晉西黃土區蘋果大豆間作系統果樹遮陰強度的時空分布

彭瑞東， 畢華興，2，3?，郭孟霞， 孫于卜，段航旗，王晶晶

(1．北京林業大學水土保持學院，100083，北京；2.山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站，100083，北京；3.北京林果業生態環境功能提升協同創新中心，102206，北京； 4.北京水保生態工程咨詢有限公司，100055，北京)

農林復合經營作為黃土高原地區廣泛使用的一種土地利用模式，在控制水土流失、恢復生態平衡、提高土地利用率，協調農林用地矛盾和增加經濟效益等方面具有顯著的成效[1-2]，在晉西黃土區，果樹與農作物間作系統是重要的農林復合經營模式之一。在果樹冠層郁閉之前，大豆、花生、玉米等農作物常作為間作作物種植在果樹樹行之間，達到充分利用水、肥、光、土地等自然資源以及長短期收益互補的經營目的。果農間作系統根據不同果樹、作物以及自然資源的特征，因地制宜地確定不同的時間和空間配置模式以充分利用各種自然及人力資源，以求獲得最大收益；然而果農間作系統中果樹和間作作物之間同時存在著互補性和競爭性，基于減少種間競爭促進種間資源協同利用最大化的目的[3]。果樹和間作作物之間的競爭關系主要集中在對水分、養分以及光照的競爭之上[4-5]。果樹和間作作物之間對光照的競爭主要體現在果樹對間作作物的遮陰之上，而果樹遮陰的研究較為薄弱，光照對作物影響的研究嚴重制約著果農間作系統中基于水、肥、光等多因子耦合的種間關系研究，并成為果農間作系統種間關系調控的技術瓶頸[6]。果樹的遮陰范圍和強度影響間作作物所能接收到的光合有效輻射(photosynthetically active radiation, PAR)，光合有效輻射控制著作物的凈光合速率(Pn)，進而影響作物的生物量和產量[7]。鮑彪[8]通過對大豆模擬遮陰的研究確定遮陰對大豆生長的影響，蔡智才等[9]通過花生的光響應曲線確定遮陰對花生生長的影響；但是前人的研究受到實驗儀器等限制，對果樹遮陰的研究只研究到作物的行間差異，尚未深入間作區域內同一行植株間遮陰的差異性，對遮陰強度和范圍的時間空間變化規律也停留在數學模型模擬階段。

本試驗以晉西黃土區具有代表性的蘋果大豆間作系統為研究對象，通過定位監測與數學分析等試驗手段，確定間作系統內各生長階段各點果樹遮陰強度實測值總結出蘋果大豆間作系統中遮陰強度的時空變化規律，以期為當地果農間作系統配置模式的科學調控提供一定的理論基礎，為晉西黃土區的水土保持和農業可持續發展做出貢獻。

1 研究區概況

研究區位于山西省西南部的臨汾市吉縣，屬于典型的黃土殘垣溝壑區[10]。吉縣屬暖溫帶大陸氣候，年均降水量571 mm，年平均氣溫9.9 ℃，年平均日照時間2 563.8 h，年平均太陽總輻射量5 424 MJ/m2，無霜期172 d[11]。該地區的主要土壤類型是黃土母質的褐土，土層深厚，適宜種植果樹及農作物。果-農間作的果樹樹種主要為蘋果(Maluspumila)、杏(Prunusarmeniaca) 、桃(Amygdaluspersica)和核桃(Juglansrregia)，農作物主要有大豆(Glycinemax)、玉米(Zeamays)和花生(Arachishypogaea)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

根據研究區果農間作特點與當地實際種植經營情況，在山西省吉縣中垛鄉南坪村果農間作示范區(E 110°43′46″，N 36°01′07″)，選擇5年生蘋果和大豆間作系統為試驗對象。果樹品種為矮化中間砧富士，樹行東西走向平行對稱排列，株行距4 m×5 m，果樹特征值見表1。大豆品種為晉豆37號，行向與樹行方向一致(東西走向)，株行距為0.33 m×0.33 m，于2017年4月中旬播種。

表1 試驗區蘋果樹特征Tab.1 Characteristic value ofMalus pumilain the plot area

注：—表示此項沒有計算。Notes：— indicates that this item is not calculated.

