胡椒园间作槟榔体系小气候对胡椒产量的影响

2017-05-30祖超杨建峰李志刚王灿鱼欢邬华松

热带作物学报 2017年3期

祖超杨建峰李志刚王灿鱼欢邬华松

摘要為确定胡椒园间作槟榔体系影响胡椒产量的关键小气候因子，在海南胡椒园间作槟榔优势区开展4种间作模式与单作胡椒园小气候因子对产量影响的为期4 a的试验，研究不同间作密度下，对胡椒产量有主要贡献的灌浆期的叶片光合作用参数、每日最高和最低气温、不同深度土层土壤温度和含水量，分析胡椒园间作槟榔体系小气候因子对胡椒产量的影响。结果表明：合理间作可以提高胡椒产量，其中间作槟榔株数为765株/hm2的T2处理可以显著提高胡椒产量38.71%，为增产效应最大的处理。分析T2处理增产的原因，发现光强影响的关键光合参数气孔导度对产量有极显著正效应，光合有效辐射、光合速率对产量有显著正效应，T2处理显著提高了这三个光合参数；高温干旱的灌浆期胡椒园日最高温和升温幅度与产量负相关，T2处理显著降低了这两个参数，使胡椒产量增加；表层土壤温度与产量呈负相关关系，T2处理显著降低了表层土壤温度，对胡椒根系有保护作用。综合分析，发现光合有效辐射、日最高温、升温幅度和表层土壤温度是影响胡椒产量的关键小气候因子，所以，这几种小气候因子是用来确定间作模式是否合理的关键参数。

关键词间作；胡椒；光合作用；气温；土壤温度

中图分类号 S344.2 文献标识码 A

Abstract In order to determine the key microclimate factors which influence the production of pepper in intercropping system， experiments which had 4 intercropping models and monoculture as the control in pepper/arecanut intercropping advantage region of Hainan from 2009 to 2012 were conducted. Photosynthesis parameters of fully expanded leaves， maximum and minimum air temperature， soil temperature and moisture content in different depth at the filling stage were determined. The effects of microclimate factors on black pepper yield in intercropping system were analyzed . The results showed that the yield of black pepper increased in appropriate black pepper/arecanut intercropping systems. The T2 treatment that intercropping arecanut 765 plant/ha was the optimum intercropping model which could increase pepper yield 38.71% compared to momoculture. Analyzing the reason of T2 yield increase found that the key photosynthetic parameter of stomatal conductance which was affected by light intensity had a very significant positive effect on the yield. The photosynthetic active radiation and net photosynthetic rate had a significant positive effect on the yield. T2 could improve the three photosynthetic parameters. The maximum air temperature and air temperature rise had a negative correlation with yield. The two parameters decreased in filling stage and increased pepper yield in the T2 treatment. There was a negative correlationship between topsoil temperature and yield. T2 also reduced the soil temperature to defend pepper root from injury. Photosynthetic active radiation， the maximum air temperature， air temperature rise and topsoil temperature were the key microclimate factors impact on the pepper production of composite analysis. Therefore， the key microclimate factors used to judge an intercropping mode is reasonable.

Key words intercropping； black pepper； photosynthesis； air temperature； soil temperature

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.007

胡椒园间作槟榔种植模式符合间作种植的单、双子叶作物搭配原则[1]；且胡椒和槟榔地上部彼此干扰少，有利于通风透光，槟榔可提供适度遮荫，有利于胡椒正常生长[2]。胡椒与槟榔间作已成为海南省胡椒复合种植的主要模式[1]。胡椒生长环境中光照强度超过900 μmol/（m2·s）时[4]，光合速率开始下降，所以胡椒生长需要被适度遮荫，以降低光强、提高光合速率[2]和养分利用率[3]，增加果实产量[1-3]。胡椒生长以年均温24～26 ℃最适宜，温度过高对植株生长不利，气温高于35 ℃时，生长受抑制，高于39 ℃时，嫩叶受害，地表温度高于52.5 ℃时，幼苗贴近地面的枝蔓被灼伤，甚至引起植株枯死，因此椒园应适当荫蔽和覆盖[5]。胡椒种植园土壤含水量低于21%时，植株生长受到抑制，土壤含水量低于18%时，轻者植株生长不良，叶片褪绿，影响开花结果，造成减产；重者植株枯萎死亡[5]。可见小气候是生物生长发育最重要的环境因子[6]，并且越来越受到人们的极大关注。

