晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作光競(jìng)爭(zhēng)研究

田 陽(yáng)，云 雷，畢華興，王莉莉，陳金煥，高路博，王寶寶，楊佳奇

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京100083；2.水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心，北京100055；3.林木育種國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

黃土高原是中華民族的發(fā)祥地，但對(duì)這一地區(qū)森林的破壞，使得該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重。農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)作為治理黃土高原的一項(xiàng)主要措施和有效途徑被廣泛應(yīng)用。果農(nóng)間作是晉西黃土區(qū)開(kāi)發(fā)的主要模式之一，特別是國(guó)家實(shí)行退耕還林政策以來(lái)，大量坡耕地改種為具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的果樹(shù)，使得果農(nóng)間作模式不斷被推廣。但在半干旱半濕潤(rùn)的晉西黃土區(qū)，果農(nóng)間作不得不面對(duì)一個(gè)重要難題——種間競(jìng)爭(zhēng)，如何有效減少競(jìng)爭(zhēng)，提高土地生產(chǎn)力，增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益越來(lái)越成為人們，特別是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)前，已有大量有關(guān)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)水分競(jìng)爭(zhēng)方面的研究［1－9］，但光競(jìng)爭(zhēng) 的研究 較少［10－12］。系統(tǒng)分析農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的光照分布特征，是發(fā)展和完善農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)，保證其可持續(xù)發(fā)展的重要前提。本文以晉西黃土區(qū)具有代表性的核桃（Jugl ans regia）、蘋(píng)果（Mal us pu mil a）、花 生 （Archis hypogaea）、大 豆（Gl ycine max）所組成的4種果農(nóng)間作模式為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其相對(duì)日照總量（KST）、光合有效輻射（PAR）、凈光合速率（Pn）等指標(biāo)進(jìn)行研究，旨在為該地區(qū)間作系統(tǒng)光分布模型的建立，光生態(tài)特征分析等提供一定基礎(chǔ)資料，也為該地區(qū)土地資源合理利用和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣東城鄉(xiāng)雷家莊（110°41′E，36°06′N），地處呂梁山南端，屬于典型的黃土殘塬溝壑區(qū)。年平均降雨量在580 mm左右，降水量季節(jié)分配不均，降雨集中在7—9月，占全年降水量的70%左右。該地區(qū)春季干旱多風(fēng)，氣候回升快，晝夜溫差大，年均氣溫10℃，年均日照時(shí)數(shù)2 740 h，無(wú)霜期175 d左右。土壤屬黃土母質(zhì)，土層深厚，土質(zhì)均勻。東城鄉(xiāng)雷家莊是全國(guó)優(yōu)質(zhì)果品生產(chǎn)基地、農(nóng)業(yè)部無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)地，該地區(qū)果樹(shù)以核桃、蘋(píng)果為主。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取當(dāng)?shù)刂饕麡?shù)類型——核桃（晉豐）、蘋(píng)果（紅富士）以及典型作物花生（晉花4號(hào)）、大豆（晉豆36號(hào)）為研究對(duì)象。核桃和蘋(píng)果均始栽植于2000年，果樹(shù)行間內(nèi)種植花生、大豆（同一樹(shù)行南北兩側(cè)種植相同作物），果樹(shù)行向與作物行向一致，皆為東西走向。核桃株行距為6.5 m×6.5 m，平均樹(shù)高4.2 m，冠幅半徑2.1 m；蘋(píng)果株行距為3.0 m×4.0 m，平均樹(shù)高4.0 m，冠幅半徑2.1 m；間作模式中的花生、大豆的株行距均為0.45 m×0.50 m，并設(shè)置單作花生和大豆作為對(duì)照，無(wú)論間作還是單作，作物的株行距及管理方式一致。核桃樹(shù)行與花生、大豆距離均為1 m，而蘋(píng)果樹(shù)行與二者的距離均為2 m。

2.2 光照強(qiáng)度與光合作用

光照強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)布設(shè)與測(cè)定：在核桃—農(nóng)作物和蘋(píng)果—農(nóng)作物間作中，選出標(biāo)準(zhǔn)木，以核桃間作為例，以核桃樹(shù)下測(cè)點(diǎn)為中心，以4 m為半徑作出圓形測(cè)區(qū)范圍，以中心為起點(diǎn)，正北方向?yàn)槠鹗挤较颍瑢⒋藞A形測(cè)區(qū)范圍沿順時(shí)針等分為8個(gè)方向（即相鄰方向之間的角度為45°），每個(gè)方向上布設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.5 m，即共有65個(gè)測(cè)點(diǎn)；蘋(píng)果間作的測(cè)點(diǎn)布置與此相同，距離間作模式不遠(yuǎn)處的空曠場(chǎng)地設(shè)為對(duì)照。選擇晴朗無(wú)云的天氣，利用手持光量子計(jì)測(cè)定各測(cè)點(diǎn)的光照強(qiáng)度。測(cè)定時(shí)間為8：00—18：00，每2 h測(cè)定1次。

