水分和光照条件对核桃-黄豆农林复合系统中黄豆光合作用和生长的影响*

王 林 代永欣 张劲松 孟 平 孙 胜 李 豪 万贤崇

(1.山西农业大学林学院 太谷 030800；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所 北京 100091；3.中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091)

农林复合(agroforestry)又称混农林业，是一种传统的土地利用和经营方式，在提高光能、水分和养分的利用率(赵英等，2006；Zhangetal.，2018)，改良土壤(Dixonetal.，1994)，防止水土流失(王忠林等，2000)以及改善小环境(孟平等，2011)等方面具有重要的实践意义，被广泛应用于土地紧张地区。农林复合系统多由树木和1、2年生作物组成，物种间存在对光、水分和养分的竞争(毛瑢等，2009；Rezigetal.，2013)，也存在互惠关系(Sunetal.，2014，何春霞等，2016a)，物种间的相互作用与物种的生理生态特性和环境条件密切相关。在水分匮乏并存在较严重季节性干旱的华北和西北地区，水分关系是农林复合系统中物种间关系的核心(孙守家等，2010)，对该地区农林复合系统水分关系进行研究有利于合理高效利用水分。

在农林复合系统的地下部分，树木和间作作物的根系会有部分重叠，可能会造成对土壤水分和养分的竞争；但同时，高大树木的根系垂直分布范围通常更大，可充分利用土壤深层水分(Meieretal.，2017)。研究表明,深根树木具有水力提升(hydraulic lift)作用，即能够将从深层土壤吸收的水分部分释放到浅层土壤，有利于改善水分匮乏时期间作作物的水分状况(Sunetal.，2014；O’Keefeetal.，2017)。对于地上部分，树木对间作作物形成部分遮荫，通常会造成间作作物光合作用下降(彭晓邦等，2012)；但在旱季，遮荫可减少太阳辐射，对间作作物减少蒸腾耗水、改善水分状况和光合作用有利(孙守家等，2010)。另外，农林复合系统形成的小气候会降低近地表温度、提高相对湿度，对减少土壤水分的无效蒸发有利；但农林复合系统中的高杆作物会因减少空气流动而提高系统的小环境温度，增加蒸腾速率和水分消耗(何春霞等，2016b)。可见，农林复合系统形成的小气候可能与物种和环境条件差别有关，不同种植位置间作作物由于其地下和地上部分所处环境不同，会导致其水分状况、生长、碳素分配产生较大差别。尤其在华北、西北等季节性干旱地区，存在明显的旱季和雨季，间作作物在不同水分和光照条件下可能会有不同的响应模式，农林复合系统中物种之间的水分关系需更多试验证据，如不同种植位置的间作作物在水力结构和碳代谢上的响应差别。

核桃(Juglansregia)和黄豆(Glycinemax)是我国北方地区的2种常见植物，也是该地区农林复合的常见物种组合，尤其是处于幼树期和初果期的核桃，间作后可更充分利用水分、光照和养分资源。本研究以5～6年生核桃(初果期)和黄豆间作的农林复合系统为对象，通过比较旱季和雨季不同种植位置黄豆的水分状况、光合作用、不同部位的生物量和非结构性碳(nonstructural carbohydrate, NSC)的差别，研究种植位置对农林复合系统中作物水分利用和碳代谢的影响，为更好了解种间相互作用对植物生长的影响提供参考。

1 研究区概况与试验方法

1.1 研究区概况 研究区位于河南省济源市境内黄河小浪底森林生态系统定位站(35°01′N, 112°28′E)，地处太行山南麓，海拔310 m，年均降水量641.7 mm，受季风气候影响，年内降水季节分布不均，年降水量的68.3%集中在6—9月，每年春末夏初都有较严重的季节性干旱，生长季明显地分为旱季和雨季。在开展本研究的2017年，7月中旬之前降水量为205 mm，之后降水量为436 mm(图1)。

图1 研究区2017年温度和降水量

农林复合试验地中核桃树株行距为4 m×5 m，南北行向，树龄5～6年，株高3～3.5 m，基径7～9 cm，冠幅2.5～3 m。2017年6月中旬播种黄豆，播种后试验地未进行任何灌溉。7月上中旬(旱季)和8月下旬(雨季)，分别测定不同种植位置(图2)黄豆植株在20 cm土层深度的土壤含水量(预试验发现，20 cm土层深度是黄豆根系集中分布位置)、凌晨和正午水势、正午茎秆导水损失率、叶片光合作用以及根、茎、叶的生物量和NSC含量，并计算可溶性糖和淀粉比例。每次测定均随机选择3个测定点，每处理均在3个测定点中随机选择6株进行测定。

