核桃小麥間作模式下冬小麥冠層結構及其小氣候對種植密度的響應

張永強，張恒，方 輝，陳傳信，賽力汗·賽，薛麗華，陳興武 ，雷鈞杰

(1.新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；2.農業農村部荒漠綠洲作物生理生態與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091；3.新疆農業科學院國際科技合作交流處，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國核桃的主要產區，也是我國核桃的發源地之一。新疆核桃種植主要集中在環塔里木盆地的灌溉綠州，其中南疆四地州(阿克蘇地區、喀什地區、和田地區、克孜勒蘇柯爾孜克自治州)種植面積超過了36.67×104hm2(550×104畝)，占全疆核桃種植面積的94%以上[1]。大面積核桃栽植多采用與農作物間作的模式，冬小麥是新疆南疆地區主要的糧食作物，核麥間作模式在該地區廣泛種植。隨著核桃樹定植年限的增長，樹冠不斷擴大，對下層小麥遮陰影響日益增加，與單作小麥相比，核桃樹對小麥的遮陰為80%左右[2]，核桃樹對下層小麥遮陰加劇了小麥群體內部的競爭。小麥籽粒產量是個體與群體間共同協調的結果[3]，適宜種植密度不僅可協調小麥植株個體和群體之間矛盾，改善群體內部環境，使植株充分利用光熱資源，還能促進穗數、穗粒數和粒重的協調發展，達到增產的目的[4-5]。葉片是植物進行光合作用的主要器官，葉片的大小和空間分布不僅受遺傳因子的限制，也受栽培條件的影響。葉片形態特征和葉面積在冠層分布是反映小麥群體結構的重要指標之一。小麥株高由節間和節組成，而株高差異主要取決于節間長度差異。農田小氣候一般是指作物地上部分冠層小氣候及地下部分根際微環境的統稱，在地上部分冠層溫、濕度、光照是評價冠層小氣候的重要指標。在核麥間作模式下，由于核桃樹遮陰及種植密度的雙重效應，對冬小麥冠層的輻射量大小可能會產生影響。研究核麥間作模式下，種植密度對冬小麥冠層結構及農田小氣候的影響,對核麥間作下選擇合適間作冬小麥種植密度有重要意義。【前人研究進展】研究表明，冠層不僅可調節作物的光合作用、物質積累與轉運及其生理代謝功能，還對作物產量形成起著重要的作用[6-7]。鄧強輝等[8]研究表明，冠層溫、濕度影響作物籽粒灌漿過程，較低冠層溫度能促進籽粒灌漿充實，有利于獲得高產。孫淑娟等[9]研究表明，小麥株間空氣溫度低、濕度大，可促進其產量增加。李向陽等[10]研究表明，灌漿期小麥冠層溫度與籽粒產量構成因素大部分呈負相關關系，僅穗粒數與灌漿初、中期冠層溫度呈微弱正相關關系。朱云集等[11]研究表明，在灌漿末期較低的冠層溫度對延緩小麥衰老、增大其灌漿強度、提高粒重作用顯著。【本研究切入點】灌漿期小麥冠層空氣相對溫濕度對其籽粒灌漿和產量形成的影響較大，但是前人研究多集中在單作田，而關于核麥間作模式下冬小麥種植密度對冠層結構及小氣候影響的報道較少。研究核麥間作模式下，種植密度對冬小麥冠層結構及農田小氣候的影響。【擬解決的關鍵問題】在核麥間作模式下，研究種植密度對冬小麥灌漿期冠層結構、溫濕度和透光率的變化規律，分析核麥間作模式下冬小麥適宜的種植密度，為優化新疆南疆核麥間作系統中冬小麥高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2016～2017年在新疆澤普縣阿依庫勒鄉5村(77°17' E，38°18' N)進行，海拔1 215～1 490 m，屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫11.4℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-22.7℃。光熱資源充足，光照時間長，干旱少雨，蒸發強烈，晝夜溫差大，夏長春秋短；春夏多大風、沙暴、浮塵天氣。試驗地土壤為沙壤土，前茬為夏大豆，土壤有機質為 1.517 g/kg，全氮 0.712 g/kg，堿解氮38.4 mg/kg，速效磷17.9 mg/kg，速效鉀102.6 mg/kg。試驗地核桃樹樹齡8年，南北行向，行距8 m，株距4 m，小麥間作帶寬7.2 m,共播種小麥36行。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