將光合作用測(cè)點(diǎn)布設(shè)與測(cè)定：由于核桃和蘋(píng)果果樹(shù)的株行距的差異，二者光合作用測(cè)點(diǎn)布設(shè)并不完全一致：在核桃間作中，以選擇的核桃樹(shù)行為中心，在距核桃樹(shù)行南北兩側(cè)分別以1.5 m，2.5 m和3.5 m作為兩種作物的觀測(cè)點(diǎn)，每種間作模式選擇作物18株（圖1）；蘋(píng)果間作在距蘋(píng)果樹(shù)干東西兩側(cè)以2 m作為兩種作物的觀測(cè)點(diǎn)，每種間作模式選擇作物6株。單作對(duì)照花生、大豆按照“S”形各選取5株。選擇與測(cè)定光照強(qiáng)度相同的天氣，利用光合測(cè)定系統(tǒng)（Licor-6400）測(cè)定花生、大豆的凈光合速率（Pn，μmol／（m2·s）、光合有效輻射（PAR，μmol／（m2·s），測(cè)定時(shí)間為8：00—18：00，每2 h測(cè)定1次。每株選取生長(zhǎng)狀況良好的標(biāo)準(zhǔn)葉3片，每個(gè)指標(biāo)測(cè)定3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)記錄3個(gè)數(shù)據(jù)，然后取平均值。

圖1 核桃－農(nóng)作物間作光合作用監(jiān)測(cè)試驗(yàn)布設(shè)

取樣時(shí)間：2009年作物的典型物候期（花生結(jié)莢期和大豆結(jié)莢期）。

2.3 數(shù)據(jù)處理

為了更好地研究間作模式林下的光照強(qiáng)度分布和樹(shù)木遮蔭對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生的影響，本文引入透光率TSY［13］與光效應(yīng)EL（即樹(shù)木對(duì)農(nóng)作物光合影響的程度），其計(jì)算公式分別為：

式中：Ri——林下受蔭處輻射累積量；Rck——空地的地標(biāo)輻射累積量；L——間作模式中作物的凈光合速率；Lck——單作對(duì)照作物的凈光合速率；EL——光效應(yīng)（%）。

數(shù)據(jù)處理主要是使用Excel 2003，SPSS 15.0，Surfer 8.0等統(tǒng)計(jì)、繪圖軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 林下的光照強(qiáng)度分布

圖2 間作模式林下輻射百分比強(qiáng)度的分布

圖2 為間作系統(tǒng)林下透光率的分布情況，由圖2可以看出，兩種間作模式樹(shù)下日輻射百分比強(qiáng)度差異明顯。在核桃間作模式中，林下透光率與距果樹(shù)中心距離有關(guān)，隨著距果樹(shù)中心距離的增大，透光率增大，在以2 m為半徑的區(qū)域內(nèi)（核桃冠幅半徑約為2 m），透光率為28%，其它區(qū)域的透光率為82%。在蘋(píng)果間作模式中，透光率分布較為復(fù)雜，透光率較多的部分主要集中在兩行果樹(shù)中間的作物帶上，但由于這個(gè)區(qū)域受到多重遮蔭的影響，地面的受光相對(duì)有限，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的透光率僅為33%。

這主要與兩種間作模式的果樹(shù)配置有關(guān)（株行距不同），核桃—農(nóng)作物間作的林木群體結(jié)構(gòu)類似于疏散型，樹(shù)行上能保持較大空隙的樹(shù)冠間的透光，雖然樹(shù)的行距小于日出或日落最長(zhǎng)樹(shù)影的長(zhǎng)度（經(jīng)測(cè)量），但在農(nóng)作物生長(zhǎng)的主要光照時(shí)間內(nèi)，同一樹(shù)行相鄰樹(shù)木蔭影不會(huì)發(fā)生重疊。比較而言，蘋(píng)果—農(nóng)作物間作的林木群體結(jié)構(gòu)更類似于緊密型，林下作物不僅受到同一行內(nèi)臨近樹(shù)木蔭影的影響，還會(huì)受到臨近樹(shù)行由于太陽(yáng)斜射所產(chǎn)生的蔭影影響。所以核桃間作作物的遮蔭區(qū)域是單株樹(shù)木遮蔭區(qū)域的加和（無(wú)多重遮蔭影響），遮蔭程度相對(duì)較輕；蘋(píng)果間作作物的受到多重遮蔭的影響，群體遮蔭區(qū)域時(shí)間較長(zhǎng)，遮蔭程度較重。

