蔭蔽栽培與虧缺灌溉對(duì)干熱區(qū)小?？Х壬L和冠層結(jié)構(gòu)的影響*

韓志慧, 郝 琨, 劉小剛**, 何紅艷, 劉利華, 楊啟良

蔭蔽栽培與虧缺灌溉對(duì)干熱區(qū)小?？Х壬L和冠層結(jié)構(gòu)的影響*

韓志慧1, 郝 琨2,3, 劉小剛1**, 何紅艷4, 劉利華2,3, 楊啟良1

(1. 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 昆明 650500; 2. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院 西安 710048; 3. 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710048; 4. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物研究所 保山 678025)

干熱區(qū)小?？Х人?、光管理粗放, 高效生產(chǎn)受到限制。通過大田試驗(yàn), 采用完全組合設(shè)計(jì), 設(shè)3個(gè)灌水水平[充分灌水(FI)、輕度虧缺灌水(DIL)和重度虧缺灌水(DIS)]和4個(gè)蔭蔽栽培模式[無蔭蔽(S0): 單作咖啡; 輕度蔭蔽(SL): 4行咖啡間作1行香蕉; 中度蔭蔽(SM): 3行咖啡間作1行香蕉; 重度蔭蔽(SS): 2行咖啡間作1行香蕉], 研究香蕉蔭蔽栽培下虧缺灌溉對(duì)干熱區(qū)小?？Х壬L和冠層結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明: 與FI相比, 其余灌水處理的株高增量和新梢長度分別減少13.62%~23.94%和8.82%~13.96%, 總定點(diǎn)因子增加9.55%~34.97%。與S0相比, 其余蔭蔽處理的株高增量、莖粗增量、冠幅增量、新梢長度和葉面積指數(shù)分別增加18.33%~33.65%、6.43%~15.47%、5.38%~12.60%、8.82%~24.69%和5.18%~22.85%, 冠層開度、林隙分?jǐn)?shù)、平均葉傾角、總定點(diǎn)因子和透光率分別減少4.42%~15.50%、4.85%~16.49%、5.50%~15.07%、13.78%~41.44%和10.36%~31.78%。相關(guān)分析表明, 冠層開度、林隙分?jǐn)?shù)、平均葉傾角、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射、冠下間接輻射、透光率和消光系數(shù)相互之間均呈顯著正相關(guān), 且分別與冠層葉面積指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。聚類分析表明, 當(dāng)類間距離為5時(shí), 可將12個(gè)處理分為3類, FISS、DILSS和FISM處理為第1類, FISL、DILSL、DILSM、DISSS、FIS0和DISSM處理為第2類, DILS0、DISSL和DISS0處理為第3類。其中第1類的生長狀況最佳, 可作為干熱區(qū)小?？Х裙嗨幚砗拖憬妒a蔽栽培模式的優(yōu)選組合。該結(jié)果可為干熱區(qū)小?？Х人夤芾硖峁├碚撝笇?dǎo)。

