晉西黃土區果農間作光競爭研究

田 陽，云 雷，畢華興，王莉莉，陳金煥，高路博，王寶寶，楊佳奇

（1.北京林業大學 水土保持學院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室 山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站，北京100083；2.水利部水土保持監測中心，北京100055；3.林木育種國家工程實驗室，北京100083）

黃土高原是中華民族的發祥地，但對這一地區森林的破壞，使得該地區生態環境脆弱，水土流失嚴重。農林復合經營作為治理黃土高原的一項主要措施和有效途徑被廣泛應用。果農間作是晉西黃土區開發的主要模式之一，特別是國家實行退耕還林政策以來，大量坡耕地改種為具有較高經濟價值的果樹，使得果農間作模式不斷被推廣。但在半干旱半濕潤的晉西黃土區，果農間作不得不面對一個重要難題——種間競爭，如何有效減少競爭，提高土地生產力，增加農民經濟效益越來越成為人們，特別是當地農民關注的焦點。當前，已有大量有關農林復合系統水分競爭方面的研究［1－9］，但光競爭 的研究 較少［10－12］。系統分析農林復合系統的光照分布特征，是發展和完善農林復合經營，保證其可持續發展的重要前提。本文以晉西黃土區具有代表性的核桃（Jugl ans regia）、蘋果（Mal us pu mil a）、花 生 （Archis hypogaea）、大 豆（Gl ycine max）所組成的4種果農間作模式為研究對象，通過對其相對日照總量（KST）、光合有效輻射（PAR）、凈光合速率（Pn）等指標進行研究，旨在為該地區間作系統光分布模型的建立，光生態特征分析等提供一定基礎資料，也為該地區土地資源合理利用和農林復合經營的可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于山西省吉縣東城鄉雷家莊（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。年平均降雨量在580 mm左右，降水量季節分配不均，降雨集中在7—9月，占全年降水量的70%左右。該地區春季干旱多風，氣候回升快，晝夜溫差大，年均氣溫10℃，年均日照時數2 740 h，無霜期175 d左右。土壤屬黃土母質，土層深厚，土質均勻。東城鄉雷家莊是全國優質果品生產基地、農業部無公害農產品生產地，該地區果樹以核桃、蘋果為主。

2 研究方法

2.1 試驗設計

選取當地主要果樹類型——核桃（晉豐）、蘋果（紅富士）以及典型作物花生（晉花4號）、大豆（晉豆36號）為研究對象。核桃和蘋果均始栽植于2000年，果樹行間內種植花生、大豆（同一樹行南北兩側種植相同作物），果樹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，平均樹高4.2 m，冠幅半徑2.1 m；蘋果株行距為3.0 m×4.0 m，平均樹高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，并設置單作花生和大豆作為對照，無論間作還是單作，作物的株行距及管理方式一致。核桃樹行與花生、大豆距離均為1 m，而蘋果樹行與二者的距離均為2 m。

2.2 光照強度與光合作用

光照強度測點布設與測定：在核桃—農作物和蘋果—農作物間作中，選出標準木，以核桃間作為例，以核桃樹下測點為中心，以4 m為半徑作出圓形測區范圍，以中心為起點，正北方向為起始方向，將此圓形測區范圍沿順時針等分為8個方向（即相鄰方向之間的角度為45°），每個方向上布設測點，測點之間的距離為0.5 m，即共有65個測點；蘋果間作的測點布置與此相同，距離間作模式不遠處的空曠場地設為對照。選擇晴朗無云的天氣，利用手持光量子計測定各測點的光照強度。測定時間為8：00—18：00，每2 h測定1次。

將光合作用測點布設與測定：由于核桃和蘋果果樹的株行距的差異，二者光合作用測點布設并不完全一致：在核桃間作中，以選擇的核桃樹行為中心，在距核桃樹行南北兩側分別以1.5 m，2.5 m和3.5 m作為兩種作物的觀測點，每種間作模式選擇作物18株（圖1）；蘋果間作在距蘋果樹干東西兩側以2 m作為兩種作物的觀測點，每種間作模式選擇作物6株。單作對照花生、大豆按照“S”形各選取5株。選擇與測定光照強度相同的天氣，利用光合測定系統（Licor-6400）測定花生、大豆的凈光合速率（Pn，μmol／（m2·s）、光合有效輻射（PAR，μmol／（m2·s），測定時間為8：00—18：00，每2 h測定1次。每株選取生長狀況良好的標準葉3片，每個指標測定3個重復，每個重復記錄3個數據，然后取平均值。

