晋西黄土区苹果大豆间作系统果树遮阴强度的时空分布

彭瑞东， 毕华兴，2，3†，郭孟霞， 孙于卜，段航旗，王晶晶

(1．北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，100083，北京；3.北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，102206，北京； 4.北京水保生态工程咨询有限公司，100055，北京)

农林复合经营作为黄土高原地区广泛使用的一种土地利用模式，在控制水土流失、恢复生态平衡、提高土地利用率，协调农林用地矛盾和增加经济效益等方面具有显著的成效[1-2]，在晋西黄土区，果树与农作物间作系统是重要的农林复合经营模式之一。在果树冠层郁闭之前，大豆、花生、玉米等农作物常作为间作作物种植在果树树行之间，达到充分利用水、肥、光、土地等自然资源以及长短期收益互补的经营目的。果农间作系统根据不同果树、作物以及自然资源的特征，因地制宜地确定不同的时间和空间配置模式以充分利用各种自然及人力资源，以求获得最大收益；然而果农间作系统中果树和间作作物之间同时存在着互补性和竞争性，基于减少种间竞争促进种间资源协同利用最大化的目的[3]。果树和间作作物之间的竞争关系主要集中在对水分、养分以及光照的竞争之上[4-5]。果树和间作作物之间对光照的竞争主要体现在果树对间作作物的遮阴之上，而果树遮阴的研究较为薄弱，光照对作物影响的研究严重制约着果农间作系统中基于水、肥、光等多因子耦合的种间关系研究，并成为果农间作系统种间关系调控的技术瓶颈[6]。果树的遮阴范围和强度影响间作作物所能接收到的光合有效辐射(photosynthetically active radiation, PAR)，光合有效辐射控制着作物的净光合速率(Pn)，进而影响作物的生物量和产量[7]。鲍彪[8]通过对大豆模拟遮阴的研究确定遮阴对大豆生长的影响，蔡智才等[9]通过花生的光响应曲线确定遮阴对花生生长的影响；但是前人的研究受到实验仪器等限制，对果树遮阴的研究只研究到作物的行间差异，尚未深入间作区域内同一行植株间遮阴的差异性，对遮阴强度和范围的时间空间变化规律也停留在数学模型模拟阶段。

本试验以晋西黄土区具有代表性的苹果大豆间作系统为研究对象，通过定位监测与数学分析等试验手段，确定间作系统内各生长阶段各点果树遮阴强度实测值总结出苹果大豆间作系统中遮阴强度的时空变化规律，以期为当地果农间作系统配置模式的科学调控提供一定的理论基础，为晋西黄土区的水土保持和农业可持续发展做出贡献。

1 研究区概况

研究区位于山西省西南部的临汾市吉县，属于典型的黄土残垣沟壑区[10]。吉县属暖温带大陆气候，年均降水量571 mm，年平均气温9.9 ℃，年平均日照时间2 563.8 h，年平均太阳总辐射量5 424 MJ/m2，无霜期172 d[11]。该地区的主要土壤类型是黄土母质的褐土，土层深厚，适宜种植果树及农作物。果-农间作的果树树种主要为苹果(Maluspumila)、杏(Prunusarmeniaca) 、桃(Amygdaluspersica)和核桃(Juglansrregia)，农作物主要有大豆(Glycinemax)、玉米(Zeamays)和花生(Arachishypogaea)。

2 材料与方法

2.1 试验材料

根据研究区果农间作特点与当地实际种植经营情况，在山西省吉县中垛乡南坪村果农间作示范区(E 110°43′46″，N 36°01′07″)，选择5年生苹果和大豆间作系统为试验对象。果树品种为矮化中间砧富士，树行东西走向平行对称排列，株行距4 m×5 m，果树特征值见表1。大豆品种为晋豆37号，行向与树行方向一致(东西走向)，株行距为0.33 m×0.33 m，于2017年4月中旬播种。

表1 试验区苹果树特征Tab.1 Characteristic value ofMalus pumilain the plot area

注：—表示此项没有计算。Notes：— indicates that this item is not calculated.

