棗麥間作系統(tǒng)中冬小麥冠層光合有效輻射時(shí)空窗影響因素研究

王世偉，潘存德，張翠芳，李 星，郭佳歡

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】林農(nóng)間作系統(tǒng)是對土地資源和光照資源進(jìn)行充分利用的人工生態(tài)立體型農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[1-2]。林農(nóng)間作緩解了“林農(nóng)爭地的矛盾”，在有限的宜耕土地上實(shí)現(xiàn)對光、熱、水、肥等資源的最大利用，而且可以改善間作系統(tǒng)內(nèi)的小氣候，提高土壤保肥和防侵蝕的能力，提高單位面積土地的生產(chǎn)效益，增加農(nóng)民收益[3-4]。然而間作系統(tǒng)內(nèi)林木與間作物因共享同一時(shí)空的資源，導(dǎo)致生態(tài)位交疊，不同組分之間會產(chǎn)生資源競爭。由于地下資源(水、肥)的可流動(dòng)性為間作系統(tǒng)內(nèi)各組分對地下資源的利用提供了保證[5-6]，而光照是間作系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的基礎(chǔ)，因間作系統(tǒng)內(nèi)光照不足和光質(zhì)下降所導(dǎo)致的間作物生長發(fā)育受阻和根系吸收水肥能力下降是間作系統(tǒng)發(fā)生不利競爭的關(guān)鍵因素[7-8]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】許多研究表明，間作系統(tǒng)內(nèi)林木與間作物之間的距離直接影響間作系統(tǒng)內(nèi)各組分對光照的競爭[9-10]。在新銀合歡(Leucaenaleucocephala)與玉米(Zeamays)間作系統(tǒng)中，樹干與玉米之間的距離越遠(yuǎn)，各組分之間因生態(tài)位交疊減少對光能的競爭就越弱，玉米產(chǎn)量上升[11]；南酸棗與花生間作系統(tǒng)中南酸棗帶行與花生之間的距離越大，間作系統(tǒng)內(nèi)南酸棗樹冠投影面積占間作區(qū)域面積的比例越小，花生冠層截獲的光能越多，花生產(chǎn)量越高[12]。還有研究表明，林農(nóng)間作系統(tǒng)中光照還受其它諸多因素影響，例如，太陽高度角升高造成日光直射光與散射光比較升高，林木冠層對散射光的攔截變強(qiáng)，從而導(dǎo)致間作系統(tǒng)內(nèi)光照減少[13]；在泡桐與農(nóng)作物間作系統(tǒng)中，南北行向栽植的林木間作系統(tǒng)內(nèi)遮陰面積占間作巷道面積比例較大，而東西行向栽植的林木間作系統(tǒng)內(nèi)遮陰面積較小，但遮陰時(shí)間較長[14]；另外，南酸棗和花生間作系統(tǒng)內(nèi)林木的冠層冠幅影響間作巷道內(nèi)遮陰面積，從而影響花生的產(chǎn)量[12]；速生白楊與農(nóng)作物間作系統(tǒng)中，樹高較大的速生白楊樹體對光的攔截能力強(qiáng)；間作系統(tǒng)中林木樹體越密，葉面積指數(shù)越大，間作物冠層所截獲的光能就越少[15]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆豐富的光熱資源孕育了以棗為主的特色林果產(chǎn)業(yè)，并且棗樹多與糧棉等農(nóng)作物間作，如何兼顧間作系統(tǒng)內(nèi)棗樹與間作物的高效栽培是新疆棗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以棗與冬小麥間作系統(tǒng)為研究對象，通過分析間作系統(tǒng)內(nèi)冬小麥冠層光合有效輻射時(shí)空窗及其影響因子時(shí)節(jié)動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)性，旨在明確影響棗麥間作系統(tǒng)冬小麥冠層光合有效輻射時(shí)空窗大小的主要因子，為棗樹與冬小麥間作系統(tǒng)的光環(huán)境管理和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年在新疆林業(yè)科學(xué)院佳木良種試驗(yàn)站(41°11′06.31′′～41°12′47.74′′N、79°12′12.76′′～79°13′57.87′′E)棗麥間作生產(chǎn)園中進(jìn)行。園內(nèi)棗樹品種為灰棗(Z.jujuba‘Huizao’)，與冬小麥‘新冬20號’間作。棗樹樹齡6～8年，樹勢中庸，棗樹栽植株行距分別為1 m×2.5 m、1 m×3 m、2 m×3 m、2 m×4 m、3 m×4 m，南北行向栽植。冬小麥機(jī)條播，行距15 cm，有效株數(shù)6.9×106株/hm2。