图2 核桃-黄豆农林复合系统中黄豆位置示意

1.2 试验方法 1)气象数据、土壤含水量、植物水势、茎秆导水损失率测定 在核桃地旁设置自动气象站, 连续观测空气温度和降水量。土壤含水量采用TRME-T3 TDR 便携式土壤水分测定仪(IMKO Ettlingen, Germany)测定，测定位置为黄豆行内植株周围10 cm范围，测定深度为20 cm。水势采用PMS1505D-EXP水势仪测定(PMS Albany，USA)，凌晨水势测定时间为日出前(5: 00—5: 30)，正午水势测定时间为12: 00—14: 00。正午茎秆导水损失率(percentage loss of conductivity，PLC)的测定时间同正午水势，具体操作方法参照王林等(2015)进行。

2)气体交换指标测定 2017年7月中旬(旱季)和8月下旬(雨季)，选择连续晴天的上午9: 00—11: 00，采用 Li-6400光合仪(Li-Cor，Lincoln，USA)红蓝光源叶室测定。测量时使用大气 CO2浓度(400 mmol·mol-1)，光合有效辐射强度设为 1 500 mol·m-2s-1(预试验发现，该光强在黄豆光饱和点之上)，所测光合速率为最大光合速率，同时记录气孔导度和蒸腾速率。

3)生物量和非结构性碳(NSC)测定 生物量测定分别在7月中旬(旱季)和8月下旬(雨季)进行，将黄豆植株从土壤中挖出，尽量保证根系完整，用水洗净根系后将根、茎和叶片分开，105 ℃杀青15 min，于70 ℃烘干48 h后称量。生物量测完后的材料用于NSC含量测定，可溶性糖和淀粉含量采用硫酸-蒽酮法测定(Mitchelletal.，2013)，NSC含量为可溶性糖和淀粉含量之和，可溶性糖和淀粉比例=可溶性糖含量/淀粉含量。

1.3 统计分析 采用SPSS22.0软件进行数据统计分析，不同种植位置黄豆在相同时间的测定指标差异显著性采用One-way ANOVA分析，并运用最小显著性差异数法(LSD)进行多重比较，以P< 0.05作为显著性标准。用 SigmaPlot 10.0 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种植位置的土壤含水量 在旱季，不同种植集团之间存在差异显著性，土壤含水量在距核桃树0.6 m处最高(13.85%)，然后随着与核桃树距离增加逐渐降低，在单作黄豆地最低(11.09%)。在雨季，除距核桃树0.6 m处土壤含水量显著低于其他3个外(P<0.05)，其余位置间无显著性差异。旱季土壤含水量只相当于雨季的60%左右(表1)。

表1 核桃-黄豆农林复合系统中不同种植位置的土壤含水量①

①不同小写字母表示不同种植位置黄豆同一检测指标在同一时期的差异显著性(α=0.05)，数值为平均值±标准差。下同。Different small letters indicate the significantdifference of the same detection indexat different locations(α=0.05), and the value is mean±standard deviation.The same below.

2.2 不同种植位置黄豆的水势和正午茎杆导水损失率(PLC) 间作黄豆凌晨和正午水势随着与核桃树距离增加在旱季呈降低趋势(图3A、B)，在雨季则无显著性差异。单作黄豆正午水势在旱季和雨季均显著低于间作。在旱季，正午茎杆损失导水PLC随着与核桃树距离增加而增大，单作黄豆正午茎杆PLC最大；在雨季，除距核桃树0.6 m处黄豆PLC显著低于其他位置外，1.3、2.5 m和单作黄豆正午茎秆PLC无显著性差异(图3C)。

图3 核桃-黄豆农林复合系统中不同种植位置黄豆的凌晨(A)、正午水势(B)和正午茎秆导水损失率(C)

2.3 不同种植位置黄豆的光合作用 在旱季，距核桃树1.3和2.5 m间作黄豆的光合速率显著高于0.6 m(P<0.05)，也略高于单作黄豆，但差异不显著；气孔导度和蒸腾速率具有相同的差异格局。在雨季，随着与核桃树距离增加，光合速率、气孔导度、蒸腾速率均增大，单作黄豆各指标均为最大。雨季黄豆的光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著高于旱季(图4)。

2.4 不同种植位置黄豆的生物量 株高、基径和根、茎、叶生物量及根冠比在旱季和雨季具有相同的变化趋势，均随着与核桃树距离增加逐渐增大，无论旱季还是雨季，单作黄豆各生长指标均显著好于各间作黄豆(表2)。

2.5 不同种植位置黄豆的非结构性碳(NSC)含量 无论旱季还是雨季，随着与核桃树距离增加，黄豆根、茎、叶的可溶性糖和NSC含量均增大(图5)；可溶性糖和淀粉比例对根和茎均为减小，但叶的可溶性糖和淀粉比例变化不大(图6)。另外，旱季黄豆可溶性糖和NSC含量均低于雨季，尤其是NSC含量在雨季比旱季增加幅度更大，根、茎、叶可溶性糖含量旱季在1%～2%之间，雨季在1.2%～3%之间；NSC含量旱季在2.7%～4.4%之间，雨季在4.5%～15%之间。这与雨季淀粉含量明显增加有关。

