間作模式農田小氣候效應對棉花生理生態指標的影響

艾鵬睿，馬英杰

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】應用間作模式可以促使多種互補協同作用發生，使作物出現不同的生理性狀變化，提高作物產量。黃愛軍[1]、喬旭[2]等研究發現間作系統對冠層風速、冠氣溫度和土壤溫度均明顯降低效果，而相對濕度卻明顯提高。該變化可以延緩和縮短高溫和干旱時間，減少高溫對葉片的損傷，促進作物生長，改善果實品質[3-4]?！厩叭搜芯窟M展】Chai等[5]、Yin等[6]研究表明，間作模式具有顯著提高水分利用效率，減少無效耗水的優勢。交互作用可以提高玉米生理性狀和光合特性，改善果實品質[7-8]，提高土壤中的酶活性和細菌、真菌、放線菌和固氮菌的數量[9]，提高抗病蟲害等[10]。對于冠氣濕度：在白天，由于間作棉花受棗樹影響，風速和亂流交換減弱，植物蒸騰和土壤蒸發的水分在近地表層滯留時間延長[11]，冠氣相對濕度顯著高于單作，其差異主要集中在白天作物光合作用旺盛時刻。棉花冠氣相對濕度提高15.07%，有利于作物進行光合作用[12-13]，延緩或減少植物午休現象的發生時間，增加間作系統作物產量[14]。在高濕環境下也有助于減少土壤水分的蒸散發。在夜間，受作物自身蒸騰作用的影響，外界空氣濕度變化對冠氣濕度影響程度較弱，后期基本維持在100%。而后進行控水，減少或停止灌溉，植株高度發生萎縮[15]?！颈狙芯壳腥朦c】在現有針對間作棉花的研究中，尤其是種間協同作用所導致的農田小氣候變化對棉花作物生理生態指標的影響還缺乏一定的研究。其次，間作模式下對作物的影響不僅有小氣候，還存在著顯著地下種間競爭因素[16-17]?！緮M解決的關鍵問題】以新疆南疆棗樹/棉花間作種植模式為試材，分析間作模式下農田小氣候變化對棉田冠氣溫濕度及棉花生理指標的影響，為間作棉花獲得高產高效優化田間配置提供實踐與理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗區位于新疆阿克蘇地區紅旗坡農場新疆農業大學林果實驗基地(E 80°14′，N 41°16′，海拔1 133 m)。該地屬于大陸性溫帶干旱沙漠氣候，晝夜溫差懸殊。多年平均太陽總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均年日照時數2 855～2 967 h，無霜期達205～219 d，多年平均降水量74.4 mm，多年平均氣溫11.2℃，多年平均有效積溫為3 950℃。土壤質地上層(0～50 cm)以粉砂壤土為主，下層(50～100 cm)以細沙土為主，平均容重為1.39 g/cm3，田間持水率為27%。地下水埋藏深度大于10 m。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

大田試驗：棉花品種為新陸中49號；棗樹品種為灰棗，樹齡5年。棉花于4月19日播種，10月15日收獲；棗樹于4月24日進入萌芽展葉期，11月15日收獲。棗樹株距1 m，行距4 m，南北向雙管滴灌灌溉，滴灌帶距樹干0.3 m。棉花采用一膜1管4行種植，株距8 cm，行距20-40-20 cm。試驗共設4個處理，分別為間作棉花(T1)、棉花單作(T2)、盆栽間作棉花(P1)、盆栽單作棉花(P2)，每個處理設3個重復。對于棉花灌溉制度的制定，主要與當地棉花灌溉有關。苗期灌水次數為0，控水、防倒伏。在鈴期和吐絮期時，為減少棉桃含水率，減少自然炸裂時間，需再次控水處理。圖1，表1

表1 棗樹/棉花田間試驗設計Table 1 Field experiment design of jujube tree/cotton

盆栽試驗：采用高60 cm，直徑50 cm的塑料桶種植棉花。待棉花播種時，分別在單作和間作試驗田中間挖設深度60 cm土坑(間作盆栽棉花距樹85 cm)，放入塑料桶若干，桶內播種棉花2排，每排4株，棉花株距8 cm，行距20 cm。盆栽棉花灌溉制度與施肥量與大田作物相同。

1.2.2 樣品采集與測試

1.2.2.1 棉花株高與葉面積指數

在棉花各生育期內，分別在苗期(6月5日)、蕾期(7月11日)、花鈴期(8月13日)、吐絮期(9月8日)、收獲期(10月15日)每個重復選擇8株長勢均勻的棉花，采用米尺測定株高，選取3株棉花采用萬深LA-S儀器測定葉面積。盆栽棉花每個重復選取1盆所有棉花測定株高，隨機選取3株棉花測定葉面積。