小粒咖啡; 蔭蔽栽培模式; 虧缺灌溉; 冠層結(jié)構(gòu); 聚類分析

2017年云南省咖啡種植面積為1.11×105hm2, 咖啡豆產(chǎn)量達(dá)1.65×108kg, 其中小?？Х?L.)種植最為廣泛[1]。云南干熱河谷區(qū)是小?？Х鹊闹鳟a(chǎn)區(qū), 該區(qū)域光熱資源豐富, 氣候炎熱少雨, 季節(jié)性干旱明顯, 光照強(qiáng)烈且平均日照時(shí)間長[2-3]。目前, 當(dāng)?shù)匦×？Х纫宰匀还庹障驴刻旖涤昊蚵酁橹? 水、光匹配不合理限制了小?？Х鹊母咝a(chǎn)。虧缺灌溉是根據(jù)作物對(duì)干旱產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng), 通過人為主動(dòng)施加一定程度的水分脅迫, 以調(diào)控作物生長動(dòng)態(tài), 促進(jìn)生殖生長, 控制營養(yǎng)生長, 調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物向不同組織器官的轉(zhuǎn)化分配, 提高了作物的抗旱能力, 是一種有效的節(jié)水灌溉新技術(shù)[4-6]。適度的水分虧缺可改善咖啡樹的營養(yǎng)狀況, 提高株高、莖粗及新梢的生長速率[7-8], 而過度水分虧缺抑制小?？Х壬L, 降低光合速率、根系活力及根系密度[9-11]。光照是作物生長發(fā)育必不可缺的能量來源, 作物通過光合和生物化學(xué)的改變來調(diào)控對(duì)光的適應(yīng), 從而進(jìn)化出完全不同的需光類群[12]。小粒咖啡起源于非洲埃塞俄比亞熱帶雨林下層, 適宜在溫涼、濕潤的蔭蔽或半蔭蔽環(huán)境中生長[13]。有研究表明, 適度蔭蔽栽培增強(qiáng)小?？Х壬砘钚? 增加生物量累積, 降低葉表溫度, 增加比表面積, 而不影響橫向節(jié)點(diǎn)生長[14-15]。也有研究表明, 蔭蔽栽培降低咖啡的葉面積和葉片厚度, 而增加枝條長度[16]。作物的冠層結(jié)構(gòu)是指作物群體地上部分總的綠色覆蓋層, 包括作物的主莖、枝條、葉片和果實(shí)等器官的大小、形狀、方位以及在冠層中的位置分布情況[17]。冠層結(jié)構(gòu)的變化對(duì)作物的通風(fēng)、透光有決定性的影響, 可直接或間接地反映該作物在特定環(huán)境下的適應(yīng)性。聚類分析是根據(jù)研究對(duì)象特征對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分類的一種多元分析技術(shù)。孫豐磊等[18]通過最近鄰元素法(RI)聚類分析, 將28份抗旱性不同的棉花(spp.)品種分成4大類。Patras等[19]通過層次聚類分析, 將6種蔬菜和8種水果分成4大類。本研究采用香蕉(Lour)與小粒咖啡間作,高位作物香蕉的蔭蔽必將改變低位作物小粒咖啡的微生長環(huán)境[20-21], 而不同水、光模式下小?？Х鹊墓趯咏Y(jié)構(gòu)如何變化還不清楚。為此, 本研究在香蕉為小?？Х忍峁┎煌a蔽栽培模式下, 研究虧缺灌溉對(duì)小?？Х壬L和冠層結(jié)構(gòu)的影響, 通過系統(tǒng)聚類法對(duì)小?？Х裙趯咏Y(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行聚類分析, 以期提出香蕉為小粒咖啡提供蔭蔽環(huán)境時(shí)的優(yōu)選灌水模式, 為小?？Х绒r(nóng)業(yè)供水和蔭蔽栽培管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年3月—2017年5月在云南省保山市潞江壩(25°4′N, 99°11′E, 海拔799 m)進(jìn)行。試驗(yàn)期內(nèi)降雨量為840.6 mm, 日均最高氣溫和最低氣溫分別為32.3 ℃和10.4 ℃, 土壤為老沖積層上發(fā)育形成的紅褐色砂壤土, 有機(jī)質(zhì)20.2 g·kg-1, 堿解氮106 mg·kg-1, 有效磷12.6 mg·kg-1, 速效鉀56 mg·kg-1。選擇長勢(shì)一致的5年生小?？Х?‘Caturra’)為供試材料, 株高171~179 cm, 莖粗22.27~24.34 mm, 株行距為1.5 m×2 m (3 333株·hm-2), 小?？Х鹊姆N植方向?yàn)槟媳背?。選擇速生易控、樹冠蔭蔽性好、與咖啡共生性強(qiáng)的香蕉樹(‘威廉斯8818’)作為蔭蔽樹種。2016年3月9日在試驗(yàn)區(qū)種植長勢(shì)一致的香蕉苗, 株高50~55 cm, 葉片數(shù)5~6片。2016年7月5日, 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)所有香蕉的株高達(dá)1.8~2.1 m, 冠幅達(dá)1.6~2 m, 同年12月27日, 香蕉株高達(dá)6~6.8 m, 冠幅達(dá)4.5~6 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)3個(gè)灌水水平和4個(gè)蔭蔽栽培模式。采用完全組合設(shè)計(jì), 共12個(gè)處理, 每處理4個(gè)重復(fù)。3個(gè)灌水水平分別為充分灌水(FI)、輕度虧缺灌水(DIL)和重度虧缺灌水(DIS), DIL和DIS的灌水量分別為FI的75%和50%。充分灌水定額根據(jù)該地區(qū)小?？Х戎鹪滦杷抠Y料[22]并結(jié)合降水量來確定, 其值為小?？Х群乃繙p去有效降雨量, 灌水周期約為7 d, 遇到降雨順延。采用地表滴灌, 滴頭設(shè)在距樹基部兩側(cè)0.4 m處, 間距與樹距相同, 滴頭流量2 L·h-1, 工作壓力0.1 MPa, 水表計(jì)量控制灌水。試驗(yàn)期間FI、DIL和DIS的灌水量分別為588 mm、441 mm和294 mm。4個(gè)蔭蔽栽培模式分別為: 無蔭蔽(S0), 單作咖啡為對(duì)照; 輕度蔭蔽(SL), 4行咖啡間作1行香蕉, 香蕉株行距為4.5 m×8 m, 278株·hm-2; 中度蔭蔽(SM), 3行咖啡間作1行香蕉, 香蕉株行距為4.5 m×6 m, 370株·hm-2; 重度蔭蔽(SS), 2行咖啡間作1行香蕉, 香蕉株行距為4.5 m×4 m, 556株·hm-2。香蕉為小?？Х忍峁┦a蔽栽培時(shí), 各試驗(yàn)區(qū)寬為10.5 m(8株咖啡間作3株香蕉)。各灌水水平下S0、SL、SM和SS的試驗(yàn)區(qū)面積分別為: 7.5 m×4 m=30 m2、10.5 m×16 m=168 m2、10.5 m×12 m=126 m2和10.5 m×8 m=84 m2, 總面積為1 224 m2。分別于2016年5月12日和8月26日施入等量復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15) 500 g·株-1。施肥方式為環(huán)形施肥: 在距小?？Х葮涓?0 cm處, 挖寬5 cm、深15 cm的環(huán)形施肥槽, 均勻施肥后覆土。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