2.2 试验区设计

在苹果大豆间作系统内，有3个相同试验区。每个试验区布设如图1所示，由4棵相邻苹果树围成的试验区(南北长5 m，东西宽4 m)，在大豆播种前在距树行0.9 m处布设1 m深的厚质不透水塑料布作为根障，以阻断果树和大豆地下部分水分、养分、根系的影响。间作系统内大豆种植行与树干基部距离为1 m，试验区内采用相同的农艺管理措施。在试验区旁按相同株行距种植单作大豆作为对照。

2.3 试验方法

2.3.1 PAR的监测 果农间作系统中间作作物由于受到果树遮阴的影响，林下不同位置的PAR强度也各不相同，本试验以间作系统内不同位置的大豆种植点分析果树遮阴条件下PAR的时空分布状况。PAR传感器在树行间作物种植区域以间作作物方向按0.66 m×0.75 m的间距布设，从南向北编为1、2、3、4、5行，从东向西编为A、B、C、D、E、F、G列，每个传感器命名以列号在前、行号在后组成，布设情况如图1。在大豆的3个主要生长期苗期(6月上旬)、花期(7月中旬)和结荚期(9月上旬)，选择天空无云的晴天，从08:00到18:00，全部的35个传感器进行连续不间断的实时PAR监测数据采集，采集间隔设为1 min，每个试验区每个生长期测定3 d，3个试验区按固定顺序在每个生长期内依次进行PAR数据采集，每个传感器采集的PAR数据按照传感器编号记为Pxy(PA1、PA2、PA3,…,PG5)。在单作大豆试验区内随机选取3个点做同一时间段且相同采集间隔的实时PAR监测数据(PK)的采集，作为间作系统林冠上PAR监测值。

RXY中X表示PAR传感器所处南北方向列的序号，由东向西命名为A…G; Y表示PAR传感器所处东西方向行的序号，由南向北命名为1…5。The X in RXY denotes the sequence number of the north-south direction of the PAR sensor, named as A to G from the east to west, and the Y denotes the sequence number of the east-west direction of the PAR sensor, named as 1 to 5 from the south to north. The same below.图1 苹果大豆间作系统试验样区布设示意图Fig.1 Plot design sketch of apple-soybean intercropping system

2.3.2 遮阴强度的计算 对不同位置的传感器，若无果树影响，太阳辐射强度日变化应是基本一致的(传感器间最大距离只有5 m)。某一时刻t监测点RXY处林冠下PAR值为Pxyt, 该时刻间作系统内林下的遮阴强度Sxyt由林冠上该时刻的PAR监测值(PKt)与Pxyt按照式(1)计算得出。该位置的某1小时T的遮阴强度(Txy)由该位置该小时内林冠上PAR值与林冠下PAR值按照式(2)计算得出，该小时PAR值由整点前后半小时每分钟监测值做算术平均得出。该位置的日平均遮阴强度(Dxy)由当日监测时段内林冠上日平均PAR值与林冠下日平均PAR值按照式(3)计算得出，PAR的日平均值由每天从08:00到18:00 每分钟的监测值做算术平均得出。

(1)

(2)

(3)

3 结果

3.1 各监测点的林下PAR单日时空分布

苹果大豆间作系统及大豆单作系统PAR日变化(图2)显示:不同位置PAR随时间变化情况各不相同，按照试验方法中对试验样区内不同监测点的命名进行分析(从南向北编为1、2、3、4、5行，从东向西编为A、B、C、D、E、F、G列)。

图2 各监测点光合有效辐射强度日变化曲线Fig.2 Diurnal variation of photosynthetically active radiation at monitoring points

在试验样区最东侧的A列中，RA4处的PAR变化表现为先增加后减少的“单峰型”，峰值大约出现在13:00；RA3处PAR变化基本为先增加后减少的“单峰型”，但在13:00附近达到峰值后快速下跌近40%；RA2处PAR变化变现为“多峰型”，在10:00、13:00、16:00分别达到1次峰值；RA1和RA5处PAR变化则没有明显的峰值，同时变化幅度较其他小得多，最大值与同列峰值相差近60%。A列内RA1、RA2处在10:00—16:00受遮阴影响较大，RA3处在13:00后受到的遮阴影响较大，RA4、RA5处受到的遮阴影响较小，日平均遮阴强度顺序为DA1≈DA5>DA2>DA3>DA4。

