蘋果花生間作系統土壤水分動態及主要競爭區域

王 丹，畢華興,2,3，許華森，蔡智才，常譯方，陳 王月

(1.北京林業大學 水土保持學院， 北京 100083； 2.山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站， 北京 100083；3.北京林果業生態環境功能提升協同創新中心， 北京 102206； 4.中國農業大學 資源與環境學院， 北京 100094)

黃土高原自然環境惡劣，是我國典型的生態脆弱區。而果農間作系統作為生態農業的主要形式之一，可提高當地土地利用效率，減少水土流失，增加經濟收入，被當地農民廣泛應用。果農間作系統中果樹和農作物共享資源，必然會引起競爭。主要包括地上部分光的競爭[1-3]和地下部分土壤水分[4-9]、養分[10-12]的競爭。黃土高原是我國雨養農業區之一，果樹根系和農作物根系生態位重疊，土壤水分競爭比較激烈，特別是土壤水分不能同時滿足果樹和農作物生長發育需要。因此土壤水分的吸收、利用關系是提高經濟效益、生態效益的關鍵因素。目前，果農間作系統中土壤水分的研究主要集中在土壤水分分布、土壤水分分布與根系的關系以及土壤水分含量與作物產量的關系等。廖文超[4]研究發現不同樹齡蘋果-大豆間作系統土壤水分競爭程度不同，且隨著樹齡增長，大豆的生物量和產量逐漸減少。高路博[5]研究得出蘋果-大豆間作系統中大豆開花期耗水量最大，大豆苗期、開花期和結莢期土壤水分皆表現為負效應；高路博[6]還提出蘋果-大豆間作系統中土壤水分競爭對大豆的生長發育造成較大影響。但關于果農間作系統中土壤水分含量的動態變化規律以及土壤水分的主要競爭區域方面的研究則較少。本文以晉西黃土區的蘋果-花生間作系統為研究對象，對土壤水分含量進行定位監測，利用移動窗口法等對土壤水分數據進行分析，分析蘋果-花生間作系統在花生的4個生育期(苗期、開花期、結莢期和成熟期)土壤水分的動態變化規律以及土壤水分的主要競爭區域和競爭寬度，探討該地區蘋果-花生間作系統土壤水分利用策略，以期為晉西黃土區果農間作系統的高效可持續經營提供理論依據，提高果農間作系統的經濟效益、生態效益和社會效益。

1 研究區概況

研究區位于山西省吉縣，地理坐標為東經35°53′10″～36°21′02″、北緯110°27′30″～111°07′20″，屬于典型的黃土高原殘塬溝壑區。吉縣土壤以褐土為主，黃土母質，土層深厚。吉縣處于暖溫帶大陸性季風氣候區，日照時數2 538 h，大于10℃的有效積溫3 361.5℃。年均無霜期172 d，年均氣溫10.2℃，年均日較差11.5℃。年均降水量522.8 mm，4—10月降水量占全年降水量的90%以上，降水具有季節性變化。果農間作系統中主要經濟林樹種包括蘋果(Maluspumila)、核桃(Juglansregia)等，主要農作物包括大豆(Glycinemax)、花生(Arachishypogaea)、谷子(Setaria)等。據吉縣政府統計，截止到2013年，山西吉縣蘋果栽植面積達1.87萬公頃，占耕地總面積的84.8%，是當地農民經濟的主要來源之一。