图4 核桃-黄豆农林复合系统中不同种植位置黄豆的光合速率(A)、气孔导度(B)和蒸腾速率(C)

表2 核桃-黄豆农林复合系统中不同位置黄豆的株高、基径和生物量

3 讨论

3.1 核桃-黄豆农林复合系统中种植位置对黄豆水分状况的影响 在农林复合系统中，高大树木遮荫会降低地表温度，增加地表空气湿度，减少土壤和植物的水分蒸散消耗(彭晓邦等，2012)。核桃根系具有水力提升作用，在旱季可明显提高浅层根际土壤含水量(孙守家等，2010；Sunetal.，2014)。本研究发现，旱季表层(20 cm深度)土壤含水量距核桃树越近时越高(表1)，旱季间作黄豆的土壤水分状况也好于单作，具体表现在凌晨水势和正午水势更高，茎秆导水损失率更低(图3)。可见，间作有利于改善旱季黄豆土壤水分状况，尤其是与深根系树木间作时。单作黄豆在旱季的光合速率和气孔导度略低于间作1.5和2.5 m黄豆(图4)，表明光合作用也受干旱胁迫影响。干旱胁迫导致光合能力降低已有很多报道(McDowelletal.，2008；Mitchelletal.，2013；Sevantoetal.，2014)，普遍认为关闭气孔是植物应对干旱必然采取的策略，气孔行为受植物体内水分状况的调节，在叶光合能力和茎导水能力之间存在相关性(Zhangetal.，2013)。但距离树木最近的黄豆光合能力最差，这是因为即使水分状况良好也不能补偿严重遮荫导致的光合速率降低。

图5 核桃-黄豆农林复合系统中不同种植位置黄豆根(A)、茎(B)、叶(C)可溶性糖含量和根(D)、茎(E)、叶(F)NSC含量

图6 核桃-黄豆农林复合系统中黄豆根(A)、茎(B)、叶(C)可溶性糖和淀粉比例

在雨季，不同种植位置对黄豆凌晨水势没有影响(图3A)，但核桃树的存在一定程度上影响了黄豆正午水分状况，如距离核桃树最近的0.6 m处黄豆正午PLC最小，单作黄豆正午水势显著低于间作(图3B、C)。此时，土壤含水量没有影响黄豆水分状况，而在间作不同种植位置的植物具有不同的蒸发需求，其影响植物的水分状况(Hsiaoetal., 2000)，体现遮荫程度对植物本身水分状况的影响。雨季水分充足，距离核桃树最近的0.6 m土壤含水量最低，但其仍然显著高于旱季，并没有影响植物体内的水分输导。雨季光合速率、气孔导度、蒸腾速率等指标与旱季的变化规律不同，随着距离核桃树由近及远逐渐增大，单作植株最大(图4)。这是因为进入雨季后，大量降水导致水分不再是限制因素，光照成为主要限制因素，因此遮荫导致的光照强度降低和直射光时间缩短成为影响植物光合作用的主要因子。

3.2 核桃-黄豆农林复合系统中种植位置对黄豆生长的影响 植物生长主要依赖于非结构性碳提供碳源和能量，与植物的光合碳摄取有关，也与植物的碳消耗和碳分配有关，通常干旱和遮荫都会限制植物生长(McDowelletal.，2008；Sevantoetal.，2014)。本研究发现，无论旱季还是雨季，黄豆株高和生长量都随着与核桃树距离增加而增大，单作黄豆植株最大(表2、3)，在旱季间作黄豆水分状况更好，但并没改善植物生长情况。这一结果和先前的研究结果不同(孙守家等，2010；Sunetal.，2014)，核桃和绿豆(Vignaradiata)间作使得间作绿豆生长和产量都达到与单作绿豆同样的水平(Sunetal.，2014)，说明旱季水分互利作用可以抵消核桃对绿豆遮荫的不利影响。通过比较发现，2009年特别干旱，年降水量只有416 mm，且旱季一直延续到8月中旬，绿豆地里浅层土壤含水量从6月中旬到8月中旬持续显著低于10%，间作的水分互利作用突出，导致大多数时间的间作绿豆光合作用速率都显著大于单作绿豆(孙守家等，2010)。而2017年年降水量为641 mm，且到7月中旬就进入了雨季，所以旱季对黄豆的影响比较温和。尽管在旱季测定的水分状况为间作黄豆好于单作黄豆，但其光合作用速率没有显著差异，说明此时的干旱胁迫比较温和，不足以对光合作用乃至生长造成显著影响。本研究中，生物量结果与旱季最大光合速率结果不一致，是因为：一方面，间作黄豆受核桃树遮荫的影响，接受到太阳直射光的时间缩短(彭晓邦等，2012；王晶晶等，2018)，光照强度和光照时间不足限制了光合产物积累，从而影响植物生长；另一方面，遮荫并不会降低植物呼吸作用(Wileyetal., 2012)。因此，在农林复合系统中，遮荫是限制作物生长的主要因素，而在旱季复合系统中的作物同时受到水分和光照2方面的限制。

