邊行效應對間作棉花生理性狀及產量的影響

艾鵬睿，馬英杰，海 英

(新疆農業大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

間作是我國傳統農業種植模式的重要組成部分，該模式可更高效地在時間上和空間利用水、光、熱、肥等農業資源，改善田間小氣候[1]，調節果實品質[2]，提高農業經濟效益[3]，因而發展前景巨大。特別是在南疆地區特色林果業的不斷發展的前提下，果農間作模式已成為該地區種植結構轉型的重要橋梁。以棉花為代表的農作物的單作模式正逐漸被果農間作模式所取代。采用果農間作不僅能夠較好地解決農業資料有限所引發的耕地劃分和果樹初期經濟效益低下的問題，又能保證棉花種植業的農業地位[4]，因此具有很高的推廣價值。

針對棗棉間作，前人研究均表明種間互補對棉花生理發育效果顯著[5]。如段志平等[6]發現在間作模式中適當增加棉花種植密度有利于棉花高產。李發永等[7]研究表明，間作棉花的株高和干物質量均顯著高于單作模式，棉花在間作體系中占主導地位。此外，有部分研究提出間作作物產量優勢主要源于間作系統中各邊行優勢的累加效應[8]。如秀洪學等[9]研究表明，大蒜間作系統的邊行蠶豆根瘤量比中行高80.06%。孫守家等[10]研究表明，果農間作模式中的小麥根系在水平方向上呈“兩邊多，中間少”的分布趨勢。

因此認為間作棉花由于邊行和內行所處的環境條件不同，必然會導致邊行優勢，并與內行出現差異。然而過去針對果農間作的研究常把果樹行間農作物看成一個整體，很少探究邊行優勢對作物生理特性及產量的影響。

為此，本試驗在前人研究的基礎上，對間作棉花在充分灌溉和水分虧缺條件下邊行效應進行研究。探究間作棉花不同邊行之間的產量及植株生理生態的差異，以便更好地開發利用邊行優勢效應、建立合理的田間配置、保證間作效益的最大化及實現作物穩產高產。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

試驗區位于新疆阿克蘇地區新疆農業大學林果試驗基地(80°14′E，41°16′N，海拔1 133 m)。該地區屬于大陸性干旱氣候，降雨量稀少，氣候干燥，多年平均降水量僅為74.4 mm，主要集中在4月中旬和8月上旬。多年平均太陽總輻射量為544.115～590.156 kJ/cm2，無霜期達205～219 d。初始土壤質地0～40 cm以粉砂壤土為主，40～60 cm以壤砂土為主，60 cm以下以細沙土為主。該地區地下水埋藏深度較深，因此不考慮地下水補給問題。

2.2 試驗設計

間作系統作物選用6 a生長勢均勻灰棗和新陸中49號棉花。棗樹株距1 m，行距4 m。棉花株距8 cm，行距20～40～20 cm，具體種植模式如圖1所示。試驗共設3個處理，分別為(1)Z2M2，即棗樹和棉花均充分灌溉；(2)Z2M1，即棗樹充分灌溉，棉花灌溉量減少50%；(3)M2，即棉花單作。每個處理設3個重復。各處理灌溉制度采用P-M公式指導灌溉，灌水周期為7 d，灌溉量根據前一灌水周期累積蒸發蒸騰量確定。棗樹作物系數參考文獻[11]，棉花作物系數參考文獻[12-13]。各生育期灌溉制度如表1所示。施肥及作物管理依當地實際情況進行。

表1 棗棉間作試驗各生育期灌溉制度設計

圖1 棗棉間作試驗種植模式示意圖(單位：cm)

2.3 樣品采集與測試方法

2.3.1 棉花株高、葉面積指數、SPAD值測定 在棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期、收獲期每個行向選擇8株長勢均勻的棉花，采用米尺測定株高，手持式SPAD-502葉綠素儀測定SPAD值。同時選取3株棉花采用萬深LA-S儀器測定葉面積。

2.3.2 棉花葉片凈光合速率 于棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期，采用CIRAS-3光合測定系統測定棉花葉片凈光合速率。每個行向均選取3株棉花，選擇頂端倒3片發育完全的葉片進行測定。測定時間為12：00前后。

2.3.3 土壤水分測定 于棉花花鈴期采用TRIME-IPH測定土壤含水率。間作模式TRIME測定位置為行間距棗樹25、50、75、100、125、150、175、200 cm處。單作棉花TRIME測定位置為滴灌帶下方和距滴灌帶30、75 cm處。

