晋西黄土区核桃－谷子间作系统水肥影响域

王丹，毕华兴，2，3，许华森，常译方，蔡智才

（1.北京林业大学水土保持学院，北京100083；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，北京100083；3.北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京102206；4.中国农业大学资源与环境学院，北京100094）

晋西黄土区核桃－谷子间作系统水肥影响域

王丹1，毕华兴1，2，3，许华森4，常译方1，蔡智才1

（1.北京林业大学水土保持学院，北京100083；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，北京100083；3.北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京102206；4.中国农业大学资源与环境学院，北京100094）

为了定量判定晋西黄土区果农间作系统水肥主要竞争区域，以核桃－谷子间作系统为研究对象，对土壤水分和土壤养分进行定位监测，采用移动窗口法定量判定间作系统中土壤水分和土壤养分的影响域。结果显示：当窗口宽度为2时，移动窗口法能有效地判定出土壤水分和土壤养分的影响域。40～100 cm土层，距树行不同距离处的土壤水分和土壤养分含量相异性较小，难以判定影响域；综合0～40 cm、0～100 cm土层的土壤水分状况，土壤水分的影响域范围是距树南侧1.75m到距树北侧1.25m，影响宽度为3m，即主要竞争区域为距树南侧1.75 m到距树北侧1.25m；不同的土壤养分指标影响域的范围不同，综合考虑土壤养分的四个不同指标（有机质、全氮、速效磷和速效钾）及其在0～40 cm、0～100 cm两个土层的分布情况，土壤养分的影响域是距树南侧2.25m到距树北侧2.25m，影响宽度为4.5m，即主要竞争区域为距树南侧2.25 m到距树北侧2.25 m。建议在土壤水分和土壤养分的主要竞争区域，采取改变垄沟、起垄覆膜、选择性施肥等措施，缓解核桃、谷子之间的竞争，提高资源利用效率，增加当地农民经济收入。

核桃－谷子间作系统；土壤水分；土壤养分；影响域；主要竞争区域；晋西黄土区

农林复合是生态农业的主要内容之一。果农间作作为一种典型的农林复合模式，因其具有较高的生态效益、经济效益和社会效益［1－2］，受到广泛的推广种植。果树和农作物在同一土地单元内共享自然资源，会引起一定程度的竞争［3－4］，尤其是资源不足以满足果树和农作物的共同生长需求时。这种资源竞争主要包括地上部分光的竞争［5－7］以及地下部分土壤水分［8－10］和土壤养分的竞争［9－13］。虽然现阶段国内外大量研究学者开展了对农林复合的相关研究，取得了一定的成果，但是大部分集中在光、土壤水分、土壤养分、根系［14－16］等空间分布特征的研究，缺乏对果农间作系统中地下部分竞争水平变化的定量判定。由于谷子根重90%以上集中在0～40 cm土层［17］，核桃根系主要分布在0～100 cm土层［18－21］，本研究将土层分为0～40、40～100 cm和0～100 cm三个层次对核桃－谷子间作系统中土壤水分和土壤养分进行定位监测，利用移动窗口法，从水分、养分竞争的角度分析核桃与谷子之间的关系，定量判定土壤养分、土壤水分的影响域，划分核桃－谷子间作系统的主要竞争区域，以期为农林复合系统的高效可持续经营提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于山西省吉县（35°53′10″～36°21′02″N，110°27′30″～111°07′20″E），地处黄河中游东岸，属于典型的黄土高原残垣沟壑区。吉县土壤以褐土为主，黄土母质，土层深厚。年均降水量522.8 mm，降水具有季节变化，4—10月降水量占全年降水量的90%以上。吉县属于典型的暖温带大陆性季风气候，日照时数2 538 h，大于10℃的有效积温3 361.5℃。无霜期年平均172 d，年均气温10.2℃，年均日较差11.5℃。常见的有木本植物193种，49科；草本植物180种，44科（不包括农作物）；各类中草药约141种。果农间作系统中主要经济林树种包括苹果（Malus pumila）、核桃（Juglans regia）等，主要农作物包括大豆（Glycine max）、花生（Arachis hypogaea）、谷子（Setaria）、苜蓿（Medicago sativa）等。