在核麥間作模式下，以冬小麥品種新冬40號為材料，設5個播種密度處理，分別為450×104株/hm2(M1處理)、525×104株/hm2(M2處理)、600×104株/hm2(M3處理)、675×104株/hm2(M4處理)和750×104株/hm2(M5處理)，各處理均采用人工播種，行距20 cm，小區面積36 m2(5 m×7.2 m)，重復3次。基肥隨整理深施尿素150 kg/hm2，磷酸二銨300 kg/hm2，其他田間管理與當地相同。

1.2.2 測定指標

冠下區為相對應的2樹干間，距樹干0.4 ～2.8 m處；遠冠區為相對應的2樹干間，距樹干2.8～5.2 m區域。近冠區數據為每處理東西2個近冠區數據的平均值。

1.2.2.1 植株葉片形態

在冬小麥灌漿期，各試驗小區取代表性樣段2行，每行50 cm。帶回室內，選取生長一致植株20株，用直尺測量旗葉、倒二葉、倒三葉和倒四葉葉長和葉寬。葉長為葉基部到葉尖的距離(cm)；葉寬為葉基部到葉尖最寬處的寬度(cm)。測量群體各器官綠色面積。葉面積采用長寬系數法(葉面積=葉長×葉寬×0.82)，測定不同葉層葉面積。

1.2.2.2 植株莖節形態

在小麥灌漿期用米尺測定株高、穗長及各節間的長度。用游標卡尺測量莖粗，各供試品種基本為5個節間，以穗下節間為倒1節間(J1)，其次為倒2節間(J2)、倒3節間(J3)、倒4節間(J4)，基部節間為倒5節間(J5)。

1.2.2.3 冠層溫濕度

于小麥灌漿期，選擇晴天(5月18～20日)于08:00～21:00使用MicroLite5032P溫度記錄儀(以色列產)，測定不同處理冬小麥群體穗部空氣溫、濕度，每10 min自動記錄1次數據，連續觀測3 d，求其各時刻溫、濕度平均值。

1.2.2.4 光合有效輻射

在小麥灌漿期，選擇典型晴天于(5月18～20日)，利用SUNSCAN 冠層分析系統(英國Delta 公司生產)，測定冬小麥冠層光截獲量。在測定小麥冠層光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)截獲時，采用垂直于麥行的測量方法。根據測得的小麥冠層頂部和底部的PAR 數據，利用式(1)[12]計算小麥冠層截獲的光合有效輻射量(IPAR)。

IPAR = PARincident - PARtransmitted.

(1)

式中，PARincident和PARtransmitted分別表示作物冠層頂部和底部的光合有效輻射量。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel2016作圖，用SPSS19. 5軟件統計分析數據。

2 結果與分析

2.1 不同處理小麥葉片特征差異

研究表明,核麥間作模式下，隨著葉片層次的降低，冠下區、遠冠區冬小麥單株葉面積均呈“先升后降”趨勢，為倒2葉>旗葉>倒3葉>倒4葉。各處理間，隨著種植密度的增加，單株總葉面積，冠下區表現為，M1>M2>M3>M4>M5，M1最大為86.17 cm2，分別較M2、M3、M4、M5增加了0.38%、6.90%、9.56%和15.99%，方差分析顯示，其與M2處理間差異不顯著，與M3、M4處理間差異達顯著水平(P<0.05)，與M5處理間差異達極顯著水平(P<0.01)；遠冠區則表現為M2>M1>M3>M4>M5，M2最大為90.08 cm2，分別較M1、M3、M4、M5增加了0.82%、6.66%、9.93%和18.44%，方差分析顯示，其與M1處理間差異不顯著，與M3、M4處理間差異達顯著水平(P<0.05)，與M5處理間差異達極顯著水平(P<0.01)。核麥間作模式下，種植密度對冬小麥葉片的形態特征影響顯著，適宜的種植密度可以有效增加單株葉面積，光合有效面積和小麥產量。表1

2.2 不同處理小麥莖稈特征差異

2.2.1 株高與節間長度差異

研究表明,隨著節層層次的降低，滴灌冬小麥各節節間長度均呈依次降低變化趨勢，具體為J1>J2>J3>J4>J5。隨著種植密度的增加，各處理節層節間長度和株高均逐漸增加，處理間株高變幅為76.49～81.66 cm(冠下區)和78.34～86.27 cm(遠冠區)。冠下區穗長隨著種植密度的增加總體呈增長趨勢，但處理間規律不明顯；但遠冠區穗長隨著種植密度的增加呈“先增后減”的變化規律，在M2處理達到最大，最大值為8.03 cm，分別較相同區域的M1、M3、M4、M5處理增長了9.10%、1.90%、4.56%和4.69%，方差分析顯示，其與M1處理間呈顯著差異水平(P<0.05)，與其余處理間差異不顯著。表2

