棗樹間作巷道土壤養分空間分異對冬小麥冠層光分布的響應

郭佳歡，馮會麗,，史彥江，俞元春*

(1.南方現代林業協同創新中心，南京林業大學生物與環境學院，江蘇 南京 210037；2.新疆林業科學院經濟林研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

【研究意義】間作系統是人們為解決自然生產中“林農爭地”問題所推行的一種多效應集約型農業生產模式，在傳統農業基礎上，間作不僅能提升植物對光照和養分的利用效率，增強作物對雜草的抑制和對病蟲害的抗性，提高作物產量和產量的穩定性，還能提高土地利用率，減少土壤侵蝕，提高土地當量比(Land Equivalent Ration, LER)[1-3]。在地處亞歐大陸腹地，土地鹽堿化、荒漠化嚴重的新疆，為充分利用可用耕地資源，當地農村正推行一種以棗(Ziziphusjujuba)等優質果林為主，以冬小麥(Triticumaestivum)等經濟作物為輔的特色林農復合經營模式，以保障當地糧食安全生產[4]。截至目前，全疆棗樹栽植面積達38.66×104hm2，全國占比超過23 %，已成為推動當地農村發展的支柱產業[5]。相關統計顯示，疆內棗樹大多與冬小麥或棉花(Gossypiumspp.)復合栽植，其復合栽植的面積約占總種植面積的52 %[6-7]。自然環境中，植物進行能量交換和物質循環的初始能量主要來源于該植株冠層接收的光合有效輻射(Photosynthetically active radiation, PAR)，同一時間內植物單位面積葉片截獲的光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)越高，其生物量積累潛力就越大，生長發育就越好，反之亦然[8]。長期處于異質光環境中的作物，地上部分對光的競爭增強，地下部分對養分的競爭能力減弱，嚴重影響作物產量的形成[9-11]。因此，調節間作系統內部光環境，優化土壤養分資源分配是維持間作系統穩定發展的關鍵。【前人研究進展】目前，國內外學者對于間作系統作了大量研究，但主要還是集中在對間作植物的系統結構[12]、生理指標[13]、種間關系[14]、生態影響[15]和經濟效益[16]的研究，對農田土壤養分的探索也常注重于對特定生長時期的空間分布的差異性分析，而關于間作系統中土壤養分的時空分布與PAR的時空分布之間關系的研究還少見報道。【本研究切入點】本研究擬對冬小麥冠層光分布及土壤養分的時空變化規律進行探索。【擬解決的關鍵問題】以期掌握不同光照環境中作物對地下土壤養分交換利用的影響，為間作系統的土壤養分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于新疆維吾爾自治區環塔里木盆地干旱區中心地帶阿克蘇實驗林場(80°19′36″E，41°12′52″N)，海拔1079.2 m，屬溫帶大陸性氣候。該地區光照充足，降水量少，蒸發量大，氣候干燥、晝夜溫差大，年均降水量42.4～94.4 mm，年蒸發量2000～2900 mm，年平均氣溫在9.9～11.5 ℃，無霜期205～219 d，光熱資源豐富，年平均≥10 ℃積溫為3953 ℃，年日照時數達2800～3831.35 h，年太陽總輻射量為5340～6620 MJ/(m2·a)，春夏季多浮塵，年均浮塵天氣52～64 d。土壤質地較輕，以沙土、沙壤土為主，土壤通透性良好[17]。土壤基本化學性質見表1。

表1 試驗地不同土層土壤基本化學性質(平均值±標準差)

注：表中數值為平均值±標準差，同列不同大小寫字母表示在0.01和0.05水平上差異顯著，下同。

Note: Values are means±SD. Different capital and small letters in a column indicate significant difference at 0.01 or 0.05 levels. The same as below.

1.2 試驗設計

供試對象為棗麥間作復合生產系統。棗樹品種為灰棗(ZiziphusjujubaMill. ‘Huizao’)，樹齡6 a，平均株高3.66 m，基徑5.70 cm, 東西冠幅2.39 m，南北冠幅2.79 m，株行距3 m×4 m，南北行向栽植。冬小麥品種為新冬20號。機條播，播種行距15 cm，兩行棗樹之間間作20行。播種日期為9月下旬，播種量為430 kg·hm2，有效株數約6.17×106株·hm-2，生育期238 d左右。試驗于2016年10月至2017年6月進行，棗樹與麥行最近距離50 cm，共生期內共灌水4次，3月25日澆頭水、4月12日澆二水、4月25日澆三水、5月20日澆末水。

