棗棉間作復合系統種植模式對棉花光合特性及產量的影響

王沛娟 樊文霞 李燕芳 李田甜 吳全忠 翟云龍 萬素梅 陳國棟

(塔里木大學農學院，新疆 阿拉爾市 843300)

新疆南疆地區因光熱資源豐富、晝夜溫差大、降雨稀少等獨特的自然資源稟賦[1]，使得紅棗和棉花成為新疆發展戰略中的特色農產品[2]。隨著各級政府將特色農果業打造為新疆的優勢產業和支柱產業，種植紅棗成為南疆農民增收致富的重要手段[3-4]。而棉花是新疆地區最具優勢的經濟作物之一，高品質、高產量的棉花產業是新疆經濟社會穩定的基礎[5-6]。近年來，隨著林果種植面積的不斷增加，造成了農果爭地矛盾。為解決這一矛盾，特色農果復合種植模式得到飛速發展[7]。農果間作系統是建立在生態學基礎上的一種復合種植模式[8]。合理的間作模式可有效提高光熱[9]和水土資源[10]的利用效率、增加經濟產值[11]、避免間作復合系統中不同物種間爭水爭肥的矛盾，實現農業資源的高效可持續利用[12]。但農果間作復合系統中，果樹與糧食作物[13]、果樹與經濟作物(棉花)[14]也存在資源的相互競爭。因此，科學組配合理的農果間作群體尤為必要。

光合作用是植物生長發育及產量形成的基礎，也是作物產量和品質構成的決定性因素[15]。為解決農果生產爭光問題，郭佳歡等[16]對棗麥間作系統中冬小麥的冠層光分布進行了研究，結果表明，單作冬小麥冠層的飽和光合有效輻射(photosynthetically active radiation,PAR)比間作處理高56.1%，棗樹遮陰造成的冠層PAR時空窗損失會導致間作冬小麥不同程度減產。蔡倩等[17]研究表明作物生育旺盛期，間作模式能夠促進仁用杏葉片的光合作用并提高水分利用。黨科等[18]對糜子-綠豆間作研究顯示，施氮處理下間作綠豆葉片的平均凈光合速率(net photosynthesis rate,Pn)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)比不施氮分別增加10.5%～24.5%、15.2%～29.5%；不同施氮量顯著增加了間作綠豆的干物質積累和產量，有效提高了綠豆的光合特性和產量。范元芳等[19]對玉米-大豆帶狀間作研究表明，間作大豆凈光合速率顯著低于凈作大豆。蘇康妮等[20]對核桃-玉米間作研究表明，間作園內玉米距離核桃樹越近，玉米株高、產量等受到的抑制越強；間作園的凈光合速率峰值顯著低于單作園。前人關于農果間作總體是對不同作物品種的光合特性以及遮陰程度進行研究，而對不同田間配置中間作作物光合特性機理的研究缺乏大量理論支撐，難以準確反映農果復合系統中作物對光熱資源利用的規律特性?；诖?，本研究以南疆棗棉間作種植模式為研究對象，探討間距對間作棉花光合特性和產量的影響，旨在明確間距調控棉花光合特性及群體產量的作用機理，為南疆地區農果種植結構優化及高效利用光資源提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2020年在新疆阿拉爾市塔里木大學園藝試驗站(40°32′34″N，81°18′07″E，海拔1 015 m)進行。研究區位于塔里木河上游、塔克拉瑪干沙漠西北邊緣，屬暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，光熱資源豐富，年均太陽輻射為559.4～612.1 kJ·cm-2，日照時數約為2 996 h，日照率66%，≥10℃的積溫在4 000℃以上，無霜期180～224 d，年均氣溫10.8℃。降雨稀少，年均降水量40.1～82.5 mm，年均蒸發量1 976.6～2 558.9 mm， 地下水埋深在3 m以下。地表蒸發強烈，空氣十分干燥，主風向為東北風，是典型的灌溉農區。土壤類型為沙壤土，土壤pH值7.90、有機質含量11.20 g·kg-1、 全氮含量1.51 g·kg-1、速效磷含量58.70 mg·kg-1、速效鉀含量107.34 mg·kg-1。

