开心树形叶幕结构对苹果园地面太阳辐射的影响
2012-09-15牛自勉张文和
牛自勉，蔚 露，张文和
（1.山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031；2.北京昌平中日友好果园，北京102200）
太阳辐射是果树生长发育的基础，其辐射强弱和光谱的变化不仅影响叶片的光合作用，同时对果园树体生长及果实发育产生重要影响。因此，探讨不同叶幕微气候条件下太阳辐射的变化已成为果树生理学密切关注的研究领域[1-3]。为了改善果实经济产量和品质，一方面要求叶幕获取尽可能多的太阳辐射；另一方面要求通过叶幕结构改善，使叶幕截获的太阳辐射在叶幕层中有比较合理的分配[4-5]，以营造适宜的微区光环境，提高叶片的生产效率。
叶幕层中太阳辐射的截获与分配，国内外已进行了不少研究[4，6-7]，但在果园地面太阳辐射研究方面报道较少。
本试验以我国现阶段苹果生产上常见的小冠分层树形和小冠开心树形为材料，进行了果园地面太阳辐射光谱变化和辐射强度的系统测试，以期为我国苹果乔化果园树形改造时光能综合利用提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 材料
试验于2007—2010年在北京昌平区中日友好示范果园进行。试验地位于华北平原西北部，燕山南麓，年均温10.2℃，年均降水量584 mm。试材为8～9年生的宫藤富士苹果，砧木为八棱海棠（M.micromalus Makino）。供试的苹果树树形为小冠开心形和小冠疏层形，株行距3 m×4 m，南北行向，果园土壤有机质含量1.03%，地面实施人工生草处理。
试验选择物候期一致、生长势一致的植株，3株为一小区，重复3次。
1.2 方法
1.2.1 光谱测定 光谱测定采用美国CID公司生产的CI－700光纤光谱分析仪。果园地面及叶幕太阳辐射光谱测定时，在树冠投影地面东西两侧同时进行。测定位点从树冠投影外围到树干，依次为 0，20，70，120 cm（即主干位置的地面点）。
测定在10：30—11：00进行，分别记录树冠东侧与树冠西侧地面及叶幕不同位点的太阳辐射光谱及其相对吸收强度。本试验条件下，辐射光谱的测定范围选定为300～1 010 nm。
太阳辐射光谱测定参照了Jachson[8]与张大鹏[2]介绍的测定方法，并根据本试验的特点，将太阳辐射依次划分为紫外光（U，＜380 nm），光合有效辐射（PAR，400～700 nm），红外/远红外光（R/FR，＞780 nm）3个部分进行统计分析。
1.2.2 冠层分析 采用美国CID公司生产的CI-110数字式植物冠层分析仪进行分析。取样测试时，用鱼眼图像获取装置在树冠下扫描，用相连的便携式计算机记录和处理数字图像，测定时选用150鱼眼镜头，视野范围选定为75°，天顶角的划分为 0°～90°。
测试结果采用CI－110冠层分析仪提供的相关软件进行分析，依次获取叶面积系数（LAI）、直接辐射透过系数（TR）、散射辐射透过系数（TD）等参数。设定的测试取样部位、测定时间与光谱测定同步进行。
PAR测定选用光合有效辐射光量子测定仪（探头为美国Licor公司生产）进行。
2 结果与分析
2.1 果园地面辐射光谱与辐射强度的变化
2.1.1 辐射光谱的变化 受叶幕层吸收与过滤的影响及果园行间透光带的共同作用，不同树形处理到达地面的太阳光谱发生了明显的变化，到达果园地面光谱成分呈不均匀消减（表1）。其中，530～560，672～703 nm这 2个区域的平均消减率明显高于全光谱的消减率，而320～356，732～846 nm区间的消减率则明显低于全光谱的平均消减率。通过波段分组计算，U（300～380 nm），PAR（400～700 nm） 和 R/FR（780～1 010 nm）通过叶幕透射到达果园地面的光谱比例分别为35.73%，13.35%和28.88%。其中，PAR的透射率最低，低于3组波段平均值22.42%，可能与该波段光能与光合作用光化学反应的第1，2个吸收高峰相关。结果表明，在迎光面，开心形苹果树太阳辐射及PAR的地面平均透射率达到28.8%，显著高于小冠形树；在背光面，尽管开心树形地面PAR值下降，但仍显著高于小冠形苹果树。计算U，PAR和R/FR的平均值，开心树形在迎光面和背光面分别为32.98%和28.35%，高于2种树形处理的平均值。
表1 不同树形处理太阳辐射到达地面的光谱变化 %
