棗麥間作系統中冬小麥冠層光合有效輻射時空窗影響因素研究

王世偉，潘存德，張翠芳，李 星，郭佳歡

(新疆農業大學林學與園藝學院/新疆教育廳干旱區林業生態與產業技術重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】林農間作系統是對土地資源和光照資源進行充分利用的人工生態立體型農業系統[1-2]。林農間作緩解了“林農爭地的矛盾”，在有限的宜耕土地上實現對光、熱、水、肥等資源的最大利用，而且可以改善間作系統內的小氣候，提高土壤保肥和防侵蝕的能力，提高單位面積土地的生產效益，增加農民收益[3-4]。然而間作系統內林木與間作物因共享同一時空的資源，導致生態位交疊，不同組分之間會產生資源競爭。由于地下資源(水、肥)的可流動性為間作系統內各組分對地下資源的利用提供了保證[5-6]，而光照是間作系統中物質循環和能量流動的基礎，因間作系統內光照不足和光質下降所導致的間作物生長發育受阻和根系吸收水肥能力下降是間作系統發生不利競爭的關鍵因素[7-8]。【前人研究進展】許多研究表明，間作系統內林木與間作物之間的距離直接影響間作系統內各組分對光照的競爭[9-10]。在新銀合歡(Leucaenaleucocephala)與玉米(Zeamays)間作系統中，樹干與玉米之間的距離越遠，各組分之間因生態位交疊減少對光能的競爭就越弱，玉米產量上升[11]；南酸棗與花生間作系統中南酸棗帶行與花生之間的距離越大，間作系統內南酸棗樹冠投影面積占間作區域面積的比例越小，花生冠層截獲的光能越多，花生產量越高[12]。還有研究表明，林農間作系統中光照還受其它諸多因素影響，例如，太陽高度角升高造成日光直射光與散射光比較升高，林木冠層對散射光的攔截變強，從而導致間作系統內光照減少[13]；在泡桐與農作物間作系統中，南北行向栽植的林木間作系統內遮陰面積占間作巷道面積比例較大，而東西行向栽植的林木間作系統內遮陰面積較小，但遮陰時間較長[14]；另外，南酸棗和花生間作系統內林木的冠層冠幅影響間作巷道內遮陰面積，從而影響花生的產量[12]；速生白楊與農作物間作系統中，樹高較大的速生白楊樹體對光的攔截能力強；間作系統中林木樹體越密，葉面積指數越大，間作物冠層所截獲的光能就越少[15]。【本研究切入點】新疆豐富的光熱資源孕育了以棗為主的特色林果產業，并且棗樹多與糧棉等農作物間作，如何兼顧間作系統內棗樹與間作物的高效栽培是新疆棗產業可持續發展的關鍵問題。【擬解決的關鍵問題】本研究以棗與冬小麥間作系統為研究對象，通過分析間作系統內冬小麥冠層光合有效輻射時空窗及其影響因子時節動態變化的相關性，旨在明確影響棗麥間作系統冬小麥冠層光合有效輻射時空窗大小的主要因子，為棗樹與冬小麥間作系統的光環境管理和優化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年在新疆林業科學院佳木良種試驗站(41°11′06.31′′～41°12′47.74′′N、79°12′12.76′′～79°13′57.87′′E)棗麥間作生產園中進行。園內棗樹品種為灰棗(Z.jujuba‘Huizao’)，與冬小麥‘新冬20號’間作。棗樹樹齡6～8年，樹勢中庸，棗樹栽植株行距分別為1 m×2.5 m、1 m×3 m、2 m×3 m、2 m×4 m、3 m×4 m，南北行向栽植。冬小麥機條播，行距15 cm，有效株數6.9×106株/hm2。

1.2 樣地選擇

選取棗樹栽植株行距1 m×2.5 m、1 m×3 m、2 m×3 m、2 m×4 m、3 m×4 m的棗麥間作生產園作為試驗樣地，每種株行距選取3個樣地作為重復，共計15個間作樣地。樣地內棗樹南北行向栽植，林相整齊，無病蟲害。