2.2 試驗區設計

在蘋果大豆間作系統內，有3個相同試驗區。每個試驗區布設如圖1所示，由4棵相鄰蘋果樹圍成的試驗區(南北長5 m，東西寬4 m)，在大豆播種前在距樹行0.9 m處布設1 m深的厚質不透水塑料布作為根障，以阻斷果樹和大豆地下部分水分、養分、根系的影響。間作系統內大豆種植行與樹干基部距離為1 m，試驗區內采用相同的農藝管理措施。在試驗區旁按相同株行距種植單作大豆作為對照。

2.3 試驗方法

2.3.1 PAR的監測 果農間作系統中間作作物由于受到果樹遮陰的影響，林下不同位置的PAR強度也各不相同，本試驗以間作系統內不同位置的大豆種植點分析果樹遮陰條件下PAR的時空分布狀況。PAR傳感器在樹行間作物種植區域以間作作物方向按0.66 m×0.75 m的間距布設，從南向北編為1、2、3、4、5行，從東向西編為A、B、C、D、E、F、G列，每個傳感器命名以列號在前、行號在后組成，布設情況如圖1。在大豆的3個主要生長期苗期(6月上旬)、花期(7月中旬)和結莢期(9月上旬)，選擇天空無云的晴天，從08:00到18:00，全部的35個傳感器進行連續不間斷的實時PAR監測數據采集，采集間隔設為1 min，每個試驗區每個生長期測定3 d，3個試驗區按固定順序在每個生長期內依次進行PAR數據采集，每個傳感器采集的PAR數據按照傳感器編號記為Pxy(PA1、PA2、PA3,…,PG5)。在單作大豆試驗區內隨機選取3個點做同一時間段且相同采集間隔的實時PAR監測數據(PK)的采集，作為間作系統林冠上PAR監測值。

RXY中X表示PAR傳感器所處南北方向列的序號，由東向西命名為A…G; Y表示PAR傳感器所處東西方向行的序號，由南向北命名為1…5。The X in RXY denotes the sequence number of the north-south direction of the PAR sensor, named as A to G from the east to west, and the Y denotes the sequence number of the east-west direction of the PAR sensor, named as 1 to 5 from the south to north. The same below.圖1 蘋果大豆間作系統試驗樣區布設示意圖Fig.1 Plot design sketch of apple-soybean intercropping system

2.3.2 遮陰強度的計算 對不同位置的傳感器，若無果樹影響，太陽輻射強度日變化應是基本一致的(傳感器間最大距離只有5 m)。某一時刻t監測點RXY處林冠下PAR值為Pxyt, 該時刻間作系統內林下的遮陰強度Sxyt由林冠上該時刻的PAR監測值(PKt)與Pxyt按照式(1)計算得出。該位置的某1小時T的遮陰強度(Txy)由該位置該小時內林冠上PAR值與林冠下PAR值按照式(2)計算得出，該小時PAR值由整點前后半小時每分鐘監測值做算術平均得出。該位置的日平均遮陰強度(Dxy)由當日監測時段內林冠上日平均PAR值與林冠下日平均PAR值按照式(3)計算得出，PAR的日平均值由每天從08:00到18:00 每分鐘的監測值做算術平均得出。

(1)

(2)

(3)

3 結果

3.1 各監測點的林下PAR單日時空分布

蘋果大豆間作系統及大豆單作系統PAR日變化(圖2)顯示:不同位置PAR隨時間變化情況各不相同，按照試驗方法中對試驗樣區內不同監測點的命名進行分析(從南向北編為1、2、3、4、5行，從東向西編為A、B、C、D、E、F、G列)。

圖2 各監測點光合有效輻射強度日變化曲線Fig.2 Diurnal variation of photosynthetically active radiation at monitoring points

在試驗樣區最東側的A列中，RA4處的PAR變化表現為先增加后減少的“單峰型”，峰值大約出現在13:00；RA3處PAR變化基本為先增加后減少的“單峰型”，但在13:00附近達到峰值后快速下跌近40%；RA2處PAR變化變現為“多峰型”，在10:00、13:00、16:00分別達到1次峰值；RA1和RA5處PAR變化則沒有明顯的峰值，同時變化幅度較其他小得多，最大值與同列峰值相差近60%。A列內RA1、RA2處在10:00—16:00受遮陰影響較大，RA3處在13:00后受到的遮陰影響較大，RA4、RA5處受到的遮陰影響較小，日平均遮陰強度順序為DA1≈DA5>DA2>DA3>DA4。

