黃土高原坡地棗樹林齡和坡向?qū)θ~面積指數(shù)的影響

摘要：應(yīng)用Winscanopy2005a植物冠層分析儀，研究5月上旬至8月下旬陜北坡地棗樹葉面積指數(shù)(LAI)隨時間的動態(tài)變化規(guī)律；比較不同林齡、不同坡向棗樹LAI之間的差異性及LAI與冠層其他特征之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，陜北坡地棗樹LAI的季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律明顯，從5月上旬至8月下旬呈不斷上升的S曲線，最大值出現(xiàn)在8月下旬，為2.18±0.1；不同林齡棗林LAI大小為：10a＞5a＞3a，各林齡LAI之間差異達到極顯著水平(P＜0.001)；不同坡向棗林LAI兩兩之間也有顯著差異(P＜0.05)，其中陰坡與陽坡差異達到極顯著水平(P＜0.001)，陽坡棗樹生長前期(開花期前)LAI較小，但是在整個生育期生長迅速，生長后期LAI明顯大于其他坡向；LAI與林隙分?jǐn)?shù)、冠層透光率、冠層下方總光合光量子通量密度均有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均超過0.80。據(jù)此，林齡和坡向是影響棗樹LAI的重要因子，在棗樹的修剪和栽培時宜根據(jù)具體情況區(qū)別對待。

關(guān)鍵詞：棗樹；林齡；坡向；葉面積指數(shù)

中圖分類號：S665.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-9980(201O)02-293-06

葉面積指數(shù)(LAI)指一定土地面積上所有植物葉表面積與所占土地面積的比率，它反映的是可用于光能截獲和氣體交換的植物潛在葉片面積。葉面積指數(shù)和植物群體的光合作用、光合和蒸騰的相互作用、水分利用及生產(chǎn)力構(gòu)成等過程都有著密切的關(guān)系，其作為一個重要的農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)和氣象學(xué)參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于植物生長、能量平衡和冠層反射的模型研究。影響葉面積指數(shù)的因素很多，包括水分狀況、肥料類型和施肥方式、作物種類、種植密度、海拔等，關(guān)于這方面的研究已有很多，然而對于林齡和坡向?qū)AI的影響研究較少，尤其是在果樹方面的研究就更少了。

葉面積指數(shù)的測定方法主要有直接測定法(破壞性取樣或凋落葉取樣)和間接測定法(主要通過光學(xué)儀器測定)。與直接測定相比，間接測定方法因具有不損傷植物葉片、準(zhǔn)確快速的優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。目前最新的間接測量儀器主要有WinsCanopy、SunSean和LAI-2000植物冠層分析儀；與SunScan、LAI-2000冠層分析儀基于分析冠層間隙度(gapfraction)而得到葉面積指數(shù)相比，WinsCanopy冠層分析儀是基于分析冠層間隙大小的分布情況(gap size distribution)而得到LAI的，其結(jié)果更準(zhǔn)確，與實測值相關(guān)性更好。

黃土高原溝壑區(qū)干旱少雨，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，當(dāng)?shù)丶t棗由于質(zhì)優(yōu)味美成為退耕還林的主要經(jīng)濟樹種，紅棗帶給農(nóng)民經(jīng)濟效益的同時，還對治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境起到積極作用。近年來，為了克服傳統(tǒng)種植模式下棗果產(chǎn)量低，棗園管理困難的缺點，當(dāng)?shù)乜萍疾块T大力推廣矮化密植的栽培模式，然而由于林齡、坡向等的不同，導(dǎo)致棗樹冠層差異較大，棗果產(chǎn)量和品質(zhì)參差不齊。我們以此為切入點，應(yīng)用新型植物冠層分析儀WinsCanopy2005a，分析林齡和坡向?qū)棙涔趯拥挠绊懀瑸闂棙涞目茖W(xué)栽培和修剪提供指導(dǎo)。