1.3 數據采集

在選定的樣地中選擇樹體大小一致、位置相對的2株棗樹建立1條樣線，樣線上每隔50 cm選擇1個測點，1塊樣地內選擇9條樣線作為重復。自2015年3月份起，于冬小麥播種后的125 d(分蘗期)、155 d(拔節期)、170 d(抽穗期)、180 d(揚花期)、190 d(灌漿期)和210 d(成熟期)，采用美國Li-COR公司生產的LI-191型線狀量子傳感器測定各樣地中冬小麥冠層光合有效輻射(PAR)。測定時間為上午10:00至下午19:00，每小時測定1次。以同一時間段內空曠地帶上的PAR作為對照(CK)；同時采用美國Li-COR公司生產的LAI-2200型冠層分析儀，使用45°鏡頭蓋遮擋鏡頭測定樣地中棗樹的葉面積指數(LAI)和透光率(Tr)。分別采用皮尺和花桿測量樣地內棗樹的冠幅和樹高。

1.4 數據處理

間作樣地內冬小麥冠層光合有效輻射時空窗計算方法參照王世偉[16]的方法，太陽高度角的計算方參照張小全[17]的方法。

1.5 數據分析

采用形象分析法[18]對不同株行距間作樣地內太陽高度角、光合有效輻射時空窗、棗樹樹高、冠幅、葉面積指數和透光率的時節變化進行差異檢驗，包括形象平行檢驗、重合檢驗和水平檢驗。

采用逐步回歸分析法，以冬小麥冠層飽和、非飽和和無效PAR時空窗為因變量(Y)，以太陽高度角(X1)、棗樹樹高(X2)、冠幅(X3)、葉面積指數(X4)、透光率(X5)和棗樹栽植株行距(株距2+行距2)1/2(X6)6元二次多項式的非常數項為自變量，以確定冬小麥不同生育期的飽和、非飽和與無效PAR時空窗與其它因子之間的關系，使用偏相關分析法確定PAR時空窗與主要影響因子間的決定系數。

數據整理采用Microsoft Excel 2003，繪圖采用Sigmaplot 10.0；統計分析采用SPSS19.0。

2 結果與分析

2.1 間作巷道內冬小麥冠層光合有效輻射時空窗時節變化

棗與冬小麥間作樣地內冬小麥冠層飽和PAR時空窗大小隨冬小麥生育期的推移均呈先降后升的趨勢。形象分析結果表明5種株行距間作系統中冬小麥冠層飽和PAR時空窗形象既不平行也不重合(0.00

圖1 間作冬小麥不同生育時期冠層光合有效輻射時空窗形象分析Fig.1 The photosynthetic active radiation (PAR) space-time window profiles of the winter wheat canopy in the system of jujube-wheat intercropping at different growing stages

2.2 間作巷道內各影響因子時節變化

太陽高度角的變化會直接影響棗樹遮陰范圍的大小進而影響間作系統內冬小麥冠層PAR的截獲量，最終影響冬小麥冠層PAR時空窗的大小。不同株行距間作系統內太陽高度角隨冬小麥生育期的推移均逐漸上升的趨勢。形象分析結果表明5種株行距間作系統中太陽高度角形象重合(0.09

間作系統中樹冠葉面積指數是間作系統內間作物冠層截獲光能的直接影響因素，進而影響著間作系統的整體生產力。不同株行距間作巷道內棗樹的葉面積指數隨冬小麥生育期的推移均呈逐漸上升的趨勢。形象分析結果表明5種株行距間作系統中棗樹葉面積指數形象既不平行(0.00

圖2 間作冬小麥不同生育時期各影響因子形象分析圖Fig.2 The profiles of factors in the system of jujube-wheat intercropping at different growing stages