本試驗采用雙因素裂區設計，隨機選取樹勢(冠幅、樹高、基徑)大致相同的2株棗樹，以兩棵棗樹的定植點連成1條測定樣線，3條測定樣線為1個試驗組，每個試驗組設3次重復；在樣線上，以距棗樹定植點的距離為基準，每50 cm設置1個測定點。以調查時期為主區(主處理)，設拔節期(4月中旬)、抽穗期(5月上旬)、揚花期(5月中旬)、灌漿期(5月下旬)和成熟期(6月中旬)共5個因素水平，以測定位置為副區，設E50 cm、E100 cm、E150 cm、E200 cm (W200 cm)、W150 cm、W100 cm、W50 cm共7個因素水平[E和W分別表示小麥帶的東側與西側(圖1)]。為排除棗樹與冬小麥的根系競爭對土壤養分產生的影響，本試驗于2016年7月10日在試驗地近棗樹50 cm處挖溝鋪設聚乙烯(PE)塑料薄膜，每組溝長6 m，深1.5 m。冬小麥播種區內，于10月15日施用1.5×104kg·hm-2腐熟牛糞做基肥[ω(N)=0.59 %，ω(P)=0.28 %，ω(K)=0.14 %]，5月18日追施200 kg·hm-2磷酸二銨[ω(N)=18 %，ω(P)=46 %]，6月10日追施75 kg·hm-2磷酸二氫鉀[ω(P)=52 %，ω(K)=34 %]。棗樹在3月20日單株施用10 kg腐熟牛糞，6月15日單株施200 g磷酸二銨，施肥范圍為遠離冬小麥試驗區一側，距樹體50～100 cm，深20 cm[18]。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 冬小麥冠層PAR PAR采用LI-191R型(Li-COR, USA)高穩定性硅光電探測器測定。于2017年4月起，在各調查時期，選取晴朗天氣，采用往返觀測法測定冬小麥冠層PAR，測定時間8:00 am-20:00 pm，測定頻率1 h·t-1。

1.3.2 棗樹形態 棗樹株高、基徑、冠幅等測樹因子采用CGQ-1型直讀式測高器、圍尺、皮尺等測定。測定日期與PAR測定同步，不同調查時期內各測1次，每次測定共設9對(18株)重復，取平均值。

1.3.3 土壤養分含量 分別在不同調查時期內調查棗樹巷道內深度為0～20、20～40 cm的土壤養分含量(有機質、速效N、P、K)，取平均值。土壤樣品分析采用《土壤農化分析方法》[19]。采用濃H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測定土壤有機質；采用堿解擴散法測定土壤速效N；采用Olsen法測定土壤速效P；采用CH3COONH4浸提-火焰光度法測定土壤速效K。

1.4 數據分析與作圖

采用Microsoft Excel 2007、Origin Pro 9.0進行數據統計，采用SPSS18.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 間作物冬小麥冠層PAR的時空分布

在冬小麥的整個生育期內，棗樹間作巷道冬小麥冠層PAR時空分布具有一定的規律性。從時間上來看，自上午8:00(0～50 μmol·m-2·s-1)起，冬小麥冠層PAR輻射量不斷增加，至14: 00-15: 00到最大值(1500～1700 μmol·m-2·s-1)，在15: 00-17: 00時表現出緩慢下降的趨勢，之后急劇下降，至20:00降至0 μmol·m-2·s-1(圖2左)。從空間上來看，處于棗樹間作巷道不同位置的冬小麥冠層PAR輻射量表現出明顯差異，主要表現為巷道東側(E)PAR輻射量高于巷道西側(W)輻射量，中間位置(E200 cm)的PAR輻射量高于巷道兩側輻射量。其中，在W150 cm和E200 cm(W200 cm)處的PAR輻射量明顯高于其它位置，平均達到1500 μmol·m-2·s-1以上，在E50 cm處的PAR輻射量最低，平均約為900 μmol·m-2·s-1(圖2右)。

圖1 試驗設計示意圖Fig.1 Experimental design sketch

E和W分別表示小麥帶的東側與西側，其后的數據為距棗樹的距離，下同E and W mean the eastern and western parts of winter wheat belt, data following them are distance from jujube tree. The same as below圖2 棗麥間作系統中冬小麥生育期內冠層光合有效輻射(PAR)時空分布Fig.2 Canopy photosynthetic ally active radiation (PAR) temporal and spatial distribution of winter wheat at whole growth stages in jujube-wheat intercropping system

圖3 棗麥間作系統中冬小麥不同生育時期的冠層光合有效輻射(PAR)時空分布Fig.3 Canopy photosynthetic ally active radiation (PAR) temporal and spatial distribution of winter wheat at different growth stages in jujube-wheat intercropping system

在冬小麥的不同生育時期，棗樹間作巷道冬小麥冠層PAR時空分布規律大致相同，在時間上和空間上的變化均呈“n”型的單峰曲線。各生育時期內，冬小麥冠層PAR分布呈現明顯的層次性，其中介于1000～2000 μmol·m-2·s-1的強光主要集中在山峰區域，0～500 μmol·m-2·s-1的弱光主要分布在山脊區域，而500～1000 μmol·m-2·s-1的中強光主要分布在山腰區域。在時間上，PAR時空分布表現出“中午高，早晚低”分布規律，自中午14: 00-15: 00向早晚依次遞減；在空間上則表現出“中間高，兩側低”的空間分布規律，自E200 cm(W200 cm)處向兩側依次遞減(圖3)。

