不同樹形對扁桃與冬小麥間作區域光環境的影響

張 雯，周 皓，劉翠榮，周玉梅，謝 輝

(1.石河子大學農學院，新疆石河子 832003; 2.新疆農業科學院園藝作物研究所,烏魯木齊 830091;3.喀什地區農業技術推廣中心,新疆喀什 844000；4.喀什地區莎車縣園藝站,新疆莎車 844700;5.新疆農業大學科學技術學院,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】果糧間作種植模式在新疆南疆地區農業生產過程中占有重要地位[1]。目前新疆扁桃栽培面積超過7.5×104hm2[2]，主要以間作模式栽植在農田中，間作比例超過總栽培面積的95%以上[3]。隨著樹齡的增長，果樹樹冠體積不斷擴大，間作系統內對光能的競爭不斷加劇，光照逐漸成為限制間作作物生長發育和產量形成的主要限制因子[4]。研究樹體結構對間作區域光環境影響，對高光效樹形選擇優化具有重要意義。【前人研究進展】光是農林間作系統中最受重視的環境因子之一，前人研究指出光能利用率是間作系統是否合理的重要評價指標。間作系統內，高稈作物對光能的競爭是造成低矮作物減產的主要原因[5-7]。李連國等[8]通過試驗測定和模型計算相結合的方法，對果糧間作生態系統的光能分布規律進行了研究，認為中緯度地區宜采用行距大于株距的南北行栽植，株距應≥1/2樹高，否則就可能出現重復遮蔭現象。袁玉欣等[9]也利用“氣象學基本原理”，模擬了間作模式下林木陰影移動軌跡，并給出了樹高與遮陰時間、陰影長度、適宜行間距等相關經驗方程，為生產提供了理論依據。光不僅以能量物質的形式影響植物的光合作用與和物質合成，同時以光質信號的形式調控植物生長發育進程和形態建成，通過對玉米-大豆間作模式大豆冠層光強光質影響的研究發現，太陽入射光經過玉米冠層時，高位作物玉米的葉片會部分地吸收與反射，不僅會減小大豆所受光照的強度，還會改變光質環境，這使該種植模式中大豆生長所處的光照條件比凈作下會有顯著變化[10]。與單作相比，經過玉米葉片的反射和吸收后到達大豆冠層入射光各個波長范圍均降低，其中可見光強度大幅度消減，遠紅光較高，與自然光相比R/FR值明顯降低，近冠層R/FR由1.2降至0.05左右[11]。【本研究切入點】光照是間作系統是否合理的重要指標，適宜的光照條件與間作作物產量形成密切相關。關于樹冠葉幕形成動態對間作區域光環境時空分布的影響，缺乏系統研究。研究扁桃葉幕建成對間作小麥生長光環境的影響。【擬解決的關鍵問題】研究樹形對間作小麥關鍵生育時期光環境的影響，為果糧間作種植模式高光效樹形的選擇和優化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2016～2017年在新疆喀什地區莎車阿熱勒鄉扁桃豐產示范園內進行，為暖溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫11.4℃，日較差平均12～15℃。年日照時數為2 965 h，年平均降水量56.6 mm，無霜期192 d，晝夜溫差大，能滿足農作物一年兩至三熟的熱量要求。

以扁桃-冬小麥間作體系為材料，株行距6 m×7 m，南北行向，供試扁桃品種為晩豐，2005年定植；間作小麥品種為當地主栽冬小麥品種新冬20號，無復播作物。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

小麥沿樹行(樹行寬度1 m)種植，采用寬窄行模式種植(窄行行距10 cm，寬行行距20 cm，每2個窄行間隔寬行1個)。共設置主干分層形、小冠形、高稈形、開心形4個樹形處理，5株扁桃及其對應間作小麥為小區，3次重復。表1

表1 扁桃不同樹形差異對照

有明顯的中心干，上下分3層，層間距控制在60 cm，每層留2～3個主枝，主枝分層著生。主枝數量保持在7～10個，向四周螺旋上升交錯排列，上小下大。高桿形特點：在疏散分層基礎之上改造而成，逐步疏除下部2～3個主枝，將樹干高度提高至1.2 m以上。開心形特點:通過對疏散分層形落頭改造獲得，無中心干，主枝較少，全株共3～4個主枝，主干高度60～70 cm，主枝間距10～ 20 cm，分布均勻，主枝上配備側枝，側枝上著生枝組，主枝的基角在60～65°。小冠形特點：干高70～ 80 cm，中心有保持優勢的中干，中心干上直接著生結果枝組，結果枝組數量10～15個，螺旋式分布在中心干上，同方向基枝上下垂直距離不能小于50 cm，每個基枝與中心干夾角保持80～90°。

