不同树形对扁桃与冬小麦间作区域光环境的影响

张 雯，周 皓，刘翠荣，周玉梅，谢 辉

(1.石河子大学农学院，新疆石河子 832003; 2.新疆农业科学院园艺作物研究所,乌鲁木齐 830091;3.喀什地区农业技术推广中心,新疆喀什 844000；4.喀什地区莎车县园艺站,新疆莎车 844700;5.新疆农业大学科学技术学院,乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】果粮间作种植模式在新疆南疆地区农业生产过程中占有重要地位[1]。目前新疆扁桃栽培面积超过7.5×104hm2[2]，主要以间作模式栽植在农田中，间作比例超过总栽培面积的95%以上[3]。随着树龄的增长，果树树冠体积不断扩大，间作系统内对光能的竞争不断加剧，光照逐渐成为限制间作作物生长发育和产量形成的主要限制因子[4]。研究树体结构对间作区域光环境影响，对高光效树形选择优化具有重要意义。【前人研究进展】光是农林间作系统中最受重视的环境因子之一，前人研究指出光能利用率是间作系统是否合理的重要评价指标。间作系统内，高秆作物对光能的竞争是造成低矮作物减产的主要原因[5-7]。李连国等[8]通过试验测定和模型计算相结合的方法，对果粮间作生态系统的光能分布规律进行了研究，认为中纬度地区宜采用行距大于株距的南北行栽植，株距应≥1/2树高，否则就可能出现重复遮荫现象。袁玉欣等[9]也利用“气象学基本原理”，模拟了间作模式下林木阴影移动轨迹，并给出了树高与遮阴时间、阴影长度、适宜行间距等相关经验方程，为生产提供了理论依据。光不仅以能量物质的形式影响植物的光合作用与和物质合成，同时以光质信号的形式调控植物生长发育进程和形态建成，通过对玉米-大豆间作模式大豆冠层光强光质影响的研究发现，太阳入射光经过玉米冠层时，高位作物玉米的叶片会部分地吸收与反射，不仅会减小大豆所受光照的强度，还会改变光质环境，这使该种植模式中大豆生长所处的光照条件比净作下会有显著变化[10]。与单作相比，经过玉米叶片的反射和吸收后到达大豆冠层入射光各个波长范围均降低，其中可见光强度大幅度消减，远红光较高，与自然光相比R/FR值明显降低，近冠层R/FR由1.2降至0.05左右[11]。【本研究切入点】光照是间作系统是否合理的重要指标，适宜的光照条件与间作作物产量形成密切相关。关于树冠叶幕形成动态对间作区域光环境时空分布的影响，缺乏系统研究。研究扁桃叶幕建成对间作小麦生长光环境的影响。【拟解决的关键问题】研究树形对间作小麦关键生育时期光环境的影响，为果粮间作种植模式高光效树形的选择和优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2016～2017年在新疆喀什地区莎车阿热勒乡扁桃丰产示范园内进行，为暖温带大陆性干旱气候，年平均气温11.4℃，日较差平均12～15℃。年日照时数为2 965 h，年平均降水量56.6 mm，无霜期192 d，昼夜温差大，能满足农作物一年两至三熟的热量要求。

以扁桃-冬小麦间作体系为材料，株行距6 m×7 m，南北行向，供试扁桃品种为晩丰，2005年定植；间作小麦品种为当地主栽冬小麦品种新冬20号，无复播作物。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

小麦沿树行(树行宽度1 m)种植，采用宽窄行模式种植(窄行行距10 cm，宽行行距20 cm，每2个窄行间隔宽行1个)。共设置主干分层形、小冠形、高秆形、开心形4个树形处理，5株扁桃及其对应间作小麦为小区，3次重复。表1

