新疆棗棉間作下棉花光合特性及產(chǎn)量變化

楊 濤，段志平，石巖松，劉天煜，欒鵬飛，張永強，焦 超，朱 蕓，李魯華，張 偉

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.石河子大學(xué)藥學(xué)院，新疆 石河子 832000)

中國的農(nóng)業(yè)在追求優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的同時，越來越重視其與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。當(dāng)前隨著農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的相關(guān)研究逐漸深入，眾多研究表明其主要優(yōu)勢是它的多樣性和持續(xù)性，它還在改良土壤質(zhì)量，改善田間小氣候，提高農(nóng)作物經(jīng)濟效益和維護生態(tài)環(huán)境等方面起到了重要的作用[1]。棗棉間作屬于典型的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)，依靠其靈活多樣的生產(chǎn)模式，棗棉間作種植在南疆地區(qū)已經(jīng)有了較好的發(fā)展，但在北疆地區(qū)推廣種植較少，相關(guān)研究不足。前人的研究主要集中在南疆塔里木盆地地區(qū)的棗棉間作系統(tǒng)，包括棗棉間作的生物學(xué)研究、種間關(guān)系、生態(tài)效應(yīng)和小氣候等研究[2]，北疆地區(qū)的棗棉間作模式中光合及產(chǎn)量的相關(guān)研究很少。

棗棉間作種植模式作為主要推廣利用的立體間作模式之一，結(jié)合新疆當(dāng)?shù)貎?yōu)越的水土和光合熱量條件，具有顯著間作優(yōu)勢，在部分地區(qū)的生產(chǎn)中已經(jīng)發(fā)揮出了它的優(yōu)越性[3]。通過研究棗棉間作中棉花光能的利用和產(chǎn)量的變化，對于脆弱的新疆生態(tài)環(huán)境和棗、棉產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義[4]。棗棉間作在北疆種植的相關(guān)研究不足，本研究通過單作、間作中棉花光合特性的變化及差異，比較產(chǎn)量之間的差異，分析棗棉間作相比傳統(tǒng)單作種植模式在產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)值等方面的優(yōu)勢，為棗棉間作種植模式在北疆地區(qū)的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗于2016年在新疆石河子第八師150團(86°03′ E，45°04′N)進行，該地區(qū)屬于典型的沙漠干旱區(qū)，土壤類型為沙壤土，無霜期約為170 d，種植紅棗面積約為46.67 hm2。該地年均降雨量為189.1～200.3 mm，年蒸發(fā)量為1 517.5～1 563.8 mm;晝夜溫差較大，年平均氣溫6.6～7.1℃;最高氣溫出現(xiàn)在7月至8月初，氣溫為25.0～26.7℃;最低氣溫出現(xiàn)在1月，氣溫為-17.8～ 15.2℃。

1.2 試驗材料與試驗設(shè)計

1.2.1 試驗材料 棗樹品種為冬棗“贊皇”，棉花品種為新疆主栽品種新陸早48號。

1.2.2 試驗設(shè)計 試驗采取隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積70 m2，每個小區(qū)環(huán)境一致。棗棉間作的株行距配置設(shè)計如圖1。棗樹株行距配置為行距2.8 m，株距為1.4 m。間作棉花膜寬1.2 m(采用膜下滴灌技術(shù))，一膜四行，行距分別是0.2 m和0.4 m，棉花和棗樹間距1 m。單作和間作棉花的栽培種植與大田種植方式一致。間作中棗樹栽植時間為2009年，一般在3月進行平茬(從地面10 cm之上整枝修剪)。試驗于2016年4月25日進行棉花播種，于7月15日打頂，采用人工打頂，收獲日期為10月10日。棉花播種前施入底肥，尿素(純氮含量46%)260 kg·hm-2，磷酸二銨120 kg·hm-2。在棉花整個生育時期中灌溉9次，灌水量540 m3·hm-2·次-1。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光合特性測定 分別在棉花的苗期、現(xiàn)蕾期、花鈴期、吐絮期對棉花倒四葉進行光合特性的測定。于當(dāng)?shù)貢r間上午11時左右在棗棉間作處理中，選擇葉片健康、長勢基本一致、沒有病狀、光照條件相似的同一葉位棉花倒四葉葉片，用Li-6400光合儀測3個葉片取平均值。同時間在單作棉花處理中，用同樣的方法取樣，采用Li-6400光合儀測3個葉片取平均值。所測指標(biāo)包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等生理因子。