1.2.2 測定指標

根據果樹樹冠葉幕形成動態和間作冬小麥生長發育特點，在2個作物生育重疊期內共選擇3個關鍵時期進行指標測定。表2

表2 扁桃-冬小麥間作模式下生長重疊期環境指標測定時期

環境光譜：使用UniSpec-SC單通道便攜式光譜測定儀(最佳感應范圍：300～1 100 nm；分辨率：<10 nm；精確度：<0.3 nm)對各小區間作區域光譜組成進行測定，每個處理共設置54個測點，具體測點位置的設置與分布；小麥灌漿期選擇晴朗的天氣，于11：00～12：00、14：00～15：00和17：00～18：00 3個時間段測定，以相同時段，空曠地測定值為自然光對照(探頭高度與其它測點保持一致)，不同時期測定時保持探頭高度與間作小麥植株高度保持一致。圖1

圖1 測點布置示意

PAR：使用美國ONESET HOBO公司生產的U30-NRC小型氣象站中的光合有效輻射監測系統(測量范圍：0～2 500 μmol/(m2·s)；光譜范圍：400～700 nm；精度：±5%μmol/(m2·s)；分辨率：2.5 μmol/(m2·s))對間作區域PAR變化進行測定，選擇晴朗的天氣，自11:00～19:00對PAR的日變化情況進行連續測定，每5 min記錄1次。每個處理設18個測點，探頭高度與小麥高度保持一致。

1.3 數據處理

對測定數據按區域進行合并統計，使用Excel2010和SAS數理統計軟件對數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 扁桃樹形對間作冬小麥3個生長關鍵時期PAR日變化動態的影響

研究表明，冬小麥拔節期，不同樹形處理之間、同一樹形不同區域之間均存在較大差異。其中小冠形遠冠區、西側近冠區、西側冠下區、東側冠下區、東側近冠區5個間作區域，PAR均為單峰曲線，且峰值較高，峰值PAR強度均高于1 600 μmol/(m2·s)，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)(冬小麥光飽和點)的持續時間能維持在5～7 h左右；分層形5個間作區域PAR也均呈現單峰曲線變化趨勢，但與小冠形相比峰值較低，除遠冠區峰值PAR強度均高于1 600 μmol/(m2·s)外，其它4個間作區域峰值PAR強度均低于1 200 μmol/(m2·s)，且PAR峰值持續時間短，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)僅能持續2～3 h。高稈形5個間作區域PAR也均呈現單峰曲線變化趨勢，與分層形相比東側近冠區11：00～16：00 PAR顯著提高，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)持續時間增加至5 h；東側冠下區11：00～14：00PAR顯著提高，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)持續時間增加至3 h，且峰值PAR強度增加。開心形，2個冠下區域呈現雙峰變化趨勢外，其它3個區域均呈單峰變化趨勢；與分層形相比東側近冠區域區早晨光照條件改善，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)持續時間增加至4 h；西側冠下和近冠區域下午光照條件明顯改善，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)持續時間均增加至5 h，且峰值PAR強度增加。自扁桃末花期(未展葉)時，不同樹形對間作區域PAR強度d大于800 μmol/(m2·s)持續時間的影響即存在較大影響，其中小冠形>開心形>高稈形>分層形，前期研究發現小麥產量與400～1 600 μmol/(m2·s)強度PAR持續時間呈極顯著正相關關系(待發表)，4個樹形對應間作區域PAR在該強度的持續時間的平均值依次為6.6、6.8、6.8和4.8 h，拔節期時小冠形、開心形、高稈形3個樹形優于分層形，但3個樹形間無較大差異。圖2