供試棗園于2012年酸棗種植建園，2014年嫁接灰棗，2019年進行棗園修整。棗樹株行距配置為3 m×1 m，南北行向，棗園樹高為1.0～1.5 m，樹冠直徑為0.7～0.9 m。棉花品種：2019年為新陸中38號，來源于新疆巴音郭楞蒙古自治州農業科學研究所選育的8316×中99后代973株系的自然變異單株；2020年為新陸中82號，來源于新疆塔里木河種業股份有限公司、新疆勁豐合農業科技有限公司選育的A27X52-2。

1.2 試驗設計

試驗設3種不同間作處理(圖1)，分別在距離棗樹兩邊1.4 m處種植2行棉花(M1)，棉花行距20 cm；距離棗樹兩邊1.0 m處種植4行棉花(M2)，棉花行距配置為(20+60+20 cm)；距離棗樹兩邊0.5 m處種植6行棉花(M3)，棉花行距配置為(20+70+20+70+20 cm)。棉花株距為11.5 cm，人工點播，并設置單作棉花為對照(CK)，單作棉花采用行距為66+10 cm的一模六行傳統機采棉種植模式，共組成4個處理，每個處理設3次重復，共計12個小區，單作CK小區面積為120 m2，間作棉花小區面積為80 m2，隨機區組排列。越冬前進行灌溉，各小區灌水量、施肥量保持一致，試驗地其他田間管理措施保持一致，適時進行人工除草。

圖1 棗棉間作田間分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of field distribution of jujube cotton intercropping

田間肥料施用和灌溉方式：試驗在單作棉花和間作系統中設傳統田間滴灌帶灌溉，采用兩行棉花一條滴灌帶排列方式，田間灌水與施肥統一進行，兩年試驗各生育階段的施肥量和灌水時間相同，所用肥料為復合肥料(表1)。

表1 田間肥料施用和灌水時間Table 1 Fertilizer application and irrigation in the field

1.3 測定指標與方法

1.3.1 光合有效輻射的測定 使用SQ-420球狀光量子傳感器(美國Apogee公司)于正午固定在距棗樹1.45 m的棉花植株上方10 cm處進行測定，各測點重復3次。2019和2020年PAR均于棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期主要生育階段進行測定。

1.3.2 光合指標的測定 兩年試驗均于棉花主要生育階段使用Li-6400 XT便攜式光合儀(北京力高泰科技有限公司)于12：00—14：00測定，各處理選取5株有代表性植株，選擇棉花功能葉測定其光合指標，包括葉片凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(net intercell nar CO2concentration， Ci)、氣孔導度(stomatal conductance,Gs)、蒸騰速率(Tr)，并計算水分利用效率(Pn/Tr)。

1.3.3 產量測定 于棉花吐絮期進行實收測產和考種。依據種植面積進行測產：棉花在間作系統內使用土地占比2/3，實收測產面積為80 m2；棗樹占比為1/3，測產面積為40 m2。為使單作棉花與間作棉花產量具有可比性，將各處理小區實收產量折算為單位面積(1 m2)產量進行比較分析。

1.4 灰色關聯度分析

以4種種植模式作為評價對象，選取苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期葉片Pn、Gs、Ci、Tr、水分利用效率(water use efficiency,WUE)和產量作為評價指標，建立參考數據列和比較數據列[21]。

1.4.1 無量綱化處理 為了消除各指標量綱帶來的影響，需要對數據進行無量綱化處理，以每個評價指標的最大值Xj作為參考值，由各指標實測的最優值組成“理想種植模式”，根據公式(1)進行無量鋼化處理。

(1)

式中，Rij為第i個樣品指標j的值；Xj為j指標的最大值。

1.4.2 計算關聯度系數 對各指標數據無量鋼化處理后，按照公式(2)計算關聯度系數。

(2)

式中，ζi(j)為關聯度系數；miniminjΔi(j)為原始數值與參考值Xj無綱量化處理后絕對差值的最小值；maximaxjΔi(j)為原始數值和參考值Xj無綱量化處理后絕對差值的最大值；ρ為分辨系數，一般取0.5進行計算。

1.4.3 計算灰色關聯度 將熵權法確定的各指標權重代入評價指標關聯度系數中進行加權，求出加權關聯度、等權關聯度，即為灰色關聯度。

(3)

式中，ri為等權關聯度，將ζi(j)求平均值，得到不同種植模式棉花的等權關聯度；ri*為加權關聯度系數；ωi(j)為指標權重系數。

1.5 數據分析

使用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0和DPS 7.05統計軟件進行數據處理和統計分析，用最小顯著極差法(P<0.05)進行顯著性檢驗，使用OriginPro軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 棉花主要生育時期調查結果