在A列西侧0.67 m的B列中，RB3、RB4和RB5处的PAR变化均为先增加后减少的“单峰型”，峰值大约出现在12:00, 其中RB5在上午时间段内PAR较小，RB3在下午时间段内PAR较小；RB1、RB2处PAR变化表现为“多峰型”，RB2在11:00、16:00分别达到1次极大值,2次极大值相近，RB1在10:00、13:00和16:00分别达到1次极大值，其中10:00极大值大约只占其他2个极大值的40%。B列内RB1、RB5处在08:00—11:00受遮阴影响较大，RB2处在12:00—15:00受到的遮阴影响较大，RB3处在13:00—15:00受到一定遮阴影响、RB4处受到的遮阴影响较小，日平均遮阴强度顺序为DB1≈DB2>DB3>DB5>DB4。

B列西侧0.67 m的C列中，RC3和RC4处的PAR变化基本一致，均为先增加后减少的“单峰型”，峰值大约出现在13:00；RC1处PAR变化也表现为先增加后减少的“单峰型”,峰值同样出现在13:00，但在08:00—13:00之间变化幅度逐渐增大；RC2、RC5处PAR变化变现为“多峰型”，RC2在10:00、14:00分别达到1次极大值,2次极大值相近，RC5在10:00和13:00分别达到1次极大值，其中10:00极大值大约只占13:00极大值的65%。C列内RC1、RC5处在08:00—13:00受遮阴影响较大，RC2处在10:00—14:00受到的遮阴影响较大，RC3和RC4处受到的遮阴影响较小，日平均遮阴强度顺序为DC1≈DC2>DC5>DC4≈DC3。

试验样区内东西方向中心线的D列中，RD2、RD3和RD4处的PAR变化基本一致，均为先增加后减少的“单峰型”，峰值大约出现在13:00；RD1和RD5处PAR变化也表现为先增加后减少的“单峰型”，峰值也大约出现在13:00，但在08:00—12:00之间变化幅度逐渐增大。 D列内RD1、RD5处在08:00—12:00受遮阴影响较大，RD2、RD3和RD4处受到的遮阴影响较小，日平均遮阴强度顺序为DD1>DD5>DD2≈DD3>DD4。

D列西侧0.67 m处的E列中，RE1、RE2、RE3、RE4和RE5处的PAR整体变化趋势都相似，均为先增加后减少的“单峰型”，其中RE2和RE3处的峰值大约出现在12:00，而RE1、RE4和RE5处的峰值大约出现在13:00。 E列内RE1、RE5在08:00—11:00受一定遮阴影响，RE2和RE3处15:00—17:00受一定遮阴影响，RE4处受到的遮阴影响较小，日平均遮阴强度顺序为DE5≈DE2≈DE1≈DE3>DE4。

E列西侧0.67 m的F列中，RF1、RF2和RF3处的PAR变化总体趋势均为先增加后减少的“单峰型”，峰值大约出现在12:00，在13:00后均出现不同程度减少，其中RF2减少幅度最大，2 h内PAR减少了近80%，RF3处PAR在16:00时出现了小幅度的增加；RF4处PAR变化也表现为先增加后减少的“单峰型”,峰值出现在13:00，但在08:00起始值较低，在10:00—12:00之间PAR快速增加；RF5处PAR变化变现为“多峰型”，在10:00、13:00、16:00分别达到1次极大值，但变化幅度较其他小得多，最大值与同列峰值相差近40%。F列内RF4处在08:00—12:00受遮阴影响较大，RF1、RF2和RF3处在13:00—16:00受到的遮阴影响较大，RF5处全天受到的遮阴影响都较大，日平均遮阴强度顺序为DF5>DF2≈DF4>DF1>DF3。

试验样区最西侧的G列中，RG3和RG4处的PAR变化基本一致，均为先增加后减少的“单峰型”，峰值大约出现在13:00； RG2处PAR变化变现为“多峰型”，在10:00、13:00、16:00分别达到1次极大值；RG1和RG5处PAR变化则没有明显的峰值，同时变化幅度较其他小得多，最大值与同列峰值相差近55%。G列内RG1、RG2处在09:00—16:00受遮阴影响较大，其中RG1处受到的影响更大，RG3处在13:00—16:00受到一定的遮阴影响，RG4、RG5处受到的遮阴影响较小，日平均遮阴强度顺序为DG1>DG5>DG2>DG3>DG4。

