蘋果花生間作系統(tǒng)土壤水分動(dòng)態(tài)及主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域

王 丹，畢華興,2,3，許華森，蔡智才，常譯方，陳 王月

(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(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100094)

黃土高原自然環(huán)境惡劣，是我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū)。而果農(nóng)間作系統(tǒng)作為生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要形式之一，可提高當(dāng)?shù)赝恋乩眯?，減少水土流失，增加經(jīng)濟(jì)收入，被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民廣泛應(yīng)用。果農(nóng)間作系統(tǒng)中果樹和農(nóng)作物共享資源，必然會(huì)引起競(jìng)爭(zhēng)。主要包括地上部分光的競(jìng)爭(zhēng)[1-3]和地下部分土壤水分[4-9]、養(yǎng)分[10-12]的競(jìng)爭(zhēng)。黃土高原是我國(guó)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)之一，果樹根系和農(nóng)作物根系生態(tài)位重疊，土壤水分競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，特別是土壤水分不能同時(shí)滿足果樹和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育需要。因此土壤水分的吸收、利用關(guān)系是提高經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益的關(guān)鍵因素。目前，果農(nóng)間作系統(tǒng)中土壤水分的研究主要集中在土壤水分分布、土壤水分分布與根系的關(guān)系以及土壤水分含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系等。廖文超[4]研究發(fā)現(xiàn)不同樹齡蘋果-大豆間作系統(tǒng)土壤水分競(jìng)爭(zhēng)程度不同，且隨著樹齡增長(zhǎng)，大豆的生物量和產(chǎn)量逐漸減少。高路博[5]研究得出蘋果-大豆間作系統(tǒng)中大豆開花期耗水量最大，大豆苗期、開花期和結(jié)莢期土壤水分皆表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)；高路博[6]還提出蘋果-大豆間作系統(tǒng)中土壤水分競(jìng)爭(zhēng)對(duì)大豆的生長(zhǎng)發(fā)育造成較大影響。但關(guān)于果農(nóng)間作系統(tǒng)中土壤水分含量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域方面的研究則較少。本文以晉西黃土區(qū)的蘋果-花生間作系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)土壤水分含量進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，利用移動(dòng)窗口法等對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生的4個(gè)生育期(苗期、開花期、結(jié)莢期和成熟期)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域和競(jìng)爭(zhēng)寬度，探討該地區(qū)蘋果-花生間作系統(tǒng)土壤水分利用策略，以期為晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作系統(tǒng)的高效可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)，提高果農(nóng)間作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)35°53′10″～36°21′02″、北緯110°27′30″～111°07′20″，屬于典型的黃土高原殘塬溝壑區(qū)。吉縣土壤以褐土為主，黃土母質(zhì)，土層深厚。吉縣處于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，日照時(shí)數(shù)2 538 h，大于10℃的有效積溫3 361.5℃。年均無(wú)霜期172 d，年均氣溫10.2℃，年均日較差11.5℃。年均降水量522.8 mm，4—10月降水量占全年降水量的90%以上，降水具有季節(jié)性變化。果農(nóng)間作系統(tǒng)中主要經(jīng)濟(jì)林樹種包括蘋果(Maluspumila)、核桃(Juglansregia)等，主要農(nóng)作物包括大豆(Glycinemax)、花生(Arachishypogaea)、谷子(Setaria)等。據(jù)吉縣政府統(tǒng)計(jì)，截止到2013年，山西吉縣蘋果栽植面積達(dá)1.87萬(wàn)公頃，占耕地總面積的84.8%，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)濟(jì)的主要來(lái)源之一。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)布設(shè)與土壤水分監(jiān)測(cè)