1 材料和方法

1．1 研究區(qū)概況

本試驗在米脂縣銀州鎮(zhèn)孟岔村進行，試驗區(qū)土壤是黃綿土，土壤稍偏堿性，坡度平均為25°。海拔最高1252m，最低843.2m，平均海拔1049m。試驗地屬中溫帶半干旱性氣候區(qū)，全年雨量不足，氣候干燥；晝夜溫差大，適宜農(nóng)作物生長。年平均氣溫8.5℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月份，為38.2℃，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，為25.5℃，無霜期162d；年平均降雨量451.6mm，主要集中在7—9月。研究區(qū)內(nèi)棗樹品種較多，大部分為臨猗梨棗、贊皇大棗和駿棗，為方便分析，所有試驗樹均選用臨猗梨棗。所有棗樹均采用矮化密植的栽培模式，利用低壓滴灌設(shè)施統(tǒng)一灌水，棗樹平均每666.7m²產(chǎn)量為1320kg。試驗區(qū)棗樹林齡參差不齊，且分布在不同的坡向、坡度和海拔上，因此成熟期不統(tǒng)一、產(chǎn)量相差較大。

1．2 材料與主要儀器

受實驗條件限制，本試驗采用非正交試驗設(shè)計，以林齡和坡向作為變化因素，共6個試驗小區(qū)。林齡選擇3a、5a、10a，棗樹坡向均為陽坡，坡度為25°；坡向選擇陰坡、陽坡、半陽坡，棗樹林齡均為10a，坡度為25°。供試棗樹品種為山西臨猗梨棗，種植規(guī)格2m×3m，為矮化密植的栽培模式，小區(qū)面積為20m×20m。主要儀器為加拿大REGENT INSTRUMENTSINC公司生產(chǎn)的WinsCanopy2005a冠層分析儀，圖像采集在野外進行，數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計在計算機上進行。該儀器所能測定的冠層特征值包括林隙分?jǐn)?shù)、葉面積指數(shù)、定點因子、冠層總光合光量子通量密度等，儀器自帶的分析軟件可以通過測定葉片分布狀況，研究葉片結(jié)構(gòu)特征與輻射的關(guān)系后，利用模型轉(zhuǎn)化間接得到所有冠層特征值。

1．3 研究方法

試驗于2009年5月2日至8月30日在陜北米脂縣紅棗示范基地進行，此階段包括棗樹5個物候期，即萌芽期、展葉期、開花結(jié)果期、果實膨大期和棗果成熟期，一般按不同樹齡、不同坡向選擇觀測小區(qū)，各小區(qū)按照坡上、坡中、坡下三個坡位，選擇長勢相近的試驗樹9株，每株試驗樹從4個不同方向進行觀測后取平均值，再把9株樹LAI的平均值作為整個林段的最終值。觀測高度距地面0.5m，平均每7～15d觀測1次，每次觀測的樣點位置相同，試驗區(qū)具體布設(shè)如下圖所示：

1．4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采集利用儀器在野外進行，數(shù)據(jù)處理運用

儀器自帶分析軟件在室內(nèi)計算機上進行。測得的葉面積指數(shù)均為各小區(qū)所有試驗樹的算術(shù)平均值，把測得的所有LAI數(shù)據(jù)按照觀測時間、棗樹林齡、坡向等進行分類，對各類數(shù)據(jù)進行單因素方差分析。數(shù)值計算用EXCEL軟件，統(tǒng)計分析用SPSS11.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2．1 LAI動態(tài)變化規(guī)律

LAI隨棗樹物候期的進展是不斷變化的。試驗以10a生棗樹為例，坡向選擇陽坡，坡度為25°，選擇了萌芽期、展葉期、開花結(jié)果期、果實膨大期和棗果成熟期五個物候期對LAI進行動態(tài)研究。結(jié)果顯示，在整個生長期，葉面積指數(shù)總體呈不斷上升的變化趨勢，至棗果成熟期(8月中旬)，葉面積指數(shù)達到最大，為2.18±0.1。在棗樹萌芽期，LAI變化緩慢，萌芽期末的LAI僅為初期的1.5倍；5月下旬至6月中旬為棗樹展葉期，此時葉面積指數(shù)變化最為迅速，從0.72增加到1.92，增長了270％；8月中旬開始，棗樹進入棗果成熟期，LAI基本保持不變。從方差分析的結(jié)果來看，5月初至8月下旬的葉面積指數(shù)差異極顯著(P＜0.001)(圖2)。說明研究期間，坡地棗樹的LAI存在明顯的時間動態(tài)變化。