果园地面由外围到内层，不同波长辐射占同一叶幕层太阳辐射的比例各不相同。其中，PAR所占比例依次递减（图1-A），而紫外辐射及红外辐射所占比例变化与PAR相反（图1-B，C），表现出与果园叶幕层不同波长辐射相似的结果[5]。
2.1.2 辐射强度的变化
2.1.2.1 太阳辐射强度的变化 果园地面太阳辐射的强度从外围向内层依次递减（图2-A）。在迎光面果园地面，太阳辐射强度高，衰减平缓。开心形苹果树0 cm测定位点的太阳辐射相对强度约占环境太阳辐射强度的67%，至内层120 cm处其强度仍达15.6%。小冠形苹果树太阳辐射的消减变化也呈相似的规律，但外围0 cm处辐射强度较低，其后的消减速率加快。因此，树形差异明显影响了地面辐射的强度变化，而地面辐射的变化结果将对叶幕微区光环境产生影响。
2.1.2.2 PAR的强度变化 随着果园地面测定距离由外向里的增加，PAR强度依次递减（图2-B）。在迎光面0 cm处，开心形树的PAR强度为同位置小冠形树的2.34倍，其后的叶幕层中仍保持较高的PAR强度。在背光面，开心形处理的PAR消减速率大于迎光面，不同测定位点的PAR强度仍高于小冠形树。为了表明不同处理间的差异，拟合了不同树形迎光面及背光面PAR消减的回归方程，PAR强度在不同叶幕层中以指数函数形式消减（图3，4）。
2.1.2.3 U及R/FR的强度变化 与其他波长光谱的变化趋势相似，U辐射强度在叶幕中依次递减。在开心形苹果树迎光面，树冠投影外围0～20 cm紫外辐射强度较强，70～120 cm部位辐射强度较低，无明显递减；小冠形苹果树在树冠投影外围0 cm处辐射强度显著降低，其70～120 cm部位辐射强度也显著低于开心树形，递减不明显（图2-C）。拟合方程表明，紫外辐射在不同叶幕层中以多项式或对数形式消减（图3，4）。R/FR辐射强度由于叶幕结构和光谱的不同而变化，辐射强度从外围地面到内层以多项式函数形式消减（图 2-D，图 3，4）。
2.2 地面太阳辐射对叶幕太阳辐射的反馈
试验同期测定了开心树形和小冠分层树形的叶幕、地面及叶幕反射辐射强度，并以试验结果为依据模拟了三者之间的回归曲线（图3，4）。结果表明，在果园地面辐射与叶幕辐射、地面辐射与叶幕反射辐射、叶幕辐射与叶幕反射辐射之间均呈显著、极显著相关关系：即果园地面辐射越强，叶幕太阳辐射越强；果园地面辐射越强，叶幕反射辐射越强；叶幕反射辐射越强，叶幕太阳辐射总强度越强。因此，通过树形叶幕结构的改变增加果园地面的太阳辐射强度，能提高果园叶幕综合光能利用率，进而提高叶幕的同化能力。
不同树形处理的测定结果表明，与小冠疏层树形对照相比，开心树形处理由于果园地面太阳全波辐射和PAR辐射较高，引起叶幕相关值普遍提高，具体结果为：（1）提高了果园地面太阳辐射透射率，其迎光面地面平均太阳辐射强度达到了29.7%，地面平均PAR辐射强度也达到25.3%；而对照树形同期的对应值分别为9.3%和5.2%。（2）优化了太阳辐射的光谱构成，使地面及叶幕反射光谱中PAR的平均比例分别比对照提高74.9%和71.0%。（3）提高了地面辐射对叶幕的反馈效率，使叶幕中反射辐射的平均比例达到叶幕总辐射36.4%，而在80～120 cm树冠叶幕，这一比例增加到55.7%。（4）增加了叶幕层U，R/FR的平均强度，分别达到0.99%和7.4%；而对照值分别为0.39%和2.9%。
3 讨论
到达果园地面的太阳辐射，除一部分被土壤吸收之外，相当一部分还以散射光的形式向叶幕层反射，因而对调节叶幕微区光环境有重要作用。以往在果树叶幕微气候的研究中，对叶幕中太阳辐射的消减变化给予了一定重视[9]，但对果园地面太阳辐射的变化研究较少[10-11]。本试验在进行叶幕层辐射变化研究的同时，还对其相应的地面光谱进行了量化分析，探明了其变化规律。
果园地面太阳辐射光谱的形成，既受叶幕层光谱变化的影响，又受果园行间及株间直射光与散射光的影响[3]。因此，地面光谱变化既与叶幕层相似，同时又独立于叶幕光谱的变化。首先，不同波长的太阳辐射在果园地面均发生了不均匀消减，但地面辐射衰减速率与叶幕不同，其中，PAR比例明显高于叶幕。其次，地面光谱直接影响着叶幕反射光的强度及光谱变化，当地面辐射的PAR强度较高时，叶幕PAR强度及比例也相应提高。此外，叶幕光谱、地面光谱及叶幕反射光谱构成了有机整体，三者互为因果、相互促进，而地面辐射的最终作用则增加了叶幕中的辐射水平。
