桑园套种马铃薯田间优化配置模式研究

李勇，于翠，邓文，叶楚华，胡兴明，熊超，李欣

摘要：在桑树/马铃薯套种群体系统内，研究不同田间配置条件下，桑园环境因子变化、桑叶气体交换参数特征、桑树冠层对光强度吸收效果及对桑叶产量的影响。结果表明，M2模式可显著提高桑园环境CO2浓度（Ca），M1模式中桑园环境温度（T）最高;3种处理桑树叶片的净光合速率（Pn）日变化均呈双峰曲线，不同处理桑树叶片Pn最大值有差异，M2模式中桑树叶片LUE、WUE、CUE最低。桑树冠层透光率（LTR）及其相应叶面积指数（LAI）测量结果呈极显著相关，LTR随LAI的增加而呈递减的趋势。M1模式的土地生产率最低，M2模式桑树产量指标单株产叶量和公斤叶片数最低，M3模式马铃薯的成本收益率和资金产投比最优。综合分析，桑树密度为1 000株/667 m2（株行距170 cm×40 cm）的桑园，套种马铃薯的最佳田间配置为两行桑树间种植2行马铃薯（株行距30 cm×50 cm）与两行桑树间种植1行马铃薯（株距30 cm）隔行种植模式。

关键词：桑园套作马铃薯;田间配置;光合特性;产量

中图分类号：S888;S532;S344.3       文献标识码：A       文章编号：0439-8114（2014）23-5779-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.039

马铃薯为茄科茄属一年生草本植物，别称地蛋、洋芋、土豆等，是全球第三大重要的粮食作物，仅次于小麦和玉米。而农林复合系统由于其在提高自然资源利用率、增加农民收入、促进生态和经济协调发展等方面意义重大，正吸引诸多专家、学者关注。有研究表明，农林套作模式可有效降低系统内的风速、调节系统内农作物冠层的温湿度，并直接影响林木和农作物的光合生理参数和产量等[1，2]。桑园套作马铃薯模式是近年推广较快的一种桑园复合经营模式，其在增加蚕农收入、稳定蚕桑产业发展、增强蚕桑产业抵御市场风险等方面发挥了重大作用。有关桑园套作马铃薯栽培技术研究已有报道，但对桑园套作马铃薯模式的田间配置优化缺乏研究，生产中存在种植方式多样，田间配置不规范的问题，影响了桑树、马铃薯的经济效益双赢。为此，以湖北蚕区具有代表性的桑树马铃薯套作模式为对象，就不同田间配置对桑树光合特性、桑叶产量及马铃薯产量的影响进行了研究，以期为完善桑园套作马铃薯模式栽培理论提供依据。

1  材料与方法

1.1  材料

供试桑树品种为强桑1号，2011年栽植，密度为1 000株/667 m2（株行距170 cm×40 cm）;马铃薯品种为东北303。

1.2  试验设计

在湖北省农业科学院经济作物研究所桑树种质资源圃中，选取地面平整、土壤肥力均一的桑园用地，设置M1、M2、M3共3种田间配置方法（表1），采用随机区组排列，每处理3次重复，小区面积20 m2。采用垄作覆膜栽培方式，12月下旬翻耕土地、起垄，垄宽60 cm、高20 cm。桑树和马铃薯的田间管理按照高产桑园和马铃薯栽培方法进行。

1.3  测定方法

1.3.1  桑叶气体交换参数测定  利用便携式光合测定仪（美国LI-COR公司，LI-6400）测定3种处理桑树叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr），并测定大气CO2浓度（Ca）、大气温度（T）、空气湿度（RH）。光合日变化测定时间在2014年5月12日。叶片选择：每种处理选择长势一致的桑树3株，每棵样株中选择3个光照良好的顶部新梢，每个新梢选1片生长正常叶片（5～7位叶片）。测定时间6：00～18：00，每隔2 h测定一次，每一时段重复测定3次，求平均值[3，4]。光合季节变化测定时间在2014年4月26日、5月3日、5月13日、5月22日，于晴天8：30～10：30进行，测定叶片选择同上。根据Penuelas等[5]报道的方法计算瞬时水分利用效率（WUE=Pn/Tr）、表观光能利用效率（LUE=Pn/PAR）。