1.2.2.2 冠氣溫濕度

采用溫濕度記錄儀測定棉花冠層內部空氣的溫度和濕度(以下簡稱冠氣溫/濕度，與專業名稱冠層溫度相區分)。溫濕度記錄儀布設在儀器頂端距棉花頂端下方5～10 cm處，并隨著棉花的生長適時調節，每30 min一測，測定時間為4月24日～10月15日。

1.2.2.3 棉花葉片凈光合速率

采用CIRAS-3光合測定系統測定棉花葉片凈光合速率。每個重復均選取3株棉花，選擇頂端倒3片發育完全的葉片測定，測定時間為6月5日、7月17日，8月1日，8月19日，9月15日。

1.2.2.4 棉花產量及其相關構成因素

棉花全生育期結束后，分別在各個重復收取10 m2棉花測產。每個重復隨機抽取棉花10株，測定其衣分、單鈴重、單株結鈴數。盆栽每個重復隨機選取3桶棉花測產，并在3盆中隨機抽取棉花12株，測定其衣分、單鈴重、單株結鈴數。

1.3 數據處理

使用Watchdog小型自動氣象站全天候自動觀測氣溫、輻射、降雨等常用氣象數據，30 min測定1次。

2 結果與分析

2.1 間作模式下棉田冠氣溫濕度日變化特征

研究表明，空氣溫度與冠氣溫度之間關系主要分為2個階段。在第一階段(10:00～18:00)，外界氣溫逐漸升高，植物葉片和冠層內部空氣總體處于吸熱時段，或受到葉片細胞放出水蒸氣散失熱量，增強冠層內部比熱容，使冠層溫度均低于空氣溫度。第二階段，受太陽輻射減少的影響，外界氣溫總體呈現下降趨勢。冠層內部溫度較高，冠層處于放熱狀態，其放熱速率與冠層密閉度等密切相關。冠氣溫度基本高于外界空氣溫度。對于間作棉花，密閉度較高，冠氣溫度上升需要外界提供更多的能量，兩者差異主要體現在升溫速率和降溫速率上。間作棉花相比單作模式冠層升溫速度慢在10：00～18:00期間均低于單作。18：00以后，間作冠氣溫度開始高于單作模式。圖2

圖2 單間作模式下棉花冠氣溫濕度日變化Fig.2 Diurnal variation in the air temperature and relative humidity of the jujube tree/cotton

2.2 田間和盆栽棉花生理性狀變化特征

研究表明，大田試驗間作棉花株高顯著高于單作。且差異隨生育期的推進由苗期(差異16.93%)，至蕾期(差異22.5%)，到花鈴期達到最大值(差異26.6%)。至收獲期時差異僅為11.39%。棉花葉面積指數也出現與之相似的波動情況，在花鈴期差異達最大值為19.52%。

盆栽試驗中，間作棉花株高同樣顯著高于單作，其中苗期、蕾期、花鈴期、收獲期差異分別為：14.2%、17.4%、21.4%和15.2%。表2

表2 不同處理條件下棉花生理指標差異性Table 2 Cotton physiological index in different treatments

2.3 田間和盆栽棉花光合特性變化特征

研究表明，從6到8月上旬，棉花生長旺盛，光合速率穩步提高。棉花進入花鈴期，此時生殖器官對光合產物需求逐漸減少，同時又受到人為干擾(控水)，葉片光合速率呈現下降趨勢，直至全生育期結束。

棉花光合速率受農田小氣候影響顯著，間作棉花(大田和盆栽)在各個生育期的凈光合速率均高于單作模式大田試驗中，間作棉花在苗期凈光合速率高于單作28.67%，在棉花控水期間，農田小氣候的變化緩和了水分虧缺對棉花地上部植株的影響，促進棉花光合速率提升，有利于作物生長。當控水結束至蕾期時，其差幅迅速減少至2.54%(7月17日)，灌水減弱了農田小氣候對棉花光合特性提升的影響。當8月中旬棉花再次進入控水期時，這種影響效果又再一次凸顯，單間作差幅增加到24.85%(8月19日)。但這種效果會隨著控水時間的延長逐漸較弱，如9月15日所示，兩者差幅已經回落到7.70%。在苗期的控水所造成的差幅相似(苗期30.46%)。但對于 8月中旬經控水處理后，差幅雖然回落，但回落速率慢于大田試驗(8月19日13.26%；9月15日10.42%)。