2.3.4 棉花產量及其相關構成因素 全生育期結束后，分別按行向在各個重復收取30 m長度的棉花產量進行測產。用于計算各行向棉花實際產量。

3 結果與分析

3.1 間作棉花根區土壤水分空間分布

土壤水分空間分布可以真實反映棗棉間作土壤水分運移現狀，圖2為8月8日間作棉花根區土壤含水量空間分布情況。由圖2(a)可以看出，在充分灌溉條件下(Z2M2處理)，棗樹和棉花滴灌帶下方為水分最為豐富區域，而后通過土壤水分運移向周圍擴散。以棉花滴灌帶下方100 cm為界限，靠近棗樹方向的土壤水分明顯高于外側棉花根區土壤水分，這為內行棉花生長發育提供了良好的基礎。由圖2(b)可以看出，當對棉花施加水分虧缺后(Z2M1處理)，該空間土壤水分含量整體減小，但是同樣呈現出靠近棗樹部土壤水分高于外行棉花的情況。因此，棗樹和棉花根區土壤水分交互作物使100 cm內側2行棉花根區土壤水分一定高于外側兩行棉花根區土壤水分。這也為緩解施加在間作棉花上水分虧缺提供了可能。

圖2 間作棉花試驗土壤含水量空間分布情況(8月8日，單位：%)

3.2 單間作棉花凈光合速率變化規律

凈光合速率是表征作物光合能力的重要參數，其數值越大，作物在單位時間合成有機物越多。圖3為在不同生育期分別測定的單、間作模式各處理下棉花凈光合速率變化情況。由圖3可以看出，間作棉花凈光合速率在各個生育期均高于單作模式，全生育高約10.11%。尤其在苗期和花鈴期，兩者差幅分別為39.17%和13.32%。當對間作棉花施加水分虧缺后，棉花凈光合速率略有下降，但下降幅度僅為4.12～10.73%。因此，在全生育期間作棉花光合產物累積量顯著高于單作模式。

圖3 單、間作模式各處理下棉花不同生育期凈光合速率

對比不同行向棉花凈光合速率進行分析。在苗期棉花受棗樹葉片遮蔽效果弱，D1行受影響較小，凈光合速率呈現靠樹越近，數值越高的現象。至蕾期、花鈴期時，棗樹對D1行遮蔽效果加劇，棉花葉片凈光合速率下降幅度顯著。D2行受影響程度較弱，但由于靠近棗樹，受種間互補效果和土壤水分含量增加效果明顯，凈光合速率為所有行中最大值。至吐絮期時(棗樹和棉花均停止灌溉)，D1與D2行凈光合速率趨差幅縮減，說明種間互補效果開始減弱，根區土壤水分對植株加持效果同樣也在減弱。因此，在全生育期中，邊行效應對棉花凈光合速率的影響始終存在，主要增幅在D1、D2行棉花，而D3、D4行棉花距樹較遠，增幅效果微弱。該結果也在對間作棉花施加水分虧缺后，D1、D2行棉花凈光合速率受影響較小，而D3、D4行棉花凈光合速率明顯減小上體現出來。

3.3 單、間作棉花生理指標變化規律

單、間作模式各處理下棉花生理指標變化規律如表2所示。由表2可以看出，種間互補使間作棉花生理發育良好。相比單作模式，間作棉花株高、葉面積指數分別提高18.87%和12.21%。單、間作模式SPAD值差幅較小，僅為3.78%。當對間作棉花施加水分虧缺后，株高和SPAD值僅下降7.68%和8.70%，而葉面積指數基本無變化。說明間作模式抵御外界環境變化有很好的容錯性。

表2 單、間作模式各處理下棉花生理指標變化規律

從不同行向棉花生理指標變化情況可以看出，在單作模式中，靠近滴灌帶兩行棉花生理指標微有提升，但在方差分析中，差異不顯著。而在間作模式中，邊行效應對棉花生理指標影響顯著。受種間互補影響，除D1行外，棉花株高和葉面積指數呈現距棗樹越近，增幅效果越明顯。D2行為所有行中最高值，相比單作模式，株高和葉面積指數分別提高27.44%和20.73%。D4行為所有行中最低值，但仍比單作模式有小幅提高。D1行距離棗樹較近，受到種間競爭和棗樹遮陰效果的影響使植株生理指標出現一定下降。SPAD值在不同行向中差異不顯著，說明離樹間距和果樹遮陰對棉花葉片葉綠素含量影響較弱。

