核桃小麦间作模式下冬小麦冠层结构及其小气候对种植密度的响应

张永强，张恒，方 辉，陈传信，赛力汗·赛，薛丽华，陈兴武 ，雷钧杰

(1.新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091；2.农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091；3.新疆农业科学院国际科技合作交流处，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国核桃的主要产区，也是我国核桃的发源地之一。新疆核桃种植主要集中在环塔里木盆地的灌溉绿州，其中南疆四地州(阿克苏地区、喀什地区、和田地区、克孜勒苏柯尔孜克自治州)种植面积超过了36.67×104hm2(550×104亩)，占全疆核桃种植面积的94%以上[1]。大面积核桃栽植多采用与农作物间作的模式，冬小麦是新疆南疆地区主要的粮食作物，核麦间作模式在该地区广泛种植。随着核桃树定植年限的增长，树冠不断扩大，对下层小麦遮阴影响日益增加，与单作小麦相比，核桃树对小麦的遮阴为80%左右[2]，核桃树对下层小麦遮阴加剧了小麦群体内部的竞争。小麦籽粒产量是个体与群体间共同协调的结果[3]，适宜种植密度不仅可协调小麦植株个体和群体之间矛盾，改善群体内部环境，使植株充分利用光热资源，还能促进穗数、穗粒数和粒重的协调发展，达到增产的目的[4-5]。叶片是植物进行光合作用的主要器官，叶片的大小和空间分布不仅受遗传因子的限制，也受栽培条件的影响。叶片形态特征和叶面积在冠层分布是反映小麦群体结构的重要指标之一。小麦株高由节间和节组成，而株高差异主要取决于节间长度差异。农田小气候一般是指作物地上部分冠层小气候及地下部分根际微环境的统称，在地上部分冠层温、湿度、光照是评价冠层小气候的重要指标。在核麦间作模式下，由于核桃树遮阴及种植密度的双重效应，对冬小麦冠层的辐射量大小可能会产生影响。研究核麦间作模式下，种植密度对冬小麦冠层结构及农田小气候的影响,对核麦间作下选择合适间作冬小麦种植密度有重要意义。【前人研究进展】研究表明，冠层不仅可调节作物的光合作用、物质积累与转运及其生理代谢功能，还对作物产量形成起着重要的作用[6-7]。邓强辉等[8]研究表明，冠层温、湿度影响作物籽粒灌浆过程，较低冠层温度能促进籽粒灌浆充实，有利于获得高产。孙淑娟等[9]研究表明，小麦株间空气温度低、湿度大，可促进其产量增加。李向阳等[10]研究表明，灌浆期小麦冠层温度与籽粒产量构成因素大部分呈负相关关系，仅穗粒数与灌浆初、中期冠层温度呈微弱正相关关系。朱云集等[11]研究表明，在灌浆末期较低的冠层温度对延缓小麦衰老、增大其灌浆强度、提高粒重作用显著。【本研究切入点】灌浆期小麦冠层空气相对温湿度对其籽粒灌浆和产量形成的影响较大，但是前人研究多集中在单作田，而关于核麦间作模式下冬小麦种植密度对冠层结构及小气候影响的报道较少。研究核麦间作模式下，种植密度对冬小麦冠层结构及农田小气候的影响。【拟解决的关键问题】在核麦间作模式下，研究种植密度对冬小麦灌浆期冠层结构、温湿度和透光率的变化规律，分析核麦间作模式下冬小麦适宜的种植密度，为优化新疆南疆核麦间作系统中冬小麦高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2016～2017年在新疆泽普县阿依库勒乡5村(77°17' E，38°18' N)进行，海拔1 215～1 490 m，属暖温带大陆性干旱气候，年平均气温11.4℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温-22.7℃。光热资源充足，光照时间长，干旱少雨，蒸发强烈，昼夜温差大，夏长春秋短；春夏多大风、沙暴、浮尘天气。试验地土壤为沙壤土，前茬为夏大豆，土壤有机质为 1.517 g/kg，全氮 0.712 g/kg，碱解氮38.4 mg/kg，速效磷17.9 mg/kg，速效钾102.6 mg/kg。试验地核桃树树龄8年，南北行向，行距8 m，株距4 m，小麦间作带宽7.2 m,共播种小麦36行。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