分別于2016年3月11日(試驗(yàn)開始)和2017年5月4日(盛花期)測(cè)定小?？Х葮涞纳L指標(biāo), 兩次測(cè)定值之差作為試驗(yàn)期內(nèi)的增量。其中株高、冠幅和新梢長度用毫米刻度尺測(cè)定, 莖粗用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定。

于2017年5月8日下午(陰天, 盛花期)使用植物冠層分析儀[Win SCANOPY 2016a, 索尼高分辨率專業(yè)數(shù)碼相機(jī)(24.3 MEGAPIXELS), 180°魚眼鏡頭]獲取冠層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。以咖啡樹主干和兩株咖啡樹正中間作為冠層結(jié)構(gòu)的拍攝點(diǎn), 拍攝高度設(shè)為0.5 m, 保持鏡頭水平, 每個(gè)拍攝點(diǎn)拍攝5張照片, 從中選取1~2張清晰的照片, 共1 200張, 使用植物冠層分析儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件(XL Scanopy)對(duì)照片進(jìn)行分析, 取每株咖啡樹周圍5個(gè)拍攝點(diǎn)的平均值進(jìn)行分析, 分析參數(shù)包括: 葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)、開度(opening, Op)、林隙分?jǐn)?shù)(gap fraction, GF)、平均葉傾角(mean leaf dip angle, MLDA)、直接定點(diǎn)因子(direct fixed-point factor, DFPF)、間接定點(diǎn)因子(indirect fixed-point factor, IFPF)、總定點(diǎn)因子(total fixed-point factor, TFPF)、冠下直接輻射(direct radiation of the crown, DRC)和冠下間接輻射(indirect radiation of the crown, IRC)。

透光率(transmittance, Tr)和消光系數(shù)(extinction coefficient, EC)[23]計(jì)算公式為:

Tr=(DRC+IRC)/TRC (1)

EC=-LAI-1×lnTr (2)

式中: DRC為冠下直接輻射, IRC為冠下間接輻射, TRC為冠上總輻射(total radiation on the crown), LAI為葉面積指數(shù)。

1.4 SPSS中聚類分析的基本原理及分析步驟

1)判斷聚類分析的方法, 通常小樣本數(shù)據(jù)選用系統(tǒng)聚類法(分層聚類), 大樣本數(shù)據(jù)選用快速聚類法(K-均值聚類), 本研究采用系統(tǒng)聚類法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖, 用IBM SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行聚類分析和方差分析(ANOVA), 多重比較采用Duncan法(=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔭蔽栽培與虧缺灌溉對(duì)小?？Х壬L的影響

灌水水平和蔭蔽栽培模式對(duì)小?？Х戎旮咴隽?、莖粗增量、冠幅增量和新梢長度的影響顯著, 兩者的交互作用對(duì)株高增量和莖粗增量的影響顯著(表1)。相同蔭蔽栽培模式下, 與FI相比, DIL的株高增量和新梢長度分別減少13.62%和8.82%, DIS的株高增量、莖粗增量、冠幅增量和新梢長度分別減少23.94%、9.96%、7.12%和13.96%。相同灌水水平下, 與S0相比, 其余蔭蔽栽培模式的株高增量、莖粗增量、冠幅增量和新梢長度分別增加18.33%~33.65%、6.43%~15.47%、5.38%~12.60%和8.82%~24.69%。與FIS0處理相比, 除DISS0和DISSL處理的株高增量分別減少18.06%和5.01%, DILS0和DISSM處理變化不顯著外, 其余處理增加5.85%~43.32%; 除FISM、FISS和DILSS處理的莖粗增量分別增加7.87%、11.91%和8.07%, DISS0、DISS0和DISSL處理分別減少5.60%、14.52%和6.93%外, 其余處理變化不顯著。

表1 蔭蔽栽培與虧缺灌溉對(duì)小粒咖啡生長的影響

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(=4), 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示<0.05水平下差異顯著, *表示5%顯著水平, **表示1%顯著水平。FI、DIL和DIS分別表示充分灌水、輕度虧缺灌水和重度虧缺灌水, S0、SL、SM和SS分別表示無蔭蔽栽培、輕度蔭蔽栽培、中度蔭蔽栽培和重度蔭蔽栽培。Data are expressed as mean ± SD (standard deviation,=4). Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. * means significance at 5%, ** means significance at 1%. FI, DILand DISmean full irrigation, light deficit irrigation and severe deficit irrigation, respectively. S0, SL, SMand SSmean no shade cultivation, light shade cultivation, moderate shade cultivation and severe shade cultivation, respectively.

2.2 蔭蔽栽培與虧缺灌溉對(duì)小?？Х裙趯咏Y(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

除灌水水平對(duì)小?？Х裙趯庸谙麻g接輻射影響不顯著外, 灌水水平和蔭蔽栽培模式對(duì)小?？Х绕溆喙趯咏Y(jié)構(gòu)參數(shù)影響顯著(表2)。相同蔭蔽栽培模式下, 與FI相比, DIL的直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子和總定點(diǎn)因子分別增加12.80%、9.53%和5.66%; DIS的葉面積指數(shù)減少9.55%, 開度、林隙分?jǐn)?shù)、平均葉傾角、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射和冠下間接輻射分別增加8.49%、11.01%、9.20%、34.51%、20.82%、34.97%、19.32%和6.24%。相同灌水水平下, 與S0相比, 其余蔭蔽栽培模式的葉面積指數(shù)增加5.18%~22.85%, 開度、林隙分?jǐn)?shù)、平均葉傾角、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射和冠下間接輻射分別減少4.42%~15.50%、4.85%~16.49%、5.50%~15.07%、4.85%~38.29%、16.60%~27.24%、13.78%~41.44%、11.20%~34.28%和4.03%~12.90%。與FIS0處理相比, 除DILS0、DISS0和DISSL處理的總定點(diǎn)因子分別增加6.52%、32.88%和21.04%外, 其余處理減少8.70%~42.41%。