棉花凈光合速率在時間段內(10:00～20:00)呈現出一個明顯的單峰曲線，在12:00時達到最高峰，而后受到高溫的影響，葉片氣孔出現閉合，光合速率減弱，植物出現午休現象。到16:00后，葉片凈光合速率出現輕微反彈，但受土壤水分供給不足等影響，光合速率逐漸減弱，直至20:00結束。提高的冠氣濕度和降低的冠氣溫度使間作棉花在正午時氣孔閉合程度弱于單作棉花，使植物午休時間段內的光合速率得到了提升，增加的每日光合產物。即在整個時間段內，與單作棉花相比，間作棉花凈光合速率提高了12.28%(盆栽提高了19.35%)。圖3

圖3 單、間作模式下棉花葉片凈光合速率變化趨勢Fig.3 Change trend of net photosynthetic rate of cotton leaves under single cropping and intercropping mode

2.4 田間和盆栽棉花產量及其產量構成因素的影響

研究表明，單、間作棉花衣分差異較小，種植模式對棉花出棉率基本無影響。單鈴重和結鈴數卻出現顯著差異，其中單鈴重相差12.0%，單株結鈴數相差11.8%。棉花單鈴數和單株結鈴數在養分充足時，主要受棉花株高和葉面積指數影響，而間作棉花株高和葉面積指數顯著高于單作。故間作模式主要通過改善植株高度和葉面積指數，最終提高了約20%的產量(與單作相比)。而棉花衣分主要受品種影響，間作模式對棉花基因型沒有任何影響，棉花衣分難以出現顯著差異。表3

表3 單、間作模式棉花產量及其產量構成因素Table 3 The comparison of cotton yield components in different planting pattern

3 討 論

冠氣溫、濕度是表征作物冠層發育狀態的一個重要參數，隨輻射強度變化而進行波動[18]。即隨著環境溫度的升高，冠氣溫度、蒸騰速率也逐漸提高。同時，冠層結構也會影響冠氣溫、濕度的變化。致密的冠層結構可以限制了部分水分散失，使得冠氣濕度維持在一個較高的水平，利于作物生長發育[19-20]。相關研究表明，間作模式改變植株的形態，增加棉花冠層郁閉度，有利于冠層結構限制水分散失能力提高[21]。在試驗中，間作棉花的株高提升26.6%，葉面積指數提高19.52%，促使冠氣濕度顯著提高15.07%，但冠氣溫度僅降低1.90%。這與林松明等[22]和雷金銀等[23]研究結果相似。此外，間作樹木可以產生一種林帶效應，使風速和亂流交換減弱[24]，延長植物蒸騰和土壤蒸發水分在近地表層滯留時間，同樣也有利于冠氣濕度的提高。

光合有效輻射是植物生長發育的能源基礎。對植株干物質量的累積有著重要的影響作用[25]。有研究表明，農作物可能受到相鄰果樹冠層遮蔽的影響，對作物的光合作用強度和生長發育產生不利的影響[2]。研究中，間作棉花(大田和盆栽)在各個生育期的凈光合速率均高于單作模式大田試驗中。棉花全生育期葉片凈光合速率提高10.25%。但最顯著體現在苗期控水時期，提升的相對濕度直接提高凈光合速率28.67%以上。這與宮香偉等[26]研究結果相似。間作模式改善了農田小氣候，增加相對濕度，調節氣孔導度，增加葉片與外界進行氣體交換的能力[27]。另有研究也表明,高濕環境有利于減弱植物“午休”，增強其光合能力[21]。間作模式內部種間互補效果明顯，其間作棉花生長發育程度明顯優于單作模式[28]，使葉片凈光合速率出現明顯的提升。

4 結 論

4.1間作棉花受間作棗樹的影響，使植物蒸騰和土壤蒸發水分在近地表層滯留時間延長。株高提升26.61%，葉面積指數提高19.42%，促使冠氣濕度顯著提高15.07%，但冠氣溫度僅降低1.90%。間作棉花(大田和盆栽)在各個生育期的凈光合速率均高于單作模式，植物午休現象也得到了緩解。大田試驗中棉花全生育期葉片凈光合速率提高10.25%。日均凈光合速率提高了12.28%。

4.2單作盆栽棉花和間作盆栽棉花在不同的農業小氣候條件下表現出截然不同的生理性狀。地間作盆栽棉花的株高、葉面積指數和凈光合速率分別提升21.37%、14.02%、12.55%，差幅微小于大田試驗。地上協同作用是引起棉花生理指標出現顯著差異的重要因素。

4.3較單作模式，間作棉花產量提高約20%左右。對棉花實施間作可改善田間小氣候，對防止環塔里木盆地一帶常出現的干熱風、浮塵和強對流等災害性天氣也有一定效果。