圖1 棗棉間作株行距配置Fig.1 Plant and row spacing arrangement of jujube-cotton intercropping system

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)值計算 分別測定單作和間作模式中棉花的收獲株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、總成鈴數(shù)、單鈴重、皮棉產(chǎn)量及衣分，測定棗樹產(chǎn)量(鮮果產(chǎn)量)。每個小區(qū)抽取20株棉花，求出平均單株結(jié)鈴數(shù)，采摘后稱總重量，求出平均單鈴重。調(diào)查總收獲株數(shù)，計算總成鈴數(shù)，棉花和棗樹按各小區(qū)實際收獲量計算產(chǎn)量，換算為標(biāo)準(zhǔn)單位。根據(jù)實際產(chǎn)量計算土地當(dāng)量比，結(jié)合市場價格行情計算經(jīng)濟產(chǎn)值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用SPSS 12.0和Excel 2010統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析并制表制圖。分析土地的利用率時引入土地當(dāng)量比計算[5]，公式為

2 結(jié)果與分析

2.1 棗棉間作下棉花主要生育時期的凈光合速率

凈光合速率(Pn)作為研究作物光合特性的重要參數(shù)，其值越高，作物對光能的利用率越高，單位時間內(nèi)有機物的積累就越多。在6月5日(苗期)、6月26日(現(xiàn)蕾期)、7月27日(花鈴期)、8月31日(吐絮期)，測得單作、間作棉花主要生育時期凈光合速率(圖2)。從圖中看出，凈光合速率峰值出現(xiàn)的時期不同，間作棉花凈光合速率峰值(28.64 μmol·m-2·s-1)出現(xiàn)在現(xiàn)蕾期，單作棉花凈光合速率峰值(29.93 μmol·m-2·s-1)出現(xiàn)在花鈴期。兩種模式凈光合速率隨生育時期的變化趨勢相同，呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。苗期至現(xiàn)蕾期兩種模式凈光合速率差異不顯著，在花鈴期差異最大，間作比單作低約31.33%，造成差異的主要原因是棗棉間作模式中的光合競爭，即棗樹對棉花的遮蔭影響。

2.2 棗棉間作下棉花主要生育時期的蒸騰速率

蒸騰速率(Tr)作為作物的一個重要生理指標(biāo)，指作物在一定時間內(nèi)，單位葉面積上所散失的水量。在6月5日(苗期)、6月26日(現(xiàn)蕾期)、7月27日(花鈴期)、8月31日(吐絮期)，單作、間作模式下棉花主要生育時期內(nèi)的蒸騰速率變化見圖3。單作和間作棉花的蒸騰速率峰值出現(xiàn)的時間不同，間作下棉花的蒸騰速率峰值(11.01 mmol·m-2·s-1)出現(xiàn)在現(xiàn)蕾期，而單作棉花的蒸騰速率峰值出現(xiàn)在花鈴期，峰值為12.76 mmol·m-2·s-1。兩種模式蒸騰速率隨生育時期的變化趨勢相同，呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。單作、間作棉花的蒸騰速率在苗期至現(xiàn)蕾期沒有明顯的差異，兩者差異出現(xiàn)在現(xiàn)蕾期至吐絮期階段，在花鈴期蒸騰速率差異達到最大，間作比單作低約15.13%。單作、間作光合差異逐漸增大是因為棗樹在棉花現(xiàn)蕾期至吐絮期生長旺盛，枝條展開阻礙光照，對棉花的遮蔭影響逐漸增大。