根據(jù)晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作的經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)以及實(shí)際情況，在山西省吉縣東城鄉(xiāng)柏東村蘋果示范園內(nèi)建立蘋果-花生間作系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)蘋果樹種植于2009年，品種為矮化富士，樹齡為6 a，株行距為4 m×5 m，樹行走向?yàn)闁|西向?；ㄉシN于2015年5月7日，品種為?；?號(hào)，株行距為0.3 m×0.4 m，兩個(gè)樹行之間共種植8行花生，距樹1.1 m處為第一行。本試驗(yàn)設(shè)3個(gè)面積均等的試驗(yàn)小區(qū)作為試驗(yàn)重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積240 m2，含4行果樹及間作花生。作物單作試驗(yàn)樣地不再劃分試驗(yàn)小區(qū)。具體監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)布設(shè)如圖1所示，以中央蘋果樹帶為中心，從南至北布設(shè)樣線，樣線與蘋果樹行垂直。以蘋果樹下為第一個(gè)樣點(diǎn)，每隔0.2 m取一個(gè)樣點(diǎn)，直到另一個(gè)樹行，每條樣線布設(shè)26個(gè)取樣點(diǎn)。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)3條重復(fù)樣線，共布設(shè)9條樣線進(jìn)行土壤水分的監(jiān)測(cè)?；ㄉ鷨巫鳂拥匕凑誗形布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)。2015年花生苗期(6月15日)、開花期(7月21日)、結(jié)莢期(8月19日)和成熟期(10月11日)，在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用土鉆法取土，10 cm為一層，取土深度60 cm，采用土鉆取土烘干法測(cè)定土壤水分含量。在播種花生前(5月6日)和收獲花生后(10月15日)對(duì)每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選擇10棵蘋果樹進(jìn)行每木檢尺，結(jié)果如表1所示。所有試驗(yàn)小區(qū)生產(chǎn)管理措施相同，全年無(wú)灌溉。

表1 試驗(yàn)區(qū)的基本情況 Table 1 Basic data of the observed site

圖1 試驗(yàn)區(qū)土壤水分取樣布設(shè)

Fig.1 Schematic diagram for soil moisture sampling of the observed site

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 土壤水分效應(yīng) 在果農(nóng)間作系統(tǒng)中，果樹和農(nóng)作物根系生態(tài)位有一定程度的重疊，對(duì)土壤水分進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)；另一方面，果樹通過(guò)遮陰作用降低土壤水分蒸發(fā)，且果樹根系具有提水作用[13-14]，導(dǎo)致深層土壤水分有一定程度提升。本文利用土壤水分效應(yīng)衡量果農(nóng)間作系統(tǒng)對(duì)0～60 cm土層土壤水分產(chǎn)生的影響，計(jì)算公式如下：

E=(M-Md)/Md×100%

式中，E為土壤水分效應(yīng)；M為蘋果-花生間作系統(tǒng)中0～60 cm土層土壤水分含量；Md為花生單作土壤水分含量。當(dāng)E是正數(shù)時(shí)，蘋果-花生間作系統(tǒng)有益于0～60 cm土壤水分含量的提升，顯示為正效應(yīng)；反之，當(dāng)E是負(fù)數(shù)時(shí)，顯示為負(fù)效應(yīng)。

2.2.2 移動(dòng)窗口法 主要采用移動(dòng)窗口法[15]判定蘋果-花生間作系統(tǒng)的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域和競(jìng)爭(zhēng)寬度，判定原理如圖2所示：將一個(gè)窗口平均分割成兩個(gè)半窗口，利用歐氏距離的平方計(jì)算比較兩個(gè)半窗口的相異性，按順序?qū)⒋翱谙蛴覀?cè)移動(dòng)一個(gè)取樣點(diǎn)，再計(jì)算兩個(gè)半窗口的相異性，直到窗口包含最后一個(gè)樣點(diǎn)。利用歐氏距離的平方計(jì)算相異性的公式如下：

式中，SED是歐氏距離的平方；b是兩個(gè)半窗口的中點(diǎn)；k是樣點(diǎn)的變量數(shù)；X是一個(gè)半窗口的均值；m和n分別為兩個(gè)半窗口；w是窗口的寬度。

