種植密度對我國東北地區(qū)大豆輻射利用率的影響

劉建生 邵曉梅

（1.黑龍江省農(nóng)墾九三管理局尖山農(nóng)場，黑龍江 嫩江 161441；2.黑龍江省農(nóng)墾九三管理局植保植檢站，黑龍江 嫩江 161441）

輻射利用率（Radiation Use Efficiency，RUE）是指植物將冠層截獲的光合有效輻射轉(zhuǎn)化為生物量的效率。在相同太陽輻射條件下，提高輻射利用率可以提高作物產(chǎn)量。影響輻射利用率的諸多因素中，由于種植密度對植物葉面積指數(shù)和冠層結(jié)構(gòu)有直接影響，導(dǎo)致輻射利用率受作物種植密度的影響顯著。因此，探討種植密度對冠層截獲輻射及其利用率的影響具有重要意義。東北地區(qū)作為我國的商品產(chǎn)地，研究種植密度對其作物輻射利用率的影響，可以為當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。因此，本研究旨在探討大豆出苗后至收獲前的輻射利用率在研究區(qū)的訂正及種植密度對輻射利用率的影響。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究選擇在黑龍江省農(nóng)墾總局九三分局尖山農(nóng)場進行。該農(nóng)場地處小興安嶺西南麓向松嫩平原過渡的漫川漫崗地帶，地形呈波狀起伏，耕地坡度為1°～3°。氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶园霛駶櫄夂?，最熱?月，平均氣溫20.8℃，最冷月1月，平均氣溫為-22.5℃。無霜期110～120 d。年降水量450～550 mm，集中在7—9月，占全年的64%［1］。區(qū)內(nèi)主要土壤為黑土類和黑土亞類［2］，按中國土壤系統(tǒng)分類屬于均腐土［3］。成土母質(zhì)為第四紀沉積黃黏土，土體剖面一般厚30～60 cm，有機質(zhì)含量一般在30～70 g/kg。主要種植大豆、玉米等作物。

1.2 作物試驗與觀測

2017年于尖山農(nóng)場進行大豆不同種植密度的試驗。設(shè)計低密度、較低密度、中密度、較高密度和高密度5個密度處理。出苗后，重新測定密度分別為25株/m2、32株/m2、45株/m2、53株/m2和64株/m2，每個處理3個重復(fù)。大豆起壟耕作，壟距110 cm，壟上播種3行。樣地土地質(zhì)量中等偏上，實測表土堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為193、57、154 mg/kg，有機質(zhì)含量4.83%，沙粒、粉粒、黏粒含量分別為34.6%、31.8%、33.6%，pH值為6.3。2017年播種時間為5月7日，收獲時間為9月28日。試驗施肥水平為施純肥量140 kg/hm2，氮磷鉀的比例為1∶1.3∶0.3。出苗后噴藥除草。

大豆播種后，從出苗后到收獲前，在每個小區(qū)內(nèi)進行光合有效輻射與生物量的觀測。2017年觀測時間分別為6月29日、7月15日、7月25日、8月1日、8月8日、8月15日、8月23日、8月29日和9月6日，分別為播種后第48 d、64 d、74 d、81 d、88 d、95 d、103 d、109 d和117 d，共9次觀測。觀測項目包括上午10:00—12:00，利用冠層分析儀對每小區(qū)冠層頂部和冠層底部光合有效輻射進行3次重復(fù)測定；同日，每小區(qū)采集壟長1 m的生物量帶回室內(nèi)稱鮮重，從中抽取子樣，利用葉面積儀測定葉面積、稱鮮重、105℃殺青、80℃烘干后稱干重。

1.3 輻射利用率的計算方法

研究采用的氣象數(shù)據(jù)來自當?shù)貧庀笳荆瑸閷崪y逐日日照時間，用于計算逐日太陽輻射：

式中，RA是逐日太陽輻射，單位MJ/m2；RAMX是逐日晴天最大太陽輻射，單位MJ/m2；a、b是與大氣質(zhì)量狀況有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，分別為0.105和0.708。n和N分別為逐日實際日照時間和逐日可照時間，單位h。其中，逐日可照時間N可利用式（2）進行計算：

式中，LAT為緯度，SD為太陽赤緯，i是該年的第i天。

逐日晴天最大可能太陽輻射RAMX可利用式（4）進行模擬：

式中，RAMXi是第i天晴天最大可能太陽輻射，單位MJ/m2；XT為太陽時角。

1.4 生育期內(nèi)冠層累積截獲光合有效輻射的模擬

根據(jù)比爾定律，模擬冠層截獲光合有效輻射為：

式中，IPARi為第i天冠層截獲光合有效輻射，單位MJ/m2；0.5為日輻射轉(zhuǎn)換光合有效輻射系數(shù)；ki和LAIi分別為第i天的消光系數(shù)和葉面積指數(shù)。消光系數(shù)k根據(jù)比爾定律，利用觀測日上午10:00—12:00測定冠層頂部和冠層底部光合有效輻射計算獲得，以作為觀測當日全天平均消光系數(shù)。