将苹果大豆间作系统及大豆单作系统PAR日变化按照不同时刻分成二维图(图3)，在图3中可以更为直观地对比单日内不同时刻光合有效辐射强度的空间分布。

3.2 日平均遮阴强度的空间分布

日平均遮阴强度的空间分布如图4所示。不同位置处PAR单日内随时间的变化是太阳辐射强度随时间变化、果树遮阴范围随时间变化和果树遮阴强度随时间变化3者共同作用下的结果。对不同监测行间进行对比，日平均遮阴强度顺序为D第1行>D第5行>D第2行>D第4行>D第3行， 第1行受到的遮阴影响最大，其次是第5行， 第2行也受到较强的遮阴影响，而第3行、第4行受到的遮阴影响较小。在第1行和第5行中，RE1、RF1处受到的遮阴影响较弱(0.25左右)，RA1、RG1处受到遮阴影响较强(0.55左右)其他几处均受到中等程度的遮阴影响(0.35左右)。在第2行中，RD2、RE2、RF2处受到的遮阴影响较弱，RA2、RB2、RC2、RG2处受到中等程度的遮阴影响。在第3行和第4行中，RB3、RC3、RD3、RE3、RF3、RB4、RC4、RD4、RE4、RF4处受到的遮阴影响很弱(0.1左右)，RA3、RG3、RA4、RG4处受到遮阴影响较弱。

图3 不同时刻光合有效辐射强度二维分布Fig.3 2-dimension distribution of photosynthetically active radiation in the different times of a day

沿试验区内第3行(图1)所在直线将试验区分为南北两部分区域，在试验区中试验区南半部分同时也是南侧苹果树行的北侧，而试验区北半部分同时也是北侧苹果树行的南侧，树行北侧平均遮阴强度0.29>树行南侧平均遮阴强度0.22。沿试验区内D列(图1)所在直线将试验区分为东西2部分区域，则试验样区东侧平均遮阴强度0.26>西侧平均遮阴强度0.24。

3.3 遮阴强度在3个生长期的变化

由果农间作系统试验样区内苗期、开花期、结荚期日平均遮阴强度空间二维分布状况(图5)可知：不同生长季果农间作系统遮阴强度分布具有一定相似性，遮阴度从试验样区中心向4角的果树位置递增，在二维平面上与果树间距离越大，遮阴强度等值线的值越小，而遮阴强度等值线密度也由4角向中心递减，与果树距离越小，遮阴强度等值线越密集。这表明距离果树越近遮阴强度越大，遮阴强度变化幅度也越大。而在苗期、开花期和结荚期之间，遮阴强度总体呈现递增趋势，同一位置遮阴强度均有一定程度的增大，根据各遮阴强度等值线图中计算得到的遮阴强度几何平均数—苗期0.14<开花期0.17<结荚期0.28。在遮阴强度逐步增加的同时，树行北侧的遮阴强度较南侧显著增加，树行北侧遮阴强度为0.20的等值线由距树行2 m处逐渐移动到距树行3 m处，而南侧0.20遮阴强度等值线则基本保持在距树行1.5 m左右。此外试验样区西侧遮阴强度较东侧更低，而遮阴强度的最小值在试验样区内出现的位置随着时间逐步向北移动近1 m。

3.4 遮阴强度对大豆生物量和产量的影响

为了厘清遮阴强度对大豆生物量和产量的影响，将果农间作系统试验样区中大豆生物量和产量分别与不同生长季遮阴强度进行相关性分析，结果如表2所示。由表2可知，大豆单株生物量和不同生长季遮阴强度的相关系数都近似于-0.7，大豆单株产量与苗期和开花期遮阴强度间的相关系数也可近似于-0.7，而大豆单株产量与结荚期遮阴强度的相关系数为-0.882。这一结果表明大豆的生物量和产量与各生长季遮阴强度都有一定相关性，而其中大豆产量和结荚期遮阴强度的相关性更强。

