開心樹形葉幕結構對蘋果園地面太陽輻射的影響

牛自勉，蔚 露，張文和

（1.山西省農業科學院現代農業研究中心，山西太原030031；2.北京昌平中日友好果園，北京102200）

太陽輻射是果樹生長發育的基礎，其輻射強弱和光譜的變化不僅影響葉片的光合作用，同時對果園樹體生長及果實發育產生重要影響。因此，探討不同葉幕微氣候條件下太陽輻射的變化已成為果樹生理學密切關注的研究領域[1-3]。為了改善果實經濟產量和品質，一方面要求葉幕獲取盡可能多的太陽輻射；另一方面要求通過葉幕結構改善，使葉幕截獲的太陽輻射在葉幕層中有比較合理的分配[4-5]，以營造適宜的微區光環境，提高葉片的生產效率。

葉幕層中太陽輻射的截獲與分配，國內外已進行了不少研究[4，6-7]，但在果園地面太陽輻射研究方面報道較少。

本試驗以我國現階段蘋果生產上常見的小冠分層樹形和小冠開心樹形為材料，進行了果園地面太陽輻射光譜變化和輻射強度的系統測試，以期為我國蘋果喬化果園樹形改造時光能綜合利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗于2007—2010年在北京昌平區中日友好示范果園進行。試驗地位于華北平原西北部，燕山南麓，年均溫10.2℃，年均降水量584 mm。試材為8～9年生的宮藤富士蘋果，砧木為八棱海棠（M.micromalus Makino）。供試的蘋果樹樹形為小冠開心形和小冠疏層形，株行距3 m×4 m，南北行向，果園土壤有機質含量1.03%，地面實施人工生草處理。

試驗選擇物候期一致、生長勢一致的植株，3株為一小區，重復3次。

1.2 方法

1.2.1 光譜測定 光譜測定采用美國CID公司生產的CI－700光纖光譜分析儀。果園地面及葉幕太陽輻射光譜測定時，在樹冠投影地面東西兩側同時進行。測定位點從樹冠投影外圍到樹干，依次為 0，20，70，120 cm（即主干位置的地面點）。

測定在10：30—11：00進行，分別記錄樹冠東側與樹冠西側地面及葉幕不同位點的太陽輻射光譜及其相對吸收強度。本試驗條件下，輻射光譜的測定范圍選定為300～1 010 nm。

太陽輻射光譜測定參照了Jachson[8]與張大鵬[2]介紹的測定方法，并根據本試驗的特點，將太陽輻射依次劃分為紫外光（U，＜380 nm），光合有效輻射（PAR，400～700 nm），紅外/遠紅外光（R/FR，＞780 nm）3個部分進行統計分析。

1.2.2 冠層分析 采用美國CID公司生產的CI-110數字式植物冠層分析儀進行分析。取樣測試時，用魚眼圖像獲取裝置在樹冠下掃描，用相連的便攜式計算機記錄和處理數字圖像，測定時選用150魚眼鏡頭，視野范圍選定為75°，天頂角的劃分為 0°～90°。

測試結果采用CI－110冠層分析儀提供的相關軟件進行分析，依次獲取葉面積系數（LAI）、直接輻射透過系數（TR）、散射輻射透過系數（TD）等參數。設定的測試取樣部位、測定時間與光譜測定同步進行。