圖1 核桃－農作物間作光合作用監測試驗布設

取樣時間：2009年作物的典型物候期（花生結莢期和大豆結莢期）。

2.3 數據處理

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

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

數據處理主要是使用Excel 2003，SPSS 15.0，Surfer 8.0等統計、繪圖軟件。

3 結果與分析

3.1 林下的光照強度分布

圖2 間作模式林下輻射百分比強度的分布

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

這主要與兩種間作模式的果樹配置有關（株行距不同），核桃—農作物間作的林木群體結構類似于疏散型，樹行上能保持較大空隙的樹冠間的透光，雖然樹的行距小于日出或日落最長樹影的長度（經測量），但在農作物生長的主要光照時間內，同一樹行相鄰樹木蔭影不會發生重疊。比較而言，蘋果—農作物間作的林木群體結構更類似于緊密型，林下作物不僅受到同一行內臨近樹木蔭影的影響，還會受到臨近樹行由于太陽斜射所產生的蔭影影響。所以核桃間作作物的遮蔭區域是單株樹木遮蔭區域的加和（無多重遮蔭影響），遮蔭程度相對較輕；蘋果間作作物的受到多重遮蔭的影響，群體遮蔭區域時間較長，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呈“雙峰型”曲線外，其它測點處花生和大豆的光合有效輻射日變化均為單峰型曲線，并且波峰值出現在中午12：00；花生、大豆的光合有效輻射強度從小到大依次為距核桃1.5 m、距蘋果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定位置果樹對作物的遮蔭影響所導致的。

3.3 間作模式農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與大豆也具有一定的相似性（圖4）：在蘋果間作中，花生的凈光合速率變化趨勢與大豆一致，均呈現“單峰型”曲線（波峰值出現在中午12：00）；在核桃間作中，花生、大豆的凈光合速率變化趨勢均呈現“雙峰型”曲線，但核桃間作中花生凈光合速率日變化出現峰值的時間是10：00和14：00，而大豆凈光合速率日變化出現峰值的時間是10：00和16：00；間作作物的凈光合速率同樣表現為距離果樹越遠，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出較為明顯的“午休”現象［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，主要是由果樹遮蔭，光合有效輻射降低造成的。而在蘋果間作中，兩種作物均沒有出現明顯的“午休”現象，這可能主要是由蘋果樹對作物的遮蔭造成的。

圖4 不同間作模式下凈光合速率的日變化

3.4 間作系統光效應

根據公式（2）計算間作系統光效應，得出蘋果—花生、核桃—花生、蘋果—大豆和核桃—大豆四種間作模式的光效應值分別為－26.39%，－16.62%，－21.89%和－18.12%，即4種間作模式均為負效應，說明果樹對農作物存在光競爭。針對同一種作物而言，光效應值表現為：核桃—花生＞蘋果—花生，核桃—大豆＞蘋果—大豆，說明蘋果對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于蘋果間作模式，這也與前面林下光照強度得出的結果相吻合。

4 結論

（1）在核桃間作中，花生、大豆的遮蔭區域是單株核桃樹遮蔭區域的加和（無多重遮蔭影響），遮蔭程度相對較輕；在蘋果間作中，花生、大豆的遮蔭區域受到多重遮蔭的影響，地面的受光相對有限，群體遮蔭區域的時間段相對較長，遮蔭程度相對較重，整個區域內的相對日照總量僅為33%。

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

（3）引入光效應量化果樹對作物的影響程度，四種間作模式的光效應具體表現為核桃—花生（－16.62%）、核桃—大豆（－18.12%）、蘋果—花生（－26.39%）和蘋果—大豆（－21.89%），均為負效應，表明果樹對作物存在光競爭，相對而言，核桃對作物光的影響要小于蘋果對作物光的影響。

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