圖2 移動(dòng)窗口法原理示意圖

Fig.2Schematicdiagramofmovingsplitwindowtechniques

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)曲線變化趨于穩(wěn)定，有兩個(gè)明顯的波峰，通過(guò)半波峰法根據(jù)峰值所在的位置和峰寬可以有效地判定蘋果-花生間作系統(tǒng)土壤水分的影響域和影響寬度。影響域范圍內(nèi)表示距離中心林帶不同距離處土壤水分含量差異較大，果樹與農(nóng)作物之間的競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，為果農(nóng)間作系統(tǒng)土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)土壤水分含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用R語(yǔ)言和Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)花生各生育期蘋果-花生間作系統(tǒng)土壤水分含量進(jìn)行差異性分析和多重比較，并運(yùn)用歐式距離的平方判定土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

圖3為蘋果-花生間作系統(tǒng)2015年花生苗期、開花期、結(jié)莢期、成熟期0～60cm土層土壤水分含量的動(dòng)態(tài)變化。從圖3可知，蘋果-花生間作系統(tǒng)土壤水分含量總體較低，4個(gè)生育期均未超過(guò)20%。通過(guò)方差分析和多重比較，蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生苗期、開花期、結(jié)莢期和成熟期土壤水分含量顯著差異。苗期和成熟期土壤水分含量相對(duì)較高，最高點(diǎn)出現(xiàn)在成熟期，達(dá)18.00%。開花期和結(jié)莢期土壤水分含量較低，最低點(diǎn)出現(xiàn)在開花期，為4.39%?？梢?，晉西黃土區(qū)蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生不同生育期土壤水分狀況差異顯著，經(jīng)過(guò)雨季和土壤水分恢復(fù)期，花生成熟期的土壤水分含量明顯高于其他三個(gè)生育期。

圖3 蘋果-花生間作系統(tǒng)土壤水分狀況

Fig.3Thesituationofsoilmoistureinapple-peanutintercroppingsystem

3.2 土壤水分水平動(dòng)態(tài)變化

變異系數(shù)可以衡量組內(nèi)參數(shù)的變異程度，變異系數(shù)在0～0.1之間為弱變異程度，0.1～1.0之間為中等變異程度，1.0以上為強(qiáng)變異程度。對(duì)蘋果-花生間作系統(tǒng)花生苗期、開花期、結(jié)莢期和成熟期的土壤水分變異程度進(jìn)行分析(表2)可知，蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生苗期、開花期土壤水分處于中等變異程度，結(jié)莢期和成熟期處于弱變異程度。這說(shuō)明土壤水分含量在距樹不同距離處分布不均衡，特別是花生苗期和開花期。然而，花生各生育期土壤水分含量水平變化規(guī)律較為相似(圖3)，以距樹南北兩側(cè)各2.5m(樹行中間)為分界線，左右兩邊土壤水分含量變化規(guī)律相似，隨著距樹距離越遠(yuǎn)，土壤水分含量先降低再升高，最低點(diǎn)出現(xiàn)在距樹1.2m左右。出現(xiàn)此規(guī)律的原因可能是本試驗(yàn)距樹1.1m開始種植第一行作物，使距樹較近區(qū)域土壤水分競(jìng)爭(zhēng)不激烈。在距樹2.5m附近，土壤水分含量比較穩(wěn)定，沒(méi)有劇烈變化。其中，花生成熟期雖然也具有以上規(guī)律，但是距樹不同距離處的土壤水分含量變化較小。

表2 蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生的不同 生育期土壤水分變異性Table 2 The variability of soil moisture in different phenophasesof peanut in apple-peanut intercropping system