2．2 林齡對LAI的影響

林齡是影響棗樹冠層結(jié)構(gòu)及其光輻射狀況的一個重要因素，這主要是因為不同林齡樹體冠層大小、體積均有明顯不同，葉片的光合能力和果實生產(chǎn)能力也不相同。以3a、5a、10a的山地棗樹為研究對象，坡向均為陽坡，坡度為25°。結(jié)果顯示，不同林齡棗樹LAI在生長季均呈不斷上升的變化趨勢(圖2)，至棗果成熟期，3a生棗樹LAI是萌芽初期的3.86倍，而10a生棗樹LAI只有萌芽初期的3.27倍，可以看出3a生棗樹在整個生長季生長是最迅速的。在整個生育期中，3a生棗樹的LAI始終最小，而10a生的始終最大，10a生棗樹LAI約為同時期3a生棗樹的1.5倍。它們的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差都是10a生棗樹最大，其相應(yīng)值為1.31，0.676和0.449:3a生棗樹的最小，相應(yīng)值為0.99，0.267和0.066。方差分析結(jié)果表明，不同林齡棗樹LAI之間差異極顯著(P＜0.001)(表1)。均值比較結(jié)果表明，3種林齡棗樹LAI兩兩之間的差異都極顯著(P＜0.001)(表2)，說明分布在同一地區(qū)的不同林齡棗樹之間的LAI差異極顯著。從上述規(guī)律可以看出，不同林齡棗樹的樹冠和葉片生長差異較大，在進行棗樹的修剪時應(yīng)該有區(qū)別的具體對待。

2．3 坡向?qū)AI的影響

坡向是影響LAI的主要地形因子，這主要是因為不同坡向的小氣候差異很大，導(dǎo)致不同坡向上植物類型及其生長狀況明顯不同。選擇陰坡、陽坡和半陽坡棗樹為研究對象連續(xù)觀測，林齡均為10a、坡度為25°。結(jié)果顯示，不同坡向棗樹的LAI在整個生長季均呈不斷上升的變化趨勢(圖3)，至棗果成熟期，陰坡棗樹的LAI是萌芽初期的3.56倍，而陽坡棗樹LAI達到萌芽初期的4.84倍。在開花結(jié)果期前，陽坡棗樹的LAI最小，而陰坡棗樹的LAI最大，在生長后期(開花期)，陽坡棗樹生長迅速，其LAI逐漸趕上并超過陰坡棗樹，成為3個坡向中最大的，這是由于棗樹為強喜光樹種，陽坡光照充足，因而直接影響葉片的光合效能，從而影響其葉面積指數(shù)的大小。它們之間LAI的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差都是陰坡最大，其相應(yīng)值為1.20，0.574和0.330；陽坡棗樹的最小，相應(yīng)值為1.15，0.396和0.157。方差分析結(jié)果表明，不同坡向棗樹LAI之間差異極顯著(P＜0.001)(表1)，其中陰坡與陽坡棗樹LAI差異極顯著(P＜0.001)(表2)，說明坡向也是影響棗樹LAI的一個重要因素。

2．4 葉面積指數(shù)與其他冠層指標(biāo)相關(guān)性研究

本試驗用儀器可同步獲得林隙分?jǐn)?shù)、冠層開度、葉面積指數(shù)、平均葉傾角、冠層透光率、冠層下方總光合光量子通量密度等多項指標(biāo)。這些指標(biāo)從不同角度反映了冠層的結(jié)構(gòu)和光輻射狀況，分析它們和LAI之間的相關(guān)關(guān)系，有助于我們從總體上把握冠層的輻射狀況以及借助模型利用LAI來估測冠層其他指標(biāo)狀況。

林隙分?jǐn)?shù)又叫間隙指數(shù)，是半球照片應(yīng)用下的一個林分概念，指一個區(qū)域的空隙度一圖像中象素等級作為開放的天空(不被植被阻隔的)所占圖像(在兩個空間間隔中)中天空網(wǎng)格區(qū)域的指數(shù)(所占百分比)。分析結(jié)果顯示：在棗樹生長季，林隙分?jǐn)?shù)出現(xiàn)不斷下降的變化趨勢(圖4)，在葉片生長期(5月23日至6月22日)，林隙分?jǐn)?shù)下降最快，這和葉面積指數(shù)的變化規(guī)律恰好相反。通過表3可以看出，林隙分?jǐn)?shù)和葉面積指數(shù)呈負的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.846，即林隙分?jǐn)?shù)越大，相應(yīng)的葉面積指數(shù)值卻會越小。對照多年降雨量資料我們可以看出，LAI在雨季(7—9月份)來臨時達到最大，林隙分?jǐn)?shù)值也變得最小，這一林分特征表明山地紅棗葉面積的動態(tài)變化具有防止雨滴直接打擊地面，減緩雨速，防止地面沖刷和保持水土的功能。

