不同树龄单株苹果树树冠遮阴范围分析

王晶晶，毕华兴,2,3,4†，孙于卜，段航旗，彭瑞东

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，102206，北京；3.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，100083，北京；4.北京林业大学 水土保持国家林业局重点实验室，100083，北京)

黄土高原区农林复合系统具有明显的水土保持生态效益，其接纳降雨调集使用，既流又阻，保持水土，已经在黄土区大面积推广和应用。农林复合在提高土地利用率和土地生产力、防治水土流失、改善土壤水肥条件方面存在重要意义[1-6]。近年来，在农林复合种间关系的研究领域，研究主要集中在水分和养分的竞争方面[7-19]，忽略了光照对农林复合系统种间关系的影响。太阳辐射作为间作作物的能量来源，直接影响间作作物、林内小气候。因此，农林复合系统光环境下的树冠遮光应该予以重视。

农林复合系统中，太阳辐射的强度和遮阴范围是光环境研究的重点。目前农林复合系统光环境的研究，主要集中在利用太阳辐射强度仪对林下不同位置太阳辐射强度的测定[20-25]。在遮阴范围实测方面的研究，由于果树实体下地面平整度较低、果树间相互影响等原因，使得遮阴范围难以明确界定，农林复合系统中果树的遮阴范围实测研究较少。因此，笔者避开地面和果树间对单株果树遮阴实测的影响，以太阳光线是平行光[26]为前提，采用相似性原理，利用苹果树3D模型实测遮阴范围。结合CAD、MATLAB等软件，对不同年限实测范围进行对比分析，使得太阳辐射强度与遮阴范围结合，指导农林复合系统中，间作作物的种植和苹果树种植的配置方式，从而达到农林复合系统水土保持效益优化。

1 研究区概况

研究区位于山西省吉县黄河西南部(E36°20′20″，N110°45′47″)，属于黄土高原残源沟壑地貌和梁崩丘陵沟壑地貌。目前，吉县的苹果种植已形成一定的规模化，并成为主导农业产业，截至2014年，全县共栽植苹果1.8万hm2，产值3亿元。80%以上的农民从事苹果种植业，农民的收入85%以上来自于苹果产业。吉县的果树种植选择地理东西方向为树行方向，4 m×5 m或5 m×5 m的株行距配置方式，间作年限1～7年。

2 材料与方法

2.1 试验方法

2.1.1 试验材料 以实验样地的苹果树作为研究对象，选择实验样地4、5、6和7年生的苹果树各100棵，进行拍照和基本特征的测量(表1)，将所取照片导入PS，对其进行处理分析，通过对大量测量数据和照片中树冠轮廓的提取分析，利用三维制图构建苹果树体模型，最终采用3D打印制作缩小50倍的苹果树三维树体模型。

表1 试验地果树树体的基本特征Tab.1 Basic characteristic of fruit tree in test area m

2.1.2 试验设计 为测定苹果树树体模型的遮阴范围、重复遮阴区域和遮阴时长，将树体模型插放在厚度为3 mm的A3硬纸板，硬纸板上固定有网格纸(树体模型枝下高已加高3 mm)。树体模型选择插放在网格纸的中心位置，且以地理北为Y轴的正半轴，地理东为X轴正半轴。一天内08:00—17:00是太阳辐射的重要时段；因此，实验在晴天08:00—17:00，每隔1 h进行标定一次，在固定的网格纸上，使用铅笔(铅笔与地面垂直)描绘出树体模型在此时间的遮阴边界。实验选择在2017年7月进行3次，每次相同树龄树体模型为3次重复。遮阴范围为对应时间的遮阴边界内的遮阴区域，遮阴范围随着时间的变化而变化。

2.2 数据处理

将绘制有遮阴范围的网格纸导入电脑，利用MATLAB获取各个遮阴边界的位置坐标，并将各边界坐标点均扩大50倍，然后将获取的位置坐标导入CAD中，对各点进行连接，最终获取苹果树树冠在一天内随着时间变化的遮阴范围图。利用CAD的制图软件，对遮阴范围图进行遮阴面积的求算，以及重复遮阴区域范围的确定。

3 结果与分析

3.1 不同树龄单株苹果树树冠遮阴范围和遮阴时间的分析

在一天太阳辐射的重要时段中，4、5、6和7年生单株苹果树树冠的遮阴范围随时间的变化见图1。以苹果树干作为原点，依据4、5、6和7年生单株苹果树遮阴范围(图2)，对于研究区苹果树种植选择的配置而言，4、5、6和7年生的苹果树树冠遮阴区域在株间出现遮阴重叠；而在行间果树树冠遮阴区域无遮阴重叠，进行间作种植可行。

图1 不同树龄单株苹果树树冠遮阴范围随时间变化图Fig.1 Shade area change of an individual apple tree in different age over time

图2 不同树龄苹果树树冠持续遮阴区域边界对比图Fig.2 Boundary contrast of lasting shade area of an apple tree crown in different age