3.3 土壤水分主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域

對(duì)蘋果-花生間作系統(tǒng)的土壤水分效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，與花生單作比較，在花生苗期、開花期、結(jié)莢期和成熟期土壤水分皆呈現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)。各個(gè)生育期，土壤水分效應(yīng)的平均值分別是-25.16%、-20.26%、-12.97%和-11.13%，蘋果-花生間作系統(tǒng)各生育期對(duì)0～60cm土層土壤水分含量整體表現(xiàn)為降低作用。與高路博[16]得出的晉西黃土區(qū)蘋果-花生間作系統(tǒng)土壤水分整體表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)的結(jié)論一致。這說(shuō)明晉西黃土區(qū)蘋果-花生間作系統(tǒng)中蘋果樹和花生主要呈現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

采用移動(dòng)窗口法對(duì)蘋果-花生間作系統(tǒng)土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域進(jìn)行分析。在花生苗期，當(dāng)窗口寬度為4、6、8、10、12、14、16時(shí)，曲線波動(dòng)較大，波峰太多，主要波峰位置不明顯，無(wú)法定量判定土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域和競(jìng)爭(zhēng)寬度。由圖4可知，當(dāng)窗口寬度為2時(shí)，曲線變化趨于穩(wěn)定，有兩個(gè)明顯且穩(wěn)定的波峰，即當(dāng)窗口寬度為2時(shí)，可以有效地判定蘋果-花生間作系統(tǒng)中花生苗期土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域和競(jìng)爭(zhēng)寬度。蘋果-花生間作系統(tǒng)土壤水分的相異性較大，曲線在SED6和SED19有兩個(gè)明顯的波峰，峰寬分別是SED4-SED10和SED16-SED21，通過(guò)半波峰法可以判定蘋果-花生間作系統(tǒng)中花生苗期土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域?yàn)榫鄻淠蟼?cè)0.8～2.0m和距樹北側(cè)0.8～1.8m，競(jìng)爭(zhēng)寬度分別為1.2m和1m。與花生苗期相同，當(dāng)窗口寬度為2時(shí)，蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生開花期曲線有兩個(gè)明顯且穩(wěn)定的波峰，可以判定該生育期土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域和競(jìng)爭(zhēng)寬度。由半波峰法可知，土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域是距樹南側(cè)0.8～1.8m和距樹北側(cè)1～2m，競(jìng)爭(zhēng)寬度皆為1m。在花生結(jié)莢期，窗口寬度為2時(shí)，在SED6和SED19有兩個(gè)明顯且穩(wěn)定的波峰，可以有效地辨析土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域。主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域是距樹南側(cè)0.8～1.8m和距樹北側(cè)0.8～1.6m，競(jìng)爭(zhēng)寬度分別是1m和0.8m。與上述花生的三個(gè)生育期相同，當(dāng)窗口寬度為2時(shí)，可以有效地判定蘋果-花生間作系統(tǒng)花生成熟期土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域。曲線在SED7和SED18有兩個(gè)明顯且穩(wěn)定的波峰，由此判定該生育期土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域是距樹南側(cè)0.8～1.6m和距樹北側(cè)0.8～1.8m，競(jìng)爭(zhēng)寬度分別為0.8m和1m。

圖4 蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生苗期(A)、開花期(B)、結(jié)莢期(C)、成熟期(D)土壤水分的相異性

Fig.4Thedissimilarityofsoilmoistureforseedlingstage(A),floweringstage(B),bearingpodstage(C)andmaturestage(D)ofpeanutinapple-peanutintercroppingsystem

從結(jié)果分析可知，蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生苗期土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域?qū)挾茸畲螅瑸?.2m；結(jié)莢期和成熟期的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域?qū)挾茸钚?，皆?.8m。這說(shuō)明花生苗期土壤水分競(jìng)爭(zhēng)最為激烈，其次是開花期，競(jìng)爭(zhēng)最平緩的是結(jié)莢期和成熟期。由圖4可知，在花生苗期，土壤水分含量水平相異性最大，明顯大于開花期、結(jié)莢期和成熟期，且成熟期土壤水分的相異性最小。這主要是因?yàn)樵诨ㄉ缙诠麡浜突ㄉ幱谘杆偕L(zhǎng)時(shí)期，消耗水分較多，土壤水分競(jìng)爭(zhēng)最為激烈。在花生開花期和結(jié)莢期，果樹和花生消耗水分較少，競(jìng)爭(zhēng)得到一定程度緩解，導(dǎo)致成熟期距樹不同距離處土壤水分差異越來(lái)越不明顯。