2.3 棗棉間作下棉花主要生育時期的胞間CO2濃度

在6月5日(苗期)、6月26日(現(xiàn)蕾期)、7月27日(花鈴期)、8月31日(吐絮期)，測得單作和間作棉花胞間 CO2濃度(Ci)變化見圖4。單作和間作棉花的胞間CO2濃度趨勢變化基本相似，總體表現(xiàn)為先上升，花鈴期后下降。兩者胞間CO2濃度峰值都出現(xiàn)在花鈴期，其中間作峰值為266.75 μmol·mol-1，單作峰值為253.15 μmol·mol-1。間作和單作棉花的胞間CO2濃度差異出現(xiàn)在現(xiàn)蕾期后，在花鈴期達到最大，間作比單作高約8.90%。研究表明，胞間CO2濃度的變化與光照和氣孔導(dǎo)度密切相關(guān)，造成單作、間作差異的原因除光照外還受農(nóng)田小氣候效應(yīng)的影響。

圖2 單作、間作下棉花主要生育時期的凈光合速率(Pn)Fig.2 Changes on the net photosynthetic rate during the main growth stages of cotton in monoculture and intercropping systems

圖3 單作、間作下棉花主要生育時期的蒸騰速率(Tr)Fig.3 Changes on the transpiration rate during the main growth stages of cotton in monoculture and intercropping systems

圖4 單作、間作下棉花主要生育時期的胞間CO2濃度(Ci)Fig.4 Changes on the intercellular CO2 concentration during the main growth stages of cotton in monoculture and intercropping systems

2.4 棗棉間作下棉花主要生育時期的氣孔導(dǎo)度

在6月5日(苗期)、6月26日(現(xiàn)蕾期)、7月27日(花鈴期)、8月31日(吐絮期)，單作、間作棉花主要生育時期的氣孔導(dǎo)度(Gs)變化見圖5。間作棉花的氣孔導(dǎo)度峰值(0.56 mmol·m-2·s-1)出現(xiàn)在現(xiàn)蕾期，單作棉花的峰值(0.67 mmol·m-2·s-1)出現(xiàn)在花鈴期。單作、間作棉花的氣孔導(dǎo)度隨生育時期的變化趨勢相同，呈現(xiàn)先增后減的趨勢。單作、間作棉花苗期至現(xiàn)蕾期的氣孔導(dǎo)度沒有顯著性差異，差異在花鈴期達到最大，間作比單作低約22.39%。氣孔導(dǎo)度是影響胞間CO2濃度變化的原因之一，理論上氣孔導(dǎo)度下降會使胞間CO2濃度增加，試驗結(jié)果與理論結(jié)果一致。

2.5 棗棉間作下棉花產(chǎn)量構(gòu)成變化分析

測定單作和間作下棉花的收獲株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、總成鈴數(shù)、單鈴重、皮棉產(chǎn)量及衣分見表1。根據(jù)試驗結(jié)果，間作中棉花收獲株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、總成鈴數(shù)、單鈴重、皮棉產(chǎn)量及衣分比單作棉花低。單作和間作棉花在單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重和衣分的表現(xiàn)上差異不顯著，但在收獲株數(shù)、總成鈴數(shù)和皮棉產(chǎn)量上差異顯著。間作棉花收獲株數(shù)比單作棉花要減少28.26%，總成鈴數(shù)減少32.7%，棉花皮棉產(chǎn)量減少41.61%。單作、間作之間棉花的收獲株數(shù)和總成鈴數(shù)的差異較大，是造成產(chǎn)量差異的直接原因。從光合角度分析，棗樹與棉花間作，棗樹枝條遮蔭使棉花光合受到影響，尤其是在棉花的現(xiàn)蕾期之后系統(tǒng)內(nèi)光合競爭越來越嚴重。棗棉間作中棉花屬于弱勢作物，在競爭中能獲得的光能有限，導(dǎo)致棉花的生長發(fā)育受到抑制，部分植株矮小無法正常生長或不能結(jié)玲而被淘汰，使收獲株數(shù)大幅減少，影響總成鈴數(shù)，最終造成減產(chǎn)。間作棗樹和單作棗樹在產(chǎn)量上差異顯著，間作棗樹相比單作棗樹減產(chǎn)約23.35%，在棗棉間作中棗樹屬于強勢作物，在資源競爭中有一定的優(yōu)勢，所以相比棉花減產(chǎn)少。