透光率是一定時間內(nèi)透過冠層并到達下方的入射輻射數(shù)量的相關(guān)的量化數(shù)據(jù)，利用冠層透光率能夠很好的預(yù)估冠層的郁閉程度。從表3可以看出，葉面積指數(shù)與透光率呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.860，即葉面積指數(shù)越大，冠層透光率越小。一般認為冠層透光率在25％～35％比較合適，這樣既不會造成光能的不充分利用，也不會造成果園郁閉，從而影響果實產(chǎn)量和品質(zhì)。從分析結(jié)果來看，目前的種植規(guī)格下，坡地棗樹的透光率在適宜的范圍之內(nèi)，因此適宜棗樹的果實生長。

冠層總光合光量子通量密度有效輻射是評價果樹生長季節(jié)內(nèi)冠層對光能的截獲能力的重要指標(biāo)。從表3可以看出，葉面積指數(shù)與冠層下方總的光合光量子通量密度呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.877，即葉面積指數(shù)越大，冠層光截獲能力越強，到達冠下方的總的光合光量子通量密度就越小。

3 討論

3．1 棗樹LAI的動態(tài)變化

LAI的季節(jié)變化主要受控于平均溫度、降水量和輻射的季節(jié)變化。一般研究認為果樹LAI在0～5時，其與產(chǎn)量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，即隨著LAI的增大，產(chǎn)量明顯增加，本試驗至棗樹成熟期，葉面積指數(shù)最大也不足3，因此不會由于光照而影響棗果的產(chǎn)量和品質(zhì)。水土流失是影響坡地生產(chǎn)的主要因素，研究棗樹葉面積指數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，不僅對坡地水土保持具有重要的意義，也為建立既具有經(jīng)濟效益又具有生態(tài)效益的新型山地生態(tài)型紅棗林提供了參考依據(jù)。

3．2 林齡對LAI的影響

林齡是影響棗樹冠層結(jié)構(gòu)及其光輻射狀況差異的一個重要因素，不同林齡棗樹其葉片光合能力和果實生產(chǎn)能力均不相同，針對不同林齡，棗樹的修剪力度和樹形控制應(yīng)有所不同，在生長期(1～4a生)要注意增枝，促使早成花結(jié)果；而在結(jié)果期(5～15a生)則主要以穩(wěn)定產(chǎn)量，增強樹勢，提高果實品質(zhì)為目的。受試驗條件的限制，我們所選樹齡間隔均太小，關(guān)于棗樹在盛果期和更新期的冠層結(jié)構(gòu)和光照特性是否也存在明顯的差異，還有待近一步研究。

3．3 坡向?qū)AI的影響

坡向是影響LAI的主要地形因子，陰坡降水量、相對濕度比陽坡大，前者日照時數(shù)、太陽輻射、平均溫度和蒸發(fā)量比后者小，加之棗樹強喜光樹種，因此，陜北坡地棗樹的陽坡要比陰坡長得好，在生長后期LAI為陰坡的1.2倍。除了坡向以外，海拔和坡度也是重要的地形因子，至于是否不同海拔、不同坡度對坡地棗樹LAI存在明顯的影響還有待今后近一步研究。

3．4 葉面積指數(shù)與冠層其他指標(biāo)相關(guān)性

WinsCanopy2005a冠層分析儀可同步得到林隙分?jǐn)?shù)、冠層開度、平均葉傾角、葉面積指數(shù)、冠層上下總光合光量子通量密度等多項冠層指標(biāo)，其中葉面積指數(shù)作為間接測量冠層光截獲能力及其光合能力的主要指標(biāo)，有著重要的研究價值，分析LAI與其他冠層指標(biāo)之間的相關(guān)性有助于我們總體把握棗樹冠層的結(jié)構(gòu)狀況及其光照特性，為棗樹的修剪栽培和科學(xué)管理提供指導(dǎo)。