2 研究方法

2.1 試驗布設與土壤水分監測

根據晉西黃土區果農間作的經營特點以及實際情況，在山西省吉縣東城鄉柏東村蘋果示范園內建立蘋果-花生間作系統試驗區。試驗區蘋果樹種植于2009年，品種為矮化富士，樹齡為6 a，株行距為4 m×5 m，樹行走向為東西向。花生播種于2015年5月7日，品種為海花1號，株行距為0.3 m×0.4 m，兩個樹行之間共種植8行花生，距樹1.1 m處為第一行。本試驗設3個面積均等的試驗小區作為試驗重復，每個試驗小區面積240 m2，含4行果樹及間作花生。作物單作試驗樣地不再劃分試驗小區。具體監測樣點布設如圖1所示，以中央蘋果樹帶為中心，從南至北布設樣線，樣線與蘋果樹行垂直。以蘋果樹下為第一個樣點，每隔0.2 m取一個樣點，直到另一個樹行，每條樣線布設26個取樣點。每個試驗小區布設3條重復樣線，共布設9條樣線進行土壤水分的監測。花生單作樣地按照S形布設5個監測樣點。2015年花生苗期(6月15日)、開花期(7月21日)、結莢期(8月19日)和成熟期(10月11日)，在各監測點采用土鉆法取土，10 cm為一層，取土深度60 cm，采用土鉆取土烘干法測定土壤水分含量。在播種花生前(5月6日)和收獲花生后(10月15日)對每個試驗小區隨機選擇10棵蘋果樹進行每木檢尺，結果如表1所示。所有試驗小區生產管理措施相同，全年無灌溉。

表1 試驗區的基本情況 Table 1 Basic data of the observed site

圖1 試驗區土壤水分取樣布設

Fig.1 Schematic diagram for soil moisture sampling of the observed site

2.2 數據處理

2.2.1 土壤水分效應 在果農間作系統中，果樹和農作物根系生態位有一定程度的重疊，對土壤水分進行競爭；另一方面，果樹通過遮陰作用降低土壤水分蒸發，且果樹根系具有提水作用[13-14]，導致深層土壤水分有一定程度提升。本文利用土壤水分效應衡量果農間作系統對0～60 cm土層土壤水分產生的影響，計算公式如下：

E=(M-Md)/Md×100%

式中，E為土壤水分效應；M為蘋果-花生間作系統中0～60 cm土層土壤水分含量；Md為花生單作土壤水分含量。當E是正數時，蘋果-花生間作系統有益于0～60 cm土壤水分含量的提升，顯示為正效應；反之，當E是負數時，顯示為負效應。

2.2.2 移動窗口法 主要采用移動窗口法[15]判定蘋果-花生間作系統的主要競爭區域和競爭寬度，判定原理如圖2所示：將一個窗口平均分割成兩個半窗口，利用歐氏距離的平方計算比較兩個半窗口的相異性，按順序將窗口向右側移動一個取樣點，再計算兩個半窗口的相異性，直到窗口包含最后一個樣點。利用歐氏距離的平方計算相異性的公式如下：

式中，SED是歐氏距離的平方；b是兩個半窗口的中點；k是樣點的變量數；X是一個半窗口的均值；m和n分別為兩個半窗口；w是窗口的寬度。

圖2 移動窗口法原理示意圖

Fig.2Schematicdiagramofmovingsplitwindowtechniques

以樣點位置為橫坐標，歐氏距離的平方為縱坐標作圖。當曲線變化趨于穩定，有兩個明顯的波峰，通過半波峰法根據峰值所在的位置和峰寬可以有效地判定蘋果-花生間作系統土壤水分的影響域和影響寬度。影響域范圍內表示距離中心林帶不同距離處土壤水分含量差異較大，果樹與農作物之間的競爭比較激烈，為果農間作系統土壤水分的主要競爭區域。

2.3 數據分析

對土壤水分含量進行統計，采用R語言和Excel2010進行數據統計，對花生各生育期蘋果-花生間作系統土壤水分含量進行差異性分析和多重比較，并運用歐式距離的平方判定土壤水分的主要競爭區域。

3 結果與分析

3.1 土壤水分時間動態變化

圖3為蘋果-花生間作系統2015年花生苗期、開花期、結莢期、成熟期0～60cm土層土壤水分含量的動態變化。從圖3可知，蘋果-花生間作系統土壤水分含量總體較低，4個生育期均未超過20%。通過方差分析和多重比較，蘋果-花生間作系統在花生苗期、開花期、結莢期和成熟期土壤水分含量顯著差異。苗期和成熟期土壤水分含量相對較高，最高點出現在成熟期，達18.00%。開花期和結莢期土壤水分含量較低，最低點出現在開花期，為4.39%。可見，晉西黃土區蘋果-花生間作系統在花生不同生育期土壤水分狀況差異顯著，經過雨季和土壤水分恢復期，花生成熟期的土壤水分含量明顯高于其他三個生育期。