太阳辐射强度及光谱变化不仅影响着苹果叶片的光合作用，同时也影响着果实的生长发育及品质构成。因此，果树叶幕微气候的研究中如何调节叶幕层适宜的辐射强度，维持合理的果园光能截获率，形成有利于光合作用及品质发育的微区光环境，已成为果树栽培与生理研究中密切关注的研究领域[12，2]。为了改善果实经济产量和品质，一方面要求叶幕获取尽可能多的太阳辐射，另一方面，则要求通过叶幕结构的改善，使叶幕截获的太阳辐射在叶幕层中有比较合理的分配，在适宜的微区光环境下提高光合效率[4，8]。
以往的研究表明，要维持苹果优质生产，保证优质花芽分化，通常需要维持30%左右的太阳辐射透射率[2]。在桃树上，要维持75%～80%的短枝成花，其果园地面PAR的透射约为27%，即要求在整个叶幕中保留15%左右的叶幕空隙（即暴露的天空）[13]。本试验中，通过开心树形在叶幕水平方向提干、落头等整形修剪处理，对原有的小冠树形的叶幕厚度进行了压缩和上移，实现了果园地面与叶幕层太阳辐射的均匀分配与经济利用，在维持叶幕水平宽度不变的条件下，减缓了太阳辐射在叶幕层中的消减速率，使迎光面地面平均太阳辐射强度达到了29.7%，与以往的研究结果基本吻合[14]；同时地面辐射中PAR强度也由对照的9.3%增加到25.3%，形成了有利于叶幕同化能力提高的光照环境。此外，叶幕中U与R/FR辐射强度的增加，是地面辐射的结果，还是叶幕光合作用光谱变化的结果，还需要进一步研究证实。
［1］ Palmer J W.The effects of row orientation，tree height，time of year and latitude on light interception and distribution in model applehedgerow canopies[J].JHort Sci，1989，64（2）：137-143.
［2］张大鹏.葡萄叶幕微气候调控及其生物学原理[M].北京：科学出版社，1995：57-84.
［3］牛自勉，蔚露，降云峰，等.间伐对梨园地面不同区域太阳辐射的影响[J].山西农业科学，2011，39（12）：1252-1255.
［4］ Baraldi R，Rossi F，Facini O，et al.Light environment，growth and morphogenesisin apeach treecanopy[J].Physiologiaplantarum，1994，91：339-345.
［5］牛自勉，张文和，王建新.苹果开心树形叶幕太阳辐射吸收规律研究[J].华北农学报，2009，24（4）：212-217.
［6］孙志鸿.改良高干开心形富士苹果树冠不同层次相对光照强度分布与枝叶的关系[J].果树学报，2008，25（2）：145-150.
［7］王建新，牛自勉.乔砧富士苹果不同冠形相对光照强度的差异及对果实品质的影响[J].果树学报，2011，28（1）：8-14.
［8］Jackson JE.Light interception and utilization by orchard systems[J].Horticultural Review，1980，2：208-267.
［9］Sands PJ.Modelling canopy production.III.Canopy light-utilisation efficiency and its sensitivity to physiological and environmental variables[J].Aust JPlant Physiol，1996，23：103-114.
［10］张文和，牛自勉.苹果优质生产精细管理技术[M].北京：中国农业出版社，2004：11.
［11］牛自勉，姚效忠.苹果开心树形的发展历程及其整形修剪体系[J].华北农学报，2001，16（增刊）：65-71.
［12］Flore JA.Environmental and physiological regulation of photosynthesis in fruit crops[J].Horticultural Rev，1989，11：112-139.
［13］Lakso A N.Correlationsof fisheyephotography tocanopy structure,light climate,and biological responses to light in apple trees[J].JAmer Soc Hort Sci，1980，105（1）：43-46.
［14］牛自勉，孙俊宝.树干高度对苹果开心形树产量及品质的影响[J].山西农业科学，2011，39（10）：1067-1069，1091.