1.2 樣地選擇

選取棗樹栽植株行距1 m×2.5 m、1 m×3 m、2 m×3 m、2 m×4 m、3 m×4 m的棗麥間作生產(chǎn)園作為試驗(yàn)樣地，每種株行距選取3個(gè)樣地作為重復(fù)，共計(jì)15個(gè)間作樣地。樣地內(nèi)棗樹南北行向栽植，林相整齊，無病蟲害。

1.3 數(shù)據(jù)采集

在選定的樣地中選擇樹體大小一致、位置相對的2株棗樹建立1條樣線，樣線上每隔50 cm選擇1個(gè)測點(diǎn)，1塊樣地內(nèi)選擇9條樣線作為重復(fù)。自2015年3月份起，于冬小麥播種后的125 d(分蘗期)、155 d(拔節(jié)期)、170 d(抽穗期)、180 d(揚(yáng)花期)、190 d(灌漿期)和210 d(成熟期)，采用美國Li-COR公司生產(chǎn)的LI-191型線狀量子傳感器測定各樣地中冬小麥冠層光合有效輻射(PAR)。測定時(shí)間為上午10:00至下午19:00，每小時(shí)測定1次。以同一時(shí)間段內(nèi)空曠地帶上的PAR作為對照(CK)；同時(shí)采用美國Li-COR公司生產(chǎn)的LAI-2200型冠層分析儀，使用45°鏡頭蓋遮擋鏡頭測定樣地中棗樹的葉面積指數(shù)(LAI)和透光率(Tr)。分別采用皮尺和花桿測量樣地內(nèi)棗樹的冠幅和樹高。

1.4 數(shù)據(jù)處理

間作樣地內(nèi)冬小麥冠層光合有效輻射時(shí)空窗計(jì)算方法參照王世偉[16]的方法，太陽高度角的計(jì)算方參照張小全[17]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用形象分析法[18]對不同株行距間作樣地內(nèi)太陽高度角、光合有效輻射時(shí)空窗、棗樹樹高、冠幅、葉面積指數(shù)和透光率的時(shí)節(jié)變化進(jìn)行差異檢驗(yàn)，包括形象平行檢驗(yàn)、重合檢驗(yàn)和水平檢驗(yàn)。

采用逐步回歸分析法，以冬小麥冠層飽和、非飽和和無效PAR時(shí)空窗為因變量(Y)，以太陽高度角(X1)、棗樹樹高(X2)、冠幅(X3)、葉面積指數(shù)(X4)、透光率(X5)和棗樹栽植株行距(株距2+行距2)1/2(X6)6元二次多項(xiàng)式的非常數(shù)項(xiàng)為自變量，以確定冬小麥不同生育期的飽和、非飽和與無效PAR時(shí)空窗與其它因子之間的關(guān)系，使用偏相關(guān)分析法確定PAR時(shí)空窗與主要影響因子間的決定系數(shù)。

數(shù)據(jù)整理采用Microsoft Excel 2003，繪圖采用Sigmaplot 10.0；統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS19.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作巷道內(nèi)冬小麥冠層光合有效輻射時(shí)空窗時(shí)節(jié)變化

棗與冬小麥間作樣地內(nèi)冬小麥冠層飽和PAR時(shí)空窗大小隨冬小麥生育期的推移均呈先降后升的趨勢。形象分析結(jié)果表明5種株行距間作系統(tǒng)中冬小麥冠層飽和PAR時(shí)空窗形象既不平行也不重合(0.00

圖1 間作冬小麥不同生育時(shí)期冠層光合有效輻射時(shí)空窗形象分析Fig.1 The photosynthetic active radiation (PAR) space-time window profiles of the winter wheat canopy in the system of jujube-wheat intercropping at different growing stages

2.2 間作巷道內(nèi)各影響因子時(shí)節(jié)變化

太陽高度角的變化會直接影響棗樹遮陰范圍的大小進(jìn)而影響間作系統(tǒng)內(nèi)冬小麥冠層PAR的截獲量，最終影響冬小麥冠層PAR時(shí)空窗的大小。不同株行距間作系統(tǒng)內(nèi)太陽高度角隨冬小麥生育期的推移均逐漸上升的趨勢。形象分析結(jié)果表明5種株行距間作系統(tǒng)中太陽高度角形象重合(0.09

間作系統(tǒng)中樹冠葉面積指數(shù)是間作系統(tǒng)內(nèi)間作物冠層截獲光能的直接影響因素，進(jìn)而影響著間作系統(tǒng)的整體生產(chǎn)力。不同株行距間作巷道內(nèi)棗樹的葉面積指數(shù)隨冬小麥生育期的推移均呈逐漸上升的趨勢。形象分析結(jié)果表明5種株行距間作系統(tǒng)中棗樹葉面積指數(shù)形象既不平行(0.00