在A列西側0.67 m的B列中，RB3、RB4和RB5處的PAR變化均為先增加后減少的“單峰型”，峰值大約出現在12:00, 其中RB5在上午時間段內PAR較小，RB3在下午時間段內PAR較小；RB1、RB2處PAR變化表現為“多峰型”，RB2在11:00、16:00分別達到1次極大值,2次極大值相近，RB1在10:00、13:00和16:00分別達到1次極大值，其中10:00極大值大約只占其他2個極大值的40%。B列內RB1、RB5處在08:00—11:00受遮陰影響較大，RB2處在12:00—15:00受到的遮陰影響較大，RB3處在13:00—15:00受到一定遮陰影響、RB4處受到的遮陰影響較小，日平均遮陰強度順序為DB1≈DB2>DB3>DB5>DB4。

B列西側0.67 m的C列中，RC3和RC4處的PAR變化基本一致，均為先增加后減少的“單峰型”，峰值大約出現在13:00；RC1處PAR變化也表現為先增加后減少的“單峰型”,峰值同樣出現在13:00，但在08:00—13:00之間變化幅度逐漸增大；RC2、RC5處PAR變化變現為“多峰型”，RC2在10:00、14:00分別達到1次極大值,2次極大值相近，RC5在10:00和13:00分別達到1次極大值，其中10:00極大值大約只占13:00極大值的65%。C列內RC1、RC5處在08:00—13:00受遮陰影響較大，RC2處在10:00—14:00受到的遮陰影響較大，RC3和RC4處受到的遮陰影響較小，日平均遮陰強度順序為DC1≈DC2>DC5>DC4≈DC3。

試驗樣區內東西方向中心線的D列中，RD2、RD3和RD4處的PAR變化基本一致，均為先增加后減少的“單峰型”，峰值大約出現在13:00；RD1和RD5處PAR變化也表現為先增加后減少的“單峰型”，峰值也大約出現在13:00，但在08:00—12:00之間變化幅度逐漸增大。 D列內RD1、RD5處在08:00—12:00受遮陰影響較大，RD2、RD3和RD4處受到的遮陰影響較小，日平均遮陰強度順序為DD1>DD5>DD2≈DD3>DD4。

D列西側0.67 m處的E列中，RE1、RE2、RE3、RE4和RE5處的PAR整體變化趨勢都相似，均為先增加后減少的“單峰型”，其中RE2和RE3處的峰值大約出現在12:00，而RE1、RE4和RE5處的峰值大約出現在13:00。 E列內RE1、RE5在08:00—11:00受一定遮陰影響，RE2和RE3處15:00—17:00受一定遮陰影響，RE4處受到的遮陰影響較小，日平均遮陰強度順序為DE5≈DE2≈DE1≈DE3>DE4。

E列西側0.67 m的F列中，RF1、RF2和RF3處的PAR變化總體趨勢均為先增加后減少的“單峰型”，峰值大約出現在12:00，在13:00后均出現不同程度減少，其中RF2減少幅度最大，2 h內PAR減少了近80%，RF3處PAR在16:00時出現了小幅度的增加；RF4處PAR變化也表現為先增加后減少的“單峰型”,峰值出現在13:00，但在08:00起始值較低，在10:00—12:00之間PAR快速增加；RF5處PAR變化變現為“多峰型”，在10:00、13:00、16:00分別達到1次極大值，但變化幅度較其他小得多，最大值與同列峰值相差近40%。F列內RF4處在08:00—12:00受遮陰影響較大，RF1、RF2和RF3處在13:00—16:00受到的遮陰影響較大，RF5處全天受到的遮陰影響都較大，日平均遮陰強度順序為DF5>DF2≈DF4>DF1>DF3。

試驗樣區最西側的G列中，RG3和RG4處的PAR變化基本一致，均為先增加后減少的“單峰型”，峰值大約出現在13:00； RG2處PAR變化變現為“多峰型”，在10:00、13:00、16:00分別達到1次極大值；RG1和RG5處PAR變化則沒有明顯的峰值，同時變化幅度較其他小得多，最大值與同列峰值相差近55%。G列內RG1、RG2處在09:00—16:00受遮陰影響較大，其中RG1處受到的影響更大，RG3處在13:00—16:00受到一定的遮陰影響，RG4、RG5處受到的遮陰影響較小，日平均遮陰強度順序為DG1>DG5>DG2>DG3>DG4。