1.3.2  桑树冠层生理参数测定  利用便携植物冠层分析仪（美国基因公司，ACCUPAR LP-80）测定桑树冠层光合有效辐射（PAR）、透光率（LTR）、叶面积指数（LAI）等。数据采集的三维空间范围为：整个树冠内，垂直尺度由冠顶至冠下，水平尺度沿冠幅所占空间包括由东至西和由北至南两个方向。测点的选择遵循所在方向线上均匀分布的原则进行选取：垂直尺度，沿冠高在冠顶、冠中（2/3H）、冠下（桑拳）各选一点，共3点，冠中和冠下测量时，水平尺度，分别将冠幅沿由东至西和由北至南直线方向6等份，每1/6冠幅取一点，每一测点重复3次，取平均值。

冠层上方的光照度、冠层下方的光照度、消光系数、叶面积指数呈以下关系：Qi=Qo·e-K·LAI。其中：Qi为冠层下的光照度，Qo为冠层上的光照度，K为消光系数，LAI为叶面积指数。K·LAI为消光度R，反映树冠对光照度的吸收效果，R=ln（Qo/Qi），K=R÷LAI[6]。

1.3.3  马铃薯产量调查采用样方调查方法  每试验小区随机布设3～5个样方（样方内调查套种农作物的株数相同），面积1 m2（1 m×1 m），调查样方套种马铃薯的产量，取平均值折算成单位面积产量。

1.3.4  桑叶产量调查方法  采用样株调查法，每试验小区随机选5株桑树，3次重复，发芽至调查产叶量时不采桑叶，家蚕5龄第3、4天采叶调查桑叶产量，试验桑叶产量主要指桑树春季产叶量，调查芽叶产量，取平均值并折算成单位面积指标。

1.3.5  桑园套种系统投入及产值调查  在一个套种栽培周期内，详细记录各系统投入的种子（种茎）、肥料、农药等经济投入（不包括用工投资）。桑园的投资因各种处理为同一水平，故不作计算。各套种农作物按当地价格折算成单位面积产值。

1.3.6  经济效益评价指标  成本收益率=利润÷成本费用，试验利润指套种马铃薯净产值，成本费用指套种马铃薯经济投入;土地生产率=产量或产值÷单位土地面积，试验以一个套种周期单位桑园面积的总产量计;资金产投比=作物总产值/经济投入[7]。

1.4  数据分析

所有数据均通过Microsoft Office Excel 2003进行整理，其他统计分析处理均采用SPSS 17.0软件进行。

2  结果与分析

2.1  不同马铃薯田间配置对桑园环境因子的影响

由图1可知，不同马铃薯田间配置的桑园内行间平均光照度分布大体呈抛物线形状，1 d之内各测点的受光量最小值均出现在6：00和18：00，最高值大都出现在12：00时段，且差异不显著，表明不同马铃薯田间配置对桑园PAR基本无影响;而对桑园环境二氧化碳浓度有显著影响（P<0.05），Ca从高到低为M2、M3、M1，M2模式可显著提高桑园环境Ca;桑园环境温度（T）方面，M1模式显著大于M2和M3模式（P<0.05）;桑园环境相对湿度（RH）方面，3种模式差异不显著[8]。

2.2  不同马铃薯田间配置对桑树叶片气体交换参数日变化的影响

2014年5月12日测定各处理桑树叶片的光合日变化如图2所示。从图2可以看出，3种处理桑树叶片的Pn日变化均呈双峰曲线，峰值分别在10：00和16：00时段，有明显的“午休”现象。不同处理桑树叶片Pn最大值有差异，M1为20.15 μmol/（m2·s），M2为18.56 μmol/（m2·s），M3为21.25 μmol/（m2·s），其中M1和M3桑树叶片Pn显著大于M2（P<0.05）。

植物的光合作用与叶片胞间CO2浓度有直接的关系[9]。从图2可以看出，3种处理桑树叶片的Gs和Ci日变化曲线整体均呈逐渐下降趋势。其中不同处理桑树叶片的Gs最大值有一定的差异，M1为7.26 mol/（m2·s），M2为6.32 mol/（m2·s），M3为8.71 mol/（m2·s），M3桑树叶片Gs显著大于M1和M2（P<0.05）。

植物对水分吸收、矿质盐类及其在体内运输的主要动力是蒸腾作用，植物叶片蒸腾作用比较强时，常会造成水分供应不足的情况，从而影响其生长，进而危及植物的生存[10]。从图2可以看出，各处理桑树叶片的Tr日变化曲线趋势一致。不同处理桑树叶片的Tr最大值，M1为8.29 mmol/（m2·s），M2为8.37 mmol/（m2·s），M3为8.12 mmol/（m2·s），各处理间差异不显著。