图4 日平均遮阴强度的空间二维分布Fig.4 2-dimension spatial distribution of the average daily shade intensity

4 分析

果农间作系统中果树与间作作物的光竞争主要体现在果树对间作作物的遮阴作用之上，而林下PAR强度是计算遮阴强度的重要指标，因此对林下PAR的准确测定是对果树遮阴强度研究的关键一步。现有的研究中，大多通过将间作作物划分为几行，对行内PAR进行平均的方法来分析不同行之间的遮阴强度差异，但实际上遮阴强度在行内也存在较大的差异。本研究依托于自动监测仪器，对林下PAR的定位监测可以从“样线法”再进一步到“网格法”，通过对试验样区内二维平面内PAR日变化的网格化监测，可以对果树遮阴有更加具体更加准确的分析。林下PAR日变化受到太阳辐射日变化和果树树荫随时间变化的共同作用，太阳辐射随时间呈“先增加后减少”的“单峰型”变化规律，而果树树荫在从果树西南方向以果树基部为中心顺时针随时间经过果树北侧移动到果树东南方向，5年生苹果树林分内的果树遮阴范围在南北方向上没有重叠，在东西方向上有一定重叠。因此，在试验样区内，树冠下几处传感器在全天都受到很强的遮阴作用，PAR日变化均值较低、起伏较小；树冠边缘几处PAR传感器在某一时段内受到较强的遮阴作用，其他时间受遮阴影响较小；试验样区北侧受到的遮阴影响较南侧更大；试验样区东侧在主要在上午受到遮阴影响，而试验区西侧主要在下午受到遮阴影响。分析认为由于一天中太阳辐射强度最强的时间位于12:00—14:00，试验样区西侧日平均PAR高于东侧，导致了实验样区西侧的日平均遮阴强度低于东侧。最终的PAR测定结果与许华森建立的苹果树下光合有效辐射传输模型的推导结果趋势一致；但可能由于果树冠型与标准冠型的差异，在具体的遮阴强度上尚存在一定差异。在大豆的几个生长季之间，试验样区内遮阴强度的二维分布发生了一定变化，分析认为这是由于在大豆苗期、开花期和结荚期之间太阳辐射强度和太阳高度角发生了一定变化，果树的遮阴强度和遮阴范围也随之发生了一定变化。总体上看，从苗期到结荚期，试验样区内受到的遮阴影响呈上升趋势，分析认为主要原因是在苗期(6月中旬)，太阳高度角较大，果树遮阴范围较小；在结荚期(9月中旬)，太阳高度角较小，果树遮阴范围较大。

图5 不同生长期果树遮阴强度的空间二维分布Fig.5 2-dimension spatial distribution of shade intensity at different stage

指标Index苗期遮阴强度Shade intensity at seedling stage开花期遮阴强度Shade intensity at flowering stage结荚期遮阴强度Shade intensity at podding stage大豆单株生物量Soybean biomass per plant-0.705∗-0.709∗-0.703∗大豆单株产量Soybean yield per plant-0.724∗-0.733∗-0.882∗

注：*表示在0.1水平上显著相关。Notes：*indicates a significant correlation at the 0.1 level.

5 结论

本研究结果表明:苹果大豆间作系统内遮阴强度从果树位置向4棵果树中心递减，果树西侧上午受遮阴影响较大，果树东侧下午受遮阴影响较大，树行北侧平均遮阴强度0.29>树行南侧平均遮阴强度0.22，果树西侧平均遮阴强度0.26>东侧平均遮阴强度0.24，结荚期日平均遮阴强度0.28>开花期日平均遮阴强度0.17>苗期日平均遮阴强度强度0.14。试验样区大豆生物量和产量分布也表现为从试验区4角果树位置向试验区中心位置递增。果树遮阴强度与大豆的生物量和产量显著负相关且结荚期遮阴强度对产量影响最大。为了有效缓解苹果-大豆间作系统的种间竞争，大豆应集中种植在间作系统的的中心区域，同时苹果树行的北侧和西侧的种植量应略小于苹果树行的南侧和东侧的种植量。此外，在大豆的结荚期可以采用铺设反光膜等增加林下光合有效辐射的农艺措施增加大豆的产量。