水分调控对苹果-大豆间作生理特性及水分利用的影响
2021-04-17周宣王若水李超楠郑成浩刘文治毕华兴
周宣,王若水,2,3,4,5*,李超楠,郑成浩,刘文治,毕华兴,2,3,4,5,6
(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，山西 吉县042200；3.水土保持国家林业局重点实验室(北京林业大学)，北京 100083；4． 北京市水土保持工程技术研究中心(北京林业大学)，北京 100083；5． 林业生态工程教育部工程研究中心(北京林业大学)，北京 100083；6． 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京102206)
农林复合模式可有效利用水、肥、光、热等资源，对保持水土和缓解农林用地矛盾有重要意义[1]，晋西黄土区丰富的光能和热量资源为发展农林复合系统奠定了基础.苹果(Maluspumila)是该区主导产业，但果树发挥效益时间较久，为发挥土地利用率并增加收益，幼龄果树-大豆(Glycinemax)间作模式在当地尤为普遍.但该区水资源匮乏并存在时空分布不平衡等特点，水分供需存在时序错位，且当地果农经营时多采用清耕制管理，蓄水保墒效果较差.目前，间作高产栽培以消耗过多灌水量为代价，难以为水资源短缺区域水分高效利用提供技术依据.因此，本研究结合了地面覆盖和调亏灌溉方式，以探究不同水分调控措施下间作系统的节水效益.
目前，有关覆盖和灌溉对植物生理和水分利用的研究多集中在单作系统[2].然而，间作系统复杂的地下根系和冠层结构使其对资源的竞争更为激烈，与单作相比其生理特性和水分利用等均存在较大差异.有学者将覆盖或灌溉应用在作物与作物间作系统中，发现秸秆覆盖的水分利用效率高于裸地栽培；根系分区交替灌溉在小麦-蚕豆间作系统中具有良好的节水增产效果.果农间作与作物和作物间作仍存在差异，主要表现在不同物种间共生期不同，果农间作系统中作物整个生育期都与果树存在种间互作关系.此外，间作系统中灌水量存在阈值，过量和过低均不利于种间互补，同时会抑制作物生长发育和干物质量的积累[3-4].因此，适宜的灌溉制度和保墒措施对实现水资源短缺区域果农间作系统节水增产起着重要作用[5]，但当前缺乏基于两因素相耦合的关键技术参数.
文中以晋西黄土区幼龄苹果-大豆间作系统为研究对象，设置不同的水分调控措施，对苹果和大豆叶片生理特性以及间作系统产量和水分利用等进行监测，分析各指标的差异及其对果树和作物生理的影响，提出节水型农林复合系统高效利用技术，以期为该区果农间作系统节水高效利用提供理论依据.
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验区位于山西省吉县(110°27′30″～111°07′20″ E，36°53′10″～36°21′ 02″ N)，该区为典型的黄土残塬沟壑区，属温带大陆性气候，多年平均降水量为579 mm，雨季为6—8月，年均潜在蒸发量为1 729 mm.供试果园0～60 cm土层平均田间持水量为22.14%，平均干容重为1.38 g/cm3；0～60 cm土层有机质质量比9.47 g/kg，全氮0.62 g/kg，铵态氮0.62 mg/kg，硝态氮5.91 mg/kg，速效磷4.53 mg/kg，速效钾77.86 mg/kg[6].2017和2018年累计降水量分别为478.4，449.0 mm，平均空气温度分别为11.4，10.1 ℃.
1.2 供试材料
试验于2017—2018年进行，以幼龄苹果-大豆间作为研究对象.苹果栽植于2013年，株行距4 m×5 m，平均株高3.9 m，胸径7.0 cm，南北冠幅3.2 m，东西冠幅3.6 m.大豆为晋豆35号，2017年、2018年株行距分别为30 cm×40 cm、35 cm×50 cm，栽植行与果树距离分别为0.9，1.0 m.选择2棵果树作为一个试验小区，小区边缘与果树距离为1.0 m，2 a间取样线和取样点的布设均一致，布设情况见图1.根据当地施肥习惯和经验施肥量，翻地前均匀撒施N/P/K复合肥，施用量为N 412.4 kg/hm2+P2O5168.8 kg/hm2+K2O 168.8 kg/hm2.