表1 扁桃不同树形差异对照

有明显的中心干，上下分3层，层间距控制在60 cm，每层留2～3个主枝，主枝分层着生。主枝数量保持在7～10个，向四周螺旋上升交错排列，上小下大。高杆形特点：在疏散分层基础之上改造而成，逐步疏除下部2～3个主枝，将树干高度提高至1.2 m以上。开心形特点:通过对疏散分层形落头改造获得，无中心干，主枝较少，全株共3～4个主枝，主干高度60～70 cm，主枝间距10～ 20 cm，分布均匀，主枝上配备侧枝，侧枝上着生枝组，主枝的基角在60～65°。小冠形特点：干高70～ 80 cm，中心有保持优势的中干，中心干上直接着生结果枝组，结果枝组数量10～15个，螺旋式分布在中心干上，同方向基枝上下垂直距离不能小于50 cm，每个基枝与中心干夹角保持80～90°。

1.2.2 测定指标

根据果树树冠叶幕形成动态和间作冬小麦生长发育特点，在2个作物生育重叠期内共选择3个关键时期进行指标测定。表2

表2 扁桃-冬小麦间作模式下生长重叠期环境指标测定时期

环境光谱：使用UniSpec-SC单通道便携式光谱测定仪(最佳感应范围：300～1 100 nm；分辨率：<10 nm；精确度：<0.3 nm)对各小区间作区域光谱组成进行测定，每个处理共设置54个测点，具体测点位置的设置与分布；小麦灌浆期选择晴朗的天气，于11：00～12：00、14：00～15：00和17：00～18：00 3个时间段测定，以相同时段，空旷地测定值为自然光对照(探头高度与其它测点保持一致)，不同时期测定时保持探头高度与间作小麦植株高度保持一致。图1

图1 测点布置示意

PAR：使用美国ONESET HOBO公司生产的U30-NRC小型气象站中的光合有效辐射监测系统(测量范围：0～2 500 μmol/(m2·s)；光谱范围：400～700 nm；精度：±5%μmol/(m2·s)；分辨率：2.5 μmol/(m2·s))对间作区域PAR变化进行测定，选择晴朗的天气，自11:00～19:00对PAR的日变化情况进行连续测定，每5 min记录1次。每个处理设18个测点，探头高度与小麦高度保持一致。

1.3 数据处理

对测定数据按区域进行合并统计，使用Excel2010和SAS数理统计软件对数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 扁桃树形对间作冬小麦3个生长关键时期PAR日变化动态的影响

研究表明，冬小麦拔节期，不同树形处理之间、同一树形不同区域之间均存在较大差异。其中小冠形远冠区、西侧近冠区、西侧冠下区、东侧冠下区、东侧近冠区5个间作区域，PAR均为单峰曲线，且峰值较高，峰值PAR强度均高于1 600 μmol/(m2·s)，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)(冬小麦光饱和点)的持续时间能维持在5～7 h左右；分层形5个间作区域PAR也均呈现单峰曲线变化趋势，但与小冠形相比峰值较低，除远冠区峰值PAR强度均高于1 600 μmol/(m2·s)外，其它4个间作区域峰值PAR强度均低于1 200 μmol/(m2·s)，且PAR峰值持续时间短，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)仅能持续2～3 h。高秆形5个间作区域PAR也均呈现单峰曲线变化趋势，与分层形相比东侧近冠区11：00～16：00 PAR显著提高，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)持续时间增加至5 h；东侧冠下区11：00～14：00PAR显著提高，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)持续时间增加至3 h，且峰值PAR强度增加。开心形，2个冠下区域呈现双峰变化趋势外，其它3个区域均呈单峰变化趋势；与分层形相比东侧近冠区域区早晨光照条件改善，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)持续时间增加至4 h；西侧冠下和近冠区域下午光照条件明显改善，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)持续时间均增加至5 h，且峰值PAR强度增加。自扁桃末花期(未展叶)时，不同树形对间作区域PAR强度d大于800 μmol/(m2·s)持续时间的影响即存在较大影响，其中小冠形>开心形>高秆形>分层形，前期研究发现小麦产量与400～1 600 μmol/(m2·s)强度PAR持续时间呈极显著正相关关系(待发表)，4个树形对应间作区域PAR在该强度的持续时间的平均值依次为6.6、6.8、6.8和4.8 h，拔节期时小冠形、开心形、高秆形3个树形优于分层形，但3个树形间无较大差异。图2