圖2 間作冬小麥不同生育時(shí)期各影響因子形象分析圖Fig.2 The profiles of factors in the system of jujube-wheat intercropping at different growing stages

2.3 影響因子與冬小麥冠層光合有效輻射時(shí)空窗的相關(guān)性

棗與冬小麥間作系統(tǒng)中，影響因子對不同生育時(shí)期冬小麥冠層飽和PAR時(shí)空窗的大小影響不同。在分蘗期(播種后125 d)和拔節(jié)期(播種后155 d)，太陽高度角的回歸系數(shù)(r=0.948，r=0.923)的顯著性檢驗(yàn)分別為P=0.01和P=0.03，顯示太陽高度角對冬小麥分蘗期(播種后125 d)和拔節(jié)期(播種后155 d)冠層飽和PAR時(shí)空窗的影響顯著；在冬小麥抽穗期(播種后170 d)，太陽高度角和棗樹樹高的回歸系數(shù)(r=0.981，r=-0.946)的顯著性檢驗(yàn)分別為P=0.01和P=0.03，顯示太陽高度角和樹高對冬小麥抽穗期(播種后170 d)冠層飽和PAR時(shí)空窗大小的影響分別表現(xiàn)為顯著正相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)；在冬小麥揚(yáng)花期(播種后180 d)，太陽高度角、棗樹冠幅、葉面積指數(shù)的回歸系數(shù)(r=0.520，r=-0.592，r=0.696)的顯著性檢驗(yàn)分別為P=0.05，P=0.04和P=0.03，表明冬小麥揚(yáng)花期(播種后180 d)冠層飽和PAR時(shí)空窗與太陽高度角和葉面積指數(shù)顯著正相關(guān)，與棗樹冠幅顯著負(fù)相關(guān)；對灌漿期(播種后190 d)和成熟期(播種后210 d)，棗樹葉面積指數(shù)(r=0.520，r=0.592)、透光率(r=0.520，r=-0.592)和棗樹冠幅(r=0.520，r=-0.592)進(jìn)行回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，顯示冬小麥灌漿期(播種后190 d)和成熟期(播種后210 d)冠層飽和PAR時(shí)空窗大小與葉面積指數(shù)和透光率顯著正相關(guān)(P<0.05)，與棗樹冠幅顯著負(fù)相關(guān)。間作系統(tǒng)中棗樹栽植株行距(株距2+行距2)1/2(X6)對冬小麥整個(gè)生育期冠層飽和PAR時(shí)空窗的影響不顯著。

影響因子對冬小麥不同生育時(shí)期冬小麥冠層非飽和PAR時(shí)空窗的大小影響不同。在分蘗期，太陽高度角的回歸系數(shù)(r=0.809)的顯著性檢驗(yàn)為P=0.04，顯示太陽高度角對冬小麥分蘗期(播種后125 d)冠層非飽和PAR時(shí)空窗大小的影響顯著；在拔節(jié)期(播種后155 d)，太陽高度角和株行距的回歸系數(shù)(r=0.973，r=0.932)的顯著性檢驗(yàn)分別為P=0.01和P=0.04，顯示太陽高度角和株行距對冬小麥拔節(jié)期(播種后155 d)冠層非飽和PAR時(shí)空窗的影響顯著；對抽穗期(播種后170 d)、揚(yáng)花期(播種后180 d)和成熟期(播種后210 d)，太陽高度角(r=0.997、r=0.997、r=0.996)和透光率(r=-0.992，r=-0.987，r=-0.993)的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯示冬小麥抽穗期(播種后170 d)、揚(yáng)花期(播種后180 d)和成熟期(播種后210 d)冠層非飽和PAR時(shí)空窗大小與太陽高度角呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與透光率呈顯著負(fù)相關(guān)；在灌漿期(播種后190 d)，太陽高度角和株行距(株距2+行距2)1/2(X6)的回歸系數(shù)(r=0.996，r=0.989)的顯著性檢驗(yàn)分別為P=0.00和P=0.00，顯示太陽高度角和株行距對冬小麥灌漿期(播種后190 d)冠層非飽和PAR時(shí)空窗的影響顯著。

