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4龄多年生混播人工草地冠层光辐射分布特征

2021-06-08黄利春张永超

青海畜牧兽医杂志 2021年2期
关键词:混播辐射强度旗叶

黄利春,张永超

(1.科尔沁右翼前旗农牧和科技局,内蒙古科尔沁右翼前旗 137713;2.青海大学畜牧兽医科学院 青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室,西宁 810016)

光合作用是植物利用光能将无机物转化为有机物的主要途径。冠层是作物群体光合作用的主体,冠层结构直接影响作物对光能的吸收和利用以及干物质的积累,冠层结构特征与产量形成有密切关系,并因作物种类不同表现出明显差异[1,2],小麦不同品种和栽培措施及栽培环境均影响冠层结构[3,4]。

冠层通过对光合有效辐射的截获和吸收影响植物的光合作用,群体冠层内光合有效辐射主要由直接进入冠层的太阳直射辐射和天空散射辐射两部分组成。在植物群落中,不同层次的叶片得到的光能不同,下层叶片往往光能不足,对于混播草地,不同植物叶片的着生、排列、分布所形成的草地冠层结构对混播草地植物群落光合作用起着重要作用。它影响着混播草地植物群落对太阳辐射的截获,进而影响混播草地植物群落的草地生物量。通过对植物群落冠层结构、冠层截获功能特征、冠层温度、水汽和CO2浓度分析,为优化混播草地结构、品种选择提供理论支撑,以期达到更高生产力。

青藏高原地区多年生混播草地建植过程中,根据植物叶位分布,注重高中低禾草的组合。这仅仅是根据叶位分布的人为群落组合,高位禾草对中低禾草的遮阴的影响如何,是否对早期建植存在不利影响,早期建植中低位禾草播种比例该如何调整,不同禾草生长速率不一致,快速生长植物对生长慢的植物在建植初期的影响如何,多年生植物生活史不一致,短龄牧草和长龄牧草如何搭配,在混播种植方式中,是否一次混播种植还是需要不同物种不同时期的种植,这些都和植物群落可能形成的冠层结构有关。

关于光在植物群落中的分布,许多科学工作者围绕植物群体的冠层结构,及其与光能利用方面做了大量研究工作,包括水稻、小麦、玉米、棉花、青稞、小黑麦、烟草、荆条、杨树、马尾松等[1,5-10]。并且多集中于作物、果树、森林研究,尤以森林研究为主,而人工栽培多年生草地研究较少。多年生人工栽培草地利用多物种结合,充分发掘群体协作效应,从而达到高产、稳定和持续利用目的。在青藏高原地区,往往多年生人工草地建植初期,草产量较高,在3~4年开始出现退化,群落结构发生明显改变。本文对建植4龄的多年生混播草地的群落冠层光照辐射进行分析,以揭示混播草中后期群落冠层结构特征,为多年生人工混播草地植物组合和利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于青海省海北州西海镇青藏高原多年生牧草种质资源圃(100°59′E、36°54′N),海拔高度3159m,属高原大陆性气候,寒冷期长,光照充足,太阳辐射强,年平均气温0.9℃,最高气温30.5℃,最低气温-33.8℃,≥10℃年积温634.5℃,无霜期30d。干湿季分明,雨热同季,年平均降水量403.6mm。土壤类型为黑钙土,土壤有机质 38.35g/kg、碱解氮2.58mg/kg、速效磷1.36mg/kg、速效钾21.69mg/kg、pH8.21[6]。

表1 青牧1号老芒麦,青海中华羊茅和青海扁茎早熟禾混播比例

1.2 试验处理

本研究选用青藏高原高寒地区审定登记的青牧1号老芒麦(ElymussibiricusL.cv.Qingmu No.1)、青海扁茎早熟禾(Poapratensis var.anceps Gaud.cv.Qinghai)和青海中华羊茅(FestucaSinensisKeng cv Qinghai)为研究对象,采用不同混播组合和混播比例建立人工草地。共设置22个混播处理,其中混播比例为占各自单播量的比例见表1。每个处理设置3个重复小区,小区面积3m5m(15m2),小区间间隔0.5m。于2018年5月完成小区种植,种植方式采用条播,行距30cm。