图1 2017年试验小区与采样点布设情况Fig.1 Experiment plot and indicators monitoring points in 2017
1.3 覆盖和灌水量设置
本试验共设灌水和覆盖两因素，根据供试植被适宜的土壤水分范围共设置灌溉上限3水平：0～60 cm土层平均质量含水量占田间持水量(FC)的55%,70%和85%，分别计为W1,W2,W3.覆盖包括秸秆(M1)和地膜覆盖(M2).
试验设置6个试验组和3个对照组，对照组包括清耕(CK0)、秸秆覆盖不灌水(CK1)以及地膜覆盖不灌水(CK2)，每个处理设置3个重复，累计27个试验小区，采用随机区组设计.在作物关键需水期进行灌水，选择一周以上无有效降雨的时段，灌水采用漫灌方式，用水表控制灌水量，试验小区间设2 m宽缓冲带用以防止水分互渗.试验设计详见表1.灌水量计算公式为
表1 不同水分调控措施的灌溉时间和灌溉定额Tab.1 Irrigation quota of different water regulations during experimental years
M=10γH(θw-θ0)，
(1)
式中：M为灌水量,mm；γ为土壤计划湿润层内的土壤容重,g/cm3；H为土壤计划湿润层厚度，取0.6 m，该厚度为苹果-大豆主要竞争区域；θw为设定灌溉水平下土壤质量含水量；θ0为测定时的土壤质量含水量.
2 a间大豆生长季内累计降水量分别为427.6，401.3 mm，根据山西省气象科学研究所拟定的标准划定为丰水年.
1.4 测定项目及方法
1.4.1 土壤水分
采用烘干法测定，在距树行0.5～2.5 m处布设5个取样点，间距为50 cm(见图1)，取样厚度为0～60 cm，每10 cm为1层.
1.4.2 植物叶片生理指标
1) 叶绿素含量.采用SPAD-502叶绿素仪测定叶片叶绿素相对含量SPAD(2017年未监测)，测定时段为9:00—11:00，避开叶脉测量，测定结果以多次测量后的平均值为准.
2) 光合指标.选择晴朗无云的天气，采用Li-6400便携式光合仪测定叶片光合指标(2017年大豆分枝期未测定)，测定时段同叶绿素，各指标采集3个数据.在距离树行0.9，1.7，2.5 m处选择3株大豆并挂牌标记，每株选择3片上层三出复叶的中间叶测定.果树叶片选择阳面距树底1.5～2.0 m新枝上的3片健康叶.光合指标主要包括净光合速率Pn和蒸腾速率Tr等，叶片水分利用效率LWUE为Pn与Tr的比值.
1.4.3 产量
成熟期(10月中旬)分小区测定大豆籽粒产量.因幼龄果树不挂果或挂果较少，不计苹果产量.
1.5 数据处理与统计分析
1.5.1 耗水量计算
依据水量平衡原理计算耗水量，计算公式为
ET1-2=I+P+U-R-F±ΔW
，
(2)
式中：ET1-2为耗水量，mm；I为灌水量，mm；P为有效降水量，表示降雨量减去地表径流损失后的水量，mm；U为地下水补给量，mm；R为地表径流量，mm；F为深层渗漏量，mm；ΔW为阶段初、阶段末土壤贮水量的差值，mm，土壤贮水量计算式为
W=10Hγθ0,
(3)
式中：H为土层厚度，cm；γ为土壤干容重，g/cm3；θ0为土壤质量含水量，%.
计算土层厚度为60 cm.本试验地势平坦，地下水埋深超过30 m，降水入渗深度不超过2 m，R，U和F均视为零.
1.5.2 水分利用的计算
基于大豆产量的间作系统水分利用效率计算式为
WUE=GY/ET,
(4)
式中：GY为大豆籽粒产量，kg/hm2;ET为耗水量,mm.