圖3 蘋果-花生間作系統土壤水分狀況

Fig.3Thesituationofsoilmoistureinapple-peanutintercroppingsystem

3.2 土壤水分水平動態變化

變異系數可以衡量組內參數的變異程度，變異系數在0～0.1之間為弱變異程度，0.1～1.0之間為中等變異程度，1.0以上為強變異程度。對蘋果-花生間作系統花生苗期、開花期、結莢期和成熟期的土壤水分變異程度進行分析(表2)可知，蘋果-花生間作系統在花生苗期、開花期土壤水分處于中等變異程度，結莢期和成熟期處于弱變異程度。這說明土壤水分含量在距樹不同距離處分布不均衡，特別是花生苗期和開花期。然而，花生各生育期土壤水分含量水平變化規律較為相似(圖3)，以距樹南北兩側各2.5m(樹行中間)為分界線，左右兩邊土壤水分含量變化規律相似，隨著距樹距離越遠，土壤水分含量先降低再升高，最低點出現在距樹1.2m左右。出現此規律的原因可能是本試驗距樹1.1m開始種植第一行作物，使距樹較近區域土壤水分競爭不激烈。在距樹2.5m附近，土壤水分含量比較穩定，沒有劇烈變化。其中，花生成熟期雖然也具有以上規律，但是距樹不同距離處的土壤水分含量變化較小。

表2 蘋果-花生間作系統在花生的不同 生育期土壤水分變異性Table 2 The variability of soil moisture in different phenophasesof peanut in apple-peanut intercropping system

3.3 土壤水分主要競爭區域

對蘋果-花生間作系統的土壤水分效應分析發現，與花生單作比較，在花生苗期、開花期、結莢期和成熟期土壤水分皆呈現出負效應。各個生育期，土壤水分效應的平均值分別是-25.16%、-20.26%、-12.97%和-11.13%，蘋果-花生間作系統各生育期對0～60cm土層土壤水分含量整體表現為降低作用。與高路博[16]得出的晉西黃土區蘋果-花生間作系統土壤水分整體表現為負效應的結論一致。這說明晉西黃土區蘋果-花生間作系統中蘋果樹和花生主要呈現出競爭關系。

采用移動窗口法對蘋果-花生間作系統土壤水分的主要競爭區域進行分析。在花生苗期，當窗口寬度為4、6、8、10、12、14、16時，曲線波動較大，波峰太多，主要波峰位置不明顯，無法定量判定土壤水分的主要競爭區域和競爭寬度。由圖4可知，當窗口寬度為2時，曲線變化趨于穩定，有兩個明顯且穩定的波峰，即當窗口寬度為2時，可以有效地判定蘋果-花生間作系統中花生苗期土壤水分的主要競爭區域和競爭寬度。蘋果-花生間作系統土壤水分的相異性較大，曲線在SED6和SED19有兩個明顯的波峰，峰寬分別是SED4-SED10和SED16-SED21，通過半波峰法可以判定蘋果-花生間作系統中花生苗期土壤水分的主要競爭區域為距樹南側0.8～2.0m和距樹北側0.8～1.8m，競爭寬度分別為1.2m和1m。與花生苗期相同，當窗口寬度為2時，蘋果-花生間作系統在花生開花期曲線有兩個明顯且穩定的波峰，可以判定該生育期土壤水分的主要競爭區域和競爭寬度。由半波峰法可知，土壤水分的主要競爭區域是距樹南側0.8～1.8m和距樹北側1～2m，競爭寬度皆為1m。在花生結莢期，窗口寬度為2時，在SED6和SED19有兩個明顯且穩定的波峰，可以有效地辨析土壤水分的主要競爭區域。主要競爭區域是距樹南側0.8～1.8m和距樹北側0.8～1.6m，競爭寬度分別是1m和0.8m。與上述花生的三個生育期相同，當窗口寬度為2時，可以有效地判定蘋果-花生間作系統花生成熟期土壤水分的主要競爭區域。曲線在SED7和SED18有兩個明顯且穩定的波峰，由此判定該生育期土壤水分的主要競爭區域是距樹南側0.8～1.6m和距樹北側0.8～1.8m，競爭寬度分別為0.8m和1m。