1.3 光强测定和计算

采用JC-PAR植物冠层测定仪,可测量400~700nm波段内的光合有效辐射(PAR)、自动记录测量值,单位是μmol/m/s。测量选择2020年8月中旬,晴天11:30~14:30之间进行。将1m长的探测器以对角的方向置于行中,依次在植物群落顶部、穗下、旗叶下、基生叶下测定光照辐射强度。计算获得冠层的累计截获率(I0-Ii)/I0(I0为顶部辐射强度,Ii为某一冠层结构下光照辐射强度),越接近群落底部累计截获率越高;绝对截获率(Ii-Ii+1)/Ii(Ii为某i冠层结构上部光照辐射强度,Ii+1为某i冠层结构下部光照辐射强度)和滤过率Ii+1/ Ii(Ii为某i冠层结构上部光照辐射强度,Ii+1为某i冠层结构下部光照辐射强度)。

2 结果

2.1 青牧1号老芒麦混播草地不同冠层高度光强特征

试验结果表明,青牧1号老芒麦混播草地冠层顶部光强各处理存在波动,最大值在HB12处理,为1352μmol/m/s,最低在HB22处理,为1134μmol/m/s,其他处理冠层没有显著差异。冠层顶部平均光照强度为1250μmol/m/s,变异系数0.0408,同一冠层结构呈现越接近地表变异系数增大趋势。穗下光强最高出现在HB11处理,大部分混播处理穗下光照辐射强度较高且差异不显著。HB15、HB21、HB22处理穗下光照强度显著低于其他处理。旗叶下和基生叶下光照辐射强度在不同混播处理下差异较大。旗叶下光照辐射较大是HB9、HB19、HB14、HB3和HB7处理,在HB22、HB21、HB20、HB10和HB1处理下最低,旗叶下平均光照辐射752μmol/m/s。基生叶光照辐射强度最高是HB2处理(544.33μmol/m/s),最低是HB1处理(150.33μmol/m/s),平均光照辐射强度352μmol/m/s,变异系数最大,为0.2876(图1)。

图1 青牧1号老芒麦混播草地光照强度在冠层中的分布情况

2.2 青牧1号老芒麦混播草地不同冠层结构对光的累计截获情况

从青牧1号老芒麦混播草地植物群落顶部到地表,累计光照辐射截获率逐渐增加,从0.1777到0.7178,同时也呈现随着冠层高度的降低,不同混播处理下累计光照辐射截获率的变异系数逐渐降低的趋势,从0.3522降至0.1085。穗下光强累计截获率最高的是HB21(0.3597),最低的是HB11(0.0567),平均光强截获率为0.1777。旗叶下光强累计光强截获率在HB17、HB22、HB10、HB1、HB8、HB12、HB8、HB15和HB20处理下普遍高于其他处理。旗叶下光强累计截获率较低的是HB9、HB19、HB14处理,旗叶下平均光强累计截获率为0.3974。基生叶下光强累计截获率在HB1、HB10和HB21处理下较高,在HB2、HB11和HB7处理下较低,基生叶下光强累计截获率平均为0.7178(图2)。

图2 青牧1号老芒麦混播人工草地冠层累计光截获率

2.3 青牧1号老芒麦混播草地不同冠层结构对光的绝对截获情况

青牧1号老芒麦混播植物群落,不同的冠层结构对光照辐射的绝对截获率存在显著差异,基生叶对光照辐射的绝对截获率最高,为0.5232,其次是旗叶0.2621,最低是穗0.1777。不同混播处理下,不同冠层对光照辐射的绝对截获率中,旗叶的光照辐射绝对截获率变异最高,为0.4403,其次是穗部0.3522,光照辐射绝对截获率变异最低的基生叶。穗下光强绝对截获率最高的是HB21和HB15处理,最低的是HB11和HB14处理。旗叶下光照辐射绝对截获率最高的是HB10、HB17和HB1处理,绝对截获率最低的是HB9处理(0.225)。基生叶光照辐射绝对截获率最高的是HB1处理(0.8758),最低的是HB11处理(0.5883)(图3)。

图3 青牧1号老芒麦混播草地冠层光照绝对截获率

2.4 青牧1号老芒麦混播草地不同冠层结构对光的滤过情况

光照辐射滤过率是冠层结构对光的透过程度。穗、旗叶和基生叶光照辐射滤过率依次较低(0.8223>0.7378>0.4764),光照辐射滤过率变异系数逐渐增大(0.0761<0.1565<0.2853)。群落穗部对光照辐射滤过率最高的是HB11处理(0.9433),滤过率最低的是HB21处理(0.6403),且普遍有较高的滤过率。旗叶对光照辐射的滤过率在不同处理下差异要高于穗部,其中旗叶光照辐射滤过率最高的是HB9处理(0.9647),滤过率最低的是HB10和HB17处理。基生叶光照辐射滤过率在各处理下差异最高,在HB2和HB11处理下滤过率最高,在HB1和HB19处理下最低(图4)。