2 研究方法

2.1 研究对象

根据晋西黄土区果农间作的经营特点以及实际情况，在山西省吉县东城乡柏东村建立核桃－谷子间作系统试验示范区。试验区核桃品种为晋龙1号，种植于2009年，树龄为5 a，株行距为6m×6m，树行走向为东西向；谷子品种为晋谷21，种植于2014年4月7日，距树0.4 m开始种植作物，株距0.3m×0.4 m。在试验区，以中央核桃带为中心从南至北布设样线，样线与核桃树行向垂直。以距核桃树行南侧3 m处为第一个样点，每隔0.5 m取一个样点，直到距树北侧3m，每条样线布设13个样点（图1），共布设3条重复样线。

图1 核桃－谷子间作土壤水分、土壤养分定位监测试验布设图Fig.1 Experiment layout of monitoring soil moisture and nutrients in walnut－millet intercropping systems

2014年8月，在谷子开花期，选择晴朗的典型天气，在3条样线的各监测点采用土钻法取土，取土深度为100 cm，每20 cm为一层。利用烘干称重法确定土壤水分的含量。土壤养分按照中华人民共和国林业行业标准进行测定［22］，具体方法如下：土壤有机质采用浓硫酸消煮－重铬酸钾氧化容量法；全氮采用浓硫酸消煮－凯氏定氮法；速效钾采用醋酸铵浸提－火焰光度计法；速效磷采用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法。测定3次，取其平均值。

2.2 数据处理与分析

本文的数据处理方法主要有移动窗口法［23］和Microsoft Excel 2010。采用移动窗口法判定核桃－谷子间作的影响域范围的原理如图2所示：将一个窗口（含偶数个取样点）平均分割成两个半窗口，利用欧氏距离的平方（SED）计算比较两个半窗口的相异性，按顺序将窗口向右侧移动一个取样点，再计算两个半窗口的相异性，直到窗口包含最后一个样点，即所有的取样点都参与计算为止。利用欧氏距离的平方计算相异性的公式如下：

式中，SED是欧氏距离的平方；k是样点的变量数；X是一个半窗口的均值；m和n分别为两个半窗口；w是窗口的宽度。

以样点位置为横坐标，欧氏距离的平方为纵坐标作图。当曲线出现两个明显且稳定的波峰时，根据陡峭的峰值宽度可以有效地判定核桃－谷子间作系统的影响域。本研究中，当窗口宽度为2时，以中心点代表区域范围，则欧氏距离的平方值与距树距离的对应关系如表1所示。影响域内距中心林带不同距离处土壤水分和土壤养分的含量差异较大，即果树与农作物之间的竞争比影响域外更加激烈，为主要竞争区域。

图2 移动窗口法原理示意图Fig.2 Schematic diagram of moving split window techniques

表1 欧氏距离平方值与距树距离的对应关系Table 1 Correspondence between SED and the distance from the tree

3 结果与分析

3.1 土壤水分影响域

采用移动窗口法对土壤水分的影响域进行分析，窗口宽度分别设为2、4、6、8。窗口宽度为4、6、8时，曲线波动较大，波峰位置不明显，无法判定影响域范围和影响宽度。当窗口宽度为2时，有两个明显且稳定的波峰出现（图3），说明在窗口宽度为2时能够辨析土壤水分的影响域。0～40 cm土层，在SED5和SED8有两个明显的波峰，峰宽分别是SED4－SED6和SED6－SED9，通过半波峰法判定影响域范围是距树南侧1.25m到距树北侧1.25m，影响宽度为2.5 m。0～100 cm土层，在SED4和SED8出现两个波峰，由此判定影响域范围是距树南侧1.75 m到距树北侧1.25 m，影响宽度为3 m。40～100 cm土层，在SED6和SED9有两个明显的波峰，但两个半窗口之间的相异系数较小，无法准确地判断影响域范围。以上结果表明，综合考虑各个土壤层次，土壤水分的影响域范围是距树南侧1.75 m到距树北侧1.25m，影响宽度为3m；即核桃－谷子间作系统中，土壤水分的主要竞争区域是距树南侧1.75 m到距树北侧1.25 m。