在核麦间作模式下，以冬小麦品种新冬40号为材料，设5个播种密度处理，分别为450×104株/hm2(M1处理)、525×104株/hm2(M2处理)、600×104株/hm2(M3处理)、675×104株/hm2(M4处理)和750×104株/hm2(M5处理)，各处理均采用人工播种，行距20 cm，小区面积36 m2(5 m×7.2 m)，重复3次。基肥随整理深施尿素150 kg/hm2，磷酸二铵300 kg/hm2，其他田间管理与当地相同。

1.2.2 测定指标

冠下区为相对应的2树干间，距树干0.4 ～2.8 m处；远冠区为相对应的2树干间，距树干2.8～5.2 m区域。近冠区数据为每处理东西2个近冠区数据的平均值。

1.2.2.1 植株叶片形态

在冬小麦灌浆期，各试验小区取代表性样段2行，每行50 cm。带回室内，选取生长一致植株20株，用直尺测量旗叶、倒二叶、倒三叶和倒四叶叶长和叶宽。叶长为叶基部到叶尖的距离(cm)；叶宽为叶基部到叶尖最宽处的宽度(cm)。测量群体各器官绿色面积。叶面积采用长宽系数法(叶面积=叶长×叶宽×0.82)，测定不同叶层叶面积。

1.2.2.2 植株茎节形态

在小麦灌浆期用米尺测定株高、穗长及各节间的长度。用游标卡尺测量茎粗，各供试品种基本为5个节间，以穗下节间为倒1节间(J1)，其次为倒2节间(J2)、倒3节间(J3)、倒4节间(J4)，基部节间为倒5节间(J5)。

1.2.2.3 冠层温湿度

于小麦灌浆期，选择晴天(5月18～20日)于08:00～21:00使用MicroLite5032P温度记录仪(以色列产)，测定不同处理冬小麦群体穗部空气温、湿度，每10 min自动记录1次数据，连续观测3 d，求其各时刻温、湿度平均值。

1.2.2.4 光合有效辐射

在小麦灌浆期，选择典型晴天于(5月18～20日)，利用SUNSCAN 冠层分析系统(英国Delta 公司生产)，测定冬小麦冠层光截获量。在测定小麦冠层光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)截获时，采用垂直于麦行的测量方法。根据测得的小麦冠层顶部和底部的PAR 数据，利用式(1)[12]计算小麦冠层截获的光合有效辐射量(IPAR)。

IPAR = PARincident - PARtransmitted.

(1)

式中，PARincident和PARtransmitted分别表示作物冠层顶部和底部的光合有效辐射量。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel2016作图，用SPSS19. 5软件统计分析数据。

2 结果与分析

2.1 不同处理小麦叶片特征差异

研究表明,核麦间作模式下，随着叶片层次的降低，冠下区、远冠区冬小麦单株叶面积均呈“先升后降”趋势，为倒2叶>旗叶>倒3叶>倒4叶。各处理间，随着种植密度的增加，单株总叶面积，冠下区表现为，M1>M2>M3>M4>M5，M1最大为86.17 cm2，分别较M2、M3、M4、M5增加了0.38%、6.90%、9.56%和15.99%，方差分析显示，其与M2处理间差异不显著，与M3、M4处理间差异达显著水平(P<0.05)，与M5处理间差异达极显著水平(P<0.01)；远冠区则表现为M2>M1>M3>M4>M5，M2最大为90.08 cm2，分别较M1、M3、M4、M5增加了0.82%、6.66%、9.93%和18.44%，方差分析显示，其与M1处理间差异不显著，与M3、M4处理间差异达显著水平(P<0.05)，与M5处理间差异达极显著水平(P<0.01)。核麦间作模式下，种植密度对冬小麦叶片的形态特征影响显著，适宜的种植密度可以有效增加单株叶面积，光合有效面积和小麦产量。表1

2.2 不同处理小麦茎秆特征差异

2.2.1 株高与节间长度差异

研究表明,随着节层层次的降低，滴灌冬小麦各节节间长度均呈依次降低变化趋势，具体为J1>J2>J3>J4>J5。随着种植密度的增加，各处理节层节间长度和株高均逐渐增加，处理间株高变幅为76.49～81.66 cm(冠下区)和78.34～86.27 cm(远冠区)。冠下区穗长随着种植密度的增加总体呈增长趋势，但处理间规律不明显；但远冠区穗长随着种植密度的增加呈“先增后减”的变化规律，在M2处理达到最大，最大值为8.03 cm，分别较相同区域的M1、M3、M4、M5处理增长了9.10%、1.90%、4.56%和4.69%，方差分析显示，其与M1处理间呈显著差异水平(P<0.05)，与其余处理间差异不显著。表2

