强遮荫巨桉林下鸭茅的光合特性、生物量及经济效益评价

沈迪玉,白 燕,陈小红,万雪琴,尹 丽,弓 平,陈 飞

(四川农业大学生态林业工程四川省重点实验室,四川 雅安 625014)

林草复合系统泛指由森林和草地结合形成的多层次人工植被,林业上称为林草混交、林草间作等,草原学把它归为林草型人工草地[1]。实践表明,林草复合模式既可减少水土流失,改善生态环境,又能增加农民的收入,促进社会经济的可持续发展,是一种能很好兼顾三大效益的优良模式[2]。因此近年来,林草复合种植成了退耕还林还草中和农业产业结构调整的重要经营模式,也成了解决中国西部生态问题的有效途径。

目前关于林草复合模式的研究主要集中在模式配置[2～3]及生态经济效益等方面[4～6],如龚伟等[2]的研究提出林草配置主要有 4种模式:林带草带型、稀林草型、林草块状混交型、树篱草型;王海明等[8]的研究表明,杉木 +黑麦草、三倍体毛白杨 +黑麦草及杂交竹 +牛鞭草这 3种林草模式中林、草、土壤养分间存在一定的显著相关关系。林草模式在保持水土、改良土壤和提高土壤肥力等方面的作用也有报道[7～10]。

巨桉生长迅速,经济价值高,是近年来引种较广泛的树种之一。关于其林下牧草光合特性、生物量的研究已经较多,但主要集中在一种牧草在不同栽植密度的林分下或同一林分下几种牧草的光合特性及生长的比较[11～17],而关于在林分的强遮荫条件下是否适宜继续种植牧草,继续种植其经济效益如何以及牧草生长年龄对其光合特性及生物量的影响则少有报道。刘闯等[1]研究表明,鸭茅光合效率高,在巨桉林内生物量最高的适宜遮荫水平为 25%左右。而在生产实践中,由于耕地缺乏,有的养殖户在郁闭度很高的林内继续种植黑麦草、鸭茅等牧草,在获得了较好经济收益的同时,林分也发挥了良好的生态效益。本试验旨在研究鸭茅在高遮荫水平林分内的光合能力、生长状况及生物量,并进行投入产出分析,为科学经营林草复合种植模式,提高林地综合生产力提供参考。

1 试验地概况

试验地位于四川农业大学张家坪教学实验基地。地处横断山东部边缘,四川盆地与川西高山高原过渡地带,华西雨屏区的中心区。地理位置界为东经 102°59′09″～ 102°59′16″和北纬 29°58′39″～ 29°58′44″,海拔 620 m,气候属于亚热带季风性湿润气候,全年阴雨日较多,年均降雨量为1 774.3 mm,年均温 16.1℃,年均空气湿度 79%。

2 材料与方法

2.1 试验材料

巨桉(Eucalyptus grandis):分布于澳大利亚东海岸,具有适应性广,萌芽力强,抗逆性好,生长快等特性,是四川省近年来引种最广泛的树种,也是退耕还林和其它立地条件较好的植被恢复区的首选造林树种之一[17]。

鸭茅(Dactylis glomerata L.)为多年生草本植物。其须根系,无主根,根深可达 1m以上,在表层土壤 10 cm～30 cm内根系非常密集。茎直立,基部扁平,株高 70 cm～130 cm。基部分蘖,基叶众多,叶片长而软,叶片及边缘粗糙,叶色蓝绿以至浓绿色。鸭茅适应性广、再生力强、叶量大、草质好、营养价值高,是一种耐荫低光效植物,适宜于湿润而温凉的气候,对土壤的适应性强,1 a中可刈割 2次 ～3次。第 2年、第 3年产草量为最高,一般条件下每hm2可产鲜草45 000 kg,肥沃土壤上每 hm2可达75 000 kg[18,19]。