灌溉水利用效率计算式为
IWUE=GY/I,
(5)
式中:I为灌水量,m3/hm2.
1.6 多指标综合评价值的计算方法
采用多指标综合评价值来分析各处理的优劣情况，所选取的评价指标包括苹果和大豆的SPAD,Pn,LWUE,间作系统产量和WUE.计算方法如下：
1) 构建特征值矩阵，设有m项评价指标，n个试验处理，则矩阵为
X=[xij]mn(m=1,2,3,…,8;n=1,2,3,…,9)，
(6)
矩阵中：xij为第j个处理第i项指标的特征值(0 2) 数据标准化处理，选用最大阈值法[7]，则 (7) 式中：αxij为标准化后的评价指标值；xmax为特征值的最大值. 3) 设置指标权重，方法为变异系数法，其中第i项指标的变异系数(βxij)计算方法为 (8) 式中：σi，μi分别表示第i项指标特征值的标准差、均值. 4) 第i项指标的权重Pi计算式为 (9) 5) 合成各指标评价值，得出第j个处理的综合评价值Ej为 (10) 6) 根据Ej的大小对各处理进行优劣排序. 采用Microsoft Excel 2016进行数据处理，SPSS 20.0进行方差分析和相关分析，LSD法进行差异显著性检验(P=0.05). 表2为2018年生长季不同水分调控下苹果和大豆叶绿素含量变化动态.由表可知，不同处理下苹果和大豆SPAD值随生育期呈递增趋势.苹果和大豆SPAD均值最大处理分别为M2W3，M2W2，最小处理均为CK0.花芽分化期，除M2W1和M2W2外，其余处理苹果SPAD值较CK0可提高12.94%～27.02%(P<0.05)，分枝至结荚期，地膜覆盖的大豆SPAD值可较处理CK0提高5.25%～11.74%(P<0.05).双因素方差分析结果表明：覆盖、灌水量及交互作用对苹果SPAD值的影响仅在花芽分化期达到极显著水平(P<0.01).覆盖对大豆SPAD值的影响仅在分枝至结荚期内为显著水平(P<0.05)，灌水量对大豆SPAD值影响均不具有统计学意义，交互作用的影响仅在结荚期达到显著水平. 表2 2018年生长季不同水分调控下苹果和大豆叶绿素含量变化动态Tab.2 Dynamic changes in leaves SPAD value of apple and soybean under different water regulations in 2018 表3为不同水分调控对苹果和大豆净光合速率日均值的影响.由表分析可知，各处理苹果Pn日均值随生育期呈先减后增的趋势，而大豆Pn日均值为先增后降.2017年，水分调控下苹果和大豆叶片Pn值均大于CK0，相同灌水下，地膜覆盖的苹果Pn值较秸秆覆盖可提高4.60%～49.38%.2018年，相同灌水下，地膜覆盖的大豆Pn值高于秸秆覆盖.试验发现，苹果和大豆叶片Pn值最大处理均为M2W2，2017，2018年分别较其余处理提高3.14%～27.09%，11.20%～25.69%，苹果Pn值随灌水量的增加先增后减.双因素方差分析表明：覆盖对苹果Pn值的影响在果实膨大期达到显著水平，灌水量对果实膨大期和成熟期内苹果Pn值影响具有统计学意义，而对大豆Pn值影响不具有统计学意义. 表3 不同水分调控对苹果和大豆净光合速率日均值的影响Tab.3 Effects of different water regulations on daily mean of Pn for apple and soybean 表4为不同水分调控对苹果和大豆蒸腾速率日均值的影响.由表分析知，苹果和大豆叶片Tr日均值随生育期呈递减趋势.综合2个生长季得出，苹果Tr值最大出现在处理M1W3，M2W1，最小为CK1，大豆Tr值最大为处理M1W3，W1组和CK0的Tr值较低.随着灌水量增加，秸秆覆盖下苹果和大豆Tr呈递增趋势，地膜覆盖下苹果Tr逐渐递减，而大豆Tr为先增后减.