枣麦间作系统中冬小麦冠层光合有效辐射时空窗影响因素研究

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)

【研究意义】林农间作系统是对土地资源和光照资源进行充分利用的人工生态立体型农业系统[1-2]。林农间作缓解了“林农争地的矛盾”，在有限的宜耕土地上实现对光、热、水、肥等资源的最大利用，而且可以改善间作系统内的小气候，提高土壤保肥和防侵蚀的能力，提高单位面积土地的生产效益，增加农民收益[3-4]。然而间作系统内林木与间作物因共享同一时空的资源，导致生态位交叠，不同组分之间会产生资源竞争。由于地下资源(水、肥)的可流动性为间作系统内各组分对地下资源的利用提供了保证[5-6]，而光照是间作系统中物质循环和能量流动的基础，因间作系统内光照不足和光质下降所导致的间作物生长发育受阻和根系吸收水肥能力下降是间作系统发生不利竞争的关键因素[7-8]。【前人研究进展】许多研究表明，间作系统内林木与间作物之间的距离直接影响间作系统内各组分对光照的竞争[9-10]。在新银合欢(Leucaenaleucocephala)与玉米(Zeamays)间作系统中，树干与玉米之间的距离越远，各组分之间因生态位交叠减少对光能的竞争就越弱，玉米产量上升[11]；南酸枣与花生间作系统中南酸枣带行与花生之间的距离越大，间作系统内南酸枣树冠投影面积占间作区域面积的比例越小，花生冠层截获的光能越多，花生产量越高[12]。还有研究表明，林农间作系统中光照还受其它诸多因素影响，例如，太阳高度角升高造成日光直射光与散射光比较升高，林木冠层对散射光的拦截变强，从而导致间作系统内光照减少[13]；在泡桐与农作物间作系统中，南北行向栽植的林木间作系统内遮阴面积占间作巷道面积比例较大，而东西行向栽植的林木间作系统内遮阴面积较小，但遮阴时间较长[14]；另外，南酸枣和花生间作系统内林木的冠层冠幅影响间作巷道内遮阴面积，从而影响花生的产量[12]；速生白杨与农作物间作系统中，树高较大的速生白杨树体对光的拦截能力强；间作系统中林木树体越密，叶面积指数越大，间作物冠层所截获的光能就越少[15]。【本研究切入点】新疆丰富的光热资源孕育了以枣为主的特色林果产业，并且枣树多与粮棉等农作物间作，如何兼顾间作系统内枣树与间作物的高效栽培是新疆枣产业可持续发展的关键问题。【拟解决的关键问题】本研究以枣与冬小麦间作系统为研究对象，通过分析间作系统内冬小麦冠层光合有效辐射时空窗及其影响因子时节动态变化的相关性，旨在明确影响枣麦间作系统冬小麦冠层光合有效辐射时空窗大小的主要因子，为枣树与冬小麦间作系统的光环境管理和优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年在新疆林业科学院佳木良种试验站(41°11′06.31′′～41°12′47.74′′N、79°12′12.76′′～79°13′57.87′′E)枣麦间作生产园中进行。园内枣树品种为灰枣(Z.jujuba‘Huizao’)，与冬小麦‘新冬20号’间作。枣树树龄6～8年，树势中庸，枣树栽植株行距分别为1 m×2.5 m、1 m×3 m、2 m×3 m、2 m×4 m、3 m×4 m，南北行向栽植。冬小麦机条播，行距15 cm，有效株数6.9×106株/hm2。

1.2 样地选择

选取枣树栽植株行距1 m×2.5 m、1 m×3 m、2 m×3 m、2 m×4 m、3 m×4 m的枣麦间作生产园作为试验样地，每种株行距选取3个样地作为重复，共计15个间作样地。样地内枣树南北行向栽植，林相整齐，无病虫害。

1.3 数据采集

在选定的样地中选择树体大小一致、位置相对的2株枣树建立1条样线，样线上每隔50 cm选择1个测点，1块样地内选择9条样线作为重复。自2015年3月份起，于冬小麦播种后的125 d(分蘖期)、155 d(拔节期)、170 d(抽穗期)、180 d(扬花期)、190 d(灌浆期)和210 d(成熟期)，采用美国Li-COR公司生产的LI-191型线状量子传感器测定各样地中冬小麦冠层光合有效辐射(PAR)。测定时间为上午10:00至下午19:00，每小时测定1次。以同一时间段内空旷地带上的PAR作为对照(CK)；同时采用美国Li-COR公司生产的LAI-2200型冠层分析仪，使用45°镜头盖遮挡镜头测定样地中枣树的叶面积指数(LAI)和透光率(Tr)。分别采用皮尺和花杆测量样地内枣树的冠幅和树高。

1.4 数据处理

间作样地内冬小麦冠层光合有效辐射时空窗计算方法参照王世伟[16]的方法，太阳高度角的计算方参照张小全[17]的方法。

1.5 数据分析

采用形象分析法[18]对不同株行距间作样地内太阳高度角、光合有效辐射时空窗、枣树树高、冠幅、叶面积指数和透光率的时节变化进行差异检验，包括形象平行检验、重合检验和水平检验。