图3 窗口宽度为2时核桃－谷子间作系统土壤水分的相异性Fig.3 SED of soil moisture in walnut－millet intercropping systems when window width was2

3.2 土壤养分影响域

采用移动窗口法对土壤养分的不同指标（有机质、全氮、速效磷和速效钾）进行分析，曲线变化情况见图4。与土壤水分相同，当窗口宽度为4、6、8时，曲线没有明显且稳定的波峰，土壤养分的影响域范围和影响宽度难以判定。图4是窗口宽度为2时土壤养分的影响域，随着窗口向右移动，曲线变化趋于稳定，有两个明显且稳定的波峰，能够准确判定影响域。

核桃－谷子间作系统中土壤有机质在0～40 cm土层的影响域范围是距树南侧2.25 m到距树北侧2.25 m，影响宽度为4.5 m，波峰分别出现在SED4和SED10。0～100 cm土层在SED4和SED9有两个明显的波峰。影响域范围分别是距树南侧1.75 m到距树北侧2.25 m，影响宽度为4 m。40～100 cm土层，距中心林带不同距离的土壤有机质含量差异并不显著，无法准确量化影响域范围（图4a）。

核桃－谷子间作系统中土壤全氮在表层土壤0～40 cm相异性较大，SED6和SED8欧氏距离的平方值达到最大，呈现出两个稳定波峰，其影响域范围是距树南侧1.25 m到距树北侧1.25m，影响宽度为2.5 m。0～100 cm土层，影响域范围是距树南侧1.75m到距树北侧2.25 m，影响宽度为4 m。40～100 cm土层，曲线变化趋于稳定，有两个稳定的波峰，但是与0～40 cm和0～100 cm相比，距中心林带不同距离处土壤全氮含量相异性较小，波峰位置不明显，难以判定影响域（图4b）。在影响域范围以外，中心林带南侧有小波峰出现，说明此处取样点的全氮含量有较大的相异性，可能原因是该试验示范区2013年种植具有固氮功能的大豆，大豆植株附近土壤全氮含量增加，使距树行不同距离处土壤全氮的含量具有明显差异。

核桃－谷子间作系统中土壤速效钾在0～40 cm土层，波峰位置为SED4和SED8，影响域范围是距树南侧1.75m到距树北侧2.25m，影响宽度为4m。0～100 cm土层，波峰出现在SED6和SED9，影响域范围是距树南侧1.75m到距树北侧2.25m，影响宽度为4m（图4c）。

同上所述，核桃－谷子间作系统中土壤速效磷在0～40、0～100 cm土层，均有两个稳定的波峰。0～40 cm土层，在SED4和SED9出现波峰，影响域范围是距树南侧2.25m到距树北侧2.25m，影响域宽度为4.5 m。0～100 cm土层，影响域范围距树南北两侧各2.25 m，影响域宽度为4.5 m。40～100 cm土层，有两个稳定的波峰，但是与0～40 cm和0～100 cm相比，总体波动不明显（图4d）。

图4 核桃－谷子间作系统土壤养分的相异性Fig.4 SED of soil nutrients in walnuts－millet intercropping systems