PAR測定選用光合有效輻射光量子測定儀（探頭為美國Licor公司生產）進行。

2 結果與分析

2.1 果園地面輻射光譜與輻射強度的變化

2.1.1 輻射光譜的變化 受葉幕層吸收與過濾的影響及果園行間透光帶的共同作用，不同樹形處理到達地面的太陽光譜發生了明顯的變化，到達果園地面光譜成分呈不均勻消減（表1）。其中，530～560，672～703 nm這 2個區域的平均消減率明顯高于全光譜的消減率，而320～356，732～846 nm區間的消減率則明顯低于全光譜的平均消減率。通過波段分組計算，U（300～380 nm），PAR（400～700 nm） 和 R/FR（780～1 010 nm）通過葉幕透射到達果園地面的光譜比例分別為35.73%，13.35%和28.88%。其中，PAR的透射率最低，低于3組波段平均值22.42%，可能與該波段光能與光合作用光化學反應的第1，2個吸收高峰相關。結果表明，在迎光面，開心形蘋果樹太陽輻射及PAR的地面平均透射率達到28.8%，顯著高于小冠形樹；在背光面，盡管開心樹形地面PAR值下降，但仍顯著高于小冠形蘋果樹。計算U，PAR和R/FR的平均值，開心樹形在迎光面和背光面分別為32.98%和28.35%，高于2種樹形處理的平均值。

表1 不同樹形處理太陽輻射到達地面的光譜變化 %

果園地面由外圍到內層，不同波長輻射占同一葉幕層太陽輻射的比例各不相同。其中，PAR所占比例依次遞減（圖1-A），而紫外輻射及紅外輻射所占比例變化與PAR相反（圖1-B，C），表現出與果園葉幕層不同波長輻射相似的結果[5]。

2.1.2 輻射強度的變化

2.1.2.1 太陽輻射強度的變化 果園地面太陽輻射的強度從外圍向內層依次遞減（圖2-A）。在迎光面果園地面，太陽輻射強度高，衰減平緩。開心形蘋果樹0 cm測定位點的太陽輻射相對強度約占環境太陽輻射強度的67%，至內層120 cm處其強度仍達15.6%。小冠形蘋果樹太陽輻射的消減變化也呈相似的規律，但外圍0 cm處輻射強度較低，其后的消減速率加快。因此，樹形差異明顯影響了地面輻射的強度變化，而地面輻射的變化結果將對葉幕微區光環境產生影響。

2.1.2.2 PAR的強度變化 隨著果園地面測定距離由外向里的增加，PAR強度依次遞減（圖2-B）。在迎光面0 cm處，開心形樹的PAR強度為同位置小冠形樹的2.34倍，其后的葉幕層中仍保持較高的PAR強度。在背光面，開心形處理的PAR消減速率大于迎光面，不同測定位點的PAR強度仍高于小冠形樹。為了表明不同處理間的差異，擬合了不同樹形迎光面及背光面PAR消減的回歸方程，PAR強度在不同葉幕層中以指數函數形式消減（圖3，4）。

2.1.2.3 U及R/FR的強度變化 與其他波長光譜的變化趨勢相似，U輻射強度在葉幕中依次遞減。在開心形蘋果樹迎光面，樹冠投影外圍0～20 cm紫外輻射強度較強，70～120 cm部位輻射強度較低，無明顯遞減；小冠形蘋果樹在樹冠投影外圍0 cm處輻射強度顯著降低，其70～120 cm部位輻射強度也顯著低于開心樹形，遞減不明顯（圖2-C）。擬合方程表明，紫外輻射在不同葉幕層中以多項式或對數形式消減（圖3，4）。R/FR輻射強度由于葉幕結構和光譜的不同而變化，輻射強度從外圍地面到內層以多項式函數形式消減（圖 2-D，圖 3，4）。

2.2 地面太陽輻射對葉幕太陽輻射的反饋

試驗同期測定了開心樹形和小冠分層樹形的葉幕、地面及葉幕反射輻射強度，并以試驗結果為依據模擬了三者之間的回歸曲線（圖3，4）。結果表明，在果園地面輻射與葉幕輻射、地面輻射與葉幕反射輻射、葉幕輻射與葉幕反射輻射之間均呈顯著、極顯著相關關系：即果園地面輻射越強，葉幕太陽輻射越強；果園地面輻射越強，葉幕反射輻射越強；葉幕反射輻射越強，葉幕太陽輻射總強度越強。因此，通過樹形葉幕結構的改變增加果園地面的太陽輻射強度，能提高果園葉幕綜合光能利用率，進而提高葉幕的同化能力。