采用逐步回归分析法，以冬小麦冠层饱和、非饱和和无效PAR时空窗为因变量(Y)，以太阳高度角(X1)、枣树树高(X2)、冠幅(X3)、叶面积指数(X4)、透光率(X5)和枣树栽植株行距(株距2+行距2)1/2(X6)6元二次多项式的非常数项为自变量，以确定冬小麦不同生育期的饱和、非饱和与无效PAR时空窗与其它因子之间的关系，使用偏相关分析法确定PAR时空窗与主要影响因子间的决定系数。

数据整理采用Microsoft Excel 2003，绘图采用Sigmaplot 10.0；统计分析采用SPSS19.0。

2 结果与分析

2.1 间作巷道内冬小麦冠层光合有效辐射时空窗时节变化

枣与冬小麦间作样地内冬小麦冠层饱和PAR时空窗大小随冬小麦生育期的推移均呈先降后升的趋势。形象分析结果表明5种株行距间作系统中冬小麦冠层饱和PAR时空窗形象既不平行也不重合(0.00

图1 间作冬小麦不同生育时期冠层光合有效辐射时空窗形象分析Fig.1 The photosynthetic active radiation (PAR) space-time window profiles of the winter wheat canopy in the system of jujube-wheat intercropping at different growing stages

2.2 间作巷道内各影响因子时节变化

太阳高度角的变化会直接影响枣树遮阴范围的大小进而影响间作系统内冬小麦冠层PAR的截获量，最终影响冬小麦冠层PAR时空窗的大小。不同株行距间作系统内太阳高度角随冬小麦生育期的推移均逐渐上升的趋势。形象分析结果表明5种株行距间作系统中太阳高度角形象重合(0.09

间作系统中树冠叶面积指数是间作系统内间作物冠层截获光能的直接影响因素，进而影响着间作系统的整体生产力。不同株行距间作巷道内枣树的叶面积指数随冬小麦生育期的推移均呈逐渐上升的趋势。形象分析结果表明5种株行距间作系统中枣树叶面积指数形象既不平行(0.00

图2 间作冬小麦不同生育时期各影响因子形象分析图Fig.2 The profiles of factors in the system of jujube-wheat intercropping at different growing stages

2.3 影响因子与冬小麦冠层光合有效辐射时空窗的相关性

枣与冬小麦间作系统中，影响因子对不同生育时期冬小麦冠层饱和PAR时空窗的大小影响不同。在分蘖期(播种后125 d)和拔节期(播种后155 d)，太阳高度角的回归系数(r=0.948，r=0.923)的显著性检验分别为P=0.01和P=0.03，显示太阳高度角对冬小麦分蘖期(播种后125 d)和拔节期(播种后155 d)冠层饱和PAR时空窗的影响显著；在冬小麦抽穗期(播种后170 d)，太阳高度角和枣树树高的回归系数(r=0.981，r=-0.946)的显著性检验分别为P=0.01和P=0.03，显示太阳高度角和树高对冬小麦抽穗期(播种后170 d)冠层饱和PAR时空窗大小的影响分别表现为显著正相关和显著负相关；在冬小麦扬花期(播种后180 d)，太阳高度角、枣树冠幅、叶面积指数的回归系数(r=0.520，r=-0.592，r=0.696)的显著性检验分别为P=0.05，P=0.04和P=0.03，表明冬小麦扬花期(播种后180 d)冠层饱和PAR时空窗与太阳高度角和叶面积指数显著正相关，与枣树冠幅显著负相关；对灌浆期(播种后190 d)和成熟期(播种后210 d)，枣树叶面积指数(r=0.520，r=0.592)、透光率(r=0.520，r=-0.592)和枣树冠幅(r=0.520，r=-0.592)进行回归系数的显著性检验，显示冬小麦灌浆期(播种后190 d)和成熟期(播种后210 d)冠层饱和PAR时空窗大小与叶面积指数和透光率显著正相关(P<0.05)，与枣树冠幅显著负相关。间作系统中枣树栽植株行距(株距2+行距2)1/2(X6)对冬小麦整个生育期冠层饱和PAR时空窗的影响不显著。

影响因子对冬小麦不同生育时期冬小麦冠层非饱和PAR时空窗的大小影响不同。在分蘖期，太阳高度角的回归系数(r=0.809)的显著性检验为P=0.04，显示太阳高度角对冬小麦分蘖期(播种后125 d)冠层非饱和PAR时空窗大小的影响显著；在拔节期(播种后155 d)，太阳高度角和株行距的回归系数(r=0.973，r=0.932)的显著性检验分别为P=0.01和P=0.04，显示太阳高度角和株行距对冬小麦拔节期(播种后155 d)冠层非饱和PAR时空窗的影响显著；对抽穗期(播种后170 d)、扬花期(播种后180 d)和成熟期(播种后210 d)，太阳高度角(r=0.997、r=0.997、r=0.996)和透光率(r=-0.992，r=-0.987，r=-0.993)的回归系数进行显著性检验，显示冬小麦抽穗期(播种后170 d)、扬花期(播种后180 d)和成熟期(播种后210 d)冠层非饱和PAR时空窗大小与太阳高度角呈显著正相关(P<0.05)，与透光率呈显著负相关；在灌浆期(播种后190 d)，太阳高度角和株行距(株距2+行距2)1/2(X6)的回归系数(r=0.996，r=0.989)的显著性检验分别为P=0.00和P=0.00，显示太阳高度角和株行距对冬小麦灌浆期(播种后190 d)冠层非饱和PAR时空窗的影响显著。