2.3  不同日期马铃薯田间配置对桑树叶片气体交换参数测定值的影响

在2014年4月26日、5月3日、5月13日、5月22日测定不同处理桑树气体交换参数，从图3可以看出，桑树气体交换参数随日期不同产生了变化。不同处理桑树叶片的Pn、Gs、Ci、Tr随日期变化的趋势基本一致，M1处理桑树叶片的Pn、Gs、Tr在5月22日显著大于M2和M3，M2处理桑树叶片的Tr在5月13日显著大于M1和M3（P<0.05）。

对不同处理桑树叶片的Pn、Gs、Ci、Tr、LUE、WUE和CUE日变化均值（表2）进行显著性分析得知，M1桑树叶片的Pn显著大于M2和M3（P<0.05），其他参数的差异不显著，3种处理桑树叶片LUE日变化均值为M1>M3>M2，WUE日期变化均值为M3>M1>M2，CUE日期变化均值为M1>M3>M2。

2.4  不同田间配置对桑树冠层生理指标的影响

植物光合面积与光合产量密切相关[10，11]，光合面积通常以叶面积指数（LAI）来表示。试验中桑树树冠光能分布与叶面积指数存在密切相关，对3种处理桑树树冠内透光率（LTR）及其相应LAI测量结果的回归分析表明[12，13]：两者呈极显著指数相关关系，LTR随LAI的增加而呈递减的趋势，其拟合系数分析通过了显著水平。其中M1中LTR与LAI拟合系数方程为y=4.33 e-5.45 x，R2=0.97;M2中LTR与LAI拟合系数方程为y=4.17 e-5.94 x，R2 =0.95; M3中LTR与LAI拟合系数方程为y=4.44 e-6.09 x，R2=0.96（图4）。

对不同处理桑树叶片的LTR、LAI和消光系数（K）、消光度（R）变化均值（表3）进行差异显著性分析得知，3种处理桑树树冠LTR、R差异不显著，M2中桑树LAI显著小于M1和M3（P<0.05），M2中桑树K显著大于于M1和M3（P<0.05）。

2.5  不同田间配置对桑叶和马铃薯产量的影响

由表4可知，经济投入、经济产量、套作物净产值和土地生产率方面均为M2>M3>M1，且M2、M3处理的经济效益均显著大于M1（P<0.05），M2的经济投入、经济产量和土地生产率显著大于M3（P<0.05），但套作物净产值方面，M2和M3差异不显著。成本收益率和资金产投比均为M3>M2>M1，且M3显著大于M2和M1（P<0.05）。桑叶产量为M1>M3>M2，M2显著小于M1和M3（P<0.05）;千克叶片数为M2>M3>M1，M2显著大于M1和M3（P<0.05）。

3  小结与讨论

3.1  桑园套作马铃薯不同田间配置对桑园环境因子中的Ca和T有显著影响

试验结果表明，M2模式可显著提高桑园环境Ca浓度，桑园环境T方面，M1模式显著大于M2和M3模式（P<0.05）。3种处理桑树叶片的Pn日变化均呈双峰曲线，有明显的“午休”现象，但不同处理桑树叶片Pn最大值有差异，其中M1和M3显著大于M2（P<0.05），表明桑树/马铃薯套作群体存在种间竞争，但不同田间配置对桑树光合特性影响各异[14，15]。

M1模式中桑树叶片Pn的日期变化均值显著大于M2和M3（P<0.05），3种处理桑树叶片LUE日期变化均值为M1>M3>M2，WUE日期变化均值为M3>M1>M2，CUE日期变化均值为M1>M3>M2。表明3种处理M2模式对其群体中桑树的光能利用效率、瞬时水分利用效率和CO2利用效率影响最大。生产中应依据当地立地条件尽可能采取M1或M2模式，以减小对桑树生长发育的影响[16-17]。

3.2  植物光合面积与光合产量密切相关

光合面积通常以叶面积指数来表示[16，17]。试验中桑树树冠光能分布与叶面积指数（LAI）存在密切相关，通过对3种模式处理桑树树冠内透光率（LTR）及其相应LAI测量结果的回归分析表明：两者呈极显著指数相关关系，LTR随LAI的增加而呈递减的趋势，其拟合系数分析通过了显著水平，3种处理M2中桑树LAI显著小于M1和M3（P<0.05），M1和M3模式中桑树树冠对光照度的吸收效果优于M2模式处理。表明M2模式影响到了桑树的光合面积，并可能会对桑树生长发育和产量形成有进一步影响[18]。

3.3  套种农作物对桑树生长发育有影响

3种处理中，M3模式马铃薯的成本收益率和资金产投比最优，M1模式的土地生产率最低，但M1模式中桑树产量指标单株产叶量和千克叶片数最优，M3模式次之，M2模式最低。表明桑园套种农作物对桑树生长发育有一定影响，但农作物不同田间配置处理对桑树光合特性影响各异[19，20]。