表2 蔭蔽栽培與虧缺灌溉對(duì)小粒咖啡冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(=4), 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示<0.05水平下差異顯著, *表示5%顯著水平, **表示1%顯著水平。FI、DIL和DIS分別表示充分灌水、輕度虧缺灌水和重度虧缺灌水, S0、SL、SM和SS分別表示無蔭蔽栽培、輕度蔭蔽栽培、中度蔭蔽栽培和重度蔭蔽栽培。Op、GF、LAI、MLDA、DFPF、IFPF、TFPF、DRC和IRC分別表示開度、林隙分?jǐn)?shù)、葉面積指數(shù)、平均葉傾角、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射和冠下間接輻射。Data are expressed as mean ± SD (=4). Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. * means significance at 5%, ** means significance at 1%. FI, DILand DISmean full irrigation, light deficit irrigation and severe deficit irrigation, respectively. S0, SL, SMand SSmean no shade cultivation, light shade cultivation, moderate shade cultivation and severe shade cultivation, respectively. Op, GF, LAI, MLDA, DFPF, IFPF, TFPF, DRC and IRC mean opening, gap fraction, leaf area index, mean leaf dip angle, direct fixed-point factor, indirect fixed-point factor, total fixed-point factor, direct radiation of the crown and indirect radiation of the crown, respectively.

冠下總輻射是指同時(shí)到達(dá)冠層下方的太陽直接輻射和間接輻射之和, 冠下總輻射與冠上總輻射的比值即為冠層的透光率。冠層消光系數(shù)是指光在冠層內(nèi)被吸收消耗而降低的程度, 即冠層內(nèi)單位葉面積上所形成的陰影面積, 可衡量葉面積的遮蔭程度。透過率只是粗略反映太陽輻射在作物冠層中的傳輸狀況, 而消光系數(shù)反映冠層中枝葉本身的受光狀況[24]。由圖1可知, 灌水水平和蔭蔽栽培模式對(duì)小?？Х裙趯油腹饴屎拖庀禂?shù)影響顯著。相同蔭蔽栽培模式下, 與FI相比, DIS的透光率和消光系數(shù)分別增加17.57%和4.16%。相同灌水水平下, 與S0相比, 其余蔭蔽栽培模式的透光率減少10.36%~31.78%, SS的消光系數(shù)減少6.92%。

2.3 小?？Х裙趯咏Y(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性分析

小粒咖啡冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)Pearson相關(guān)分析結(jié)果(表3)表明, 葉面積指數(shù)分別與開度、林隙分?jǐn)?shù)、平均葉傾角、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射、冠下間接輻射、冠下總輻射、透光率和消光系數(shù)之間均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系; 開度、林隙分?jǐn)?shù)、平均葉傾角、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射、冠下間接輻射、透光率和消光系數(shù)相互之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

圖1 蔭蔽栽培與虧缺灌溉對(duì)小?？Х裙趯油腹饴屎拖庀禂?shù)的影響

FI、DIL和DIS分別表示充分灌水、輕度虧缺灌水和重度虧缺灌水, S0、SL、SM和SS分別表示無蔭蔽栽培、輕度蔭蔽栽培、中度蔭蔽栽培和重度蔭蔽栽培。不同小寫字母表示<0.05水平下差異顯著。FI, DILand DISmean full irrigation, light deficit irrigation and severe deficit irrigation, respectively. S0, SL, SMand SSmean no shade cultivation, light shade cultivation, moderate shade cultivation and severe shade cultivation, respectively. Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level.