综合考虑土壤养分的四个不同指标，核桃－谷子间作系统中土壤养分的主要竞争区域为距树南侧2.25m到距树北侧2.25 m。对比土壤水分和土壤养分的影响域，总体而言，除0～40 cm土层的土壤全氮外，在0～40 cm和0～100 cm土层，土壤水分的影响域宽度均小于土壤养分各指标的影响域宽度。土层深度为40～100 cm，两个半窗口之间欧氏距离的平方明显小于0～40 cm和0～100 cm土层，难以判定该土层土壤水分和土壤养分的影响域。这主要是因为核桃根系主要集中在0～100 cm土层［17］，谷子根重90%以上集中在0～40 cm土层［18－21］，核桃和谷子的竞争主要集中在0～40 cm土层。土壤养分的不同指标影响域范围进行对比，全氮的影响宽度最小，可能原因是上季种植具有固氮作用的农作物大豆，增加了土壤全氮的含量，进而在一定程度上缓解了果农间作系统中全氮的竞争。

4 讨论

影响域的判定方法主要有多元序列［24］、主成分分析［25］、聚类分析［26］、除趋势对应分析（DCA）［27］以及移动窗口法［23］等。本文主要采用移动窗口法对影响域进行定量判定。李丽光［28］等利用移动窗口法研究发现岷江上游花椒地和林地边界土壤水分影响域，王晓等［29］辨析了湿地－干草原生态交错带的宽度和边界，石培礼等［30］发现了岷江冷杉林线的影响域范围和宽度。虽然众多研究者利用移动窗口法成功对影响域进行定量判定，但此方法仍然具有一定的局限性，从本文实际研究可知，只有窗口宽度为2时才能够有效地判定影响域，即适当的窗口宽度才能准确地判断影响域的范围和影响宽度。

通过对核桃－谷子间作系统中水肥的影响域研究初步发现，在垂直方向上，40～100 cm土层基本不存在竞争，0～40 cm土层是土壤水分和土壤养分的主要竞争区域。由于谷子根重90%以上存在于0～40 cm土层［17］，所以本研究中将土壤水分和土壤养分的监测分为0～40、40～100 cm两个土层，要想精确地判定核桃－谷子间作系统在垂直方向上的影响域以及主要竞争区域，需要更加精细地划分土层进行进一步研究。随着核桃与谷子生长、降雨等条件的动态变化，间作系统中土壤水分和土壤养分的含量、分布、影响域及主要竞争区域也不断发生变化，而本文只是研究了谷子开花期（雨季）核桃－谷子间作系统的主要竞争区域，因此划分多尺度、多时间、多空间、多类型果农间作系统中水肥影响域，并判定主要竞争区域，是果农间作系统高效可持续经营研究中一个重要的方向。

5 结论

在晋西黄土区，对主要竞争区域的水肥进行科学调控，是缓解果农间作系统中种间竞争、提高资源利用效率、增加当地农民收入关键技术之一。在研究区，农业生产完全依靠天然降水，水资源紧缺是制约果农间作系统中经济效益的主要因素。根据本研究可知，土壤水分的主要竞争区域是距树南侧1.75 m到距树北侧1.25 m，建议在此区域改变垄沟进行降雨就地富集，引导非耕地地区径流向此处富集以及起垄覆膜等措施，最大程度利用降水，提高水资源利用效率和降水生产力。同时，果农间作系统中土壤养分含量对作物的产量也具有较大影响［31］，因此根据土壤养分的主要竞争区域，建议在距树南侧1.75 m到距树北侧2.25m主要施用氮肥和钾肥；在距树南北两侧各2.25m施用磷肥；若施用肥料品种为氮磷钾复合肥，建议在距树南北两侧各2.25m进行施肥。有目的性的施肥，可以提高作物产量以及肥料利用率，同时防止过度施肥造成资源浪费和农田污染。

［1］许华森，毕华兴，王若水，等.晋西黄土区苹果农作物间作系统经济效益［J］.中国水土保持科学，2014，12（4）：81-85.