將蘋果大豆間作系統及大豆單作系統PAR日變化按照不同時刻分成二維圖(圖3)，在圖3中可以更為直觀地對比單日內不同時刻光合有效輻射強度的空間分布。

3.2 日平均遮陰強度的空間分布

日平均遮陰強度的空間分布如圖4所示。不同位置處PAR單日內隨時間的變化是太陽輻射強度隨時間變化、果樹遮陰范圍隨時間變化和果樹遮陰強度隨時間變化3者共同作用下的結果。對不同監測行間進行對比，日平均遮陰強度順序為D第1行>D第5行>D第2行>D第4行>D第3行， 第1行受到的遮陰影響最大，其次是第5行， 第2行也受到較強的遮陰影響，而第3行、第4行受到的遮陰影響較小。在第1行和第5行中，RE1、RF1處受到的遮陰影響較弱(0.25左右)，RA1、RG1處受到遮陰影響較強(0.55左右)其他幾處均受到中等程度的遮陰影響(0.35左右)。在第2行中，RD2、RE2、RF2處受到的遮陰影響較弱，RA2、RB2、RC2、RG2處受到中等程度的遮陰影響。在第3行和第4行中，RB3、RC3、RD3、RE3、RF3、RB4、RC4、RD4、RE4、RF4處受到的遮陰影響很弱(0.1左右)，RA3、RG3、RA4、RG4處受到遮陰影響較弱。

圖3 不同時刻光合有效輻射強度二維分布Fig.3 2-dimension distribution of photosynthetically active radiation in the different times of a day

沿試驗區內第3行(圖1)所在直線將試驗區分為南北兩部分區域，在試驗區中試驗區南半部分同時也是南側蘋果樹行的北側，而試驗區北半部分同時也是北側蘋果樹行的南側，樹行北側平均遮陰強度0.29>樹行南側平均遮陰強度0.22。沿試驗區內D列(圖1)所在直線將試驗區分為東西2部分區域，則試驗樣區東側平均遮陰強度0.26>西側平均遮陰強度0.24。

3.3 遮陰強度在3個生長期的變化

由果農間作系統試驗樣區內苗期、開花期、結莢期日平均遮陰強度空間二維分布狀況(圖5)可知：不同生長季果農間作系統遮陰強度分布具有一定相似性，遮陰度從試驗樣區中心向4角的果樹位置遞增，在二維平面上與果樹間距離越大，遮陰強度等值線的值越小，而遮陰強度等值線密度也由4角向中心遞減，與果樹距離越小，遮陰強度等值線越密集。這表明距離果樹越近遮陰強度越大，遮陰強度變化幅度也越大。而在苗期、開花期和結莢期之間，遮陰強度總體呈現遞增趨勢，同一位置遮陰強度均有一定程度的增大，根據各遮陰強度等值線圖中計算得到的遮陰強度幾何平均數—苗期0.14<開花期0.17<結莢期0.28。在遮陰強度逐步增加的同時，樹行北側的遮陰強度較南側顯著增加，樹行北側遮陰強度為0.20的等值線由距樹行2 m處逐漸移動到距樹行3 m處，而南側0.20遮陰強度等值線則基本保持在距樹行1.5 m左右。此外試驗樣區西側遮陰強度較東側更低，而遮陰強度的最小值在試驗樣區內出現的位置隨著時間逐步向北移動近1 m。

3.4 遮陰強度對大豆生物量和產量的影響

為了厘清遮陰強度對大豆生物量和產量的影響，將果農間作系統試驗樣區中大豆生物量和產量分別與不同生長季遮陰強度進行相關性分析，結果如表2所示。由表2可知，大豆單株生物量和不同生長季遮陰強度的相關系數都近似于-0.7，大豆單株產量與苗期和開花期遮陰強度間的相關系數也可近似于-0.7，而大豆單株產量與結莢期遮陰強度的相關系數為-0.882。這一結果表明大豆的生物量和產量與各生長季遮陰強度都有一定相關性，而其中大豆產量和結莢期遮陰強度的相關性更強。