双因素方差分析表明：覆盖和交互作用对苹果Tr的影响在成熟期为显著水平，对大豆Tr的影响在结荚期为极显著水平，灌水量对果实膨大期苹果和结荚期的大豆Tr均有极显著影响. 表4 不同水分调控对苹果和大豆蒸腾速率日均值的影响Tab.4 Effects of different water regulations on daily mean of Tr for apple and soybean 表5为不同水分调控措施对供试植被叶片水分利用效率LWUE日均值的影响.由表可知，不同处理下苹果和大豆LWUE日均值随生育期呈递增趋势.2017年，苹果LWUE最大和最小处理分别为M2W2，M1W3，大豆LWUE最大处理为M2W1，相同灌水下地膜覆盖的大豆LWUE可较秸秆覆盖提高28.46%～41.32%.2018年，苹果和大豆LWUE最大值均为处理M1W2.综合2个生长季得出，苹果LWUE值最大均为W2组，大豆LWUE值最大为处理M2W2，处理M1W3下苹果和大豆的LWUE值均较低，相同覆盖条件下，随灌水量增加，苹果和大豆LWUE总体表现为先增后减.双因素方差分析结果表明：覆盖和交互作用对生育期内大豆LWUE影响均不具有统计学意义，灌水量对大豆LWUE的影响仅在2018年结荚期具有统计学意义(P<0.05). 表5 不同水分调控措施对供试植被叶片水分利用效率日均值的影响Tab.5 Effects of different water regulations on daily mean of LWUE for apple and soybean 表6为大豆生理指标与距树行距离的相关系数.由表可知，大豆SPAD与距树行距离无显著相关性.2017年，Pn中W1组与距树行距离显著正相关，Tr中除M2W3，其余处理与树行间距均无显著相关性，LWUE中除CK1外，其余处理与树行间距均显著正相关.2018年，Pn和LWUE中除M1W2外，其余处理与树行间距均显著正相关，Tr中仅处理CK1，CK2和CK0与树行间距显著负相关.综合2个生长季发现，Pn随距树行距离的增加而递增，Tr随距树行距离的增加而递减，但相关性不具有统计学意义，LWUE随树行距离的增加逐渐递增. 表6 大豆生理指标与距树行距离的相关系数Tab.6 Correlation coefficient of soybean physiological index with tree line distance 表7为水分调控措施对产量和水分利用的影响.由表可知，产量和WUE最大处理均为M2W2，其产量与其余处理之间差异均具有统计学意义，2 a间可较W1和W3组增产9.48%～103.90%，WUE提高13.91%～118.08%；与处理CK1,CK2相比，产量分别提高了46.69%～64.89%,25.42%～32.09%，WUE分别提高了23.00%～59.76%,11.07%～18.30%；与处理CK0相比,产量可提高43.68%～62.18%，WUE提高了20.04%～57.54%.处理M1W3的产量和WUE均较小.随灌水量的增加，地膜覆盖下产量和WUE表现为先增后减，秸秆覆盖下WUE呈降低趋势，相同灌水下地膜覆盖的产量、WUE均高于秸秆覆盖.综合2 a试验发现，处理M2W2的耗水量可较W3组减少30～50 mm，但产量、水分利用(包括水分利用效率和灌溉水利用效率)却分别提高了9.48%～103.90%,21.35%～118.08%和113.07%～409.75%.双因素方差分析表明：灌水和交互作用对产量、耗水量和水分利用影响均在0.01水平下具有统计学意义. 表7 水分调控措施对产量和水分利用的影响Tab.7 Effects of water regulations on yield and water use in intercropping system 表8为各处理的综合评价值.