2.2 棗樹間作巷道土壤養分時空分布

棗麥間作系統中，棗樹間作巷道土壤中各養分含量變化呈現出一定的時空異質性。其中，冬小麥各生育時期內土壤有機質含量變化較穩定，各測點的含量波動較小。從生育時期來看，土壤中有機質的含量自拔節期(15.04 g·kg-1)開始便緩慢上升，至成熟期(19.29 g·kg-1)達到最大值；速效N含量整體呈現下降的趨勢，土壤中速效N自拔節期(76.68 mg·kg-1)開始不斷下降，經抽穗期(72.94 mg·kg-1)和揚花期(66.71 mg·kg-1)后，在灌漿期(66.74 mg·kg-1)又略有所上升，之后又繼續下降，在成熟期(58.98 mg·kg-1) 達到最低值；速效P含量表現為“波浪式”的變化趨勢，拔節期(7.15 mg·kg-1)開始上升，至抽穗期(8.33 mg·kg-1)后不斷降低，在灌漿期(6.91 mg·kg-1)達到最低值，之后大幅上升，在成熟期(8.70 mg·kg-1)達到最大值；速效K含量整體呈現出先降后升的“弧形”變化趨勢，拔節期(228.16 mg·kg-1)最高，揚花期(164.86 mg·kg-1)最低。

從空間上來看，土壤中有機質的含量自巷道中央區域E200 cm(W200 cm)向兩側(E50 cm和W50 cm處)呈翼狀分布，中間區域明顯低于兩翼；速效N分布呈現出“正弦式”的波動變化規律，其總體平均含量變化表現為“東側高，西側低、中間低，兩邊高”的變化規律；速效P分布呈現出“U型”變化規律，其總體平均含量變化表現為“東側低，西側高、中間低，兩邊高”的變化規律；速效K含量整體也呈現出先降后升的“弧形”變化趨勢，其總體平均含量變化表現為“中間低，兩邊高”的規律，其東西兩側分布較均勻(圖4)。

2.3 光分布與土壤養分的相關性

棗樹間作巷道冬小麥冠層PAR及巷道土壤養分之間具有一定的相關性。其中，冬小麥冠層PAR與土壤有機質呈負相關(r=-0.341)關系，與速效N呈正相關(r=0.034)關系，與速效P呈極顯著(P<0.01)負相關(r=-0.452)關系，與速效K呈負相關(r=-0.120)關系；土壤有機質與速效N呈極顯著(P<0.01)負相關(r=-0.504)關系，與速效P呈正相關(r=0.286)關系，與速效K顯著(P<0.05)負相關(r=-0.421)；速效N與速效P呈正相關(r=0.286)關系，與速效K呈顯著(P<0.05)正相關(r=0.365)；速效P與速效K呈正相關(r=0.223)關系(表2)。

圖4 棗麥間作系統中冬小麥不同生育時期土壤養分的時空分布Fig.4 Soil nutrients temporal and spatial distribution of winter wheat at different growth stages in jujube-wheat intercropping system

表2 光合有效輻射和各土壤養分指標間的相關性分析

注：*表示5 %水平顯著相關，**表示1 %水平顯著相關，下同。

Note: *：Correlation is significant at the 5 % level; **:Correlation is significant at the 1 % level. The same as below.

通過相關性分析可以得出，在一定范圍內，巷道土壤中速效N含量有隨著冬小麥冠層光合有效輻射增強而上升的趨勢，土壤有機質、速效P和速效K則表現出相反的變化趨勢。這種現象很可能是由于冬小麥長期處于異質光環境中導致植株對土壤養分元素利用的不同所引起的“累積效應”。長期處于PAR輻射較弱區域的冬小麥光合效率下降，植株本身對速效養分N、P、K的吸收量減少，反之亦然。同時，該區域的冬小麥為補充幼葉生長對N、P、K等營養元素的需求，植株老葉過早衰老凋落，因此，冬小麥冠層PAR較弱區域的土壤有機質、速效P和速效K的含量高于PAR較強區域。與此同時，這可能由于PAR輻射較弱區域土壤溫度較低，微生物及土壤酶活性下降，作為主要N源的凋落物分解速率降低，有效養分得不到釋放，從而導致土壤中速效N含量下降；相反，PAR輻射較強區域速效N通過凋落物分解得以補充，速效N含量才會有所提升。