圖2 扁桃樹形處理下冬小麥拔節期不同間作區域PAR日變化

東側近冠和東側冠下2個區域13：00和16：00之后PAR強度顯著降低，峰值早衰，且峰值強度降低，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間均降至5 h。分層形5個間作區域PAR也均呈現單峰曲線變化趨勢與拔節期期保持一致，但峰值強度顯著降低，遠冠區除17：00外，其它8個時段PAR強度下降幅度均超過30%，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間為2 h；西側近冠和冠下2個區域、各時段PAR強度均顯著降低，其中西側近冠10：00～14：00、西側冠下10：00～17：00降幅均超過50%；東側近冠14：00～17：00，東側冠下13：00～16：00降幅均超過50%；西側近冠PAR強度高于800 μmol/m2s的持續時間為1 h，其它3個區域全天PAR強度均低于800 μmol/(m2·s)。

開心形，遠冠區10：00～11：00、16：00～18：00 2個時段PAR下降幅度超過40%，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間為5 h；西側近冠區16：00～18：00、西側冠下區12：00～14：00、17：00～18：00PAR下降幅度均超過40%，大于800持續時間分別為3和2 h；東側近冠和冠下2個區域下降明顯，12：00～18：00、11：00～15：00降幅分別超過50%，全天PAR強度均低于800 μmol/(m2·s)。高稈形，遠冠區10：00～11：00、13：00和18：00 3個時段PAR下降幅度超過30%，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間為4 h；西側近冠和冠下2個區域下降明顯，西側近冠區10：00～11：00、13：00～15：00，西側冠下區10：00～17：00PAR下降幅度均超過30%，大于800持續時間分別為2和1 h；東側近冠區15：00～18：00、東側冠下13：00降幅超過40%，大于800持續時間分別為3和2 h。小冠形、開心形、高稈形和分層形4個樹形對應間作區域PAR在400～1 600 μmol/(m2·s)強度的持續時間的平均值依次為7.4、3.4、3.8和2 h，小麥揚花期時開心形、高稈形和分層形間作區域光照條件明顯劣變，小冠形明顯優于其它3個樹形，開心形和高稈形差異較小，又明顯優于分層形。圖3

圖3 果糧間作模式下樹形對冬小麥揚花期不同間作區域PAR日變化

小麥灌漿期扁桃4個樹形處理對應間作區域光合有效輻射分布和日變化情況存在較大差異。各個區域主要呈單峰曲線變化趨勢，與揚花期相比，小冠形遠冠區除10：00 PAR降幅超過20%外，其它時間段降幅均低于10%，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間維持在6 h；西側近冠區10：00～11：00、西側冠下區11：00～13：00 PAR降幅超過20%，其余時段降幅均低于10%，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間分別維持在5和4 h；東側近冠區各時段降幅均為超過20%，東側冠下區17：00～18：00 PAR降幅超過40%，其余時段降幅均低于5%，2個東側區域PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間均維持在5 h。分層形遠冠區除11：00降幅超過30%外，其它8個時段PAR強度下降幅度均低于5%，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間維持在2 h；西側近冠13：00和16：00～17：00、西側冠下15：00降幅均超過20%；東側近冠降幅均為超過20%，東側冠下15：00、18：00降幅均超過20%；近冠和冠4個區域全天PAR強度均低于800 μmol/(m2·s)。開心形，遠冠區10：00～12：00 PAR下降幅度超過20%，PAR強度高于800 μmol/(m2·s)的持續時間維持在5 h；西側近冠區10：00～11：00 PAR降幅超過50%，其余時段均低于20%；西側冠下區10：00～15：00、17：00 PAR降幅均超過20%，2個區域大于800持續時間依舊維持在3和2 h；東側近冠和冠下2個區域持續明顯下降，東側近冠區11：00、13：00～15：00、17：00～18：00降幅分別超過30%，東側冠下區11：00、13：00～17：00降幅超過30%，近冠和冠4個區域全天PAR強度均低于800 μmol/(m2·s)。高稈形，除遠冠區18：00、西側近冠區18：00、東側冠下區11：00、14：00、18：00降幅超過20%外，其它區域和時間段PAR強度均無明顯變化。綜合分析小冠形、開心形、高稈形和分層形4個樹形對應間作區域PAR在400～1 600 μmol/(m2·s)強度的持續時間的平均值依次為6.2、2.4、3和2 h，小麥揚花期至灌漿期時小冠形、開心形、高稈形光照條件均有一定下降，小冠形明顯優于其它3個樹形，開心形與分層形差距縮小。圖4