［2］孟平，张劲松.太行山低山丘陵区果-草复合系统生态经济效应研究［J］.中国生态农业学报，2003，11（2）：111-113.

［3］Ong C K，Corlett J E，Singh R P，et al.Above and below ground interactions in agroforestry systems［J］.Forest Ecology and Management，1991，45（1）：45-57.

［4］赵荟，王晶.复合农林系统种间关系研究进展［J］.林业建设，2011，（6）：34-39.

［5］田阳，云雷，毕华兴，等.晋西黄土区果农间作光竞争研究［J］.水土保持研究，2013，20（4）：288-292.

［6］Peng X B，Zhang Y Y，Cai J，etal.Photosynthesis，growth and yield of soybean and maize in a tree-based agroforestry intercropping system on the Loess Plateau［J］.Agroforestry Systems，2009，76（3）：569-577.

［7］彭晓邦，蔡靖，姜在民，等.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.

［8］Mcintyre B D，Riha SJ，Ong CK.Competition forwater in a hedgeintercrop system［J］.Field Crops Research，1997，52（1）：151-160.

［9］云雷，毕华兴，任怡，等.黄土区果农复合系统种间水分关系研究［J］.水土保持通报，2008，28（6）：110-114.

［10］廖文超，毕华兴，赵云杰，等.晋西苹果＋大豆间作土壤水分分布及其对大豆生长的影响［J］.中国水土保持科学，2014，12（1）：24-28.

［11］蔡崇法，王峰，丁树文，等.间作及农林复合系统中植物组分间养分竞争机理分析［J］.水土保持研究，2000，7（3）：219-221，252.

［12］高国治，王明珠，张斌.低丘红壤南酸枣-花生复合系统物种间水肥光竞争的研究Ⅱ.南酸枣与花生利用光能分析［J］.中国生态农业学报，2004，（2）：92-94.

［13］Moreno G，Obrador JJ，Garcia A.Impact of evergreen oaks on soil fertility and crop production in intercropped dehesas［J］.Agriculture，Ecosystems＆Environment，2007，119（3）：270-280.

［14］云雷，毕华兴，马雯静，等.晋西黄土区林草复合系统刺槐根系分布特征［J］.干旱区资源与环境，2012，26（2）：151-155.

［15］马秀玲，陆光明，徐兆龄，等.农林复合系统中林带和作物的根系分布特征［J］.中国农业大学学报，1997，2（1）：109-116.

［16］张劲松，孟平.果农复合系统中果树根系空间分布特征［J］.林业科学，2002，38（4）：30-33.

［17］张永清.几种谷类作物根土系统的研究［D］.太谷：山西农业大学，2005：8-9.

［18］马长明，翟明普，刘春鹏.单作与间作条件下核桃根系分布特征研究［J］.北京林业大学学报，2009，31（6）：181-186.

［19］云雷，毕华兴，马雯静，等.晋西黄土区核桃花生复合系统核桃根系空间分布特征［J］.东北林业大学学报，2010，38（7）：67-70.

［20］彭晓邦，张硕新.商洛低山丘陵区核桃-黄芩农林复合系统中植物根系分布特征［J］.西北农业学报，2013，22（9）：171-177.

［21］何春霞，孟平，张劲松，等.华北低丘山区核桃-决明子复合模式的根系分布［J］.林业科学研究，2013，26（6）：715-721.

［22］葛晓改，肖文发，曾立雄，等.不同林龄马尾松凋落物基质质量与土壤养分的关系［J］.生态学报，2012，32（3）：852-862.

［23］石培礼，李文华.生态交错带的定量判定［J］.生态学报，2002，22（4）：586-592.

［24］Stohlgren T J，Bachand R R.Lodgepole pine（Pinus contorta）ecotones in rocky mountain national park，colorado，USA［J］.Ecology，1997，78（2）：632-641.