表3 小?？Х裙趯咏Y(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)分析

Op、GF、LAI、MLDA、DFPF、IFPF、TFPF、DRC、IRC、Tr和EC分別表示開度、林隙分?jǐn)?shù)、葉面積指數(shù)、平均葉傾角、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射、冠下間接輻射、透光率和消光系數(shù)。*、**分別表示在0.05、0.01水平上顯著相關(guān)。Op, GF, LAI, MLDA, DFPF, IFPF, TFPF, DRC and IRC mean opening, gap fraction, leaf area index, mean leaf dip angle, direct fixed-point factor, indirect fixed-point factor, total fixed-point factor, direct radiation of the crown, indirect radiation of the crown, transmittance and extinction coefficient, respectively. * and ** mean significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.4 小粒咖啡冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的聚類分析

由小?？Х裙趯咏Y(jié)構(gòu)參數(shù)聚類分析結(jié)果(圖2)可知, 當(dāng)類間距離為5時(shí), 試驗(yàn)處理被分為3大類, 其中FISS、DILSS和FISM處理為第1類, FISL、DILSL、DILSM、DISSS、FIS0和DISSM處理為第2類, DILS0、DISSL和DISS0處理為第3類。第1類平均灌水量最多, 平均蔭蔽度最大; 第2類平均灌水量較多, 平均蔭蔽度較大; 第3類平均灌水量最少, 平均蔭蔽度最小; 當(dāng)類間距離為3時(shí), 第2類還分為兩小類, 其中FISL、DILSL、DILSM和DISSS處理為一類, FIS0和DISSM處理為另一類, 第3類也分為兩小類, 其中DILS0和DISSL處理為一類, DISS0處理為另一類。

3 討論

水分和光照是影響作物光合作用的重要原料, 水分虧缺程度的加劇或光照強(qiáng)度的不足均會(huì)導(dǎo)致作物光合能力下降, 致使同化產(chǎn)物降低, 不利于作物的生長發(fā)育。本研究發(fā)現(xiàn), 小粒咖啡的株高增量、莖粗增量、冠幅增量及新梢長度均隨灌水量和蔭蔽度的增大而增大, 表明虧缺灌水抑制咖啡樹的營養(yǎng)生長, 一定程度的蔭蔽栽培條件能增強(qiáng)咖啡樹的生理活性, 提高相對(duì)生長率, 這與前人的研究結(jié)果一致[13,16,25-26]。

圖2 小粒咖啡冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的聚類分析譜系

FI、DIL和DIS分別表示充分灌水、輕度虧缺灌水和重度虧缺灌水, S0、SL、SM和SS分別表示無蔭蔽栽培、輕度蔭蔽栽培、中度蔭蔽栽培和重度蔭蔽栽培。FI, DILand DISmean full irrigation, light deficit irrigation and severe deficit irrigation, respectively. S0, SL, SMand SSmean no shade cultivation, light shade cultivation, moderate shade cultivation and severe shade cultivation, respectively.