表1 冬小麥冠層PAR時(shí)空窗與影響因子的相關(guān)性

影響因子對冬小麥不同生育時(shí)期冬小麥冠層非飽和無效PAR時(shí)空窗的大小影響不同。在分蘗期，棗樹樹高與株行距的回歸系數(shù)(r=0.853，r=-0.910)的顯著性檢驗(yàn)分別為P=0.10和P=0.05，顯示冬小麥分蘗期(播種后125 d)冠層無效PAR時(shí)空窗與棗樹樹高顯著正相關(guān)，與株行距顯著負(fù)相關(guān)；對拔節(jié)期(播種后155 d)、抽穗期(播種后170 d)和揚(yáng)花期(播種后180 d)，太陽高度角(r=0.917、r=0.934、r=0.992)和葉面積指數(shù)(r=0.969、r=0.947、r=0.981)進(jìn)行回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，顯示太陽高度角和葉面積指數(shù)對冬小麥拔節(jié)期(播種后155 d)、抽穗期(播種后170 d)和揚(yáng)花期(播種后180 d)冠層無效PAR時(shí)空窗的影響顯著(P<0.05)；對灌漿期(播種后190 d)，太陽高度角、棗樹樹高和葉面積指數(shù)的回歸系數(shù)(r=0.997、r=0.955和r=0.950)的顯著性檢驗(yàn)分別為P=0.01，P=0.01和P=0.02，顯示太陽高度角、棗樹樹高和葉面積指數(shù)對冬小麥灌漿期(播種后190 d)冠層無效PAR時(shí)空窗大小的影響顯著；對成熟期(播種后210 d)，太陽高度角、葉面積指數(shù)和透光率的回歸系數(shù)(r=0.981、r=0.933和r=-0.897)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，表明冬小麥成熟期(播種后210 d)冠層無效PAR時(shí)空窗與太陽高度角和葉面積指數(shù)顯著正相關(guān)，與透光率顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

3 討 論

林木與農(nóng)作物間作系統(tǒng)內(nèi)林冠層投影面積(遮陰)是影響間作物冠層截獲光能的直接因素。因此，影響間作系統(tǒng)內(nèi)遮陰的因素都會影響間作物冠層光合有效輻射時(shí)空窗的大小。太陽高度角是影響林農(nóng)間作系統(tǒng)中林冠層遮陰面積的主要因素，有研究表明隨著太陽高度角的增大，間作系統(tǒng)內(nèi)林冠投影面積減小，重復(fù)遮陰面積也減小。本研究結(jié)果表明，在冬小麥生長發(fā)育過程中，棗麥間作系統(tǒng)中太陽高度角呈逐漸增大的趨勢，回歸分析結(jié)果表明冬小麥冠層飽和、非飽和PAR時(shí)空窗與太陽高度角顯著正相關(guān)。間作巷道內(nèi)棗樹投影距離樹干越來越近，遮陰范圍逐漸減小，樹行之間重復(fù)遮陰范圍不斷減小，棗樹冠層內(nèi)部透射光斑輻射強(qiáng)度增加，陰影透明度升高。這說明太陽高度角的改變導(dǎo)致棗樹在間作巷道內(nèi)的遮陰的時(shí)間長度與遮陰面積改變，最終引起冬小麥冠層PAR時(shí)空窗變化。

在核(桃)-小麥[19]、杏-丹參[20]和杏-苜蓿[21]間作系統(tǒng)中的研究結(jié)果表明，林木測樹因子(樹高、基徑、冠幅)和林木株行距通過對光能的截獲影響間作巷道內(nèi)林冠投影的形狀和面積[22]。本研究結(jié)果表明，棗樹栽植株行距及其樹高和冠幅與冬小麥不同生育時(shí)期冠層飽和PAR時(shí)空窗大小顯著相關(guān)，隨著株行距增大，冬小麥冠層飽和、非飽和PAR時(shí)空窗增大，冬小麥冠層無效PAR時(shí)空窗減小。這是因?yàn)殚g作系統(tǒng)中棗樹株行距的增大會降低棗樹樹冠形成的遮陰面積在間作巷道內(nèi)所占的比例，同時(shí)增加間作巷道內(nèi)光強(qiáng)和光質(zhì)，從而增加了間作冬小麥冠層截獲的太陽輻射，導(dǎo)致冬小麥冠層有效PAR時(shí)空窗增大，無效PAR時(shí)空窗減小。

冬小麥冠層無效PAR時(shí)空窗與棗樹栽植株行距顯著負(fù)相關(guān)，與樹體和冠幅顯著正相關(guān)，即株行距越小，樹高和冠幅越大，棗樹冠層對光能的截獲越多，其在間作巷道內(nèi)的遮陰面積就越大，從而導(dǎo)致間作物獲得的光能就越少[24-25]。

4 結(jié) 論

棗麥間作系統(tǒng)間作巷道內(nèi)冬小麥各生育時(shí)期的PAR時(shí)空窗大小由多種影響因子綜合協(xié)調(diào)作用，這些影響因子的自身變化規(guī)律影響著間作物冠層飽和、非飽和以及無效PAR時(shí)空窗的大小及其變化規(guī)律。但是各因素對其的影響程度存在差異，其中太陽高度角、棗樹栽植株行距和透光率是影響間作物冠層飽和PAR時(shí)空窗、非飽和PAR時(shí)空窗和無效PAR時(shí)空窗大小的主要因素。