圖4 果糧間作模式下樹形對冬小麥灌漿期不同間作區域PAR日變化趨勢

2.2 果樹樹形結構對間作冬小麥3個生長關鍵時期不同時段平均PAR強度的影響

研究表明，拔節期間作區域PAR日均值小冠形>開心形>高稈形>分層形，揚花期間作區域PAR日均值小冠形>高稈形>開心形>分層形，灌漿期間作區域PAR日均值小冠形>高稈形>開心形>分層形；隨著扁桃葉幕形成，與拔節期相比楊花期間作區域PAR強度顯著降低，小冠形、開心形、高稈形和分層形4個樹形對應間作區域PAR強度的降幅依次達到18.93%、39.06%、23.24%和46.00%，揚花期至灌漿期時各樹形葉幕已基本建成，對間作區域PAR強度的影響趨于穩定，4個樹形對應間作區域PAR強度的降幅依次為4.28%、13.00%、6.90%和5.19%。1 d中PAR強度 13：00～15：00>16：00～18：00>10：00～12：00；開心形13：00～15：00光照條件優于高稈形，16：00～18：00和10：00～12：00高稈形光照條件優于開心形。圖5

圖5 果糧間作模式下樹形對冬小麥生長關鍵時期不同時段PAR均值

2.3 樹形結構對間作冬小麥不同生長關鍵時期不同區域光質參數的影響

研究表明，4個樹形處理不同間作區域，同一間作區域不同生長關鍵期間光質參數間存在一定差異，其中部分差異達極顯著水平。其中紫外/藍紫比值FC、GG、XG和KX對應間作區域分別在0.192 8～0.283 6、0.188 9～0.221 9、0.179 5～0.222 4和0.175 6～0.195 9變動，同一樹形不同區域之間和不同生育時期之間，無明顯的變化趨勢；紅橙/藍紫比值FC、GG、XG和KX對應間作區域分別在0.581 3～1.006 7、0.616 5～0.919 1、0.579 7～0.895 3和0.568 4～0.825 6變動，同一樹形不同區域之間和不同生育時期之間，無明顯的變化趨勢；紅橙/遠紅外比值FC、GG、XG和KX對應間作區域分別在0.331 2～1.245 1、0.573 0～1.315、0.797 3～1.431 8和0.861 7～1.322 2變動，該指標對同一時期不同樹形和不同區域間的區別度較大，部分樹形間的差異達到顯著性水平，整體趨勢基本表現XG>KX和GG>FC處理；近紅光/遠紅光比值FC、GG、XG和KX對應間作區域分別在0.660 1～1.855 8、0.725 1～1.955 9、1.079 5～2.01 5和1.165 5～1.889 3變動，該指標在同一時期不同樹形和不同區域間均有較大的差異，除拔節期外，其它2個時期不同間作區域XG形均顯著高于其它3個，XG>KX和GG>FC處理。表3

表3 扁桃不同樹形對應間作區域不同生長關鍵時期光質參數

3 討 論

3.1 扁桃樹形對間作區域PAR分布和變化的影響

光合有效輻射(PAR)是太陽輻射中波長在400～700 nm可被植物直接用于光合作用的輻射能量，與作物的生產能力密切相關。前人關于間作種植模式的研究指出，對光照特別是PAR的競爭是造成間作作物減產的主要原因[4]，果糧間作模式下，間作區域PAR日變化動態受太陽運行軌跡[12]和樹冠遮陰動態[13]的共同影響。喬旭[12]、黃愛軍[13]、郭佳歡[14]等針對紅棗、核桃、杏等果樹的果糧間作系統的研究均表明，果糧間作模式下，果樹遮陰造成間作區域PAR強度大幅降低，呈單峰曲線的變化趨勢，主要表現為中間高兩側低。研究結果表明，各樹形對應不同間作區域PAR均呈單峰曲線變化趨勢，峰值強度和峰值持續時間受冠幅大小和干高等因素共同影響，進一步補充了前人的研究結果。