图2 扁桃树形处理下冬小麦拔节期不同间作区域PAR日变化

东侧近冠和东侧冠下2个区域13：00和16：00之后PAR强度显著降低，峰值早衰，且峰值强度降低，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间均降至5 h。分层形5个间作区域PAR也均呈现单峰曲线变化趋势与拔节期期保持一致，但峰值强度显著降低，远冠区除17：00外，其它8个时段PAR强度下降幅度均超过30%，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间为2 h；西侧近冠和冠下2个区域、各时段PAR强度均显著降低，其中西侧近冠10：00～14：00、西侧冠下10：00～17：00降幅均超过50%；东侧近冠14：00～17：00，东侧冠下13：00～16：00降幅均超过50%；西侧近冠PAR强度高于800 μmol/m2s的持续时间为1 h，其它3个区域全天PAR强度均低于800 μmol/(m2·s)。

开心形，远冠区10：00～11：00、16：00～18：00 2个时段PAR下降幅度超过40%，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间为5 h；西侧近冠区16：00～18：00、西侧冠下区12：00～14：00、17：00～18：00PAR下降幅度均超过40%，大于800持续时间分别为3和2 h；东侧近冠和冠下2个区域下降明显，12：00～18：00、11：00～15：00降幅分别超过50%，全天PAR强度均低于800 μmol/(m2·s)。高秆形，远冠区10：00～11：00、13：00和18：00 3个时段PAR下降幅度超过30%，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间为4 h；西侧近冠和冠下2个区域下降明显，西侧近冠区10：00～11：00、13：00～15：00，西侧冠下区10：00～17：00PAR下降幅度均超过30%，大于800持续时间分别为2和1 h；东侧近冠区15：00～18：00、东侧冠下13：00降幅超过40%，大于800持续时间分别为3和2 h。小冠形、开心形、高秆形和分层形4个树形对应间作区域PAR在400～1 600 μmol/(m2·s)强度的持续时间的平均值依次为7.4、3.4、3.8和2 h，小麦扬花期时开心形、高秆形和分层形间作区域光照条件明显劣变，小冠形明显优于其它3个树形，开心形和高秆形差异较小，又明显优于分层形。图3

图3 果粮间作模式下树形对冬小麦扬花期不同间作区域PAR日变化

小麦灌浆期扁桃4个树形处理对应间作区域光合有效辐射分布和日变化情况存在较大差异。各个区域主要呈单峰曲线变化趋势，与扬花期相比，小冠形远冠区除10：00 PAR降幅超过20%外，其它时间段降幅均低于10%，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间维持在6 h；西侧近冠区10：00～11：00、西侧冠下区11：00～13：00 PAR降幅超过20%，其余时段降幅均低于10%，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间分别维持在5和4 h；东侧近冠区各时段降幅均为超过20%，东侧冠下区17：00～18：00 PAR降幅超过40%，其余时段降幅均低于5%，2个东侧区域PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间均维持在5 h。分层形远冠区除11：00降幅超过30%外，其它8个时段PAR强度下降幅度均低于5%，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间维持在2 h；西侧近冠13：00和16：00～17：00、西侧冠下15：00降幅均超过20%；东侧近冠降幅均为超过20%，东侧冠下15：00、18：00降幅均超过20%；近冠和冠4个区域全天PAR强度均低于800 μmol/(m2·s)。开心形，远冠区10：00～12：00 PAR下降幅度超过20%，PAR强度高于800 μmol/(m2·s)的持续时间维持在5 h；西侧近冠区10：00～11：00 PAR降幅超过50%，其余时段均低于20%；西侧冠下区10：00～15：00、17：00 PAR降幅均超过20%，2个区域大于800持续时间依旧维持在3和2 h；东侧近冠和冠下2个区域持续明显下降，东侧近冠区11：00、13：00～15：00、17：00～18：00降幅分别超过30%，东侧冠下区11：00、13：00～17：00降幅超过30%，近冠和冠4个区域全天PAR强度均低于800 μmol/(m2·s)。高秆形，除远冠区18：00、西侧近冠区18：00、东侧冠下区11：00、14：00、18：00降幅超过20%外，其它区域和时间段PAR强度均无明显变化。综合分析小冠形、开心形、高秆形和分层形4个树形对应间作区域PAR在400～1 600 μmol/(m2·s)强度的持续时间的平均值依次为6.2、2.4、3和2 h，小麦扬花期至灌浆期时小冠形、开心形、高秆形光照条件均有一定下降，小冠形明显优于其它3个树形，开心形与分层形差距缩小。图4