圖5 單作、間作下棉花主要生育時期的氣孔導(dǎo)度(Gs)Fig.5 Changes on the stomatal conductance during the main growth stages of cotton in monoculture and intercropping systems

本試驗中，土地當(dāng)量比(LER)=(棉花間作時的產(chǎn)量÷棉花單作時的產(chǎn)量)+(棗樹間作時的產(chǎn)量÷棗樹單作時的產(chǎn)量)，可算出土地當(dāng)量比為1.35。棗棉間作模式增長率=(LER-1)×100%，可算出增長率為35%，說明棗棉間作模式可以提高35%的土地利用率，生產(chǎn)優(yōu)勢十分明顯。

表1 單作與間作下棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成比較

注：不同小寫字母表示5%的水平上差異顯著。

Note: different lowercase letters in the same column indicate significance at the 0.05 level.

2.6 棗棉間作模式經(jīng)濟產(chǎn)值分析

結(jié)合上述試驗數(shù)據(jù)，以2016年皮棉平均價格為15.342元·kg-1,棗樹鮮果價格為20元·kg-1為例。棗棉間作模式中的經(jīng)濟產(chǎn)值=間作棉花產(chǎn)值+間作棗樹產(chǎn)值，計算可得棗棉間作模式總經(jīng)濟產(chǎn)值為48 729.44 元·hm-2(棉花產(chǎn)值以皮棉產(chǎn)值計算)。單作棉花的皮棉經(jīng)濟產(chǎn)值約為34 493.57元·hm-2，單作棗樹的經(jīng)濟產(chǎn)值為37 302元·hm-2。棗棉間作種植模式比單作棉花每公頃經(jīng)濟產(chǎn)值高約41.27%，比單作棗樹每公頃經(jīng)濟產(chǎn)值高約30.63%，棗棉間作模式相比傳統(tǒng)單作模式在經(jīng)濟產(chǎn)值方面優(yōu)勢明顯。

3 討 論

試驗棗樹每年3月平茬，即棗樹地上部分10 cm以上整枝修剪,所以試驗中棗樹的地下部分為多年生，地上部分都為一年生。棗樹作為落葉喬木，具有枝葉稀疏、透光度大的特點，間作產(chǎn)生的遮光效應(yīng)較小，并且發(fā)葉遲，一般在5月初，落葉較早，一般在10月下旬，主要生長期集中在5月上旬至9月上旬[6]。在本試驗中，單作、間作棉花之間的差異在棉花苗期至現(xiàn)蕾期表現(xiàn)不明顯，在現(xiàn)蕾期后差異逐漸顯現(xiàn)。棉花于4月25日播種直至棉花的苗期，棗樹發(fā)葉遲，對間作的棉花光合的影響很小。隨著棗樹生長發(fā)育，枝葉隨之茂盛，其對棉花的遮蔭效應(yīng)也愈發(fā)明顯。棉花的現(xiàn)蕾期到吐絮期與棗樹共進生長，此時棗樹的個體體積較大，對棉花的光合特性影響較大，光合特性的差異也逐漸增大，在棉花的花鈴期差異達到最大，隨后差異逐漸減小。宋鋒惠等[4]研究表明為改善棗棉間作模式中的光環(huán)境，實際生產(chǎn)中可以通過對棗樹的整形，修剪，合理控制冠幅，擴大透過率，降低棗樹對棉花的遮蔭影響。也可以通過選擇耐陰能力強，適合棗棉間作的棉花品種及擴大棗樹與棉花的間距等管理措施，減輕棗棉間作模式中的光合競爭，提高作物產(chǎn)量。