由图1可知，在08:00—17:00中，苹果树树冠遮阴时长≤3 h的遮阴区域占据树冠遮阴区域的大部分遮阴，主要集中在09:00—15:00时间段。树冠遮阴区域的遮阴时长是随着从树干到周边遮阴区域逐渐变短。随着果树年限的不断增长，遮阴范围、遮阴区域的不断扩大，遮阴时长也在增长。4年生果树树冠遮阴区域未出现超过7 h的遮阴，而在5、6和7年生果树树冠遮阴区域出现持续7 h的遮阴，且随着果树年限的增长，持续7 h遮阴区域不断扩大。因此，遮阴范围、遮阴区域和遮阴时长随着树龄的增加而增长，导致果农间作系统中，光资源竞争关系随着树龄的增长而增强。

3.2 不同树龄苹果树树冠重复遮阴边界分析

由图2可知,果树重复遮阴区域边界值随着树龄的增长，呈现扩大的变化趋势。在持续遮阴4～6 h的遮阴区域中，东向遮阴始终大于西向。当持续遮阴7 h的遮阴区域出现在5年生的果树树冠遮阴时，遮阴区域最初出现在西向，且随着树龄的增长，重复遮阴区域边界逐渐向东向靠近。这是由于太阳方位角由东向西，使得遮阴最初出现在西向，并由西向逐渐向东向过度，导致开始出现最大时长的遮阴的区域位于西侧。

图3 不同苹果树树龄重复遮阴面积对比图Fig.3 Contrast of repeated shade areas in different apple tree ages

苹果树重复遮阴区域内，树下遮阴的重复遮阴边界北侧始终大于南侧。因此，对于研究区果农间作系统的种植模式而言，依据传统方式下，果树两侧的间作作物等行距的种植方式是不合理，重复遮光区域是对间作作物光合作用产生极大影响的区域。如表2所示，4、5、6和7年生苹果树的遮光影响范围距目标果树分别为以东2.38 m、以西1.78 m、以南1.20 m、以北1.78 m；以东2.50 m、以西1.92 m、以南1.36 m、以北1.94 m；以东2.69 m、以西2.04 m、以南1.40 m、以北2.04 m和以东2.78 m、以西2.17 m、以南1.54 m、以北2.15 m。间作作物的种植距离，可依据表2中不同年限重复遮阴边界位置进行设计，从而提高间作作物的产量，减少果树和作物在长时间遮阴下的相互竞争关系，达到果农复合系统效益较优。

表2 不同树龄苹果树树冠重复遮阴区域边界范围Tab.2 Boundary of repeated shade area of an apple tree crown in different age m

由图3可知，各持续遮阴时长的遮阴区域面积随着苹果树树龄的增长而扩大，遮阴面积随果树树龄增长的变化规律依次为4年生<5年生<6年生<7年生。这主要是由于随着果树树龄的增长，苹果树的冠幅、高度和枝下高等均增长。图3中持续遮阴4～5 h的遮阴面积，随着苹果树树龄的增长，呈现均匀增长的趋势；然而，持续遮阴6～7 h的遮阴面积，随着苹果树树龄的增长，呈现不规律变化。就持续遮阴6～7 h的遮阴面积而言，树龄为6～7年生树冠遮阴面积相较4～6年生树冠遮阴面积的变化快速。

4 结论与讨论

对于研究区苹果树种植配置而言，4～7年生苹果树树冠在株间存在遮阴重叠，而在行间不重叠；苹果树树冠遮阴区域，北侧始终大于南侧。因此，就研究区果农复合系统配置中，在苹果树南北两侧等距离种植间作作物是不合理的，在种植间作作物的行距设计时，必须考虑苹果树树冠的遮阴区域；随着苹果树树冠遮阴区域向果树靠近，其遮阴区域的遮阴时长也随着增加。长时间遮阴，导致果树与作物光资源竞争关系的增强[27-31]。因此，果农间作系统中，果树与作物间的光竞争关系也表现为随着距离果树越近，光竞争越明显；随着苹果树树龄的增长，遮阴面积和遮阴时长增加，导致果农间作中，光竞争随树龄增长而竞争增强。

研究表明，从树干向外的不同距离处，遮阴强度不同。距果树越近，遮阴强度的等值线密集、遮阴强度大，且树干北侧的遮阴强度大于树干南侧。与笔者遮阴区域的分析一致，表明遮阴强度主要是由于树冠遮阴范围的变化而变化[32]。许华森[33]对遮阴范围的研究表明，不同林龄苹果树下空间分布具有相似特征，苹果树的遮阴区域北侧大于南侧。苹果树对农作物遮阴影响大，在苹果的复合经营中，间作作物与果树的距离要大些，且随着果树树龄的增长，间作作物适宜种植区域变小。而卢国珍等[34]在遮阴规律的研究中提出，林木行向正南正北的前提下，林木遮阴范围以中午为中点，上午、下午的遮阴区域呈对称。这与笔者的研究有差异，卢国珍等仅考虑太阳高度角和太阳方位角的因素，而忽略冠层半阴影效应的因素。果树对行间遮阴最严重的时间段是09：00和13:00，随着树龄的增大，使重复遮阴区域、遮阴时长变长[35]。苹果复合系统模式的光竞争主要发生在14:00前[36]。有关多株果树配置造成相互遮阴方面，有待进一步试验研究。

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