商洛山地林藥復合生態(tài)系統(tǒng)小氣候效應研究

王鳳娟，秦紹龍，張鴻雁，劉 娜

(1.商洛學院，陜西商洛 726000；2.資源植物利用與健康產(chǎn)品研究科技創(chuàng)新團隊，陜西商洛 726000；3.商洛市氣象局，陜西商洛 726000)

氣候是影響農(nóng)林生物生長發(fā)育的主要生態(tài)環(huán)境因素，特別是小氣候效應，是生物生存的環(huán)境基礎，直接影響生物的生長發(fā)育進程。在農(nóng)林(藥)復合系統(tǒng)中，由于樹木與其下作物、中藥材的生物學特性不同，其生長發(fā)育所需環(huán)境也不相同，特別是樹木會改變原來的環(huán)境并產(chǎn)生新的小氣候效應，進而對樹下植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響[1]。光照是植物生長的基礎能源，也是植物生長發(fā)育必不可少的因子[2-3]，它不僅直接影響植物的生理過程，也間接調控著局部的溫度、濕度、風速及CO2濃度等，進而影響植物的生產(chǎn)。在林藥復合系統(tǒng)中，經(jīng)濟苗木位于上層，中藥材位于下層，上層的樹木會遮擋光照，減少樹下的光照強度和照射時間，阻礙下層作物受光，影響其生長發(fā)育，同時又可遮風擋雨，調節(jié)局部小氣候。因此，研究商洛山地農(nóng)林(藥)復合系統(tǒng)的小氣候效應，對于科學合理構建不同模式的林農(nóng)、林藥復合系統(tǒng)，提高地方農(nóng)民收入具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計試驗樣地設在陜西省商洛市洛南縣景村鎮(zhèn)育林村，不同林農(nóng)、林藥復合系統(tǒng)面積達5.5 hm2。筆者選取由核桃和丹參、桔梗、黃芩組成的林藥復合系統(tǒng)為研究對象，不同復合系統(tǒng)中核桃樹的生長差異明顯(表1)。試驗田中核桃株行距為5 m×3 m和3 m×3 m 2種種植模式，分別為W5×3、W3×3，樹下兩側距離植株各50 cm分別種植丹參、桔梗和黃芩，行株距分別為15 cm×30 cm、20 cm×30 cm和10 cm×20 cm。

表1 試驗區(qū)不同林藥復合系統(tǒng)中核桃的生長特征

1.2 指標測定在丹參、桔梗和黃芩的苗期、開花期和生長減緩期，利用Li-6400和Kestrel-4500監(jiān)測大田(CK)和不同復合系統(tǒng)的小氣候，監(jiān)測指標主要包括光合有效輻射強度(PAR)、大氣溫度(T)、大氣相對濕度(RH)、風速(WS)和大氣CO2濃度(Ca)[2-3]。

1.3 數(shù)據(jù)分析試驗數(shù)據(jù)和圖表采用 Microsoft Excel 2007 進行處理，方差分析及其他統(tǒng)計分析均采用SPSS 18.0進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同生長期林藥復合系統(tǒng)內光合有效輻射(PAR)的變化在中藥材的苗期、花期和生長減緩期，各系統(tǒng)的PAR從單作(CK)、間作系統(tǒng)中W5×3模式到W3×3模式逐漸減弱(圖1)。與CK相似，W5×3模式的PAR日變化趨勢為“單峰型”，最大值出現(xiàn)在13：00。整個生長季各模式PAR的平均值表現(xiàn)為CK[1 228.5 μmol/(m2·s)]>W5×3[1 089.9 μmol/m2·s)]>W3×3[711.0 μmol/(m2·s)]，與CK相比，W5×3和W3×3模式的PAR分別降低了11.3%和42.1%。這表明樹木種植密度和生長狀況對樹下PAR及其分布有明顯影響。

圖1 不同生長期各復合模式光合有效輻射強度(PAR)的變化

2.2 不同生長期林藥復合系統(tǒng)內大氣溫度(T)的變化從圖2可見，各模式T的變化情況與PAR相似，即不同模式的T日變化情況均表現(xiàn)為“單峰型”曲線，但CK的T高于復合模式。整個生長季各模式平均T表現(xiàn)為CK(32.36 ℃)>W5×3(31.14 ℃)>W3×3(30.25 ℃)。與CK相比，W5×3和W3×3模式的T分別降低了1.22和2.11 ℃，方差分析顯示結果顯著(P<0.05)。可見，復合模式可有效降低氣溫。