光能是作物轉(zhuǎn)化利用的對(duì)象, 高效的光能利用是決定作物高產(chǎn)的必然因素。光照到達(dá)地面需要穿過作物冠層, 因此作物冠層結(jié)構(gòu)的空間分布、大小、方位及其動(dòng)態(tài)變化決定冠層內(nèi)光環(huán)境的分布[27-28], 從而改變光能的利用。作物的葉面積指數(shù)決定其生產(chǎn)力, 與光合作用及蒸騰作用密切相關(guān)[29]。本研究發(fā)現(xiàn), 小?？Х裙趯拥娜~面積指數(shù)與其余冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 隨灌水量和蔭蔽度的增大, 葉面積指數(shù)逐漸增大, 意味著單位面積上葉片面積逐漸增加, 葉片的覆蓋率增加, 小粒咖啡冠層對(duì)光的截獲能力增大, 使得透過葉片進(jìn)入冠層內(nèi)的光照減少, 透光率減小, 冠層開度、總定點(diǎn)因子、冠下總輻射也隨之減小, 這也印證了提高灌水量和蔭蔽度能促進(jìn)小?？Х鹊纳L。開度是林隙分?jǐn)?shù)經(jīng)過補(bǔ)償計(jì)算剔除冠層阻隔的影響得出的實(shí)際冠層林隙分?jǐn)?shù), 開度和林隙分?jǐn)?shù)均能很好地反映冠層的透光率[24,29-30]。本研究發(fā)現(xiàn), 小?？Х裙趯拥拈_度和林隙分?jǐn)?shù)與葉面積指數(shù)以外的其余冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 且開度和林隙分?jǐn)?shù)隨灌水量和蔭蔽度的增大而逐漸減小, 即隨著灌水量和蔭蔽度的增大, 小粒咖啡冠層開度和林隙分?jǐn)?shù)減小, 冠層對(duì)光的截獲能力增大, 光照透過冠層到達(dá)下方的輻射量減小, 透光率減小, 總定點(diǎn)因子和冠下總輻射減小, 造成單位面積上的葉面積增大, 使得葉面積指數(shù)上升。總定點(diǎn)因子與冠下總輻射呈顯著的正相關(guān)關(guān)系, 說明冠層下方的太陽輻射能主要來自于直射光[29]。有研究表明, 葉傾角適當(dāng)減小, 可使光照更多地透射到作物冠層的下部, 有利于作物對(duì)有限光能的截獲, 從而提高光能利用[31]。本研究發(fā)現(xiàn), 平均葉傾角隨灌水量和蔭蔽度的增大而逐漸減小, 表明提高灌水量和蔭蔽度可提高小?？Х鹊墓饽芾眯?。消光系數(shù)能夠很好地評(píng)價(jià)作物的葉幕結(jié)構(gòu), 反映作物冠層內(nèi)單位葉面積截取光的相對(duì)量, 是衡量光截獲效率的重要指標(biāo)[32]。本研究發(fā)現(xiàn), 消光系數(shù)隨著灌水量和蔭蔽度的增大逐漸減小, 表明重度蔭蔽栽培下充分灌水降低小?？Х裙趯訉?duì)光照輻射的削弱能力最明顯。在不同蔭蔽栽培模式下, 香蕉必定會(huì)與小?？Х冗M(jìn)行不同的水肥競(jìng)爭(zhēng), 不同的水肥條件對(duì)小?？Х壬L和冠層結(jié)構(gòu)的影響亟待研究。

聚類分析是通過計(jì)算多維空間或模式空間中所有研究對(duì)象之間的相關(guān)性, 將關(guān)系更接近的研究對(duì)象合并為同一群體, 進(jìn)行群體之間的組成區(qū)分[33-34]。本研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)類間距離為3時(shí), 可將試驗(yàn)因素分為5大類, 其中FISS、DILSS和FISM處理為第1類, FISL、DILSL、DILSM和DISSS處理為第2類, FIS0和DISSM處理為第3類, DILS0和DISSL處理為第4類, DISS0處理為第5類。第1~5類的平均灌水量和蔭蔽度逐漸減小, 結(jié)合表1可知, 小?？Х鹊闹旮咴隽?、莖粗增量、冠幅增量和新梢長度由第1類至第5類逐漸減小。本研究表明重度蔭蔽栽培下充分灌水、重度蔭蔽栽培下輕度虧缺灌水、中度蔭蔽栽培下充分灌水均較大程度地促進(jìn)小?？Х壬L, 可作為小?？Х扰c香蕉間作時(shí)的較佳組合模式, 但這些組合下的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、水光利用是否最大還不清楚, 還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1)小?？Х鹊闹旮咴隽?、莖粗增量、冠幅增量、新梢長度和冠層葉面積指數(shù)均隨灌水量和蔭蔽度的增大而增大, 冠層開度、林隙分?jǐn)?shù)、平均葉傾角、直接定點(diǎn)因子、間接定點(diǎn)因子、總定點(diǎn)因子、冠下直接輻射、冠下間接輻射、透光率和消光系數(shù)均隨灌水量和蔭蔽度的增大而減小。

2)除葉面積指數(shù)與其余冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系外, 小粒咖啡其余冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3)小粒咖啡冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)的聚類分析表明, 當(dāng)類間距離為5時(shí), 可將試驗(yàn)因素分為3大類, 其中FISS、DILSS和FISM處理為第1類, FISL、DILSL、DILSM、DISSS、FIS0和DISSM處理為第2類, DILS0、DISSL和DISS0處理為第3類。當(dāng)類間距離為3時(shí), 第2類還分為兩小類, 其中FISL、DILSL、DILSM和DISSS處理為1類, FIS0和DISSM處理為另一類, 第3類也分為兩小類, 其中DILS0和DISSL處理為一類, DISS0處理為另一類。從促進(jìn)生長的角度考慮, FISS、DILSS和FISM處理可作為干熱區(qū)小?？Х裙嗨幚砗拖憬妒a蔽栽培模式的優(yōu)選組合。