2.2.2 茎节粗度差异

研究表明,种植密度调控核麦间作模式下冬小麦的群体结构，对茎节粗度叶有一定影响。随着种植密度的增加，核麦间作模式中冬小麦灌浆期各茎节粗度呈“先增后减”变化趋势，且均以M2处理最粗，以倒三节(J3)茎粗度为例，分别为4.16 mm(远冠区)和4.06 mm(冠下区)；M5处理最细，分别为3.76 mm(远冠区)和3.59 mm(冠下区)。同一密度条件下，不论是冠下区还是远冠区，冬小麦各节茎秆粗度基本呈“先增后减”的变化规律，随着冬小麦节位自上而下的下降，各处理基本以倒一节间(J1)最细，J3节最粗，二者相差波动范围在0.42～0.76 mm。增加种植密度冬小麦茎节粗度变细，不利于提高抗倒伏能力。表3

2.3 不同处理小麦冠层空气温、湿度差异

2.3.1 冠层空气温度

研究表明,灌浆期连续3 d观测的冠下区、远冠区各种植密度冬小麦冠层内空气温度变化趋势基本相同，均随时间推移总体上呈“先升后降”的变化趋势；冠下区各密度冠层空气温度(18.19～35.99℃)的变化幅度明显低于远冠区(17.82～38.92℃)，且冠下区小麦冠层空气温度上午升温和下午降温速度相对较慢，高温持续时间相对较短。分析各密度处理间冠层空气温度的差异可见，在远冠区下，M4(675×104株/hm2)和M5(750×104株/hm2)处理中，全天冠层空气温度相对较高，M3(525×104株/hm2)处理中，全天冠层空气温度相对较低，其与M4处理冠层日均温相比降低1.71℃，与M5处理相比降低了2.29℃；冠下区全天冠层温度以M1(375×104株/hm2)相对较高，M3(525×104株/hm2)处理亦是全天冠层温度相对较低，2处理日均冠层温度相差2.38℃。图1

图 1 不同处理下冬小麦灌浆期冠层温度日变化(3d平均)Fig. 1 The canopy temperature changes at filling stage of winter wheat in different treatments(3 d average)

2.3.2 冠层空气湿度

研究表明,冠层空气湿度的与冠层空气温度的变化趋势相反，冠下区、远冠区下各种植密度冬小麦冠层空气湿度的变化趋势基本相同，均随着时间的推移均呈“先降后升”的变化曲线；冠下区各种植密度的冠层空气湿度(44.73%～100%)明显高于远冠区(36.62%～100%)，远冠区冬小麦冠层湿度上午降速慢、下午升速也慢，且湿度低谷持续时间相对较短，冠下区各处理低谷期湿度在36.62%～49.52%，远冠区各处理低谷期湿度在44.73%～59.73%。

冠下区、远冠区冬小麦冠层湿度随着密度的增加而增加，各处理间基本呈现M5>M4>M3>M2>M1。与冠下区相比，远冠区处理光照充足，小麦植株蒸腾及土壤蒸发使得冬小麦冠层湿度明显升高，中午湿度低谷持续时间明显缩短，不同种植密度间湿度差异明显，M1处理湿度最低。图2

图2 不同处理下冬小麦灌浆期冠层湿度日变化(3 d平均)Fig.2 The canopy relative humidity changes at fillingstage of winter wheat in different treatments(3 d average)

2.4 不同处理小关冠层光合有效辐射差异

研究表明,在核麦间作模式下，核桃树在11: 00～17: 00 间对下层小麦表现出明显的遮阴效应，对冠下区小麦冠层顶部入射光合有效辐射量(PAR) 的影响较大，对远冠区的影响相对较小。从全天各测点小麦冠层顶部入射光合有效辐射量的平均值看，亦是冠下区最小、远冠区最大。不同密度处理对小麦冠层截获的光合有效辐射量( IPAR) 也有影响，不论是冠下区还是远冠区的冠层光合有效辐射截获量均呈“先升后降”的变化趋势，且冠下区、远冠区均在M2处理达到最大，且日均冠层截获的IPAR分别为113.37、486.39 μmol /(m2·s)，分别较同冠区的M1、M3、M4、M5处理增加了24.76%、19.37%、24.50%、31.20%和5.00%、10.15%、9.11%、12.95%，方差分析显示，处理间差异均达显著水平(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)。在核麦间作模式下，适宜的种植密度可以有效增加冬小麦冠层光合有效辐射截获量，提高光合效率，和增产。表4