圖2 不同生長期各復合模式大氣溫度(T)的變化

2.3 不同生長期林藥復合系統(tǒng)內大氣相對濕度(RH)的變化從圖3可見，除苗期W3×3復合模式RH日變化表現(xiàn)不規(guī)則外，整個生長期其他種植模式的RH日變化趨勢均表現(xiàn)為“V”型，最低值均發(fā)生在15：00。整個生長季不同模式RH的變化表現(xiàn)為W3×3(54.47%)>W3×3(51.45%)>CK(47.36%)。W5×3和W3×3模式RH比CK提高了4.09和7.11百分點。方差分析結果表明，各模式間差異顯著(P<0.05)。可見，復合系統(tǒng)可以增加RH。

圖3 不同生長期各復合模式大氣相對濕度(RH)的變化

2.4 不同生長期林藥復合系統(tǒng)內風速(WS)的變化從圖4可見，從苗期到生長減緩期復合系統(tǒng)內的WS均低于CK。W3×3模式的WS低于W5×3模式，整個生長季不同模式WS大小表現(xiàn)為CK(0.95 m/s)>W5×3(0.57 m/s)>W3×3(0.43 m/s)。W5×3和W3×3模式WS與CK相比降低了40.0%和54.7%。可見，復合系統(tǒng)可以顯著降低WS，有效緩解風害。

圖4 不同生長期各復合模式風速(WS)的變化

2.5 不同生長期林藥復合系統(tǒng)內大氣CO2濃度(Ca)的變化由圖5可知，各生長期內不同模式下Ca日變化均表現(xiàn)為“V”型，且CK的Ca大于復合模式。整個生長期不同模式Ca變化表現(xiàn)為CK(382.7 μmol/mol)>W5×3(366.8 μmol/mol)>W3×3(361.66 μmol/mol)。與CK相比，W5×3和W3×3模式Ca分別減小了15.90和21.04 μmol/mol，出現(xiàn)這種結果的原因可能和復合系統(tǒng)通風不利等有關。

圖5 不同生長期各復合模式大氣CO2濃度(Ca)的變化

3 討論與結論

生態(tài)環(huán)境因子對植物的生長有重要的影響，農(nóng)林(藥)復合系統(tǒng)改變了套種植物原有的生長環(huán)境，特別是對光照強度及其分布的影響直接關系到作物的最終生產(chǎn)力。該研究中，因為不同模式核桃樹生長狀況的差異，各復合模式中不同果樹對林下作物的遮陰范圍不同。與單作模式相比，復合模式能降低光合有效輻射強度(PAR)11.3%～42.1%，對樹下套種作物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響，這對于喜陰作物(部分中藥材)的生長是有利的[4-6]。大氣溫度(T)是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子之一[7]，通常情況下較高的氣溫有利于植物進行光合作用，但是過高的溫度會使植物細胞原生質的理化性質發(fā)生改變[8]，破壞細胞器的原有結構，阻礙光合作用甚至致使其死亡[9]。該研究中林藥復合系統(tǒng)與單作模式相比可降低T 1.22～2.11 ℃，可以減緩中午高溫對中藥材生長發(fā)育的有害影響。此外，相對于單作模式，核桃-中藥材復合模式可有效提升大氣相對濕度(RH)4.09～7.11百分點，降低風速(WS)40.0%～54.7%，降低大氣CO2濃度(Ca)15.90～21.04 μmol/mol。在較干旱的商洛山區(qū)，較高的大氣濕度可以局部緩解氣候干旱帶來的不利影響[10]，有利于樹下套種中藥材生長發(fā)育，降低風速可以減輕風害造成的不利影響，這造就了秦嶺“中藥材之鄉(xiāng)”的美譽[11]。

農(nóng)林(藥)復合系統(tǒng)的立體布局改變了原來相對單一扁平的種植結構，新的立體結構產(chǎn)生新的小氣候效應，光能、水分、養(yǎng)分等資源在生物間進行重新分配及二次平衡，形成了新的穩(wěn)定平衡的生態(tài)系統(tǒng)，從而保障不同植物正常生長發(fā)育。