根據(jù)比爾定律，第i天的冠層截獲光合有效輻射率為：

非觀測日的冠層截獲光合有效輻射利用線性內(nèi)插獲得，再進行累加，即為冠層累積截獲光合有效輻射。將作物冠層累積的光合有效輻射與生物量進行線性擬合，其斜率即為輻射利用率。

2 結(jié)果與分析

2.1 LAI與k

不同種植密度處理下，LAI均為隨時間先增大后減小，最大葉面積指數(shù)為4.93。大豆播種88～95 d時達到最大；低密度和較高密度為88 d時最大；較低密度、中密度和高密度為95 d時最大。此時為結(jié)莢-鼓粒期。

隨種植密度的增加，大豆出苗至收獲前的平均LAI呈顯著線性增長趨勢（如圖1所示），說明種植密度可有效增加LAI，而平均消光系數(shù)k卻表現(xiàn)出相反的趨勢，呈顯著指數(shù)減少（如圖2所示），最大為0.66，最小為0.45，說明種植密度的增加會引起消光系數(shù)的降低。平均LAI的增長幅度遠大于平均消光系數(shù)的減小幅度，當平均LAI分別增加62%時，平均消光系數(shù)k僅減小28%。根據(jù)比爾定律，這將導(dǎo)致種植密度越大，生育期內(nèi)冠層截獲的光合有效輻射越多。

圖1 出苗至收獲前的平均LAI與種植密度的關(guān)系

表1 各處理下生物量y與累積輻射截獲率x的線性回歸（y=a+bx）系數(shù)

圖2 出苗至收獲前的平均消光系數(shù)k與種植密度的關(guān)系

2.2IPAR和FPAR

至末次觀測為止，冠層累積（IPAR）均表現(xiàn)為隨種植密度的增大而線性增加，與LAI的增長幅度大于消光系數(shù)的減小幅度時可導(dǎo)致冠層截獲的光合有效輻射越多的結(jié)論吻合。

在比爾定律中，在相同的入射光下，輻射截獲率（FPAR）是決定冠層截獲光合有效輻射的決定性因素。觀測數(shù)據(jù)顯示：各處理下，輻射截獲率均隨著生育期逐漸變大，并接近于1，一般在播種后85～88 d達到最大，此時LAI亦達到最大。出苗到收獲前的平均輻射截獲率隨種植密度增加略微增加，但差異不大。

2.3 輻射利用率

對生物量的觀測發(fā)現(xiàn)，播種后48～103 d是生物量持續(xù)增長階段，約為大豆出苗后至鼓粒期。將此時期內(nèi)冠層累積截獲的PAR與生物量進行線性回歸，其斜率即為出苗后至鼓粒期的平均輻射利用率（如表1所示的b）。結(jié)果顯示，各處理下，回歸決定系數(shù)R2為0.93～0.99，回歸效果良好。各處理下，出苗后至鼓粒期平均輻射利用率變化很大，表現(xiàn)為隨種植密度先增加后減小的趨勢（如表1、圖3所示）。在中密度和較高密度條件下，大豆的輻射利用率較高，分別為2.03 g/MJ和2.06 g/MJ，說明適當提高大豆播種密度可以更好地利用光照，但密度過高輻射利用率會降低。例如，高密度條件下，大豆輻射利用率為1.78 g/MJ。另外，輻射利用率的高低僅對地上生物量有影響，而大豆最終產(chǎn)量還與收獲指數(shù)有關(guān)，需要進行更加深入的研究，以確定大豆最優(yōu)的播種密度。

圖3 出苗后至鼓粒期平均輻射利用率與種植密度的關(guān)系

3 結(jié)論

通過對大豆種植密度與葉面積指數(shù)、觀測截獲光合有效輻射以及輻射利用率的分析得到如下結(jié)論。

①大豆出面至收獲前的平均葉面積指數(shù)LAI隨著種植密度的增加而增加，消光系數(shù)則隨著種植密度的增加而減?。?/p>

②大豆冠層累積光合有效輻射隨種植密度的增加而增加，輻射截獲率播種出苗后逐漸增大；

③大豆輻射利用率隨著密度的增加先增加后減少，在中密度和較高密度條件下，大豆的輻射利用率最大。