综合评价值最大为处理M2W2，最小为处理M1W3，处理M2W2的综合评价值分别较处理M1W3显著提高了43.80%和27.50%，与其余处理相比，M2W2的综合评价值可提高5.27%～22.28%，但相互之间差异不具有统计学意义.秸秆覆盖下评价值随灌水量的增加而降低，而地膜覆盖下呈先增后降的趋势，相同灌水条件下，地膜覆盖的综合评价值总体高于秸秆覆盖，无灌水处理之间以CK2的综合评价值最高. 表8 各处理的综合评价值Tab.8 Comprehensive evaluation value of diffe-rent treatments 本研究发现覆盖有效提高了植物的叶片叶绿素含量，可能是因为覆盖措施改善了土壤理化性质，提高了土壤肥力，进而促进了植物对土壤养分的利用.本研究发现大豆叶绿素含量与树行间距不具有显著相关性，这与前人研究结果不同，产生差异的原因可能是大豆能与根瘤菌共生，苹果遮荫和对氮素的竞争使得大豆叶片合成更多的叶绿素以增强光捕获能力，使大豆在弱光条件下也能利用光能. 本研究中相同灌水下地膜覆盖的大豆Pn值普遍高于秸秆覆盖，可能是因为地膜覆盖提高了土壤表层温度，稳定的土壤温度提升了叶片气孔导度进而促进了气体交换；此外，秸秆腐解中存在土壤微生物与作物争夺水肥的现象，降低了土壤水分和氮素的有效利用，抑制了大豆生长发育.本研究中W3组下，地膜覆盖的苹果和大豆Tr均较低，可能是地膜覆盖下过量灌水增加了空气相对湿度，进而减小了植物的蒸腾驱动势，局部小气候的改变抑制了蒸腾速率.本研究中处理M1W3下苹果和大豆LWUE均达到最小值，这与秸秆覆盖下Pn与Tr的变化有关，随着灌水量的增加，苹果Pn先增后减，大豆Pn为递增，而Tr均为递增趋势，由于Tr对水分的响应速度强于Pn，Tr增加的速度超过了Pn，导致W3组的LWUE值最低.本研究发现，随着距树行距离的增加，大豆Pn逐渐递增，这与前人研究结果一致，可能是因为果树的遮荫影响了大豆的生长，而随着距树行距离的增大，大豆接收到的光合有效辐射也逐渐增强.随着距树行距离的增加，大豆LWUE总体呈递增趋势，主要是Pn和Tr的变化所导致，随距树行距离的增加，Pn为递增，而Tr为降低趋势(相关性不显著). 本研究发现，随着灌水量的增加，地膜覆盖下产量和WUE均为先增后降，可能是地膜覆盖提高了大豆叶片叶绿素含量进而增强了光合作用，同时适度灌水有利于促进大豆干物质生产和籽粒灌浆，而灌水过量则导致大豆营养生长过旺，改变了植株的养分输送方向进而抑制了生殖生长.因此，恰当的管理措施是提高大豆产量和水分利用的关键，在大豆分枝至鼓粒期要保证植物所需水分，减少种间水分竞争，避免水分亏缺对大豆生长和产量造成不利影响. 地膜覆盖下苹果和大豆SPAD值均较高，秸秆覆盖下过量灌水促进了苹果和大豆的Tr，但抑制了大豆产量的形成.处理M2W2下苹果和大豆的Pn和LWUE均达到最大值，该处理下苹果和大豆的Pn，LWUE可较其余处理提高12.42%～22.51%，2.13%～35.13%.苹果的遮荫对大豆SPAD值影响不具有统计学意义，但抑制了大豆的Pn和LWUE，表现为距树行距离越近，值越小.灌水、覆盖和交互作用对大豆产量和WUE影响均在0.01水平下具有统计学意义，产量和WUE最大值均为处理M2W2.通过多指标综合评价法，综合评价值最大和最小处理分别为M2W2和M1W3. 综上，晋西黄土区幼龄苹果-大豆间作建议采用地膜覆盖措施，同时在大豆分枝期、鼓粒期采取田间持水量的70%为灌水上限的灌溉制度，在提高经济效益的同时也促进了间作系统水分利用，可达到经济与生态效益双赢的效果.1.7 数据处理与分析
2 结果与分析
2.1 水分调控对叶绿素含量的影响
2.2 水分调控对净光合速率的影响
2.3 水分调控对蒸腾速率的影响
2.4 水分调控对水分利用效率的影响
2.5 大豆生理指标相关性分析
2.6 水分调控对产量和水分利用的影响
2.7 综合评价值评定结果
3 讨 论
4 结 论
