枣与棉花间作巷道内的光环境研究

王世伟，潘存德，张翠芳，李 星，郭佳欢

(新疆农业大学林学与园艺学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

枣与棉花间作巷道内的光环境研究

王世伟，潘存德*，张翠芳，李 星，郭佳欢

(新疆农业大学林学与园艺学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

【目的】枣是新疆环塔里木盆地特色林果栽培面积最大的树种，环塔里木盆地枣树的栽培大多与农作物间作。【方法】为了探明枣与农作物间作系统间作巷道内的光环境变化对农作物产量形成的影响，本研究以环塔里木盆地枣与棉花间作系统为研究对象，通过度量与棉花间作条件下枣树间作巷道内棉花不同生育时期冠层饱和光合有效辐射(PAR)时空窗的大小及其与棉花产量形成的关系，为枣与棉花间作系统的可持续经营提供科学依据。【结果】枣与棉花间作系统间作巷道内达到棉花光饱和点的光量子通量密度持续时间是影响棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗大小的决定因素，并随着枣树树龄的增大和栽植株行距的减小而缩短。棉花产量形成受间作巷道内棉花冠层饱和有效辐射时空窗大小的直接影响，并表现出正相关关系。【结论】新疆南疆盆地枣树栽植行距小于4 m的枣与棉花间作系统中，当枣树树龄达到5 a以上，间作巷道内棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗已经关闭或趋于关闭，棉花产量与单作棉田相比大幅降低，已不适合继续间作棉花。

间作；枣；棉花；光合有效辐射时空窗；光环境

【研究意义】枣(ZiziphusjujubeMill.)为鼠李科(Rhamnaceae)枣属(Ziziphus)木本植物[1]。新疆环塔里木盆地地势平坦，属于暖温带干旱气候，光热资源丰富，降雨稀少，蒸发量大，土壤类型为潮土性灌淤土和沙壤土，为枣的生长发育提供了得天独厚的自然条件。截止2015年底，环塔里木盆地枣树栽培面积突破了4.33×105hm2，已经成为新疆特色林果栽培面积最大的树种。然而，随着新疆环塔里木盆地灌溉绿洲耕地沙化、盐碱化程度的加剧，导致可利用耕地面积日益减少，新疆特色林果产业快速发展过程中林农争地的矛盾日益尖锐，已经成为制约特色林果业进一步发展的瓶颈[2]。【前人研究进展】果树与粮棉间的模式成为兼顾新疆环塔里木盆地特色林果产业发展和保障粮棉生产的有效途径[3]。在果树与粮棉间作条件下，上层林冠对光的拦截作用使得间作巷道内农作物冠层接收到的太阳辐射减少[4-6]，影响了农作物干物质的积累[7]，最终会导致作物减产[8-10]，这在棉花[11-13]、冬小麦[14-15]、玉米[16]等农作物与林木间作系统的产量效应研究中都得到了较为一致的结论。随着林农争地的矛盾日益突出，在有限的宜耕土地上高效产出的同时如何保障棉花的稳定生产，已经成为维持新疆环塔里木盆地特色林果产业可持续发展中的关键问题。【本研究切入点】本研究以枣与棉花间作系统为研究对象，以棉花生长发育对光照的需求为出发点，探讨枣与棉花间作系统中棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗对棉花产量形成的影响。【拟解决的关键问题】旨在探明枣与棉花间作系统中造成棉花减产的主要因素，以期为枣与棉花间作系统的科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于新疆阿克苏地区温宿县新疆林业科学院佳木试验站。佳木试验站地处天山南麓中段，塔里木盆地北缘，位于温宿县东南部，距离阿克苏市30 km。地理坐标：E 80°32′，N 41°15′，海拔1103 m。该地属于大陆性干旱荒漠气候，气候干旱，降雨稀少，蒸发量大，年均降雨量仅有65.4 mm，年均蒸发量可达2002.2 mm，年平均气温10.1 ℃，全年≥10 ℃有效积温3970 ℃，年均日照时数2747.7 h，年均太阳辐射量140 kcal/m2，无霜期185 d。春夏两季大风浮尘天气较多，常给农业生产带来不利影响。