2.3 影響因子與冬小麥冠層光合有效輻射時空窗的相關性

棗與冬小麥間作系統中，影響因子對不同生育時期冬小麥冠層飽和PAR時空窗的大小影響不同。在分蘗期(播種后125 d)和拔節期(播種后155 d)，太陽高度角的回歸系數(r=0.948，r=0.923)的顯著性檢驗分別為P=0.01和P=0.03，顯示太陽高度角對冬小麥分蘗期(播種后125 d)和拔節期(播種后155 d)冠層飽和PAR時空窗的影響顯著；在冬小麥抽穗期(播種后170 d)，太陽高度角和棗樹樹高的回歸系數(r=0.981，r=-0.946)的顯著性檢驗分別為P=0.01和P=0.03，顯示太陽高度角和樹高對冬小麥抽穗期(播種后170 d)冠層飽和PAR時空窗大小的影響分別表現為顯著正相關和顯著負相關；在冬小麥揚花期(播種后180 d)，太陽高度角、棗樹冠幅、葉面積指數的回歸系數(r=0.520，r=-0.592，r=0.696)的顯著性檢驗分別為P=0.05，P=0.04和P=0.03，表明冬小麥揚花期(播種后180 d)冠層飽和PAR時空窗與太陽高度角和葉面積指數顯著正相關，與棗樹冠幅顯著負相關；對灌漿期(播種后190 d)和成熟期(播種后210 d)，棗樹葉面積指數(r=0.520，r=0.592)、透光率(r=0.520，r=-0.592)和棗樹冠幅(r=0.520，r=-0.592)進行回歸系數的顯著性檢驗，顯示冬小麥灌漿期(播種后190 d)和成熟期(播種后210 d)冠層飽和PAR時空窗大小與葉面積指數和透光率顯著正相關(P<0.05)，與棗樹冠幅顯著負相關。間作系統中棗樹栽植株行距(株距2+行距2)1/2(X6)對冬小麥整個生育期冠層飽和PAR時空窗的影響不顯著。

影響因子對冬小麥不同生育時期冬小麥冠層非飽和PAR時空窗的大小影響不同。在分蘗期，太陽高度角的回歸系數(r=0.809)的顯著性檢驗為P=0.04，顯示太陽高度角對冬小麥分蘗期(播種后125 d)冠層非飽和PAR時空窗大小的影響顯著；在拔節期(播種后155 d)，太陽高度角和株行距的回歸系數(r=0.973，r=0.932)的顯著性檢驗分別為P=0.01和P=0.04，顯示太陽高度角和株行距對冬小麥拔節期(播種后155 d)冠層非飽和PAR時空窗的影響顯著；對抽穗期(播種后170 d)、揚花期(播種后180 d)和成熟期(播種后210 d)，太陽高度角(r=0.997、r=0.997、r=0.996)和透光率(r=-0.992，r=-0.987，r=-0.993)的回歸系數進行顯著性檢驗，顯示冬小麥抽穗期(播種后170 d)、揚花期(播種后180 d)和成熟期(播種后210 d)冠層非飽和PAR時空窗大小與太陽高度角呈顯著正相關(P<0.05)，與透光率呈顯著負相關；在灌漿期(播種后190 d)，太陽高度角和株行距(株距2+行距2)1/2(X6)的回歸系數(r=0.996，r=0.989)的顯著性檢驗分別為P=0.00和P=0.00，顯示太陽高度角和株行距對冬小麥灌漿期(播種后190 d)冠層非飽和PAR時空窗的影響顯著。