試驗中單作棉花凈光合速率和蒸騰速率普遍高于間作棉花。凈光合速率對作物生長發(fā)育及有機物質(zhì)的合成至關(guān)重要，直接影響產(chǎn)量。影響它的主要外界因素是光照強度、溫度、CO2濃度等，間作中棗樹對棉花的遮蔭影響，直接使間作棉花的凈光合速率受到抑制。蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度成正相關(guān)關(guān)系，光照作用使氣孔開放，削弱了氣孔阻力，加強了蒸騰作用，使蒸騰速率發(fā)生變化[7]，間作中棗樹對棉花的遮蔭影響使棉花在生長發(fā)育的后期蒸騰作用受一定程度的抑制，蒸騰速率低于單作棉花。此外棗棉間作體系下凈光合速率和蒸騰速率還受農(nóng)田小氣候和棗樹形成的擋風(fēng)控溫等環(huán)境因素影響。

胞間CO2濃度是用于光合生理生態(tài)研究中的重要參數(shù)，一般與氣孔導(dǎo)度的變化有關(guān)。有研究表明，Ci大小取決于4個可能變化的因素: 葉片氣孔導(dǎo)度、葉片周圍空氣中的CO2濃度、葉肉導(dǎo)度和葉肉細胞的光合活性[8]。單作和間作下棉花的胞間CO2濃度隨生育時期的變化趨勢一致，從苗期開始逐漸遞增，花鈴期后開始下降。間作模式下棉花胞間CO2濃度比單作棉花要高，胞間CO2濃度的變化主要是氣孔導(dǎo)度變化的結(jié)果，當(dāng)氣孔導(dǎo)度降低時細胞內(nèi)CO2排出去的少，使胞間CO2濃度升高。造成單作和間作棉花胞間CO2濃度差異的原因還包括棗棉間作模式下產(chǎn)生的田間小氣候因素使CO2的濃度存在不穩(wěn)定因素。

光合作用積累的有機物直接影響產(chǎn)量，棉花產(chǎn)量還由鈴數(shù)、鈴重和衣分這三要素形成，其中衣分和鈴重受品種自身的遺傳特性影響較大，不同生態(tài)環(huán)境條件及栽培條件對其影響較小，人為使之改變的難度較大[9]。所以生產(chǎn)中，可以利用栽培管理技術(shù)增加收獲株數(shù)，提高單株結(jié)鈴，從而獲得更多的鈴數(shù)達到棉花的高產(chǎn)。本試驗中棗棉間作模式下棉花的收獲株數(shù)比單作減少了28.26%，單株結(jié)鈴數(shù)減少6.2%，最終棉花總成鈴數(shù)減少32.7%。收獲株數(shù)差異是棗棉間作模式產(chǎn)量低于單作的重要因素，棗棉間作中棉花屬于弱勢作物，在競爭中能獲得的資源有限，導(dǎo)致棉花的生長發(fā)育受到抑制，部分植株矮小無法正常生長或不能結(jié)鈴而被淘汰，使收獲株數(shù)大幅減少。除考慮光合因素的影響外，還要考慮到田間小氣候和根系間相互影響因素。試驗中，棗棉間作模式下棉花和棗樹的產(chǎn)量相比傳統(tǒng)單作產(chǎn)量低，其中棉花產(chǎn)量下降最多，降幅達到41.61%，與戴路等[10]研究調(diào)查的南疆棗棉間作中棉花的減產(chǎn)量27.9%相比較多，分析原因可能是田間配置、棗樹棉花的間距和南北疆氣候土壤條件差異等原因造成的。棗棉間作種植模式中，棗樹屬于強勢作物，棗樹所受到的間作不利影響較小，尤其是在光合上的影響較小，通過計算產(chǎn)量，間作棗樹相比單作棗樹減產(chǎn)約23.25%。