1.2 试验材料

试验样园内枣树南北行向栽种，枣树栽种株行距为1.0 m×2.5 m、1.0 m×3.0 m、0.5 m×4.0 m、1.5 m×3.0 m、1.5 m×4.0 m，树龄5～8年，品种为“灰枣”，林相整齐。行间间作棉花，棉花品种为‘中棉49’。以管理措施和地力水平一致的单作棉花作为对照。

1.3 数据采集

1.3.1 棉花光合生理数据采集 在棉花的三真叶期(4月下旬)、五真叶期(5月下旬)、现蕾期(6月中旬)、花铃期(7月下旬)和吐絮期(9月上旬)，选择晴朗天气，在上午9:30-10:30，采用Li-6400XT光合测定仪及其自带LED人工光源活体测定单作棉花(中棉49)叶样在1800、1500、1200、1000、800、500、200、100、50、0 μmol·m-2·s-1不同光合光量子通量密度(PPFD)下的净光合速率(Pn)。所测样株生长良好，无病虫害，每次测定固定的10个叶片作为重复。

图1 间作巷道光量子通量密度测定示意图Fig.1 PPFD determination in intercropping alley

1.3.2 间作巷道棉花冠层光量子通量密度数据采集 间作巷道棉花冠层光量子通量密度(PPFD)采用LI-191线状量子传感器进行测定。在一条间作巷道的东西两行枣树中选择树体(地径、树高、冠幅)大小一致且位置相对的2株树建立一条行间PAR测定样线，从2016年5月开始，分别于棉花的三真叶期(4月下旬)、五真叶期(5月下旬)、现蕾期(6月中旬)、花铃期(7月下旬)和吐絮期(9月上旬)，选择晴朗天气，在样线上从间作巷道东侧距离树干50 cm处开始自东向西测定棉花冠层光量子通量密度值，每隔50 cm设置一个测点，至距离间作巷道西侧树干50 cm处。在同一间作巷道内，选择树体位置相对且大小一致的3组(6株)枣树建立3条测定样线作为重复(图1)，以单作的棉花作为对照，测定时间从8:00至20:00，每隔2 h测定1次。

1.4 数据处理

1.4.1 棉花光饱和点计算 采用非直角双曲线模型[17]拟合棉花光合作用光响应曲线，式(1)。

(1)

式中：Pn为净光合速率(μmol·m-2·s-1)；I为光量子通量密度(μmol·m-2·s-1)；Pmax为最大净光合速率(μmol·m-2·s-1)；Rd为暗呼吸速率(μmol·m-2·s-1)；a为表观量子效率(μmol·m-2·s-1CO2/μmol·m-2·s-1PPFD)；θ为非直角双曲线的凸角。

由棉花最大净光合速率与PPFD200 μmol·m-2·s-1以下的线性回归方程估算其光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)[18-19]。

1.4.2 棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗计算 棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗计算采用“光合有效辐射时空窗法”[20]。

表1 棉花不同生育时期的光饱和点和光补偿点(平均值±标准误)Table 1 LSP and LCP of cotton in different growth periods (Mean±SE)

1.5 数据分析

数据分析采用SPSS19.0等统计软件。

2 结果与分析

2.1 棉花不同生育时期光饱和点和光补偿点

采用非直角双曲线模型拟合棉花不同生育时期光响应曲线，计算得到棉花三真叶期、五真叶期、现蕾期、花铃期和吐絮期的光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)。由表1可以看出，棉花生长发育过程中光饱和点呈现出先增大后减小的变化趋势，五真叶期光饱和点最高，吐絮期光饱和点最低。光补偿点与光饱和点呈现出一致的变化趋势。

2.2 棉花不同生育时期饱和光合有效辐射时空窗

采用“光合有效辐射时空窗法”，以枣与棉花间作巷道横断面上棉花冠层不同测点的最大光量子通量密度(PPFD)为因变量，测定时间(t)为自变量，采用一元二次多项式建立回归关系式，计算得到不同株行距枣与棉花间作系统间作巷道内棉花冠层接收到等于和高于棉花光饱和点的光量子通量密度起止时间t1(h)和t2(h)，计算结果见表2。

