棉田间作系统的农田小气候特征及光合特性

崔爱花，刘 帅，黄国勤

（1.江西省棉花研究所，江西 九江 332105；2.江西农业大学生态科学研究中心，南昌 330045）

间作是指一茬有两种或两种以上生育季节相近的作物，在同一地块成行或成带间作种植的方式。研究表明，间作具有提供粮食相对稳产和高产［1］，提高耕地复种指数［2］、资源高效利用［3，4］、投资风险小产值稳定［5］、防止水土流失［6］、有效防止病虫害和抑制杂草［7］等优点。棉花是中国最主要的经济作物之一，在国民经济中占据重要地位［8，9］。江西省地处长江中下游南岸，具备了适宜棉花生长发育的充足光照、充沛雨量、较长的无霜期等气候条件，是全国优质棉优势产区和商品棉生产基地之一，2015年棉花的播种面积、单产和总产分别达到8.11万hm2、1 421 kg/hm2和115 221 t［10］。近年来，由于受生产资料价格和人工成本的不断攀高、自然灾害等因素的影响，植棉比较效益降低，棉农植棉收益缺乏保障，棉花生产稳定性较差，棉花产业发展缓慢；另外，国家对粮食作物的重视、蔬菜面积的扩大等，棉花与粮食及其他作物的争地矛盾已成为制约棉花生产发展的重要因素之一。因此，大力发展以棉花为主体的间作对解决中国棉粮争地矛盾、促进绿色高效农业的可持续发展具有十分重要的意义。

农学界和地学界一直把作物生长发育与气候变化的关系作为重点研究的问题之一。除受非自然因素影响外，气象因子对棉花产量的影响较大，究其原因是气候因素的变化改变了棉田内部小环境［11，12］。李成尧等［13］、娄善伟等［14，15］、李树丛［16］、李富先等［17］分别对棉花不同种植行向、不同种植密度、不同株行距配置和新疆棉花膜下滴灌条件下的田间小气候效应进行了研究。近年来，前人对农作物间作系统的小气候研究主要集中在玉米间作系统［18，19］、果棉间作系统［20，21］等，而棉花与粮食、蔬菜间作的田间小气候研究较少［22］。光合作用是制约植物生长发育的重要的生理过程之一，同时又是一个对环境条件变化很敏感的生理过程，被认为是植物生理的主攻方向之一［23，24］。本研究利用棉花及其他3种作物在不同种植模式下，从系统内部环境因子和作物生理指标等多角度分析不同处理之间的差异，探讨棉田间作对棉花及其他作物小环境的影响，以期为优化棉田高产高效种植模式、提高棉田生产水平、促进棉花产业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2017年在江西农业大学科技园进行。试验地地势平坦，光热资源充足，年平均日照时数为1 559.9 h，年平均日照总辐射102.55 kJ/cm2，无霜期约269 d，年均降雨量1 658.9 mm，年均温度16.5℃，≥10℃的活动积温为5 521℃。试验地为低岗地，无灌溉条件。试验初始土壤容重为1.304 g/cm3，总孔隙度为52.98%，毛管孔隙度为41.55%，有机质为29.78 g/kg，全氮为1.34 g/kg，碱解氮为90.00 mg/kg，全磷为1.18 g/kg，有效磷为76.35 mg/kg，全钾为55.38 g/kg，速效钾为107.5 mg/kg，pH为4.75。

1.2 试验设计

大田试验设棉花间作大豆、棉花间作玉米和棉花间作甘薯3种间作模式及棉花单作、大豆单作、玉米单作和甘薯单作4种单作模式。每处理重复3次，共21个小区，随机区组排列，小区长为6.0 m，宽5.5 m，面积为33.0 m2。