3.2 間作模式作物光合有效輻射日變化

不同間作模式下花生的光合有效輻射日變化趨勢(shì)與大豆基本一致（圖3）：除了距離核桃1.5 m的花生和大豆的光合有效輻射日變化趨勢(shì)呈“雙峰型”曲線外，其它測(cè)點(diǎn)處花生和大豆的光合有效輻射日變化均為單峰型曲線，并且波峰值出現(xiàn)在中午12：00；花生、大豆的光合有效輻射強(qiáng)度從小到大依次為距核桃1.5 m、距蘋(píng)果2.0 m、距核桃2.5 m、距核桃3.5 m、單作，即同一作物類型下，單作作物的光合有效輻射大于間作作物，隨著離樹(shù)木距離的增加，間作作物光合有效輻射逐漸增大。這些變化主要是由測(cè)定位置果樹(shù)對(duì)作物的遮蔭影響所導(dǎo)致的。

3.3 間作模式農(nóng)作物凈光合速率日變化

與光合有效輻射日變化類似，不同間作模式下花生的凈光合速率日變化趨勢(shì)與大豆也具有一定的相似性（圖4）：在蘋(píng)果間作中，花生的凈光合速率變化趨勢(shì)與大豆一致，均呈現(xiàn)“單峰型”曲線（波峰值出現(xiàn)在中午12：00）；在核桃間作中，花生、大豆的凈光合速率變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)“雙峰型”曲線，但核桃間作中花生凈光合速率日變化出現(xiàn)峰值的時(shí)間是10：00和14：00，而大豆凈光合速率日變化出現(xiàn)峰值的時(shí)間是10：00和16：00；間作作物的凈光合速率同樣表現(xiàn)為距離果樹(shù)越遠(yuǎn)，凈光合速率值越大，并且相同作物類型的單作作物的凈光合速率大于間作作物。

圖3 不同間作模式作物光合有效輻射的日變化

從圖4看出，距核桃2.5 m、3.5 m和單作的花生和大豆均呈現(xiàn)出較為明顯的“午休”現(xiàn)象［14－17］，而距核桃1.5 m的花生和大豆的凈光合速率日變化為“雙峰型”曲線，主要是由果樹(shù)遮蔭，光合有效輻射降低造成的。而在蘋(píng)果間作中，兩種作物均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的“午休”現(xiàn)象，這可能主要是由蘋(píng)果樹(shù)對(duì)作物的遮蔭造成的。

圖4 不同間作模式下凈光合速率的日變化

3.4 間作系統(tǒng)光效應(yīng)

根據(jù)公式（2）計(jì)算間作系統(tǒng)光效應(yīng)，得出蘋(píng)果—花生、核桃—花生、蘋(píng)果—大豆和核桃—大豆四種間作模式的光效應(yīng)值分別為－26.39%，－16.62%，－21.89%和－18.12%，即4種間作模式均為負(fù)效應(yīng)，說(shuō)明果樹(shù)對(duì)農(nóng)作物存在光競(jìng)爭(zhēng)。針對(duì)同一種作物而言，光效應(yīng)值表現(xiàn)為：核桃—花生＞蘋(píng)果—花生，核桃—大豆＞蘋(píng)果—大豆，說(shuō)明蘋(píng)果對(duì)作物光的影響要大于核桃，即核桃間作模式的光照條件要優(yōu)于蘋(píng)果間作模式，這也與前面林下光照強(qiáng)度得出的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

（1）在核桃間作中，花生、大豆的遮蔭區(qū)域是單株核桃樹(shù)遮蔭區(qū)域的加和（無(wú)多重遮蔭影響），遮蔭程度相對(duì)較輕；在蘋(píng)果間作中，花生、大豆的遮蔭區(qū)域受到多重遮蔭的影響，地面的受光相對(duì)有限，群體遮蔭區(qū)域的時(shí)間段相對(duì)較長(zhǎng)，遮蔭程度相對(duì)較重，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的相對(duì)日照總量?jī)H為33%。

（2）由于果樹(shù)遮蔭的影響，間作作物光合有效輻射和凈光合速率均出現(xiàn)了不同程度的降低，降低的程度與果樹(shù)和農(nóng)作物的距離有關(guān)，離果樹(shù)越近，作物的光合有效輻射和凈光合速率越小；反之，則越大。

（3）引入光效應(yīng)量化果樹(shù)對(duì)作物的影響程度，四種間作模式的光效應(yīng)具體表現(xiàn)為核桃—花生（－16.62%）、核桃—大豆（－18.12%）、蘋(píng)果—花生（－26.39%）和蘋(píng)果—大豆（－21.89%），均為負(fù)效應(yīng)，表明果樹(shù)對(duì)作物存在光競(jìng)爭(zhēng)，相對(duì)而言，核桃對(duì)作物光的影響要小于蘋(píng)果對(duì)作物光的影響。

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