圖4 日平均遮陰強度的空間二維分布Fig.4 2-dimension spatial distribution of the average daily shade intensity

4 分析

果農間作系統中果樹與間作作物的光競爭主要體現在果樹對間作作物的遮陰作用之上，而林下PAR強度是計算遮陰強度的重要指標，因此對林下PAR的準確測定是對果樹遮陰強度研究的關鍵一步。現有的研究中，大多通過將間作作物劃分為幾行，對行內PAR進行平均的方法來分析不同行之間的遮陰強度差異，但實際上遮陰強度在行內也存在較大的差異。本研究依托于自動監測儀器，對林下PAR的定位監測可以從“樣線法”再進一步到“網格法”，通過對試驗樣區內二維平面內PAR日變化的網格化監測，可以對果樹遮陰有更加具體更加準確的分析。林下PAR日變化受到太陽輻射日變化和果樹樹蔭隨時間變化的共同作用，太陽輻射隨時間呈“先增加后減少”的“單峰型”變化規律，而果樹樹蔭在從果樹西南方向以果樹基部為中心順時針隨時間經過果樹北側移動到果樹東南方向，5年生蘋果樹林分內的果樹遮陰范圍在南北方向上沒有重疊，在東西方向上有一定重疊。因此，在試驗樣區內，樹冠下幾處傳感器在全天都受到很強的遮陰作用，PAR日變化均值較低、起伏較小；樹冠邊緣幾處PAR傳感器在某一時段內受到較強的遮陰作用，其他時間受遮陰影響較小；試驗樣區北側受到的遮陰影響較南側更大；試驗樣區東側在主要在上午受到遮陰影響，而試驗區西側主要在下午受到遮陰影響。分析認為由于一天中太陽輻射強度最強的時間位于12:00—14:00，試驗樣區西側日平均PAR高于東側，導致了實驗樣區西側的日平均遮陰強度低于東側。最終的PAR測定結果與許華森建立的蘋果樹下光合有效輻射傳輸模型的推導結果趨勢一致；但可能由于果樹冠型與標準冠型的差異，在具體的遮陰強度上尚存在一定差異。在大豆的幾個生長季之間，試驗樣區內遮陰強度的二維分布發生了一定變化，分析認為這是由于在大豆苗期、開花期和結莢期之間太陽輻射強度和太陽高度角發生了一定變化，果樹的遮陰強度和遮陰范圍也隨之發生了一定變化。總體上看，從苗期到結莢期，試驗樣區內受到的遮陰影響呈上升趨勢，分析認為主要原因是在苗期(6月中旬)，太陽高度角較大，果樹遮陰范圍較小；在結莢期(9月中旬)，太陽高度角較小，果樹遮陰范圍較大。

圖5 不同生長期果樹遮陰強度的空間二維分布Fig.5 2-dimension spatial distribution of shade intensity at different stage

指標Index苗期遮陰強度Shade intensity at seedling stage開花期遮陰強度Shade intensity at flowering stage結莢期遮陰強度Shade intensity at podding stage大豆單株生物量Soybean biomass per plant-0.705?-0.709?-0.703?大豆單株產量Soybean yield per plant-0.724?-0.733?-0.882?

注：*表示在0.1水平上顯著相關。Notes：*indicates a significant correlation at the 0.1 level.

5 結論

本研究結果表明:蘋果大豆間作系統內遮陰強度從果樹位置向4棵果樹中心遞減，果樹西側上午受遮陰影響較大，果樹東側下午受遮陰影響較大，樹行北側平均遮陰強度0.29>樹行南側平均遮陰強度0.22，果樹西側平均遮陰強度0.26>東側平均遮陰強度0.24，結莢期日平均遮陰強度0.28>開花期日平均遮陰強度0.17>苗期日平均遮陰強度強度0.14。試驗樣區大豆生物量和產量分布也表現為從試驗區4角果樹位置向試驗區中心位置遞增。果樹遮陰強度與大豆的生物量和產量顯著負相關且結莢期遮陰強度對產量影響最大。為了有效緩解蘋果-大豆間作系統的種間競爭，大豆應集中種植在間作系統的的中心區域，同時蘋果樹行的北側和西側的種植量應略小于蘋果樹行的南側和東側的種植量。此外，在大豆的結莢期可以采用鋪設反光膜等增加林下光合有效輻射的農藝措施增加大豆的產量。