2.2 试验方法

试验地内的巨桉试验林为 2004年春定植,设置五种栽植密度(行距为 3 m,4m,5 m,6m,8m),同时于 2004年 9月与 2006年 9月在不同密度巨桉林下播种鸭茅(其中 2006年 9月没有在 8m行距中播种鸭茅),鸭茅播种量为 15 kg◦hm-2。 2008年 5月利用植物冠层仪(LAI-2000,USA)测定其遮荫水平,分 别 为 92.8%,90.7%,88.0%,81.5%,71.5%。试验时间为 2007年 10月下旬至 2008年 5月上旬,期间施肥两次。于 2008年 4月 6日测定其生长指标及光合日变化,4月 9日刈割测定产量及地上部分生物量。

2.2.1 光合速率和光照强度的测定

利用便携式光合仪(LI-6400,USA)测定鸭茅光合速率和光照强度。上午 8:00到下午 18:00,每隔两小时测定一次,每次在小样方内选取鸭茅的功能叶(顶端向下的第 5片完全展开叶片),重复测定3次,每次重复选取 3株不同植株的叶片。

2.2.2 鸭茅生长指标的测定

在样方内随机选择 10株鸭茅,对其生长指标(草高、叶长、叶厚、叶宽 、茎宽 、茎厚)进行测定。

2.2.3 鸭茅生物量的测定

在每一遮荫水平下,设置 3个面积为 0.7 m×0.7m的小样方,5个遮阴水平共设 15个小样方。将样方内牧草地上部分刈割,立即称其鲜重,同时取样,计算单位面积产量,在室内于 85℃温度下烘干至恒重,测定其干重,计算地上部分生物量。

2.2.4 数据处理

测定的数据利用 Microsoft excel、SPSS 13.0处理,同时分析在不同遮阴水平种植鸭茅的经济效益。

3 结果与分析

3.1 遮荫对鸭茅光合的影响

光照是影响植物光合作用最主要的因素。巨桉林内由于自然郁闭形成的遮荫度不同,使透入林内的光照也不同。由图 1可以看出,不同年龄鸭茅光合速率日变化与林内光照强度日变化趋势基本一致,均为单峰曲线,不同遮荫水平下,2 a生与 4 a生鸭茅光照强度达到峰值的时间与光合速率达到峰值时间一致。

图 1 不同遮荫水平下鸭茅光照强度日变化及光合日变化Fig.1 Diurnal variation of light intensity and photosynthesis of Dactylis glomerata L.under differentshading rates

2 a生鸭茅光合速率的最大峰值出现在遮荫81.5%,随着遮荫水平的增加,光合速率呈降低趋势,遮荫 92.8%的光合速率峰值低于其它水平。遮荫 92.8%和 90.7%的最大光合速率出现在 10:00,而 81.5%和 88.0%的出现在 12:00,此时各遮荫水平的光合速率差异较大,其他时刻,各遮荫光合速率差异不大。

4 a生光合速率的最大峰值出现在遮荫71.5%,明显高于其它水平。随着遮荫水平的增加,光合速率变化趋势不明显,原因主要是 4 a生鸭茅均种植在林缘位置(71.5%除外),受遮荫的影响没有 2 a生鸭茅大,使光合速率受遮荫水平影响的规律未明显表现出来。遮荫 88.0%的光合速率峰值低于其它水平,从图 1c中可知,该水平光照强度的峰值也低于其它水平,可能是测定光合时选定的测定点的实际遮荫水平还要高于其它水平,所以造成光合速率的最小峰值出现在遮荫 88.0%。

3.2 遮荫对鸭茅生长的影响

测定不同遮荫水平下不同年龄鸭茅的生长指标见表 1。从生长指标的分析可知:同一年龄鸭茅在不同遮荫水平下,随着遮荫水平增加株高降低,叶长变短,叶宽变窄,茎宽增宽,而茎厚变薄,茎偏向于扁平生长,叶厚变化趋势不明显,2 a生在遮荫水平81.5%生长最好,4 a生在遮荫水平 71.5%生长最好;不同年龄鸭茅在同一遮荫水平下,2 a生株高和叶长明显优于 4 a生,特别是叶长,增幅达到31.6%,4 a生的叶宽要比 2 a生宽,其他生长指标的差异较小。总之,随着遮荫水平增加,鸭茅长势变差,而随着年龄增加,鸭茅长势也会变差。