對兩年棉花生育期的調查結果表明(表2)，由于種植棉花試驗品種的不同，2019和2020年棉花各生育階段的生長時間也不同。總體上，2019年棉花從出苗到吐絮的生長發育時間較2020年短。2019年所選品種新陸中38的吐絮期較2020年新陸中82的吐絮期短15 d。

表2 棉花生育時期調查表Table 2 Survey of cotton growth period /d

2.2 間作棉花冠層上方光合有效輻射(PAR)的變化

由圖2可知，隨著棉花生育進程的推進，各處理兩年冠層光合有效輻射均呈現先增加后降低的變化趨勢，花鈴期達到最大值。2019年苗期與2020年苗期和吐絮期各間作處理冠層PAR強度均無顯著差異。2019年和2020年花鈴期間作M3處理PAR強度較M1、M2處理分別低3.9%、7.3%和10.0%、9.5%，這是因為在間作系統中棗樹對棉花造成了遮蔭。2019年M1處理在蕾期的PAR強度顯著高于其他間作處理，較單作CK低8.0%；2020年蕾期各處理間均無顯著差異。在棉花主要生育階段，對照(CK)光合有效輻射強度總體高于間作處理，說明間作復合系統棗樹對棉花有一定的遮光作用。綜上所述，隨著棗樹、棉花的生長發育，棗樹遮陰對棉花光合有效輻射強度有一定的影響。

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. The same as following.圖2 不同處理棉花冠層上方光合有效輻射變化Fig.2 Changes of photosynthetically active radiation above the cotton canopy under different treatments

2.3 間作對棉花光合特性的影響

2.3.1 對棉花凈光合速率的影響 棉花不同生長發育階段各處理間凈光合速率(Pn)差異程度表現不一(圖3)。2019年各生育時期間作系統凈光合速率均大于單作(CK)，M3處理棉花的Pn值最大。2020年苗期、花鈴期、吐絮期間作處理Pn均大于對照(CK)，而蕾期低于對照(CK)。兩年試驗表明，花鈴期、吐絮期各處理間Pn變化趨勢相似，而苗期與蕾期各處理之間存在差異。2020年苗期M1處理的Pn分別較CK和M2處理高73.12%和43.24%；蕾期CK則較M1、M2、M3處理分別高19.53%、22.06%、3.92%。兩年試驗研究表明，間作總體上提高了棉花的Pn，且M3處理的Pn總體上高于其他處理，這可能是因為棗樹棉花間作有利于誘導棉葉對光能的吸收，增強固碳羧化能力，從而提高棉花的光能利用率。

2.3.2 間作對棉花蒸騰速率的影響 不同時期棉花蒸騰速率(Tr)變化特征差異明顯(圖4)。2019年苗期各處理Tr均無明顯差異；蕾期間作處理棉葉的Tr均高于對照(CK)，且M1處理的Tr最大；花鈴期各處理間Tr由大到小的順序為M2>M1>CK>M3；吐絮期對照(CK)Tr最大，較M1、M2、M3處理分別高49.56%、79.58%、85.91%。2020年花鈴期M1、M3處理Tr大于對照(CK)，其他生育階段對照(CK)的Tr均大于間作處理，蕾期和吐絮期最為明顯。綜上所述，間作總體降低了棉花蒸騰速率，2019年各處理的Tr與2020年相比表現出較大的差異，可能是因為棉花試驗品種不同，影響了葉片蒸騰速率?？梢姡藁ㄈ~片蒸騰速率的變化不僅受種植模式影響，也因品種而異。

圖3 不同時期棉花凈光合速率變化Fig.3 Changes of cotton net photosynthetic rate in different periods