4 討 論

田陽(yáng)[9]、高路博[5-6]、廖文超[4]等研究表明晉西黃土區(qū)主要果農(nóng)間作系統(tǒng)蘋果-花生間作系統(tǒng)、蘋果-大豆間作系統(tǒng)、核桃-花生間作系統(tǒng)、核桃-大豆間作系統(tǒng)、核桃-谷子間作系統(tǒng)0～60cm土層土壤平均水分含量最高值是19.63%。本研究中蘋果-花生間作系統(tǒng)在花生苗期、開花期、結(jié)莢期和成熟期土壤水分含量的最高值為18.00%，出現(xiàn)在成熟期(雨季后)。這說(shuō)明晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作系統(tǒng)土壤水分含量整體較低，均未超過(guò)20%。

在花生苗期、開花期、結(jié)莢期和成熟期，土壤水分含量的水平變異規(guī)律相似，以距樹南北兩側(cè)2.5m為分界線，隨著距樹越遠(yuǎn)，土壤水分含量先降低再升高，最低點(diǎn)出現(xiàn)在距樹1.2m。距樹南北兩側(cè)2.5m附近土壤水分含量基本無(wú)變化。田陽(yáng)[9]、高路博[5]等研究表明蘋果-花生間作系統(tǒng)隨著距樹距離越遠(yuǎn)，土壤水分含量先增加后減少，最低點(diǎn)出現(xiàn)在距樹0m。這主要是因?yàn)楸狙芯恐芯嗵O果樹1.1m處開始種植花生，一定程度上緩解了樹下土壤水分的競(jìng)爭(zhēng)。

5 結(jié) 論

與花生單作相比，4個(gè)生育期土壤水分皆顯示為負(fù)效應(yīng)，即間作系統(tǒng)中蘋果樹和花生在0～60cm土層對(duì)土壤水分整體表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)作用?；ㄉ缙谕寥浪指?jìng)爭(zhēng)最為激烈，該時(shí)期土壤水分含量處于中等變異程度；主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域達(dá)2.2m，分別為距樹南側(cè)0.8～2m和距樹北側(cè)0.8～1.8m。開花期土壤水分競(jìng)爭(zhēng)仍然較為激烈，主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域?yàn)榫鄻淠蟼?cè)0.8～1.8m和距樹北側(cè)1～2m，競(jìng)爭(zhēng)寬度為2m。結(jié)莢期和成熟期土壤水分競(jìng)爭(zhēng)得到一定程度緩解，距樹不同距離處的土壤水分含量處于弱變異程度，競(jìng)爭(zhēng)寬度皆為1.8m。晉西黃土區(qū)，土層深厚，且地下水埋藏很深，果農(nóng)間作系統(tǒng)全年無(wú)灌溉，土壤水分的主要來(lái)源為降雨。建議苗期和開花期在間作系統(tǒng)中土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域進(jìn)行薄膜覆蓋或者植物秸稈覆蓋，減少土壤水分蒸發(fā)；同時(shí)根據(jù)地勢(shì)建設(shè)雨水集蓄工程，對(duì)降雨進(jìn)行富集，引導(dǎo)雨水到土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域，從而提高降雨生產(chǎn)力，增大蘋果-花生間作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。

本文研究了不同生育期土壤水分的水平動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及土壤水分的主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域。但土壤水分主要競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域與植物根系的關(guān)系、植物根系分布與植物土壤水分利用能力的相互影響關(guān)系以及蘋果農(nóng)作物與間作系統(tǒng)的耗水規(guī)律等需要深入研究。

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