表1 冬小麦冠层PAR时空窗与影响因子的相关性

影响因子对冬小麦不同生育时期冬小麦冠层非饱和无效PAR时空窗的大小影响不同。在分蘖期，枣树树高与株行距的回归系数(r=0.853，r=-0.910)的显著性检验分别为P=0.10和P=0.05，显示冬小麦分蘖期(播种后125 d)冠层无效PAR时空窗与枣树树高显著正相关，与株行距显著负相关；对拔节期(播种后155 d)、抽穗期(播种后170 d)和扬花期(播种后180 d)，太阳高度角(r=0.917、r=0.934、r=0.992)和叶面积指数(r=0.969、r=0.947、r=0.981)进行回归系数的显著性检验，显示太阳高度角和叶面积指数对冬小麦拔节期(播种后155 d)、抽穗期(播种后170 d)和扬花期(播种后180 d)冠层无效PAR时空窗的影响显著(P<0.05)；对灌浆期(播种后190 d)，太阳高度角、枣树树高和叶面积指数的回归系数(r=0.997、r=0.955和r=0.950)的显著性检验分别为P=0.01，P=0.01和P=0.02，显示太阳高度角、枣树树高和叶面积指数对冬小麦灌浆期(播种后190 d)冠层无效PAR时空窗大小的影响显著；对成熟期(播种后210 d)，太阳高度角、叶面积指数和透光率的回归系数(r=0.981、r=0.933和r=-0.897)进行显著性检验，表明冬小麦成熟期(播种后210 d)冠层无效PAR时空窗与太阳高度角和叶面积指数显著正相关，与透光率显著负相关(P<0.05)。

3 讨 论

林木与农作物间作系统内林冠层投影面积(遮阴)是影响间作物冠层截获光能的直接因素。因此，影响间作系统内遮阴的因素都会影响间作物冠层光合有效辐射时空窗的大小。太阳高度角是影响林农间作系统中林冠层遮阴面积的主要因素，有研究表明随着太阳高度角的增大，间作系统内林冠投影面积减小，重复遮阴面积也减小。本研究结果表明，在冬小麦生长发育过程中，枣麦间作系统中太阳高度角呈逐渐增大的趋势，回归分析结果表明冬小麦冠层饱和、非饱和PAR时空窗与太阳高度角显著正相关。间作巷道内枣树投影距离树干越来越近，遮阴范围逐渐减小，树行之间重复遮阴范围不断减小，枣树冠层内部透射光斑辐射强度增加，阴影透明度升高。这说明太阳高度角的改变导致枣树在间作巷道内的遮阴的时间长度与遮阴面积改变，最终引起冬小麦冠层PAR时空窗变化。

在核(桃)-小麦[19]、杏-丹参[20]和杏-苜蓿[21]间作系统中的研究结果表明，林木测树因子(树高、基径、冠幅)和林木株行距通过对光能的截获影响间作巷道内林冠投影的形状和面积[22]。本研究结果表明，枣树栽植株行距及其树高和冠幅与冬小麦不同生育时期冠层饱和PAR时空窗大小显著相关，随着株行距增大，冬小麦冠层饱和、非饱和PAR时空窗增大，冬小麦冠层无效PAR时空窗减小。这是因为间作系统中枣树株行距的增大会降低枣树树冠形成的遮阴面积在间作巷道内所占的比例，同时增加间作巷道内光强和光质，从而增加了间作冬小麦冠层截获的太阳辐射，导致冬小麦冠层有效PAR时空窗增大，无效PAR时空窗减小。

冬小麦冠层无效PAR时空窗与枣树栽植株行距显著负相关，与树体和冠幅显著正相关，即株行距越小，树高和冠幅越大，枣树冠层对光能的截获越多，其在间作巷道内的遮阴面积就越大，从而导致间作物获得的光能就越少[24-25]。

4 结 论

枣麦间作系统间作巷道内冬小麦各生育时期的PAR时空窗大小由多种影响因子综合协调作用，这些影响因子的自身变化规律影响着间作物冠层饱和、非饱和以及无效PAR时空窗的大小及其变化规律。但是各因素对其的影响程度存在差异，其中太阳高度角、枣树栽植株行距和透光率是影响间作物冠层饱和PAR时空窗、非饱和PAR时空窗和无效PAR时空窗大小的主要因素。