棉花三真叶期各株行距间作巷道内棉花冠层接受到的光量子通量密度都能达到其光饱和点以上，其中株行距1.5 m×4.0 m、枣树树龄6年的枣与棉花间作系统间作巷道内达到棉花光饱和点的光量子通量密度持续时间最长，为4.40 h，枣树树龄7年、株行距1.0 m×2.5 m的间作系统间作巷道内达到棉花光饱和点的光量子通量密度持续时间最短，仅为0.55 h。在棉花五真叶期，枣树树龄6～8年、行距小于4 m的间作系统间作巷道内棉花冠层接受到的光量子通量密度都未能达到其光饱和点以上。在棉花现蕾期和花铃期，枣树树龄7～8年、行距小于4 m的间作系统间作巷道内棉花冠层接受到的光量子通量密度也未能达到其光饱和点以上，而株行距1.5 m×4.0 m、枣树树龄6年的枣与棉花间作系统间作巷道内达到棉花光饱和点的光量子通量密度持续时间均为该生育时期的最高值，分别为5.02.和3.64 h。棉花吐絮期，各间作系统间作巷道内棉花冠层接受到的光量子通量密度都未达到其光饱和点以上。

表2 棉花冠层达到光饱和点的光量子通量密度起止时间Table 2 Start-stop time of PPFD higher than the light saturation point of cotton

注：表中t1、t2分别表示光合有效辐射高于棉花光饱和点的开始和结束时间，-表示光合有效辐射未达到棉花光饱和点以上。
Note:t1,t2means the start and end time of light saturation point between cotton photosynthetic effective radiation in table,-means photosynthetic effective radiation did not reach above the light saturation point of cotton.

建立枣与棉花间作系统间作巷道任意横断面上棉花冠层接收到的光量子通量密度等于和高于棉花光饱和点的的宽度l(m)与时间t之间的一元n次多项式l=f(t)，以间作巷道任意横断面上棉花冠层接受到光量子通量密度等于和高于棉花光饱和点的起止时间(t1，t2)作为积分的下限和上限，对一元n次多项式进行积分，计算得到了各株行距枣与棉花间作系统中不同生育时期棉花冠层的饱和光合有效辐射时空窗(表3)。不同株行距枣与棉花间作系统棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗大小均明显低于对照(单作棉田)，尤其在棉花的五真叶期，各间作系统棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗的最大值也仅达到对照的28.37 %。在棉花不同生育时期，棉花饱和光合有效辐射时空窗大小大致呈现出随枣树栽培密度的减小升高、随枣树树龄的增大而减小的变化趋势。株行距分别为1.0 m×2.5 m、1.0 m×3.0 m、1.5 m×3.0 m，树龄6～8年的枣与棉花间作系统棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗在棉花的各生育时期都已经或接近关闭。株行距1.5 m×4.0 m、枣树树龄6年的枣与棉花间作系统棉花冠层的饱和光合有效辐射时空窗在棉花各生育时期均高于其他间作系统，但其最高值(花铃期)也仅达到对照的52.77 %。棉花吐絮期各间作系统棉花饱和光合有效辐射时空窗都已经关闭。

通过调查各样园棉花产量(表3)，枣与棉花间作系统中棉花产量均低于对照(单作棉田)，各间作系统中棉花产量与棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗的变化趋势一致。株行距1.5 m×4.0 m、枣树树龄6年的枣与棉花间作系统棉花产量高于其他间作系统，可达到对照(单作棉田)的88.25 %。在棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗已经接近关闭的株行距1.0 m×2.5 m、1.0 m×3.0 m、1.5 m×3.0 m、树龄6～8年的枣与棉花间作系统中，棉花产量比对照分别降低34.19%、29.51 %、22.51 %、25.20 %。

3 讨 论

枣与棉花间作系统间作巷道棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗减小的根本原因在于间作巷道内达到棉花光饱和点的光量子通量密度持续时间在缩短。在林木与农作物间作系统中，林木的树高、冠幅、树形、栽植株行距都会影响农作物冠层对光的截获量和光能转化效率[21]。杨树与冬小麦间作系统中，杨树树冠下达到小麦光饱和点的光量子通量密度持续时间比对照减少2.6～3.0 h，小麦产量降低7.9 %～10 %[22]。苹果与大豆间作系统中大豆冠层光合有效辐射随着苹果树龄的增大而减弱，与树龄4年苹果与大豆间作系统相比，树龄6年和树龄8年苹果与大豆间作系统大豆冠层光合有效辐射分别减小了27.29 % 和 37.86 %[23]。