試驗中，計算出土地當(dāng)量比為1.35，計算棗棉間作模式的土地利用的增長率為35%，所以棗棉間作模式相比單作種植，土地的利用率提高了35%。劉玉華等[11]研究表明間混作模式中理想的土地當(dāng)量比為1.38左右，即提高土地利用率38%左右，與本試驗結(jié)果一致。試驗表明，棗棉間作種植在經(jīng)濟產(chǎn)值上比單作棉花提高約41.27%，比單作棗樹提高約30.63%，所以棗棉間作種植模式至少能夠提高30%以上的經(jīng)濟產(chǎn)值。試驗結(jié)果高于夏嬋娟等[12]研究調(diào)查的南疆棉田經(jīng)濟產(chǎn)值增加25%以上，分析原因可能是田間棗樹和棉花種植面積配置、種植品種和市場價格不同造成的。試驗證明，北疆發(fā)展棗棉間作模式在經(jīng)濟效益上存在優(yōu)勢，并且增加了單位面積上收獲作物的種類，能夠更有效地應(yīng)對市場的價格及行情變化，在提高農(nóng)民收入的同時更能夠保障農(nóng)民的收入。

此外，棗棉間作等農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)在防風(fēng)效益上也有突出的表現(xiàn)，這對于風(fēng)沙較為嚴重的新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義[13]。中國已經(jīng)成為土傳病害發(fā)生率最嚴重的國家之一，合理的間作種植蘊含了豐富的生態(tài)學(xué)原理，是天然的預(yù)防病害流行的屏障，能夠有力地解決土傳病害的問題，間作種植還增加了田間的生物多樣性，在防止病蟲害方面也具有得天獨厚優(yōu)勢[14-16]。當(dāng)前影響棗棉間作模式推廣發(fā)展的問題主要在于大規(guī)模的棗棉間作種植不適應(yīng)于機械化的采收，這對于人工成本和全面機械化發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)而言仍是個難題，需要進一步的研究解決。未來隨著農(nóng)業(yè)機械化的快速發(fā)展，關(guān)于間混作種植模式的機械采收問題終將會得到解決，棗棉間作等農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)將會成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的大勢所趨。

4 結(jié) 論

1)棗棉間作中隨著棉花和棗樹的共進生長，棗樹的枝葉逐漸茂盛，其對棉花的遮蔭效應(yīng)也愈發(fā)明顯。在棉花苗期之后單作和間作的光合特性差異逐漸顯現(xiàn)，在棉花的花鈴期差異達到最大，造成光合特性差異的主要原因是間作模式中光合競爭和農(nóng)田小氣候等因素影響。

2)光合因素對產(chǎn)量有很大影響，針對試驗表現(xiàn)出的棗樹對棉花光合的影響在花鈴期最大，應(yīng)在花鈴期前做好棗樹的適當(dāng)修剪和整枝，以減少棗棉間作系統(tǒng)中的光合競爭從而保證產(chǎn)量。

3)棗棉間作模式在棉花的單產(chǎn)上相比傳統(tǒng)單作種植產(chǎn)量低，其中兩者棉花的收獲株數(shù)差異達28.26%，對產(chǎn)量影響較大。間作模式單產(chǎn)較低的原因主要是在棗棉間的光合競爭中，棉花屬于弱勢作物，獲得的光合資源有限，導(dǎo)致物質(zhì)積累較少，產(chǎn)量下降。同時在水肥等資源競爭中棉花也處于劣勢，針對這種情況應(yīng)該做好關(guān)鍵時期的相關(guān)管理工作，補水補肥。

4)試驗通過計算土地當(dāng)量比為1.35，說明棗棉間作存在明顯間作優(yōu)勢，能提高35%的土地利用率。通過計算產(chǎn)值，棗棉間作模式可以增加經(jīng)濟產(chǎn)值30%以上，相比傳統(tǒng)單作種植更具有經(jīng)濟優(yōu)勢。