不同樹形處理的測定結果表明，與小冠疏層樹形對照相比，開心樹形處理由于果園地面太陽全波輻射和PAR輻射較高，引起葉幕相關值普遍提高，具體結果為：（1）提高了果園地面太陽輻射透射率，其迎光面地面平均太陽輻射強度達到了29.7%，地面平均PAR輻射強度也達到25.3%；而對照樹形同期的對應值分別為9.3%和5.2%。（2）優化了太陽輻射的光譜構成，使地面及葉幕反射光譜中PAR的平均比例分別比對照提高74.9%和71.0%。（3）提高了地面輻射對葉幕的反饋效率，使葉幕中反射輻射的平均比例達到葉幕總輻射36.4%，而在80～120 cm樹冠葉幕，這一比例增加到55.7%。（4）增加了葉幕層U，R/FR的平均強度，分別達到0.99%和7.4%；而對照值分別為0.39%和2.9%。

3 討論

到達果園地面的太陽輻射，除一部分被土壤吸收之外，相當一部分還以散射光的形式向葉幕層反射，因而對調節葉幕微區光環境有重要作用。以往在果樹葉幕微氣候的研究中，對葉幕中太陽輻射的消減變化給予了一定重視[9]，但對果園地面太陽輻射的變化研究較少[10-11]。本試驗在進行葉幕層輻射變化研究的同時，還對其相應的地面光譜進行了量化分析，探明了其變化規律。

果園地面太陽輻射光譜的形成，既受葉幕層光譜變化的影響，又受果園行間及株間直射光與散射光的影響[3]。因此，地面光譜變化既與葉幕層相似，同時又獨立于葉幕光譜的變化。首先，不同波長的太陽輻射在果園地面均發生了不均勻消減，但地面輻射衰減速率與葉幕不同，其中，PAR比例明顯高于葉幕。其次，地面光譜直接影響著葉幕反射光的強度及光譜變化，當地面輻射的PAR強度較高時，葉幕PAR強度及比例也相應提高。此外，葉幕光譜、地面光譜及葉幕反射光譜構成了有機整體，三者互為因果、相互促進，而地面輻射的最終作用則增加了葉幕中的輻射水平。

太陽輻射強度及光譜變化不僅影響著蘋果葉片的光合作用，同時也影響著果實的生長發育及品質構成。因此，果樹葉幕微氣候的研究中如何調節葉幕層適宜的輻射強度，維持合理的果園光能截獲率，形成有利于光合作用及品質發育的微區光環境，已成為果樹栽培與生理研究中密切關注的研究領域[12，2]。為了改善果實經濟產量和品質，一方面要求葉幕獲取盡可能多的太陽輻射，另一方面，則要求通過葉幕結構的改善，使葉幕截獲的太陽輻射在葉幕層中有比較合理的分配，在適宜的微區光環境下提高光合效率[4，8]。

以往的研究表明，要維持蘋果優質生產，保證優質花芽分化，通常需要維持30%左右的太陽輻射透射率[2]。在桃樹上，要維持75%～80%的短枝成花，其果園地面PAR的透射約為27%，即要求在整個葉幕中保留15%左右的葉幕空隙（即暴露的天空）[13]。本試驗中，通過開心樹形在葉幕水平方向提干、落頭等整形修剪處理，對原有的小冠樹形的葉幕厚度進行了壓縮和上移，實現了果園地面與葉幕層太陽輻射的均勻分配與經濟利用，在維持葉幕水平寬度不變的條件下，減緩了太陽輻射在葉幕層中的消減速率，使迎光面地面平均太陽輻射強度達到了29.7%，與以往的研究結果基本吻合[14]；同時地面輻射中PAR強度也由對照的9.3%增加到25.3%，形成了有利于葉幕同化能力提高的光照環境。此外，葉幕中U與R/FR輻射強度的增加，是地面輻射的結果，還是葉幕光合作用光譜變化的結果，還需要進一步研究證實。

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