根冠比描述干物质积累在根、冠的分配情况，可反映根、冠的生长平衡状态(王晶英等，1997)，遮荫和干旱都会影响植物生长，因此也会影响根冠比。遮荫会降低植物根冠比，因为遮荫下的植物将根中的碳更多地用于呼吸。干旱对植物根冠比的影响并没有一致结论，一般认为干旱会促进根生长，因为植物将更多碳用于根有利于植物干旱后的恢复，这可能是植物应对干旱的一种策略(Kleinetal., 2011)。也有研究表明，干旱会限制碳摄取，导致碳限制，而碳限制首先会发生在根部(Landhäusseretal., 2012；王林等，2016)，由此导致根生长所需碳不足，根冠比降低。本研究发现，无论旱季还是雨季，黄豆根冠比均随着与核桃树距离增加而增大，生物量也是同样变化趋势，反映出根系生物量增加程度更大，说明环境胁迫对根系生长的影响大于地上部，在旱季可能是遮荫和干旱共同作用的结果，而在雨季则主要受遮荫的影响。

3.3 核桃-黄豆农林复合系统中种植位置对黄豆NSC含量的影响 NSC主要以淀粉形式储存在植物各器官内，当被需要时可降解为可溶性糖而被利用(Dietzeetal., 2014)。NSC在植物碳摄取和碳消耗之间起重要的缓冲作用，同时也具有渗透调节、维持植物生理代谢等作用，尤其在逆境条件下NSC含量高的植物更易存活(O’Brienetal., 2014)。NSC是光合产物和碳利用之间的平衡，胁迫条件下碳被用于呼吸、防御、渗透调节、栓塞修复等方面，从而导致NSC含量降低，长期胁迫还会导致碳的负平衡(O’Brienetal., 2014)。在农林复合系统中，间作作物受干旱和遮荫2种胁迫，光合作用和生长受到影响，必然也会影响NSC含量。本研究发现，无论旱季还是雨季，可溶性糖和NSC含量均随着与核桃树距离增加而增大，单作植物最大(图5)，说明遮荫是影响NSC含量的主要因素。NSC的变化趋势与生物量几乎一致，但与光合速率略有不同，这是因为NSC含量是个动态平衡过程，在不同胁迫阶段植物碳素分配模式也不同，优先用于哪一生理过程尚无定论(McDowelletal.，2008)，因此不能用单一指标来衡量NSC水平。

淀粉的主要功能是储藏，在逆境条件下植物的响应模式通常是淀粉向糖转化(Galvezetal., 2013)，即可溶性糖和淀粉比例增加。遮荫会导致碳摄取受限，NSC储量减少，可溶性糖和淀粉比例也会呈现增加趋势。在干旱条件下，植物NSC含量变化比较复杂(Olivaetal., 2014)，可溶性糖和淀粉比例可能因不同干旱阶段而有不同的变化趋势。本研究发现，旱季根、茎、叶的可溶性糖、NSC含量在进入雨季后均有较大幅度上升，NSC上升程度更大(图5)，说明淀粉含量增加程度明显高于可溶性糖，可溶性糖和淀粉比例的变化也反映出这一趋势(图6)。进入雨季后，水分胁迫解除，植物在防御、渗透调节、栓塞修复等生理活动中无需再投入较多的碳，转而进行储存，这可能是淀粉含量增加的原因。在有利条件下植物将碳储存起来，以应对随时遇到的环境胁迫，有利于植物在逆境中存活，这也是植物在适应环境过程中长期进化的一种策略(Salaetal., 2012)。

4 结论

本研究区旱季和雨季明显。在旱季，核桃林中间作黄豆可明显改善体内水分状况，但对光合作用的改善不很显著，可见在研究年份干旱并没有显著制约黄豆的光合代谢和生长。在雨季，核桃-黄豆农林复合系统中间作黄豆主要受遮荫影响，导致生物量和NSC含量随着遮荫程度而变化，冠幅内黄豆受遮荫的影响更大。在水分不是限制因子的情况下，间作的互利作用未体现出来，复合系统中的光能竞争导致间作黄豆生物量明显下降。因此，在干旱不严重的季节或地区，核桃-黄豆农林复合系统中间作黄豆应在行间树冠投影面积以外栽种，以保证其受到足够光照从而获得较高产量。