3.4  桑园套种农作物配比应适当

综合分析各处理群体中桑树的Pn、LUE、WUE、CUE、LAI、R和桑叶产量及模式经济效益发现[7]，套种马铃薯密度高，桑树Pn和LAI低，对桑树光能利用影响较大，桑叶产量下降;套种马铃薯密度低，虽然对桑树生长发育影响最小，但经济效益也低，起不到提高桑园产出，为蚕农增收的目的。因此，在符合桑树和马铃薯生长发育的立地条件及选择优良品种的前提下，桑树密度为1 000株/667 m2（株行距170 cm×40 cm）的桑园套种马铃薯的最佳田间配置为两行桑树间种植2行马铃薯（株行距30 cm×50 cm）与两行桑树间种植1行马铃薯（株距30 cm）隔行种植模式。

参考文献：

[1] 郑晓媛，赵  莉，许  楠，等.桑树大豆间作地上部和地下部的种间作用研究[J].土壤，2011，43（3）：493-497.

[2] 彭晓邦，蔡  靖，姜在民.光能竞争对农林复合生态系统生产力的影响[J].生态学报，2009，29（1）：545-552.

[3] 许大全.光合作用效率[M].上海：上海科学技术出版社，2002.

[4] 邓  文，于  翠，彭  波，等.人工四倍体桑树品种鄂桑2号的光合特性研究[J].蚕业科学，2012，38（3）：381-388.

[5] PENUELAS J， FILELLA I， LLUSIA J， et al. Comparative field study of spring and summer leaf gas exchange and photobiology of the Mediterranean trees Quercusilex and Phillyrea latifolia[J]. Journal of Experiment Botany， 1998， 49（319）：229-238.

[6] 刘郁娜，张永强，徐文修，等.杏棉间作系统田间配置对棉花冠层光辐射及产量的影响[J].西北农业学报，2013，22（2）：65-70.

[7] 曹凑贵.农业生态学实验指导[M]. 武汉：华中农业大学教务处，2002.

[8] 徐文修，刘郁娜，陈飞虎，等.杏棉间作系统田间配置对生态因子及棉花光合生理参数的影响[J].干旱地区农业研究，2013， 31（1）：46-51.

[9] 杨爱国，王林英，张术珍，等.七个桑树品种的光合特性比较[J].北方蚕业，2011，32（2）：32-33.

[10] 安连荣，张洪武，尹家凤，等.桑树光合作用特性的研究[J].蚕业科学，2000，26（2）：115-117.

[11] 乔  旭，雷钧杰，陈兴武，等.核麦间作系统小气候效应及其对小麦产量的影响[J].中国农业气象，2012，33（4）：540-544.

[12] 孙振中，欧阳竹，刘丽平，等.行距配置对冬小麦/白三叶草间作系统小麦群体结构和光合有效辐射的影响[J].中国生态农业学报，2011，19（3）：554-560.

[13] 雷钧杰，陈兴武，乔  旭，等.杏棉间作系统生态效应及小麦生理特性研究初报[J].新疆农业科学，2010，47（12）：2339-2343.

[14] 廖建雄，王根轩.干旱、CO2和温度升高对春小麦光合、蒸发蒸腾及水分利用效率的影响[J].应用生态学报，2002，13（5）：547-550.

[15] FARQUHAR G D， SHARKEY T D. Stomatal conductance and photosynthesis[J]. Annual Review of Plant Physiology， 1982，33：317-345.

[16] FISCHER R A， TURNER N C. Plant productivity in the arid and semiarid zones[J]. Annual Review of Plant Physiology， 1978， 29：227-317.

[17] 张淑勇，周泽福，张光灿，等.半干旱黄土丘陵区天然次生灌木山桃（Prunus davidiana）与山杏（Prunus sibirica L.）叶片气体交换参数日动态差异[J].生态学报，2009，29（1）：499-507.

[18] 许振柱，周广胜，李  晖.羊草叶片气体交换参数对温度和土壤水分的响应[J].植物生态学报， 2004，28（3）：300-304.

[19] BERRY J A， DOWNTON W J S. Environmental regulation of photosynthesis. In： Govindjee ed. Photosynthesis[M]. New York： Academic Press， 1982. 263-343.

[20] 刘郁娜，张永强，徐文修，等.杏棉间作系统田间配置对棉花冠层光辐射及产量的影响[J].西北农业学报，2013，22（2）：65-70.