3 討 論

林農間作時，整個復合生產系統的生產力主要取決于植物對光照和養分的需求[20]。國內外學者通常把這個系統分為地上光照資源和地下的土壤養分兩部分來研究。Bolte & Villanueva認為，由于土壤中養分的可流動特性，同一區域不同位置的植物均能得到相同的資源，因此，間作巷道內土壤養分的初期分配不存在很大的差異[21]。Wilson根據數學統計中的“最小因子法則”提出植物間地上部分與地下部分競爭為負向相互作用機制的理論[22]，發現間作系統中光照的分配會影響到植物對于土壤養分的競爭[23]，而當立地環境中營養物質富集時，則會促進植物間對光照的爭奪[24]。本研究發現，間作物冬小麥冠層PAR表現出“中午高，早晚低”，自中午向早晚依次遞減時間分布規律和“中間高，兩側低”、自巷道中間處向兩側依次遞減的空間分布規律。與此同時，土壤中有機質、速效N、速效P、速效K等營養元素也呈現出與光合有效輻射分布密切相關的時空分布特征，這很可能是由于光合作用影響了作物對土壤養分的吸收與利用，這與Wilson關于植物對光照的競爭與對土壤養分競爭的理論相符合。已有研究發現，植物處于異質光環境中時，不同的光照環境促使植物不同程度的改變其生理特性以期對不同光質、光強和光周期做出精確的響應，從而更有利于植物實現光合作用干物質的形成和生物量的積累[25]。本試驗在對棗麥間作生態系統研究時發現，棗麥間作時，農田土壤養分在時間上和空間均會呈現出一定的異質性，這與國內外學者對茶樹(Camelliasinensis)與大豆(Glycinemax)[26]、合歡(Acaciasenegal)與玫瑰茄(Hibiscussabdariffa)[27]、美國白蠟(Fraxinusamericana)與小麥(Triticumaestivum)[28]間作系統的土壤養分變化等研究結果類似。

本研究還發現，冬小麥冠層PAR與速效P呈極顯著負相關，這說明光照充足時速效P是限制冬小麥生長發育的主要養分因子。而土壤有機質則與速效N、速效K分別呈極顯著正相關和顯著正相關，這說明土壤有機質是土壤中速效N和速效K的主要來源之一，適當增施有機肥可有效補充農田中的速效N和速效K等土壤養分，這也證實了棗樹間作巷道土壤養分的時空變化與PAR的時空變化具有一定的聯系，冬小麥自身對速效N、P、K等養分利用情況在一定程度上隨著冠層接收的光合有效輻射情況做出響應，以實現自身生長發育需求。試驗中，不同測點的冬小麥生存在于不同的光照環境，光合作用強度不同，這直接導致其對土壤中養分的吸收利用的水平也不同，最終可能導致間作巷道土壤中各養分的含量產生差異。這從另一方面可以說明，間作物冠層光合有效輻射也可以作為指導林農間作系統中土壤養分管理的一項重要參數。光合有效輻射和土壤養分作為作物生長發育的主要影響因素，嚴重影響作物產量的形成，長期光照不足和土壤中速效養分的虧缺往往會導致間作物光合效率下降、生長發育受阻，最終導致間作系統整體產量降低。因此，根據棗麥間作系統中冬小麥冠層PAR和土壤養分的時空變化規律而言，可在棗麥共生期內適當加強對棗樹樹體西側枝條的修剪疏理，改善間作物冬小麥的光照環境條件，而土壤中有機質、速效N、速效P、速效K含量分別在冬小麥拔節期、揚花期、灌漿期和成熟期達到最低值，因此可在冬小麥拔節期增施有機肥，揚花期增施K肥，灌漿期增施P肥，成熟期增施N肥，且適當增加巷道西側區域施肥量，可有效避免棗樹與冬小麥對光照和養分的競爭，以期獲得更多產出。

當然，間作系統中土壤養分含量變化還可能與土壤中的動物、微生物、及土壤溫度等影響因素有關，這需要在后續研究中進一步探索。總體來講，長期生長在不同光環境中的作物對土壤中養分的吸收利用也有所不同，但巷道內光照對土壤養分的影響并不是單一的，只有綜合調節系統內光照與土壤養分之間的關系，才能最大程度地提高整個間作系統的生產力。

4 結 論

棗麥間作系統中冬小麥冠層PAR時空分布具有一定的異質性，在冬小麥整個生育期內主要表現為“中間高，兩側低”和“東側高，西側低”的分布特征。長期處于異質光環境中的冬小麥對土壤速效養分利用的差異累積使其也呈現出明顯的空間分布差異，為提高間作系統產量，可在冬小麥拔節期增施有機肥，揚花期增施K肥，灌漿期增施P肥，成熟期增施N肥，且適當增加巷道西側區域施肥量。光照充足時，速效P的虧缺是限制冬小麥生長的主要養分因子，棗麥共生期間適當增施P肥有利于系統生產力的維持。