圖4 不同時期棉花蒸騰速率變化Fig.4 Changes of cotton transpiration rate in different periods

圖5 不同時期棉花氣孔導度變化Fig.5 Changes of cotton stomatal conductance in different periods

2.3.3 間作對棉花氣孔導度的影響 棉花氣孔導度(Gs)變化特征表明(圖5)，不同處理苗期、蕾期Gs均有較大差異，而花鈴期和吐絮期Gs變化趨勢基本保持一致。2019年苗期CK的氣孔導度最大，較M1、M2、M3處理分別高11.95%、5.19%、20.23%，且間作M2處理高于M1和M3處理；蕾期M1處理Gs最大，M2處理最小。2020年苗期間作處理棉葉的Gs均高于對照(CK)，由大到小的順序為M3>M2>M1>CK；蕾期則表現為CK最大，較M1、M2、M3處理分別高43.75%、38.8%、23.73%，Gs最大值出現在M3間作模式處理中。2019年M3處理氣孔導度在苗期、花鈴期和吐絮期均低于CK，2020年M3處理氣孔導度在蕾期和吐絮期均低于CK，主要是因為棉花試驗品種不同，且隨棗樹的生長發育，間作系統棉花植株受到的遮陰也會對其造成影響。

2.3.4 間作對棉花胞間二氧化碳濃度的影響 胞間CO2濃度是指內環境中的二氧化碳濃度，為棉花光合作用的反應物之一。棉花胞間CO2濃度(Ci)變化特征表明(圖6)，2020年棉花Ci均低于2019年。2019年苗期、蕾期、吐絮期CK處理的Ci高于間作處理，花鈴期M3處理Ci最小。2020年花鈴期CK處理的Ci低于M3處理，蕾期與吐絮期則是CK高于各間作處理。兩年試驗表明，從苗期到吐絮期各處理Ci變化趨勢為先升高后降低再升高，變化規律基本保持一致?？傮w而言，與單作相比，間作系統降低了棉花胞間CO2濃度。

圖6 不同時期棉花胞間CO2濃度變化Fig.6 Changes of CO2 concentration among cotton cells in different periods

2.3.5 間作對棉花水分利用效率的影響 作物產量與其光合作用和水分利用效率(WUE)相關，對棉花不同處理整個生育期的WUE進行分析(圖7)，結果表明，2019年蕾期和2020年蕾期、花鈴期各處理間的水分利用效率均無顯著差異。2019年苗期M2處理的水分利用率顯著高于CK，與M1、M3處理無顯著差異；花鈴期M3處理顯著高于M2處理，與單作CK、M1處理無顯著差異；吐絮期CK、M1和M2處理的水分利用率較M3處理分別低67.06%、52.47%和39.61%。2020年苗期M3處理的WUE顯著高于M2、CK處理，與M1處理無顯著差異；吐絮期M3處理的WUE最大，與M2處理無顯著差異，單作處理CK較M3、M2分別低71.95%、36.37%?？傮w而言，2019年全生育期M3處理WUE總均值分別較CK、M1、M2處理高52.8%、36.0%、30.2%，2020年則分別高50.4%、9.9%、9.0%。

圖7 間作對棉花水分利用效率的影響Fig.7 Effects of intercropping on cotton water use efficiency

2.4 間作對作物產量的影響

為使單作與間作具有可比性，對各處理所收獲的棉花產量進行單位面積折算分析，結果表明(圖8)，各間作處理單位面積內的棉花產量均達到了顯著水平(P<0.05)，間作M3處理產量最高。2019年對照(CK)棉花單位面積產量顯著高于間作M1、M2處理，間作M3處理相比CK顯著高16.4%。2020年M2處理與CK無顯著差異，CK相較M1處理增產64.6%，M3處理較CK增產20.2%。綜合兩年結果，間作M3處理單位面積內棉花平均產量分別較CK、M1、M2高18.2%、85.9%和37.0%。

圖8 間作對棉花產量的影響Fig.8 Effect of intercropping on cotton yield

2.5 棗棉間作系統光合與產量灰色關聯度評價

對各指標按照變異系數法的原則進行賦值，計算兩年試驗不同種植模式產量和各指標所占權重及變異系數(表3)。將表3數據與各間作處理關聯度系數代入公式(2)，即利用公式(3)可得到2019和2020年不同間作處理各時期光合特性與產量的等權關聯度(ri)、加權關聯度(ri*)，將其從大到小進行排序，結果見表4。根據灰色關聯度評價的規則可知，關聯度越高說明越接近理想狀態，更具有間作優勢。由表4可知，除2019年吐絮期、2020年蕾期和吐絮期外，其他各生育階段M3處理等權關聯序位次均為第一；CK在2020年蕾期加權關聯序為第一，M3處理的加權關聯序在兩年苗期、花鈴期和吐絮期均為第一。綜上，2019和2020年棗棉間作系統光合與產量灰色關聯度分析表明，M3處理能更好地提高資源利用率，突顯間作優勢。