关于胡椒与槟榔的适宜间作密度，间作效益[1]、胡椒光合效应[2]、胡椒与槟榔根系空间分布特征[7]，以及养分利用率[3]都有报道，但是小气候因子对不同间作模式产量的影响还没有研究，已有研究表明胡椒灌浆期对产量的贡献率为52%[2]，所以本文对胡椒/槟榔间作园的胡椒灌浆期主要小气候因子特征进行比较分析，确定胡椒/槟榔复合种植系统影响胡椒产量的关键小气候因子，为评价间作模式是否合理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验于2009～2012年，在海南省琼海市大路镇西昌村、国营东红农场1队、大路镇川教村和大路镇安竹村进行，试验点年均温23.0～24.5 ℃，年降雨量1 700～2 150 mm，均为红壤土。试验区土壤状况见表1，试验以常规管理胡椒园间作的槟榔密度为处理，大路镇西昌村处理编号为T1、国营东红农场1队编号为T2、大路镇川教村编号为T3、大路镇安竹村编号为T4，4个处理的槟榔种植于2000年，长势良好，正处于丰产期，密度分别是615、765、1 665、2 265株/hm2，间作规格（胡椒行数×槟榔行数）分别为：3×1、2×1、1×1和1×1；每个处理内设置3个重复，均以当地种植密度为2 265株/hm2、常规管理的单作胡椒园为对照。每个处理和对照面积各为0.2～0.3 hm2，每年每株胡椒所施肥料为0.25 kg有机质、0.17 kg氮肥、0.41 kg磷肥、1.94 kg钾肥，每株槟榔所施肥料为1 kg复合肥（15-15-15）。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 产量测定在胡椒成熟期（5～7月），測定2010～2012年单位面积白胡椒产量。

1.2.2 光合作用参数测定用便携式光合仪（Li6400）在胡椒灌浆期测定阳面中部完全展开叶9 ： 00～11 ： 30和14 ： 00～16 ： 30时的光合有效辐射（PARi）、净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）。

1.2.3 空气温度测定空气温度在每月连续晴天的第3天的7 ： 00～8 ： 00、13 ： 00～14 ： 00、17 ： 00～18 ： 00以水银温度计测定，每个园块测定5次取平均值，测定高度距离地面1.5 m。

1.2.4 土壤温度和含水量测定在每月连续晴天的第3天的7 ： 00～8 ： 00、13 ： 00～14 ： 00、17 ： 00～18 ： 00 3个时间段，于胡椒与槟榔植株的中间位置地表、0～20、20～40 cm测定土壤温度，并分0～20、20～40、40～60 cm共3层取土样以烘干法测定土壤含水量。

1.3 数据统计分析

运用SPSS 13.0和SAS统计软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式产量比较

从图1可以看出，T2为所有间作模式中干白胡椒产量最高的，单产为3 246.5 kg/hm2，比最小值T4提高了62.88%。4种间作模式与单作相比，T1和T2两种间作模式显著提高了胡椒产量，其中T2相对于单作增长量最大，为38.71%，T1相对于单作提高了32.26%，T3和T4两种间作模式没有显著提高胡椒产量。所以，胡椒与槟榔合理间作有利于胡椒产量增加，这一优势可能与胡椒园间作槟榔改善了胡椒种植园的光照、温度和土壤温湿度等小气候环境有关，所以，需要分析胡椒园间作槟榔小气候环境对产量的影响。

2.2 胡椒灌浆期光强对胡椒产量的效应分析

已有研究表明胡椒灌浆期光合作用对产量贡献最大[2]。光照强度对叶片光合作用有决定性作用，叶片光合有效辐射PARi是植物吸收的太阳辐射中用来进行光合作用的那部分能量，是形成生物量的基本能源，主要受光强影响，比较灌浆期各处理叶片的PARi，发现T2处理PARi为789.64 μmol/（m2·s）比另外3种间作密度处理提高95.28%～307.64%，但是与单作差异不显著（图2-a），把几种间作处理的PARi与产量进行相关分析（图2-b），发现二者呈显著正相关关系（p=0.01），可见光强使胡椒地上部叶片光合有效辐射在193.71～789.64 μmol/（m2·s）范围内，对产量有显著正效应。光合速率Pn在光强不高于450 μmol/（m2·s）时，是随着光强的增加而增加的，450～900 μmol/（m2·s）是光饱和范围，所以对间作处理的PARi和Pn进行相关分析，发现二者呈极显著正相关线性关系（p<0.000 1），线性方程为y=0.003 1x+1.932 0，比较了间作与单作以及间作处理间的Pn ，发现T1、T2和T3处理的Pn相对于对照没有显著提高，T2处理比其余处理提高了31.00%～79.58%（图2-c），同时分析了Pn对产量的影响（图2-d），结果表明Pn对产量也有显著正效应（p=0.03），所以，光强提高T2处理胡椒产量可能是通过增强PARi，进而提高Pn来影响产量的。但是相对于单作，T2处理的PARi和Pn并没有显著提高（图2-a，c），然后又分析了光强影响的另外一个重要光合参数气孔导度Gs（图2-e），发现T2处理的Gs显著高于对照和其他间作处理，比对照提高了12.53%，比其他间作处理提高了25%～150%，同时分析了气孔导度和产量的相关关系（图2-f），发现Gs与产量呈极显著正相关关系（p<0.000 1），所以，光强影响产量，可能主要是通过改变光合参数Gs来实现的。