當對間作棉花施加水分虧缺后，各行向棉花植株生理指標均出現下降。與單作相比，D1行和D2行受影響程度較小，甚至D2行仍有小幅提升。而D3、D4行棉花明顯受到水分虧缺的影響，生理指標下降幅度明顯。尤其是D4行，株高、葉面積指數、SPAD值分別減少27.73%、10.49%、22.84%。因此間作棉花在抵御外界影響時，總體呈現越靠近棗樹，抵御能力越強。

3.4 邊行效應對間作棉花產量的影響

單、間作模式各處理下棉花作物產量變化規律如表3所示。由表3可以看出，間作棉花作物產量在不同行向均顯著高于單作模式，平均高于單作模式20.33%。當對間作棉花施加水分虧缺后，間作棉花減產14.79%，但仍高于單作模式2.53%。由此可以看出，間作棉花種間互補效果增幅明顯，作物產量有較大提升。此外，間作模式可以促使棉花增加抵御外界因素變化的能力，進而確保自身產量不受影響。對比不同行向棉花作物產量，由表2還可以看出，間作棉花在不同行向作物產量差異明顯，其中D2行棉花作物產量最高，高于單作模式36.55%，其次為D1行，高于單作模式21.18%。而D3、D4行受種間互補增幅效果較弱，增產約為12%。當進行水分虧缺后，D1、D2行由于靠近棗樹，受到棗樹水分補給，施加給棉花的水分虧缺對其影響較弱，進而仍呈現增產效果。相比單作模式，增產約16%左右。而D3、D4行則無法擺脫水分虧缺的影響，尤其是D4行，相比單作模式，減產16.90%。

表3 單、間作模式各處理下棉花作物產量變化規律 kg/hm2

4 討 論

水分是影響植物光合作用和生理發育的重要因素。水分虧缺必然限制作物光合速率和植物生理發育[14-15]。在間作體系中，土壤水分在灌溉后受種間競爭和土壤水分運移的影響出現了再分配現象[16]。作物光合速率和生理發育將出現適應性調整。在本研究中，受灌溉配置的影響，間作棉花根部土壤水分呈現明顯的空間分布不均現象，即越靠近棗樹，土壤水分含量越高。而在棉花外行，土壤水分含量逐漸減少。尤其是對間作棉花施加水分虧缺后，這種現象更加明顯。受土壤水分空間分布不均的影響，間作棉花地上部分出現了適應性的變化，在棗樹對棉花的影響較小的情況下(棉花苗期)，間作棉花凈光合速率呈現出距棗樹越近，凈光合速率越大的現象。但隨著棗樹和棉花的不斷生長發育，間作棉花所處光環境受到影響。而光環境是作物冠層光合作用直接能量來源，它不僅直接影響作物的蒸騰和光合作用, 而且影響作物的生長發育進程[17]。在農林間作模式中，木本植物冠幅必然會對光照產生遮蔽效果，從而抑制農作物冠層光合速率[18]。在本研究中D1行過于靠近棗樹，光合速率受到一定的抑制，這與李發永等[7]研究結果相似。但D2、D3、D4行距棗樹較遠，受遮蔽效果較弱，其光合速率相對單作模式，反而有一定程度的提升。因此距樹間距也是影響邊行效應的重要因素。而對于間作棗樹，土壤水分的再分配現象易影響棗樹生理發育。如楊濤等[19]研究表明間作可使棗樹作物產量減少，但土地利用率總體提高35%。