图4 果粮间作模式下树形对冬小麦灌浆期不同间作区域PAR日变化趋势

2.2 果树树形结构对间作冬小麦3个生长关键时期不同时段平均PAR强度的影响

研究表明，拔节期间作区域PAR日均值小冠形>开心形>高秆形>分层形，扬花期间作区域PAR日均值小冠形>高秆形>开心形>分层形，灌浆期间作区域PAR日均值小冠形>高秆形>开心形>分层形；随着扁桃叶幕形成，与拔节期相比杨花期间作区域PAR强度显著降低，小冠形、开心形、高秆形和分层形4个树形对应间作区域PAR强度的降幅依次达到18.93%、39.06%、23.24%和46.00%，扬花期至灌浆期时各树形叶幕已基本建成，对间作区域PAR强度的影响趋于稳定，4个树形对应间作区域PAR强度的降幅依次为4.28%、13.00%、6.90%和5.19%。1 d中PAR强度 13：00～15：00>16：00～18：00>10：00～12：00；开心形13：00～15：00光照条件优于高秆形，16：00～18：00和10：00～12：00高秆形光照条件优于开心形。图5

图5 果粮间作模式下树形对冬小麦生长关键时期不同时段PAR均值

2.3 树形结构对间作冬小麦不同生长关键时期不同区域光质参数的影响

研究表明，4个树形处理不同间作区域，同一间作区域不同生长关键期间光质参数间存在一定差异，其中部分差异达极显著水平。其中紫外/蓝紫比值FC、GG、XG和KX对应间作区域分别在0.192 8～0.283 6、0.188 9～0.221 9、0.179 5～0.222 4和0.175 6～0.195 9变动，同一树形不同区域之间和不同生育时期之间，无明显的变化趋势；红橙/蓝紫比值FC、GG、XG和KX对应间作区域分别在0.581 3～1.006 7、0.616 5～0.919 1、0.579 7～0.895 3和0.568 4～0.825 6变动，同一树形不同区域之间和不同生育时期之间，无明显的变化趋势；红橙/远红外比值FC、GG、XG和KX对应间作区域分别在0.331 2～1.245 1、0.573 0～1.315、0.797 3～1.431 8和0.861 7～1.322 2变动，该指标对同一时期不同树形和不同区域间的区别度较大，部分树形间的差异达到显著性水平，整体趋势基本表现XG>KX和GG>FC处理；近红光/远红光比值FC、GG、XG和KX对应间作区域分别在0.660 1～1.855 8、0.725 1～1.955 9、1.079 5～2.01 5和1.165 5～1.889 3变动，该指标在同一时期不同树形和不同区域间均有较大的差异，除拔节期外，其它2个时期不同间作区域XG形均显著高于其它3个，XG>KX和GG>FC处理。表3

表3 扁桃不同树形对应间作区域不同生长关键时期光质参数

3 讨 论

3.1 扁桃树形对间作区域PAR分布和变化的影响

光合有效辐射(PAR)是太阳辐射中波长在400～700 nm可被植物直接用于光合作用的辐射能量，与作物的生产能力密切相关。前人关于间作种植模式的研究指出，对光照特别是PAR的竞争是造成间作作物减产的主要原因[4]，果粮间作模式下，间作区域PAR日变化动态受太阳运行轨迹[12]和树冠遮阴动态[13]的共同影响。乔旭[12]、黄爱军[13]、郭佳欢[14]等针对红枣、核桃、杏等果树的果粮间作系统的研究均表明，果粮间作模式下，果树遮阴造成间作区域PAR强度大幅降低，呈单峰曲线的变化趋势，主要表现为中间高两侧低。研究结果表明，各树形对应不同间作区域PAR均呈单峰曲线变化趋势，峰值强度和峰值持续时间受冠幅大小和干高等因素共同影响，进一步补充了前人的研究结果。