表4 不同处理各位点小麦冠层顶部入射光合有效辐射量( PAR) 和截获光合有效辐射量( IPAR) 的日变化Table 4 The daily change of photosynthetically active radiation( PAR) and intercepted photosynthetically active radiation( IPAR)in differenttreatments at each point

3 讨 论

小麦冠层结构特征不仅受内在基因的控制，还受外部环境及栽培技术[13-15]等诸多因素影响，而在栽培技术中，种植密度是影响小麦冠层结构的主要因素之一[17-18]。合理种植密度通过改善小麦群体冠层结构以增加作物冠层对光能辐射的截获，提高作物的光能利用效率，同时控制群体大小、分布，减少能量耗散，提高作物产量。研究结果表明，在核麦间作模式下，冠下区、远冠区的冬小麦单株叶面积均呈“先升后降”趋势；单株总叶面积表现为冠下区随着种植密度的增加呈逐渐降低的变化规律，而远冠区则随着种植密度的增加呈“先增后降”的变化规律，在M2处理达到最大。随着种植密度的增加，各处理节层节间长度和株高均逐渐增加，冠下区株高变幅(76.49～81.66 cm)小于远冠区(78.34～86.27 cm)；各茎节粗度呈“先增后降”的变化趋势，且均以M2处理最粗。在核麦间作模式下，增加种植密度冬小麦茎节粗度变细，不利于提高抗倒伏能力。

小麦灌浆期受温度影响较大，冠层温湿度过高、过低均会导致小麦结实率降低。解树斌等[19]、Blum A[20]均研究表明，灌浆期冠层温度相对较低的小麦，生理代谢能力较强，有利于其大物质积累和提高量很重要。气温20～24℃、相对湿度60%～80%是小麦籽粒灌浆较适宜的温、湿度范围[21]。研究结果表明，核麦间作模式下，冠下区各密度冠层温度(18.19～35.99℃)的变化幅度明显低于远冠区(17.82～38.92℃)，且冠下区小麦冠层温度上午升温和下午降温速度相对较慢，高温持续时间相对较短；冠层空气湿度冠下区(44.73%～100%)明显高于远冠区(36.62%～100%)，且远冠区小麦冠层湿度上午降速慢、下午升速也慢，且湿度低谷持续时间相对较短，冠下区各处理低谷期湿36.62%～49.52%，远冠区各处理低谷期湿度在44.73%～59.73%。

农作物对光能的利用受群体结构的影响，适宜的种植密度能改变作物群体结构，改善小麦冠层内的辐射分布，提高光能利用率是小麦高产的基础[22-23]。研究结果表明，核麦间作模式下，冠下区小麦冠层顶部入射光合有效辐射量(PAR) 明显低于远冠区；但冠下区、远冠区的冠层光合有效辐射截获量均呈“先升后降”的变化趋势，且冠下区、远冠区均在M2处理达到最大，这与赵会杰等[24]的研究结果相似。在核麦间作模式下，适宜的种植密度可以有效增加冬小麦冠层光合有效辐射截获量，进一步提高光合效率。

4 结 论

核麦间作下，远冠区冬小麦单叶面积、株高、茎粗均高于冠下区；随着种植密度的增加，冠下区、远冠区冬小麦各叶层叶面积、各节间长度和节间粗度均呈“先增后减”的趋势。冠下区上午升温、下午降温速度慢，高温持续期短，冠下区各密度冠层温度(18.19～35.99℃)的变幅低于远冠区(17.82～38.92℃)；远冠区冠层空气湿度上午降速慢、下午升速也慢，湿度低谷持续期短，冠下区冠层空气湿度(44.73%～100%)变幅高于远冠区(36.62%～100%)。冠层顶部入射光合有效辐射量(PAR)冠下区明显低于远冠区；冠下区、远冠区的冠层光合有效辐射截获量随着密度的增加均呈“先升后降”的趋势，均在M2处理达到最大。核麦间作模式下冠下区、远冠区冬小麦叶型、株型特征及冠层温湿度及光照指标显示，种植密度在525×104株/hm2较适宜。