2.3 胡椒灌浆期园区气温对胡椒产量的影响

从图3-a可以看出，与单作相比，T1、T2和T4都显著降低了胡椒灌浆期园区每日的最高温，其中T2相对于单作降低最多，为7.7 ℃，T1和T4分别降低了4.7 ℃和4 ℃；胡椒果实灌浆期不同间作模式处理均降低了胡椒园的升温幅度，单作胡椒园14 ： 00气温比8 ： 00气温升高11.0～14.3 ℃，而间作槟榔后，升温幅度均未超过10.5 ℃，间作比单作降低了15.73%～50%。其中T2处理的升温幅度最小，比单作降低了50.00%（图3-b）。胡椒灌浆期间作降温效果排序为：T2>T1>T4>T3。对灌浆期每日最高温和升温幅度与产量进行相关分析，发现每日最高温度越高，升温幅度越大，产量越低（图3-c，d），尤其是升温幅度对产量有显著负效应（p=0.01），所以，灌浆期降低日最高温和升温幅度对提高胡椒产量具有重要意义。

2.4 灌浆期胡椒园土壤温度和含水量对胡椒产量的影响

灌浆期间作降低了胡椒园区13 ： 00～14 ： 00的土壤温度，T2和T4处理显著降低了地表温度，分别降低了11.7 ℃和10 ℃，T4处理使0～20 cm土层的温度平均降低5 ℃，T2处理使20～40 cm土层平均降低了1.8 ℃，T1和T3处理都没有显著降低地表和0～40 cm土壤温度（图4-a）。槟榔和胡椒间作使得单位土地面积的耗水量增加，所以间作降低了胡椒园土壤湿度，其中胡椒叶片蒸腾速率较大的T2处理显著降低了0～20 cm和40～60 cm土层土壤含水量，T4显著降低了20～40 cm土层土壤含水量，T1和T3对土壤含水量没有显著影响（图4-b）。分析灌浆期土壤温度和含水量与产量的相关关系，发现土壤温度与产量呈负相关（图4-c），含水量与产量呈正相关（图4-d），但相关性都不显著。

3 讨论

农林间作这种土地利用制度能够尽可能实现发展经济与保护生态环境之间的有机结合，提高对土地、光、热、水等资源的利用率，增加土地生产力，保持水土，使单位面积耕地上获得最大的经济效益、生态效益和社会效益。光照是农林间作中最受人们重视的因子之一[8]。胡椒园间作槟榔使胡椒产量增加，其中T2处理胡椒产量相对于单作增加最多，这与T2处理槟榔适度遮荫促进胡椒叶片光合作用是分不开的。在胡椒灌浆期T2处理的光合有效辐射为789.64 μmol/（m2·s），在胡椒叶片光饱和范围内[450～900 μmol/（m2·s）]，其余間作处理光合有效辐射都低于450 μmol/（m2·s），光合有效辐射透过率低导致胡椒产量增加受限[9]，可见，T2处理模式有利于胡椒冠层截获光合有效辐射，冠层截获的光合有效辐射主要受叶面积指数的影响[10]，所以，该种模式有利于增加胡椒叶面积指数，从而增加光能利用率，提高产量，这与玉米间作系统研究结果相似[11]。T2处理光照强度显著提高了胡椒叶片净光合速率和气孔导度，灌浆期，光合速率显著增加可能增加胡椒对碳的固定[12]，是促进T2处理胡椒产量增加的又一主要原因，但是通过分析光强影响的主要光合参数与产量的相关关系，发现对产量有极显著正效应的为气孔导度。所以，灌浆期光强影响胡椒产量，主要是通过改变叶片气孔导度来实现的，气孔导度对胡椒产量增加有极显著正效应，在对小麦的研究中也发现，干旱胁迫下，气孔导度与小麦果实千粒重呈极显著正相关[13]，胡椒灌浆期为每年的3～5月，恰逢海南胡椒主要植区的干旱期，所以，该时期，气孔导度对胡椒产量有极显著正效应，与小麦研究结果相同。