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Effects of shade cultivation and deficit irrigation on the growth and canopy structure ofL. in dry-hot region*

HAN Zhihui1, HAO Kun2,3, LIU Xiaogang1**, HE Hongyan4, LIU Lihua2,3, YANG Qiliang1

(1. Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 3. State Key Laboratory of Eco-hydraulic in Northwest Arid Region of China, Xi’an 710048, China; 4. Tropical and Subtropical Economic Crops Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Baoshan 678025, China)

Highly efficient production ofL. is limited due to irrigation and light management challenges in dry-hot regions. To investigate the effects of an irrigation deficit on the growth and canopy structure ofunder the shade of banana plants, a field experiment was performed using different irrigation levels and shade cultivation modes. A complete combination design was adopted, with three levels of irrigation,full irrigation (FI), light-deficit irrigation (DIL) and severe deficit irrigation (DIS), and four modes of shade cultivation,no shade cultivation (S0: monoculture), light shade cultivation (SL: intercropping of four lines ofand one line of banana), moderate shade cultivation (SM: intercropping of three lines ofand one line of banana) and severe shade cultivation (SS: intercropping of two lines ofand one line of banana). Compared with FI treatment, other treatments of irrigation decreased the height increment and shoot length by 13.62%-23.94% and 8.82%-13.96%, respectively, and increased the total fixed-point factor by 9.55%-34.97%. Compared with S0treatment, other shading cultivation treatments increased the height increment, stem diameter increment, crown width increment, shoot length, and leaf area index of the canopy by 18.33%-33.65%, 6.43%-15.47%, 5.38%-12.60%, 8.82%-24.69% and 5.18%-22.85%, respectively; and decreased the opening, gap fraction, mean leaf dip angle, total fixed-point factor and transmittance of the canopy by 4.42%-15.50%, 4.85%-16.49%, 5.50%-15.07%, 13.78%-41.44% and 10.36%-31.78%, respectively. The opening, gap fraction, mean leaf dip angle, direct fixed-point factor, indirect fixed-point factor, total fixed-point factor, direct radiation of the crown, indirect radiation of the crown, transmittance, and extinction coefficient of thecanopy were significantly positively correlated with each other and were significantly negatively correlated with leaf area index. Cluster analysis indicated that the twelve treatments could be divided into three categories. The first categorywas FISS, DILSSand FISM; the second category was FISL, DILSL, DILSM, DISSS, FIS0and DISSM; and the third category was DILS0, DISSLand DISS0,when the distances between classes was five. It was clear that the best growth condition was the first category, which can be used as a suitable combination of irrigation and banana shade cultivation mode forin dry-hot regions. The results of this study provide theoretical guidance for the irrigation and light management ofin dry-hot regions.

; Shade cultivation modes; Deficit irrigation; Canopy structure; Cluster analysis

, E-mail: liuxiaogangjy@126.com

Nov. 11, 2018;

Jan. 25, 2019

S571.2; S275.6

2096-6237(2019)10-1537-09

10.13930/j.cnki.cjea.180991

韓志慧, 郝琨, 劉小剛, 何紅艷, 劉利華, 楊啟良. 蔭蔽栽培與虧缺灌溉對(duì)干熱區(qū)小粒咖啡生長和冠層結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(10): 1537-1545

HAN Z H, HAO K, LIU X G, HE H Y, LIU L H, YANG Q L. Effects of shade cultivation and deficit irrigation on the growth and canopy structure ofL. in dry-hot region[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(10): 1537-1545

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51469010, 51979133, 51769010)和云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014FB130)資助

劉小剛, 主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)研究。E-mail: liuxiaogangjy@126.com

韓志慧, 主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)研究。E-mail: zhihuiim@126.com

2018-11-11

2019-01-25

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51469010, 51979133, 51769010) and the Basic Research Project of Yunnan Province (2014FB130).