2.2.2 莖節粗度差異

研究表明,種植密度調控核麥間作模式下冬小麥的群體結構，對莖節粗度葉有一定影響。隨著種植密度的增加，核麥間作模式中冬小麥灌漿期各莖節粗度呈“先增后減”變化趨勢，且均以M2處理最粗，以倒三節(J3)莖粗度為例，分別為4.16 mm(遠冠區)和4.06 mm(冠下區)；M5處理最細，分別為3.76 mm(遠冠區)和3.59 mm(冠下區)。同一密度條件下，不論是冠下區還是遠冠區，冬小麥各節莖稈粗度基本呈“先增后減”的變化規律，隨著冬小麥節位自上而下的下降，各處理基本以倒一節間(J1)最細，J3節最粗，二者相差波動范圍在0.42～0.76 mm。增加種植密度冬小麥莖節粗度變細，不利于提高抗倒伏能力。表3

2.3 不同處理小麥冠層空氣溫、濕度差異

2.3.1 冠層空氣溫度

研究表明,灌漿期連續3 d觀測的冠下區、遠冠區各種植密度冬小麥冠層內空氣溫度變化趨勢基本相同，均隨時間推移總體上呈“先升后降”的變化趨勢；冠下區各密度冠層空氣溫度(18.19～35.99℃)的變化幅度明顯低于遠冠區(17.82～38.92℃)，且冠下區小麥冠層空氣溫度上午升溫和下午降溫速度相對較慢，高溫持續時間相對較短。分析各密度處理間冠層空氣溫度的差異可見，在遠冠區下，M4(675×104株/hm2)和M5(750×104株/hm2)處理中，全天冠層空氣溫度相對較高，M3(525×104株/hm2)處理中，全天冠層空氣溫度相對較低，其與M4處理冠層日均溫相比降低1.71℃，與M5處理相比降低了2.29℃；冠下區全天冠層溫度以M1(375×104株/hm2)相對較高，M3(525×104株/hm2)處理亦是全天冠層溫度相對較低，2處理日均冠層溫度相差2.38℃。圖1

圖 1 不同處理下冬小麥灌漿期冠層溫度日變化(3d平均)Fig. 1 The canopy temperature changes at filling stage of winter wheat in different treatments(3 d average)

2.3.2 冠層空氣濕度

研究表明,冠層空氣濕度的與冠層空氣溫度的變化趨勢相反，冠下區、遠冠區下各種植密度冬小麥冠層空氣濕度的變化趨勢基本相同，均隨著時間的推移均呈“先降后升”的變化曲線；冠下區各種植密度的冠層空氣濕度(44.73%～100%)明顯高于遠冠區(36.62%～100%)，遠冠區冬小麥冠層濕度上午降速慢、下午升速也慢，且濕度低谷持續時間相對較短，冠下區各處理低谷期濕度在36.62%～49.52%，遠冠區各處理低谷期濕度在44.73%～59.73%。

冠下區、遠冠區冬小麥冠層濕度隨著密度的增加而增加，各處理間基本呈現M5>M4>M3>M2>M1。與冠下區相比，遠冠區處理光照充足，小麥植株蒸騰及土壤蒸發使得冬小麥冠層濕度明顯升高，中午濕度低谷持續時間明顯縮短，不同種植密度間濕度差異明顯，M1處理濕度最低。圖2

圖2 不同處理下冬小麥灌漿期冠層濕度日變化(3 d平均)Fig.2 The canopy relative humidity changes at fillingstage of winter wheat in different treatments(3 d average)

2.4 不同處理小關冠層光合有效輻射差異

研究表明,在核麥間作模式下，核桃樹在11: 00～17: 00 間對下層小麥表現出明顯的遮陰效應，對冠下區小麥冠層頂部入射光合有效輻射量(PAR) 的影響較大，對遠冠區的影響相對較小。從全天各測點小麥冠層頂部入射光合有效輻射量的平均值看，亦是冠下區最小、遠冠區最大。不同密度處理對小麥冠層截獲的光合有效輻射量( IPAR) 也有影響，不論是冠下區還是遠冠區的冠層光合有效輻射截獲量均呈“先升后降”的變化趨勢，且冠下區、遠冠區均在M2處理達到最大，且日均冠層截獲的IPAR分別為113.37、486.39 μmol /(m2·s)，分別較同冠區的M1、M3、M4、M5處理增加了24.76%、19.37%、24.50%、31.20%和5.00%、10.15%、9.11%、12.95%，方差分析顯示，處理間差異均達顯著水平(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)。在核麥間作模式下，適宜的種植密度可以有效增加冬小麥冠層光合有效輻射截獲量，提高光合效率，和增產。表4