表 1 不同遮荫水平下各年龄鸭茅生长情况Table1 Growth condition of Dactylis glomerata L.of different ages under different shading rates

经相关分析,遮荫水平与鸭茅株高和叶长存在以下相关关系:遮荫水平与株高为负相关,与 4 a生株高的相关系数 r=-0.941(p＜0.05),与 2 a生株高的相关系数 r=-0.951(p＜0.05);遮荫水平与叶长也呈负相关,与 4 a生叶长的相关系数 r=-0.959(p＜0.01),与 2 a生叶长的相关系数 r=-0.964(p＜0.05)。

3.3 遮荫对鸭茅地上部分生物量的影响

遮荫通过改变林内光照强度,影响鸭茅的光合作用,使生物量的积累呈现规律性的差异(图 2)。

试验中未测定遮荫水平 92.8%时 4 a生鸭茅生物量,因为其受人为践踏严重,已不能满足生物量测定。由图 2可知,4 a生鸭茅生物量最大值出现在遮荫水平 71.5%,为 0.4347 kg◦m-2,最小值出现在遮荫水平 90.7%,为 0.2092 kg◦ m-2,而 81.5%和88.0%的生物量差异较小;2 a生生物量最大值出现在遮荫水平 81.5%(遮荫水平 71.5%未种 2 a生鸭茅),为 0.3952 kg◦m-2,最小值出现在遮荫水平90.7%,为 0.2393 kg◦ m-2,81.5% ～90.7%生物量整体变化趋势明显,呈减少趋势。由以上分析可知:同一年龄鸭茅在不同遮荫水平下,生物量积累随着遮荫水平的增加而减少,2 a生在遮荫水平 81.5%最大,4 a生在遮荫水平 71.5%最大。

而比较在同一遮荫水平下不同年龄鸭茅生物量积累,可得出以下结论:81.5%、88.0%和 90.7%这

图 2 不同遮荫水平与鸭茅生物量的关系Fig.2 The relationship between biomass and shading rates

3个遮荫水平下 2 a生生物量积累明显高于 4 a生,增幅分别为:40.5%、13.8%和 14.4%,平均高出22.9%。由此可知:在同一遮荫水平下,鸭茅生物量积累随着年龄增加而减少。

经相关分析,遮荫水平与鸭茅生物量存在负相关,与 4 a生生物量的相关系数 r=-0.948(p＞0.05),与 2 a生生物量的相关系数 r=-0.964(p＜0.05)。株高既是衡量生长发育状况的重要标准,又是反映生产能力的生产指标,经相关分析,生物量与株高呈正相关,与 4 a生株高相关系数 r=0.975(p＜0.05),与 2 a生株高相关系数 r=0.994(p＜0.01)。可见,生物量与株高均呈显著相关。

3.4 遮荫对鸭茅经济收益的影响

不同遮荫水平下鸭茅产草量的差异直接影响林农复合经营初期的经济收益,本试验以 1 a为生产周期计算种植鸭茅的生产投入和直接收益(见表2)。

表 2 不同遮荫水平下种植鸭茅的经济效益计算表Table 2 Tab le of economic benefits of p lanted Dactylis glomerata L.under different shading rates

通过表 2的分析可知:随着遮荫水平的增加,不同年龄鸭茅的年净收入均呈明显减少趋势,在遮荫水平小于 90.7%时均为正值(年收入 ＞年投入),高于 90.7%时,均为负值(年收入 ＜年投入),说明在较高遮荫水平下种植鸭茅已经不能获得经济收益;而在同一遮荫水平下,2 a生鸭茅的年净收入明显高于 4 a生,表明随着年龄增加,鸭茅的鲜草产量降低,其经济收益明显减少。