表1 冬小麥冠層PAR時空窗與影響因子的相關性

影響因子對冬小麥不同生育時期冬小麥冠層非飽和無效PAR時空窗的大小影響不同。在分蘗期，棗樹樹高與株行距的回歸系數(r=0.853，r=-0.910)的顯著性檢驗分別為P=0.10和P=0.05，顯示冬小麥分蘗期(播種后125 d)冠層無效PAR時空窗與棗樹樹高顯著正相關，與株行距顯著負相關；對拔節期(播種后155 d)、抽穗期(播種后170 d)和揚花期(播種后180 d)，太陽高度角(r=0.917、r=0.934、r=0.992)和葉面積指數(r=0.969、r=0.947、r=0.981)進行回歸系數的顯著性檢驗，顯示太陽高度角和葉面積指數對冬小麥拔節期(播種后155 d)、抽穗期(播種后170 d)和揚花期(播種后180 d)冠層無效PAR時空窗的影響顯著(P<0.05)；對灌漿期(播種后190 d)，太陽高度角、棗樹樹高和葉面積指數的回歸系數(r=0.997、r=0.955和r=0.950)的顯著性檢驗分別為P=0.01，P=0.01和P=0.02，顯示太陽高度角、棗樹樹高和葉面積指數對冬小麥灌漿期(播種后190 d)冠層無效PAR時空窗大小的影響顯著；對成熟期(播種后210 d)，太陽高度角、葉面積指數和透光率的回歸系數(r=0.981、r=0.933和r=-0.897)進行顯著性檢驗，表明冬小麥成熟期(播種后210 d)冠層無效PAR時空窗與太陽高度角和葉面積指數顯著正相關，與透光率顯著負相關(P<0.05)。

3 討 論

林木與農作物間作系統內林冠層投影面積(遮陰)是影響間作物冠層截獲光能的直接因素。因此，影響間作系統內遮陰的因素都會影響間作物冠層光合有效輻射時空窗的大小。太陽高度角是影響林農間作系統中林冠層遮陰面積的主要因素，有研究表明隨著太陽高度角的增大，間作系統內林冠投影面積減小，重復遮陰面積也減小。本研究結果表明，在冬小麥生長發育過程中，棗麥間作系統中太陽高度角呈逐漸增大的趨勢，回歸分析結果表明冬小麥冠層飽和、非飽和PAR時空窗與太陽高度角顯著正相關。間作巷道內棗樹投影距離樹干越來越近，遮陰范圍逐漸減小，樹行之間重復遮陰范圍不斷減小，棗樹冠層內部透射光斑輻射強度增加，陰影透明度升高。這說明太陽高度角的改變導致棗樹在間作巷道內的遮陰的時間長度與遮陰面積改變，最終引起冬小麥冠層PAR時空窗變化。

在核(桃)-小麥[19]、杏-丹參[20]和杏-苜蓿[21]間作系統中的研究結果表明，林木測樹因子(樹高、基徑、冠幅)和林木株行距通過對光能的截獲影響間作巷道內林冠投影的形狀和面積[22]。本研究結果表明，棗樹栽植株行距及其樹高和冠幅與冬小麥不同生育時期冠層飽和PAR時空窗大小顯著相關，隨著株行距增大，冬小麥冠層飽和、非飽和PAR時空窗增大，冬小麥冠層無效PAR時空窗減小。這是因為間作系統中棗樹株行距的增大會降低棗樹樹冠形成的遮陰面積在間作巷道內所占的比例，同時增加間作巷道內光強和光質，從而增加了間作冬小麥冠層截獲的太陽輻射，導致冬小麥冠層有效PAR時空窗增大，無效PAR時空窗減小。

冬小麥冠層無效PAR時空窗與棗樹栽植株行距顯著負相關，與樹體和冠幅顯著正相關，即株行距越小，樹高和冠幅越大，棗樹冠層對光能的截獲越多，其在間作巷道內的遮陰面積就越大，從而導致間作物獲得的光能就越少[24-25]。

4 結 論

棗麥間作系統間作巷道內冬小麥各生育時期的PAR時空窗大小由多種影響因子綜合協調作用，這些影響因子的自身變化規律影響著間作物冠層飽和、非飽和以及無效PAR時空窗的大小及其變化規律。但是各因素對其的影響程度存在差異，其中太陽高度角、棗樹栽植株行距和透光率是影響間作物冠層飽和PAR時空窗、非飽和PAR時空窗和無效PAR時空窗大小的主要因素。