［25］许华森，云雷，毕华兴，等.刺槐＋苜蓿复合系统土壤养分分布特征及边界影响域——以晋西黄土区为例［J］.中国水土保持科学，2011，9（5）：48-53.

［26］Fortin M.Edge detection algorithms for two-dimensional ecological data［J］.Ecology，1994，75（4）：956-965.

［27］Choesin D，Boerner R E J.Vegetation boundary detection：a comparison of two approaches applied to field data［J］.Plant Ecology，2002，158（1）：85-96.

［28］李丽光，何兴元，李秀珍，等.岷江上游花椒地／林地边界土壤水分影响域的定量判定［J］.应用生态学报，2007，17（11）：2011-2015.

［29］王晓，张克斌，杨晓晖，等.半干旱区湿地-干草原交错带边界判定及其变化［J］.生态学报，2012，32（16）：5121-5127.

［30］石培礼，刘兴良.游动分割窗技术在生态交错带定量判定中的应用—以四川巴郎山岷江冷杉林线为例［J］.植物生态学报，2002，26（2）：189-194.

［31］高路博，毕华兴，许华森，等.晋西幼龄苹果×大豆间作的土壤中水分，养分空间分布特征及对大豆的影响［J］.中国农学通报，2013，29（24）：36-42.

Distance of edge influence of soil moisture and nutrients in walnut-millet intercropping systems in the Loess Plateau in west Shanxi Province

WANG Dan1，BIHua-xing1，2，3，XU Hua-sen4，CHANG Yi-fang1，CAIZhi-cai1
（1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing，100083，China；2.Ji county station，Chinese National Ecosystem Research Network（CNERN），100083，Beijing，China；3.The Collaborative Innovation Center for Promoting Ecological Functions of Forestry and Economic Trees，Beijing，102206，China；4.College of Resource and Environment，China Agricultural University，Beijing 100094，China）

In order to divide the main competition area for intercropping systems and provide a theoretical guidance for the sustainable and efficient management of intercropping systems on the Loess Plateau in west Shanxi Province，the walnut-millet intercropping system was studied.Soil moisture and nutrients in the intercropping systems were monitored.Moving split window technique was used to detect the distance of edge influence of soil moisture and nutrients in the intercropping systems.The results showed that when the window width reached 2，the distance of edge influence of soil moisture and nutrients could be detected by moving split window technique.It is difficult to determine the distance of edge influence in 40～100 cm soil layer because soil moisture and nutrients content at different distances from the tree row were quite similar.Combining soil moisture in 0～40 cm and 0～100 cm soil layers，distance of edge influence of soil moisture was from 1.75m away in the south to1.25m away in the north side of the tree，that was to say influencing width was 3m，which means the main competition area of soil moisture ranged from 1.75m south of the tree to 1.25m north of the tree.Different soil nutrient indicators had different distance of edge influence.Taking into account of the distribution of four soil nutrient indicators（organic matter，total N，available P and available K）in 0～40 cm and 0～100 cm soil layers，distance of edge influence of soil nutrients was 2.25m south away from the tree to 2.25m north away from the tree and the influencing width was4.5m，which means the main competition area was from 2.25m south of thetree to 2.25 m north of the tree.Changing ridge and furrow，covering ridge and fertilizing selectively in the main competition area of soil moisture and nutrients was proposed to ease the competition between walnuts and millet so as to improve efficiency of resource use and increase the income of local farmers.

walnut-millet intercropping systems；soil moisture；soil nutrients；distance of edge influence；the main competition area；the Loess Plateau in west Shanxi Province

S344.2

A

1000-7601（2016）06-0150-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.23

2016-01-30

国家自然科学基金（31470638）

王丹（1990—），女，河南鹤壁人，在读硕士研究生，研究方向为林业生态工程。E-mail：beilinwangdan＠126.com。

毕华兴，教授，博士生导师，研究方向为林业生态工程。E-mail：bhx＠bjfu.edu.cn。