表3 間作系統不同時期棉花光合指標與產量權重Table 3 Cotton photosynthetic indicators and yield weights in different periods of the intercropping system

表3(續)

表4 間作系統中不同時期棉花光合特性與產量關聯度Table 4 Correction characteristics and yield correlation between different periods in different periods in the system

3 討論

光照是作物光合作用及產量形成的能量來源[22]。在農果間作復合系統中，不合理的光照分布會影響間作作物有機質的積累。前人研究表明，不同密度棉花冠層上方的光合有效輻射均隨生育進程的推進，總體呈先上升后下降的變化趨勢[23]。本研究也發現了同樣的趨勢：間作處理棉花冠層上方的光合有效輻射均低于單作，這是因為在間作體系中棉花作為低位作物，受到了高位作物棗樹的遮蔽，太陽光從棗樹間投射到棉花冠層上方。王雅梅等[24]在玉米-大豆間作復合系統研究中發現，大豆作為低位作物，受到高位作物玉米的遮蔽，單作處理的PAR顯著高于各間作處理，這與本研究結果一致。

光資源是植物生長發育的基本條件[25-26]。良好的間作群體結構有利于提高作物光能利用率和水分利用效率[27]。已有研究表明，間作較單作可顯著提高作物的凈光合速率[28]。滿本菊等[29]對燕麥-馬鈴薯間作的研究結果表明，間作總體上提高了燕麥旗葉的凈光合速率。宮香偉等[30]通過對糜子-綠豆間作模式的研究表明，相對于單作糜子，間作增加了開花期糜子的凈光合速率。王鈺云等[31]研究表明，谷子花生間作降低了谷子葉片的胞間CO2濃度。本試驗兩年研究結果表明，棗棉間作復合系統M3處理總體提高了棉花的凈光合速率，與單作CK相比，棗棉間作模式降低了棉花的蒸騰速率、胞間CO2濃度。總體而言，間作提高了棉花的凈光合速率，降低了胞間CO2濃度、蒸騰速率，與前人研究結果相似。

水分利用效率是反映植物水分利用特性的重要參數，與作物生育時期密切相關[32]。本研究結果顯示，間作M3處理較M2處理對水分利用效率的影響最大，這與徐鵬等[33]的研究結果一致。本研究還表明，間作有利于提高苗期、吐絮期水分利用效率，但在蕾期和花鈴期均未達到顯著水平(P>0.05),與李發永等[34]的研究結果一致。此外，葉片尺度的水分利用效率具有較強的時效性，其結果只能代表特定時間內部分葉片的行為，僅用來說明植物的光合生理性能和對環境條件變化的敏感度，目前仍需對其進行大量研究，為作物對水分利用效率提供大量理論支撐。

棉花產量的形成與光照密切相關。朱元剛等[35]對玉米間作模式進行研究發現，間作主要通過改變光合物質的積累來提高生產力，間作群體的經濟產值顯著高于單作處理，因此，合理的間作模式在農業生產實踐中具有很好的應用價值。前人研究表明，小麥產量受到光強的影響，重度遮光導致產量減少，輕度遮光則無顯著影響[36]。趙奇等[37]采用灰色關聯分析對蔗糖浸種緩解玉米幼苗銅脅迫進行了研究，通過選擇株高、根長及各種酶活性等強關聯的指標，提高了玉米抗性育種的選擇效率。本研究對2019和2020年棉花單作及棗棉間作共4種模式下各生育時期的葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、水分利用效率、產量共6個指標進行灰色關聯度分析，分析兩年間作試驗結果認為，光合特性總體表現較好的處理為M3，其平均產量也相對高于其他處理，說明在棉花生長發育的關鍵時期，光合作用的強度直接影響其產量高低。

4 結論

在棗樹和棉花間作種植模式中，棗樹在棉花生長發育過程中造成一定程度的遮陰。兩年研究結果表明，棗棉間作模式下，M3處理的凈光合速率最大，棉花產量最高，在灰色關聯分析中等權關聯序和加權關聯序位次總體上最高。因此認為本研究棗棉間作中最合理的種植模式是M3處理，該種植模式能夠充分利用土地資源，提高復合系統的光能利用率。但隨著棗樹逐年不斷的生長發育，對作物的影響也會體現出不同差異，因而具體最佳適宜種植模式還需在下一步工作中通過大量的間作種植模式試驗進行研究。