表3 枣-棉间作系统棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗和产量Table 3 Spatial-temporal window of PAR on the cotton canopy and yield in intercropping alley

枣与棉花间作系统间作巷道棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗大小与棉花产量呈正相关关系。棉花五真叶期的光饱和点高于其他生育时期，表明五真叶期是棉花对光照的需求最为迫切的时期，而不同株行距枣与棉花间作系统间作巷道棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗在棉花五真叶期都已经关闭或趋于关闭，这是影响棉花产量形成的关键因素。在林木与农作物间作系统中，林木冠层对下层农作物冠层的遮阴不仅影响农作物冠层对光的截获量[24-27]，太阳光谱中大部分的蓝光和红光还会被林木冠层吸收，改变到达农作物冠层的光质，从而影响农作物生物量的累积[28-29]。扁桃与冬小麦间作系统中，与自然光对照相比，扁桃冠层下总辐射中蓝紫光、黄绿光和红橙光波段的消减最为剧烈。泡桐与小麦间作系统间作巷道内小麦冠层光谱受树冠影响，在冬小麦不同生育时期差异显著[30]。

4 结 论

枣与棉花间作系统间作巷道内达到棉花光饱和点的光量子通量密度持续时间是影响棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗的决定因素，并随着枣树树龄的增大和栽植株行距的减小而缩短。棉花产量形成受间作巷道内棉花冠层饱和有效辐射时空窗的直接影响，并表现出正相关关系。

新疆南疆盆地枣与棉花间作系统普遍采用的枣树栽植株行距中，行距4 m以下、树龄5～8年的枣与棉花间作系统中棉花冠层饱和光合有效辐射时空窗已几乎全部关闭，导致棉花生长发育过程中对光照的需求难以满足，棉花产量与单作棉田相比大幅降低，已不适合继续间作棉花，可以对枣树进行适度间伐，增大栽植株行距以改善间作巷道内的光照环境或者间作耐阴作物。

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StudyonLightEnvironmentinIntercroppingAlleyofJujubeandCotton

WANG Shi-wei,PAN Cun-de*,ZHANG Cui-fang,LI Xing,GUO Jia-huan

(College of Forestry and Horticulture,Xinjiang Agricultural University/Key Laboratory of Forestry Ecology and Industry Technology in Arid Region,Education Department of Xinjiang,Xinjiang Urumqi 830052,China)

【Objective】Jujube tree area is the largest area of fruit cultivations and often intercrops with crops in Tarim Basin of Xinjiang.【Method】 In this study,the jujube trees of different ages intercropping with cotton were selected as tested objects,the size of saturated photosynthetic active radiation (PAR) space-time window of the cotton canopy in the intercropping alley was measured to study the effects of the variation of light environment in the intercropping alley on cotton production and to provide a scientific basis and technological approaches for better cultivating intercropping jujube with cotton.【Result】In the alley of jujube with cotton intercropping,the duration of the photon flux density at cotton light saturation point was the decisive factor that affected the size of saturatedPARspace-time window of the cotton canopy,and the duration shortened along with the increase of the age of jujube tree and the decrease of intercropping plots.The size of saturatedPARspace-time window of the cotton canopy directly affected on cotton production and showed a positive correlation with it.【Conclusion】 In South Xinjiang basin,when the intercropping system with jujube planted less than 4 m and the age of jujube tree reached more than 5 a was not fit to intercropping cotton,the saturatedPARspace-time window of the cotton canopy in the intercropping alley had shut down or be shut down,and the cotton production greatly reduced comparing with the monoculture cotton fields.

Intercropping; Jujube; Cotton; Photosynthetic active radiation; Light environment

1001-4829(2017)4-0728-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.4.003

2016-11-20

中央财政林业科技推广示范资金项目[xjlk(2013)009号]；新疆农业大学博士后流动站资助

王世伟(1984-)，男，新疆乌鲁木齐人，博士，讲师，研究方向为林木栽培与生理，E-mail：wsw850204@163.com@163.com，*为通讯作者，E-mail：pancunde@163.com。

S344.1;S512.1+1;S665.1

A

(责任编辑 陈 虹)