图4 青牧1号老芒麦混播草地冠层结构对光的滤过影响

3 讨论

冠层的群体结构影响着光在冠层内的分布和利用,不同的种植方式和植物种类都会影响冠层结构间的差异,植物冠层内的可利用光为典型的指数变化,其变化的强度和程度会诱导冠层内叶片的结构和生理特性的变化。通常冠层顶部叶片的光合能力是底部叶片的2~4倍[6,7]。对于快速生长的草本植物,光照充分时生长迅速,且会随着新老叶的生长产生互相遮阴的效果。光和叶龄间的相互作用会在很大程度上影响冠层内叶片的最大光合速率和叶片的衰老进程。

青海1号老芒麦高度平均在1~1.5m之间,叶片在不同茎节都有着生,穗长在0.15~0.25m之间,下垂,植株高大,分蘖较多。青海中华羊茅平均高度在0.60~0.99m之间,整体叶位高于青海扁茎早熟禾,穗下垂。青海扁茎早熟禾平均高度分布在70~100cm之间,茎秆较高,穗直立开散,叶位偏低,以基生叶为主。在混播多年生植物群落中,青海中华羊茅和青海扁茎早熟禾的占比增加会提高穗的透光率,提高穗下光照辐射强度。青海中华羊茅和青海扁茎早熟禾单播对光照利用率不高,光照辐射滤过率较高。青牧1号老芒麦在群落中占比越高或青牧1号老芒麦、青海中华羊茅和青海扁茎早熟禾占比均一时,群落累计光照辐射较高。这些特性主要由于老芒麦植株高大、叶片较宽和其他两种牧草低矮、叶片细窄有关[11-14]。

在青藏高原8月中旬,中午晴朗天气条件下,光照辐射强度平均为1250μmol/m/s,随着冠层结构高度的降低,光照辐射强度降低,同时不同混播处理下光照辐射变异系数增大。穗下光强最高出现在HB11(2∶1∶1)处理,青海中华羊茅和青海扁茎早熟禾占50%,降低了老芒麦穗对光照辐射的截获;旗叶下光照辐射较大的是HB9(3∶1∶6)、HB19(1∶0∶1)、HB14(0∶1∶3)、HB3 (0∶0∶1)、HB7(6∶1∶3)处理,在这些处理中老芒麦在群落中占比总0%~60%,表明在该混播比例下,老芒麦旗叶对光照的截获影响不显著,基生叶下光照辐射强度最高的是HB2(0∶1∶0)处理,HB2处理为青海中华羊茅单播,其叶位在青牧1号老芒麦和青海扁茎早熟禾之间,叶量一般低于青海扁茎早熟禾,导致单播青海中华羊茅光照利用率最低。而基生叶累计光照截获率最高的HB1、HB10和HB21处理,分别为青牧1号老芒麦单播,3个品种的均匀混播和青牧1号老芒麦75%+青海扁茎早熟禾25%混播,表明青牧1号老芒麦在群落中占比较高和3个品种比例均匀一致时,光利用效率较高。

4 结论

在青藏高原8月中旬,中午晴朗天气条件下,光照辐射强度平均为1250μmol/m/s,随着冠层结构高度的降低,光照辐射强度降低,同时不同混播处理下光照辐射变异系数增大。穗下光强最高出现在HB11处理,旗叶下光照辐射较大的是HB9、HB19、HB14、HB3、HB7处理,基生叶下光照辐射强度最高的是HB2处理。

从植物群落冠层顶部到冠层底部,累计光照辐射截获率从17.77%增加到71.78%,旗叶下光强累计光强截获率在HB17、HB22、HB10、HB1、HB8、HB12、HB8、HB15和HB20处理下普遍较高,基生叶下光强累计截获率在HB1、HB10和HB21处理下较高。

光照辐射绝对截获率在基生叶这一冠层结构下最高,为52.32%,其次是旗叶26.21%,最低的是穗部17.77%。穗下光强绝对截获率最高的是HB21和HB15处理,旗叶下光照辐射绝对截获率最高的是HB10、HB17和HB1处理,基生叶光照辐射绝对截获率最高的是HB1处理。

穗、旗叶和基生叶光照辐射滤过率依次降低,群落穗部对光照辐射滤过率最高的是HB11处理,旗叶光照辐射滤过率最高的是HB9处理,基生叶光照辐射滤过率在HB2和HB11处理下最高。

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