前人有關間作模式光環境條件的研究多集中在灌漿期，有關不同生長關鍵時期間差異的研究較少，研究表明，扁桃-冬小麥間作模式下，冬小麥拔節期時，小冠形、高稈形和開心形間的差異較小，每天PAR強度分布在400～1 600 μmol/(m2·s)間的持續時間均能維持在6.6 h以上，及說明全天70%以上的時間間作區域光照水平適于冬小麥生長，但分層形間作區域光照條件已處于較差水平；隨著扁桃枝葉生長和葉幕建成，冬小麥拔節至揚花期間間作區域光照條件迅速劣變，揚花至灌漿期間間作區域PAR強度變化較小，進一步說明，冬小麥揚花期扁桃對間作區域光環境的影響已處于峰值水平，與王冀川等[15]在核桃-小麥間作系統內研究一致。同時值得指出的是，雖然隨著生育進程的推進，小冠形間作區域光照強度逐步降低，但拔節期、揚花期和灌漿期其間作區域PAR強度分布在400～1 600 μmol/(m2·s)間的持續時間分別維持在6.6、7.4和6.2 h，即冬小麥整個生育重疊期全天70%左右的時間光照條件均能維持在適宜水平。進一步從光環境角度論證了前人[8]關于間作模式最小株行距設置的結論。

3.2 扁桃樹形對間作區域光質參數的影響

植物的生長發育不僅受光量或光強的制約，同時受光質即不同波長的光輻射及其組成比例的影響。光在農林復合系統內分布是由進入冠層的太陽直接輻射和天空散射輻射經過植物體和地表面的多次透射、反射和吸收等一系列物理過程之后形成的, 具有非常復雜的變化，太陽輻射在冠層內的分布主要是由冠層結構決定的[16]。冠層結構與枝葉分布模式的差異，會影響光照在樹冠內的三維分布模式和截留透射情況[17]。在果糧間作這個雙層受光系統中，到達間作物冠層的光，經過上層果樹葉幕的攔截、透射及選擇性吸收后不僅強度發生不可逆轉的削弱，同時光譜組成也發生了明顯變化[18],光照透過樹冠之前以直射光為主，光強高；透過樹冠到達內部和下層是，由于己受到樹冠的遮擋、吸收、透射、反射和散射作用，光強變弱，光質向長波光方向轉變，以漫射光為主，光強低，光譜成分中短波光較少，長波的紅、黃光較多(可達50%～60%)。葉片對光的選擇性吸收進一步造成光質組成的改變，光的組成和比例可以進一步以光信號的形式作用于植物生長發育的各個環節。紅光/遠紅光(R/FR)對植物生長發育和形態建成具有重要的調節作用[19]。冠層下R/FR的降低可能引起植物光合下降、葉面積減少、株高增加、生物量分配模式改變等一系列生長參數發生變化[20,21]。有關玉米-大豆套作的研究表明，與凈作大豆冠層光環境相比，低層大豆冠層紅光、藍光、遠紅光及其比例關系改變，對大豆生長發育、形態建成以及后期的產量品質產生極大的影響[11]。研究結果表明，樹形結構對不同生育期，不同間作區域光質參數的組成均有較大的影響，部分樹形間的差異達到顯著水平，其中 “紅橙/遠紅外”、“近紅光/遠紅光”2個參數在同一區域不同樹形間、同一區域不同生育期間的變化幅度均較大，對果樹冠層結構特征的反應也較敏感，可作為評價間作區域光環境條件的候選參數，但其與間作冬小麥生長發育和產量形成間的相關關系還有待于進一步研究。

4 結 論

扁桃-冬小麥間作模式下，扁桃樹形結構對不同生育時期間作區域光環境條件均有較大影響，間作區域光照條件隨扁桃枝葉生長和葉幕建成不斷劣變，變化主要存在于拔節期-揚花期，至揚花期扁桃對間作區域光環境的影響已基本趨于穩定；根據間作區域PAR日變化動態、PAR日均值強度和光質參數等指標的分析結果可將不同樹形對應間作區域光照條件分為3個水平，由高至低依次為小冠形、開心形和高稈形、分層形，小麥揚花期時，3個水平對應間作區域400～1 600 μmol/(m2·s)PAR強度范圍每日持續時間依次占全天的70%、40%和20%左右。“紅橙/遠紅外”、“近紅光/遠紅光”2個光質參數可作為評價間作區域光環境條件的候選指標。