前人有关间作模式光环境条件的研究多集中在灌浆期，有关不同生长关键时期间差异的研究较少，研究表明，扁桃-冬小麦间作模式下，冬小麦拔节期时，小冠形、高秆形和开心形间的差异较小，每天PAR强度分布在400～1 600 μmol/(m2·s)间的持续时间均能维持在6.6 h以上，及说明全天70%以上的时间间作区域光照水平适于冬小麦生长，但分层形间作区域光照条件已处于较差水平；随着扁桃枝叶生长和叶幕建成，冬小麦拔节至扬花期间间作区域光照条件迅速劣变，扬花至灌浆期间间作区域PAR强度变化较小，进一步说明，冬小麦扬花期扁桃对间作区域光环境的影响已处于峰值水平，与王冀川等[15]在核桃-小麦间作系统内研究一致。同时值得指出的是，虽然随着生育进程的推进，小冠形间作区域光照强度逐步降低，但拔节期、扬花期和灌浆期其间作区域PAR强度分布在400～1 600 μmol/(m2·s)间的持续时间分别维持在6.6、7.4和6.2 h，即冬小麦整个生育重叠期全天70%左右的时间光照条件均能维持在适宜水平。进一步从光环境角度论证了前人[8]关于间作模式最小株行距设置的结论。

3.2 扁桃树形对间作区域光质参数的影响

植物的生长发育不仅受光量或光强的制约，同时受光质即不同波长的光辐射及其组成比例的影响。光在农林复合系统内分布是由进入冠层的太阳直接辐射和天空散射辐射经过植物体和地表面的多次透射、反射和吸收等一系列物理过程之后形成的, 具有非常复杂的变化，太阳辐射在冠层内的分布主要是由冠层结构决定的[16]。冠层结构与枝叶分布模式的差异，会影响光照在树冠内的三维分布模式和截留透射情况[17]。在果粮间作这个双层受光系统中，到达间作物冠层的光，经过上层果树叶幕的拦截、透射及选择性吸收后不仅强度发生不可逆转的削弱，同时光谱组成也发生了明显变化[18],光照透过树冠之前以直射光为主，光强高；透过树冠到达内部和下层是，由于己受到树冠的遮挡、吸收、透射、反射和散射作用，光强变弱，光质向长波光方向转变，以漫射光为主，光强低，光谱成分中短波光较少，长波的红、黄光较多(可达50%～60%)。叶片对光的选择性吸收进一步造成光质组成的改变，光的组成和比例可以进一步以光信号的形式作用于植物生长发育的各个环节。红光/远红光(R/FR)对植物生长发育和形态建成具有重要的调节作用[19]。冠层下R/FR的降低可能引起植物光合下降、叶面积减少、株高增加、生物量分配模式改变等一系列生长参数发生变化[20,21]。有关玉米-大豆套作的研究表明，与净作大豆冠层光环境相比，低层大豆冠层红光、蓝光、远红光及其比例关系改变，对大豆生长发育、形态建成以及后期的产量品质产生极大的影响[11]。研究结果表明，树形结构对不同生育期，不同间作区域光质参数的组成均有较大的影响，部分树形间的差异达到显著水平，其中 “红橙/远红外”、“近红光/远红光”2个参数在同一区域不同树形间、同一区域不同生育期间的变化幅度均较大，对果树冠层结构特征的反应也较敏感，可作为评价间作区域光环境条件的候选参数，但其与间作冬小麦生长发育和产量形成间的相关关系还有待于进一步研究。

4 结 论

扁桃-冬小麦间作模式下，扁桃树形结构对不同生育时期间作区域光环境条件均有较大影响，间作区域光照条件随扁桃枝叶生长和叶幕建成不断劣变，变化主要存在于拔节期-扬花期，至扬花期扁桃对间作区域光环境的影响已基本趋于稳定；根据间作区域PAR日变化动态、PAR日均值强度和光质参数等指标的分析结果可将不同树形对应间作区域光照条件分为3个水平，由高至低依次为小冠形、开心形和高秆形、分层形，小麦扬花期时，3个水平对应间作区域400～1 600 μmol/(m2·s)PAR强度范围每日持续时间依次占全天的70%、40%和20%左右。“红橙/远红外”、“近红光/远红光”2个光质参数可作为评价间作区域光环境条件的候选指标。