作物生長是一個由植物體內葉綠素將光能轉化為化學能，進而積累光合產物的過程[20]。屈洋等[21]研究表明邊行葉綠素含量大于中行，不同行向間葉綠素含量存在顯著差異。但在本研究中，4行棉花SPAD值無明顯差異，僅與水分虧缺關聯度較高。這與段志平等[20]對小麥SPAD值研究結果一致。分析認為樹木遮陰會對農作物產生影響，當農作物距樹間距達到一定距離后，即使果樹對農作物產生遮陰效果，但遮陰時間較少，對農作物葉片葉綠素影響程度有限。呂瑞洲等[22]研究表明距樹果農間作模式會導致農作物生理發育整體受到限制。而孫守家等[10]對果農間作中小麥根系的研究發現，果樹與麥子行間距可為麥子根系生長發育預留生態位。王婷等[23]研究表明，棉花對棗樹的競爭作用占絕對優勢，且間作棉花根系量顯著高于單作模式。因此，在靠近棗樹時，間作棉花在受到種間競爭的影響的同時，又受預留生態位的影響，內行株高和葉面積指數顯著提升。但外行棉花僅受少部分水分補給和間作模式改善農田小氣候的影響，增幅效果較弱。最終表現出明顯的邊行效應。即過于靠近棗樹時，植株生長量下降幅度明顯，卻仍高于單作模式，其他行呈現出距棗樹越近，植株生長越好。當施加水分虧缺后，內行棉花受到水分的影響，會與棗樹進行水分掠奪，維持自身生長發育。又因為在棗棉間作體系中，棉花占主要優勢，所以即使施加水分虧缺，也對內行棉花影響較小。而外行棉花距離棗樹較遠，又受到種內競爭的壓制，僅能吸收自身根區土壤水分，呈現出株高、葉面積指數和SPAD值顯著下降的情況。此外，棉花葉面積指數和株高的提升有助于冠層結構限制水分散失，延緩土壤蒸發水分散失，提升冠層部空氣濕度，促使作物生長發育[24]。樹木也可以產生一種林帶效應，減弱風速和亂流交換，延長植物蒸騰和土壤蒸發水分在近地表層的滯留時間[25]，同樣也對作物生長發育有著明顯的增幅。因此，在采用間作模式后，農田小氣候會變得更加適宜作物生長，進而促進棉花凈光合速率、株高和葉面積指數提升，最終作用于作物產量。

光合作用積累有機物直接影響作物生理指標，最終影響作物產量的增減。在棗棉間作中，雖然果樹會對棉花采光造成一定影響[26]，但種間互補使光合速率有較大幅度的提升，光合產物累積對作物產量的提高有明顯的促進作用。因此，在本試驗中，間作棉花受生理指標顯著提升的影響，作物產量增加20.33%。但對各行向作物產量進行對比后發現，其作物產量的增加主要依靠D1、D2行，而D3、D4行增產效果微弱。因此強烈的邊行效應使作物產量重新分配，而非同等提升。此外，大量研究均表明水分虧缺可使作物出現響應的減產[27-28]。在本研究中，對間作棉花施加水分虧缺后，作物產量仍高于單作模式2.53%。這表明間作棉花具有很好的抵御外部環境變化的特性。對每行棉花作物產量對比后發現，種間互補多側重于靠近棗樹行，而非所有棉花。其中D3、D4行間作棉花依然減產16%左右。

5 結 論

(1)種間互補對間作棉花生理指標變化影響顯著。與單作模式相比，間作棉花株高、葉面積指數和凈光合速率分別提高18.87%、12.21%和10.11%。而SPAD值變化較小，僅提高3.78%。當對間作棉花施加水分虧缺后，雖然植株生理指標略有下降，但作物產量與單作模式相比仍有小幅增加。說明間作棉花對外界不利情況的抵抗能力有所提升。

(2)對間作棉花根區土壤水分進行分析，結果表明土壤水分在間作模式下出現了再分配現象，即靠近棗樹向土壤水分明顯高于外側棉花根區土壤水分，這為內行棉花生長發育提供了良好的基礎。但土壤水分分配不均也會導致間作棉花出現明顯的邊行效應。對間作棉花施加水分虧缺后，棗樹根區較高的土壤水分可以緩解間作棉花根區的水分虧缺。但從土壤水分運移角度考慮，雖然適量的土壤水分緩解了棉花的水分脅迫。但勢必對間作棗樹生長發育造成一定影響。

(3)在4行棉花試驗中，D1行棉花明顯受到棗樹種間競爭和遮陰效果的影響，其生理指標和作物產量微低于D2行，但仍高于單作模式。D2行棉花在4行棉花中長勢最好、凈光合速率最大、作物產量最高。D3、D4行棉花距樹較遠，又受種內競爭限制，生理指標僅微高于單作。而棉花SPAD值在不同處理間無顯著差異，說明果樹遮陰對棉花葉綠素影響較弱。

(4)間作棉花在同時受土壤水分、預留生態位、種間競爭與互補等因素交互影響下，展現出現明顯的邊行效應。但從各排棉花生理性狀及產量變化情況可看出，對棉花生長有利的條件更多集中在D1、D2行棉花，而非涉及全部棉花。