window of the cotton canopy directly affected on cotton production and showed a positive correlation with it.【Conclusion】 In South Xinjiang basin,when the intercropping system with jujube planted less than 4 m and the age of jujube tree reached more than 5 a was not fit to intercropping cotton,the saturatedPARspace-time window of the cotton canopy in the intercropping alley had shut down or be shut down,and the cotton production greatly reduced comparing with the monoculture cotton fields.

Intercropping; Jujube; Cotton; Photosynthetic active radiation; Light environment

1001-4829(2017)4-0728-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.4.003

2016-11-20

中央財政林業(yè)科技推廣示范資金項目[xjlk(2013)009號]；新疆農(nóng)業(yè)大學博士后流動站資助

王世偉(1984-)，男，新疆烏魯木齊人，博士，講師，研究方向為林木栽培與生理，E-mail：wsw850204@163.com@163.com，*為通訊作者，E-mail：pancunde@163.com。

S344.1;S512.1+1;S665.1

A

(責任編輯 陳 虹)