圖4 蘋果-花生間作系統在花生苗期(A)、開花期(B)、結莢期(C)、成熟期(D)土壤水分的相異性

Fig.4Thedissimilarityofsoilmoistureforseedlingstage(A),floweringstage(B),bearingpodstage(C)andmaturestage(D)ofpeanutinapple-peanutintercroppingsystem

從結果分析可知，蘋果-花生間作系統在花生苗期土壤水分的主要競爭區域寬度最大，為2.2m；結莢期和成熟期的主要競爭區域寬度最小，皆為1.8m。這說明花生苗期土壤水分競爭最為激烈，其次是開花期，競爭最平緩的是結莢期和成熟期。由圖4可知，在花生苗期，土壤水分含量水平相異性最大，明顯大于開花期、結莢期和成熟期，且成熟期土壤水分的相異性最小。這主要是因為在花生苗期果樹和花生處于迅速生長時期，消耗水分較多，土壤水分競爭最為激烈。在花生開花期和結莢期，果樹和花生消耗水分較少，競爭得到一定程度緩解，導致成熟期距樹不同距離處土壤水分差異越來越不明顯。

4 討 論

田陽[9]、高路博[5-6]、廖文超[4]等研究表明晉西黃土區主要果農間作系統蘋果-花生間作系統、蘋果-大豆間作系統、核桃-花生間作系統、核桃-大豆間作系統、核桃-谷子間作系統0～60cm土層土壤平均水分含量最高值是19.63%。本研究中蘋果-花生間作系統在花生苗期、開花期、結莢期和成熟期土壤水分含量的最高值為18.00%，出現在成熟期(雨季后)。這說明晉西黃土區果農間作系統土壤水分含量整體較低，均未超過20%。

在花生苗期、開花期、結莢期和成熟期，土壤水分含量的水平變異規律相似，以距樹南北兩側2.5m為分界線，隨著距樹越遠，土壤水分含量先降低再升高，最低點出現在距樹1.2m。距樹南北兩側2.5m附近土壤水分含量基本無變化。田陽[9]、高路博[5]等研究表明蘋果-花生間作系統隨著距樹距離越遠，土壤水分含量先增加后減少，最低點出現在距樹0m。這主要是因為本研究中距蘋果樹1.1m處開始種植花生，一定程度上緩解了樹下土壤水分的競爭。

5 結 論

與花生單作相比，4個生育期土壤水分皆顯示為負效應，即間作系統中蘋果樹和花生在0～60cm土層對土壤水分整體表現為競爭作用。花生苗期土壤水分競爭最為激烈，該時期土壤水分含量處于中等變異程度；主要競爭區域達2.2m，分別為距樹南側0.8～2m和距樹北側0.8～1.8m。開花期土壤水分競爭仍然較為激烈，主要競爭區域為距樹南側0.8～1.8m和距樹北側1～2m，競爭寬度為2m。結莢期和成熟期土壤水分競爭得到一定程度緩解，距樹不同距離處的土壤水分含量處于弱變異程度，競爭寬度皆為1.8m。晉西黃土區，土層深厚，且地下水埋藏很深，果農間作系統全年無灌溉，土壤水分的主要來源為降雨。建議苗期和開花期在間作系統中土壤水分的主要競爭區域進行薄膜覆蓋或者植物秸稈覆蓋，減少土壤水分蒸發；同時根據地勢建設雨水集蓄工程，對降雨進行富集，引導雨水到土壤水分的主要競爭區域，從而提高降雨生產力，增大蘋果-花生間作系統經濟效益。

本文研究了不同生育期土壤水分的水平動態變化規律以及土壤水分的主要競爭區域。但土壤水分主要競爭區域與植物根系的關系、植物根系分布與植物土壤水分利用能力的相互影響關系以及蘋果農作物與間作系統的耗水規律等需要深入研究。

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