胡椒园间作槟榔后使高温干旱的灌浆期园区每日最高气温显著降低，特别是T2处理，灌浆期每日最高温为33.5 ℃，胡椒可以正常生长，其余间作处理园区气温最高温都超过35 ℃，胡椒生长受到抑制[5]，T2处理每日升温幅度也显著降低，这对于该时期胡椒的生长具有重要意义。T2处理降低了系统每日最高温和升温幅度，与该模式胡椒冠层截获光合有效辐射量增加密切相关，冠层截获量增加，地面辐射降低，空气温度相应降低。T2的降温作用也可能是叶片蒸腾作用高于其余处理导致的（图5），这与张劲松等[14]的研究结果相似。分析灌浆期每日最高温以及升温幅度与产量的相关关系，发现每日最高温与产量呈负相关关系，升温幅度对产量有显著负效应，所以T2处理胡椒产量最高，这与该时期园区的每日最高温降低最多、升温幅度最小有很大关系。

灌浆期间作胡椒园13 ： 00～14 ： 00的地表土壤温度降低，其中T2处理降温效果最为显著，这与胡椒冠层截获光合有效辐射量增加，使得投射到地面的光照强度减弱有关。胡椒根系垂直分布主要在0～60 cm土层，土壤温度过高会损伤根系，所以，浅层土壤温度降低，有利于胡椒根系正常生长。分析表层土壤温度与产量的关系，发现温度越低，产量越高，但相关性不显著。胡椒园土壤含水量低于18%抑制胡椒正常生长[5]，但是土壤含水量为30%相对于25%会降低胡椒叶片叶绿素含量和干物质累积[15]，4个间作处理0～60 cm土层土壤含水量平均值分别为33.14%、30.17%、27.10%和28.15%，T3和T4的土壤含水量最适宜胡椒生长，但是胡椒产量并没有显著提高，于是分析了0～20 cm土层土壤含水量与产量的相关关系，发现二者相关性积弱，可见，土壤含水量对胡椒产量的提升贡献率很小。

通过分析胡椒园间作槟榔体系主要小气候因子与产量的相关关系，发现光合有效辐射是影响产量的主要因子，它主要通过增加叶片气孔导度值来提高胡椒产量，其次，间作系统日最高温和降温幅度对胡椒产量也有显著正效应，表层土壤温度对产量有负效应，所以，在优化胡椒与其他间作物种植模式时，这几种小气候因子是确定间作模式是否合理的关键参考因子。

参考文献

[1] 杨建峰，祖超，李志刚，等. 胡椒园间作槟榔优势及适宜种植密度研究[J]. 热带作物学报， 2014， 35（11）： 2 129-2 133.

[2] 祖超，杨建峰，李志刚，等. 胡椒园间作槟榔对胡椒光合效应和产量的影响[J]. 热带作物学报， 2015， 36（1）： 020-025.

[3] 王灿，杨建峰，祖超，等. 胡椒园间作槟榔对胡椒产量及养分利用的影响[J]. 热带作物学报， 2015， 36（7）： 1 191-1 196.

[4] 邬华松. 胡椒光合作用特性研究[J]. 热带农业科学， 1999（3）： 7-12.

[5] 潘衍庆. 中国热带作物栽培学[M]. 北京：中国农业出版社， 1998： 493-542.

[6] 罗森堡（著），何章起，施鲁怀（译）. 小气候——生物环境[M]. 北京：科学出版社， 1982： 1.

[7] 杨建峰，王灿，祖超，等. 胡椒/槟榔间作系统根系空间分布特征初探[J]. 热带农业科学， 2015， 35（4）： 21-25.

[8] 黄爱军，乔旭，陈兴武，等. 果麦间作系统小气候特征研究[J]. 中國农业大学学报， 2013， 18（6）： 88-95.

[9] 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.

[10] 高阳和，段爱旺. 冬小麦-春玉米问作模式下光合有效辐射特性研究[J]. 中国生态农业学报， 2006（4）： 115-118.

[11] 罗冰. 红壤旱地的间作系统小气候特征分析[J]. 江西农业大学学报， 2007， 29（4）： 634-643.