经拟合,种植鸭茅的经济收入(Y)与遮荫(x)存在以下关系:

假设每年总投入不变,均为 0.79万元◦hm-2,由(1)、(2)可知,2 a生鸭茅在遮荫 90.7%时,4 a生85.0%时,其经济产出等于投入,为经济效益临界点,在低于此遮荫水平巨桉林分内种植鸭茅将获得一定的经济效益。

4 讨论

1)植物净光合速率的大小反映了植物固定太阳能并转化为化学能的能力,对植物的光合日进程进行测定,可以深入分析植物光合速率的日变化,从而解释植物的产量构成因素[20]。在图 1中,光照日变化曲线及光合日变化曲线在不同遮荫水平间(71.5%除外),差异不明显,一方面是因为该人工林经过几年的自然生长,林分已郁闭,不同行距间遮荫水平差异不大,除 71.5%与 81.5%相差 10.0%,81.5%与 88.0%相差 6.5%,其余遮荫水平均相差在 2%左右;另外,测定的遮荫水平只能代表林分的平均水平,不能完全代表林分内具体位置的特征(如该点实际遮荫水平、附近乔木生长状况等),所以可能造成测定的光合特性的变化与遮荫水平关系不明显。

本试验所设的遮荫水平均为人工林郁闭后的自然遮荫水平,其均很高,而试验中未设计低遮荫水平的处理及全光对照,所以无法得出鸭茅的最适遮荫水平。刘闯等[1]的研究表明,鸭茅的最适遮荫水平为 50%左右,本试验中设计的遮荫水平均已超过鸭茅的最适遮荫水平,虽然鸭茅为耐荫低光效植物,但过度的遮荫会使鸭茅的光合速率降低,此时可通过抚育间伐调整林分郁闭度,改善林分光照条件来促进鸭茅光合,从而提高鸭茅产草量。

2)生物量的高低反映植物光合产物积累的大小,遮荫通过改变林内光照强度、降水等,影响鸭茅的生长,从而影响其生物量的积累。试验表明,较高遮荫水平会抑制鸭茅生长,使其生物量积累减少。试验中测得的各遮荫水平下生物量均较高,且同一遮荫水平下各小样方内差异不大,一方面是因为在试验期间,雨水较往年充足,不易形成巨桉与鸭茅对水分的竞争,有利于鸭茅的生长;另外,从生物学特性考虑,巨桉为乔木,是深根性的,而鸭茅为浅根性,两者对肥料的竞争相对较弱,而试验期间共施肥两次,第一次是在刈割后,有利于鸭茅恢复生长,另外于 2008年 3月下旬,鸭茅进入速生期施追肥一次,满足了鸭茅生长对肥料的需要。因此在遮荫水平较高的林内,只要保证其水肥条件良好,仍能获得较高产量。

3)在林草复合模式中,林下牧草可用于发展畜牧业,增加经济收入,促进当地经济发展。试验中计算种植鸭茅的年净收入,是在该试验条件下的年净收入,而生产实践中所采取的经营措施(如施肥)和生产投入并不能保证与本试验一样,因此在生产中,实际的年净收入与本试验会有一定出入。

本研究表明,2 a生鸭茅在遮荫 90.7%时,4 a生 85.0%时,经济产出与投入相等。从经济角度考虑,超过此遮阴水平不适宜继续种植鸭茅。但从生态效益角度考虑,林下种植牧草有利于减少降雨对地表的直接冲刷,防止水土流失,提高地表植被覆盖度,改善生态环境[21]。因此,在水土流失较严重的地区,为使林分继续发挥良好的生态效益,可继续种植鸭茅并给予适当的经营管理。

综上所述,在强遮荫水平巨的桉林内,鸭茅生长受到抑制,产草量不能达到最大,且鸭茅连续生长 3 a至 4 a后,长势逐渐衰退,不适宜继续种植。若需要林分继续发挥较好的水土保持效益,可继续种植。

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