表4 不同處理各位點小麥冠層頂部入射光合有效輻射量( PAR) 和截獲光合有效輻射量( IPAR) 的日變化Table 4 The daily change of photosynthetically active radiation( PAR) and intercepted photosynthetically active radiation( IPAR)in differenttreatments at each point

3 討 論

小麥冠層結構特征不僅受內在基因的控制，還受外部環境及栽培技術[13-15]等諸多因素影響，而在栽培技術中，種植密度是影響小麥冠層結構的主要因素之一[17-18]。合理種植密度通過改善小麥群體冠層結構以增加作物冠層對光能輻射的截獲，提高作物的光能利用效率，同時控制群體大小、分布，減少能量耗散，提高作物產量。研究結果表明，在核麥間作模式下，冠下區、遠冠區的冬小麥單株葉面積均呈“先升后降”趨勢；單株總葉面積表現為冠下區隨著種植密度的增加呈逐漸降低的變化規律，而遠冠區則隨著種植密度的增加呈“先增后降”的變化規律，在M2處理達到最大。隨著種植密度的增加，各處理節層節間長度和株高均逐漸增加，冠下區株高變幅(76.49～81.66 cm)小于遠冠區(78.34～86.27 cm)；各莖節粗度呈“先增后降”的變化趨勢，且均以M2處理最粗。在核麥間作模式下，增加種植密度冬小麥莖節粗度變細，不利于提高抗倒伏能力。

小麥灌漿期受溫度影響較大，冠層溫濕度過高、過低均會導致小麥結實率降低。解樹斌等[19]、Blum A[20]均研究表明，灌漿期冠層溫度相對較低的小麥，生理代謝能力較強，有利于其大物質積累和提高量很重要。氣溫20～24℃、相對濕度60%～80%是小麥籽粒灌漿較適宜的溫、濕度范圍[21]。研究結果表明，核麥間作模式下，冠下區各密度冠層溫度(18.19～35.99℃)的變化幅度明顯低于遠冠區(17.82～38.92℃)，且冠下區小麥冠層溫度上午升溫和下午降溫速度相對較慢，高溫持續時間相對較短；冠層空氣濕度冠下區(44.73%～100%)明顯高于遠冠區(36.62%～100%)，且遠冠區小麥冠層濕度上午降速慢、下午升速也慢，且濕度低谷持續時間相對較短，冠下區各處理低谷期濕36.62%～49.52%，遠冠區各處理低谷期濕度在44.73%～59.73%。

農作物對光能的利用受群體結構的影響，適宜的種植密度能改變作物群體結構，改善小麥冠層內的輻射分布，提高光能利用率是小麥高產的基礎[22-23]。研究結果表明，核麥間作模式下，冠下區小麥冠層頂部入射光合有效輻射量(PAR) 明顯低于遠冠區；但冠下區、遠冠區的冠層光合有效輻射截獲量均呈“先升后降”的變化趨勢，且冠下區、遠冠區均在M2處理達到最大，這與趙會杰等[24]的研究結果相似。在核麥間作模式下，適宜的種植密度可以有效增加冬小麥冠層光合有效輻射截獲量，進一步提高光合效率。

4 結 論

核麥間作下，遠冠區冬小麥單葉面積、株高、莖粗均高于冠下區；隨著種植密度的增加，冠下區、遠冠區冬小麥各葉層葉面積、各節間長度和節間粗度均呈“先增后減”的趨勢。冠下區上午升溫、下午降溫速度慢，高溫持續期短，冠下區各密度冠層溫度(18.19～35.99℃)的變幅低于遠冠區(17.82～38.92℃)；遠冠區冠層空氣濕度上午降速慢、下午升速也慢，濕度低谷持續期短，冠下區冠層空氣濕度(44.73%～100%)變幅高于遠冠區(36.62%～100%)。冠層頂部入射光合有效輻射量(PAR)冠下區明顯低于遠冠區；冠下區、遠冠區的冠層光合有效輻射截獲量隨著密度的增加均呈“先升后降”的趨勢，均在M2處理達到最大。核麥間作模式下冠下區、遠冠區冬小麥葉型、株型特征及冠層溫濕度及光照指標顯示，種植密度在525×104株/hm2較適宜。