供试品种：棉花为赣棉杂1号，由江西省棉花研究所选育和提供；玉米为甜糯玉米、甘薯为南昌农家种、大豆为东北毛豆，均购自江西农业大学农贸市场。

间作模式：于4月17日翻耕开沟播种棉花，行距和株距分别为100 cm和40 cm，施钙镁磷肥375 kg/hm2（基肥）、氯化钾225 kg/hm2（基肥∶苗肥∶花铃肥=3∶3∶4）、尿素450 kg/hm2（基肥∶苗肥∶花铃肥=2∶3∶5）；于4月16日在棉花行中间开沟播种大豆，行距和株距分别为100 cm和25 cm，施钙镁磷肥325 kg/hm2（基肥）、氯化钾200 kg/hm2（基肥∶苗肥∶孕穗肥=3∶3∶4）、尿素450 kg/hm2（基肥∶苗肥∶孕穗肥=2∶3∶5）；于4月16日在棉花行间开沟播种玉米，种植规格同大豆，施钙镁磷肥325 kg/hm2（基肥）、氯化钾200 kg/hm2（基肥∶苗肥∶孕穗肥=3∶3∶4）、尿素320 kg/hm2（基肥∶苗肥∶孕穗肥=2∶3∶5）；于4月25日在棉花行间开沟栽种甘薯苗，种植规格同大豆和玉米，施钙镁磷肥225 kg/hm2（基肥）、氯化钾150 kg/hm2（基肥）、尿素240 kg/hm2（基肥∶追肥=1∶2）。

单作模式：棉花、大豆、玉米和甘薯单作的播期、种植规格及施肥方式同间作模式，其他田间管理同常规大田。

1.3 测定项目及方法

温度、湿度测定：于6月、7月和9月，采用小型温湿度仪ZDR-20分别观测并记录棉花间作大豆、棉花间作玉米、棉花间作甘薯3种间作模式以及对应的单作模式内空气温度、空气相对湿度等指标，每天8：00—18：00作为1个测量周期，每间隔1 h测定1次，数据选用3个月中天气较好的连续3 d测量的数据。

光合测定：于6月、7月和9月，每月选择晴朗天气，采用Li-6400便携式光合仪分别测定间作模式中大豆、玉米和甘薯及对应单作的功能叶的光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度，每个处理选择生长一致的3株作物进行测定，每天8：00—18：00作为1个测量周期，每间隔1 h测定1次。

1.4 统计方法

采用Microsoft Excel 2010进行原始数据整理，并采用SPSS17.0系统软件进行数据分析，采用OriginPro 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 棉田间作对小气候的影响

2.1.1 棉田间作对空气温度的影响 不同种植模式空气温度日变化和日均值分别由图1和表1表示。由图1可知，各种植模式内空气温度日变化趋势总体上均呈先升高后降低的趋势。棉花间作大豆、棉花间作玉米、棉花间作甘薯模式及棉花单作、大豆单作、甘薯单作模式的日最高温度均出现在12：00，玉米单作模式的日最高温度出现在14：00。由表1可知，棉花与大豆各种植模式中，大豆单作模式的空气温度日均值最高，为34.3℃，显著高于棉花间作大豆模式（P＜0.05），但与棉花单作差异不显著；棉花与玉米各种植模式中，棉花单作模式的空气温度日均值分别极显著高于玉米单作和棉花间作玉米模式（P＜0.01），而后两者之间差异不显著；棉花与甘薯各种植模式中，甘薯单作模式的空气温度日均值最高，但与棉花间作甘薯及棉花单作模式差异不显著。

表1 不同种植模式空气温度日均值

图1 不同种植模式空气温度的日变化

2.1.2 棉田间作对空气相对湿度的影响 不同种植模式空气相对湿度日变化和日均值分别如图2和表2表示。由图2可知，各模式内空气相对湿度日变化趋势均表现为U形曲线，早晚高、中间低。棉花单作模式及甘薯单作模式的空气相对湿度均在13：00达到最低点，棉花间作大豆、棉花间作玉米和棉花间作甘薯模式及大豆单作模式的空气相对湿度均在12：00达到最低点；玉米单作模式的空气相对湿度在11：00最低。

图2 不同种植模式空气相对湿度的日变化

由表2可知，棉花与大豆各种植模式中，棉花单作和大豆单作模式的空气相对湿度日均值均较低，分别为62.7%和63.6%，且两者之间差异不显著，但分别比棉花间作大豆模式（68.7%）低6.0和5.1个百分点，差异达极显著水平（P＜0.01）。形成这种现象的原因可能有以下两个方面：棉花的遮阴效果减缓了蒸发作用，降低了间作内部温度，导致空气湿度较高；间作模式充分利用了棉花下空间，导致模式内风速降低，气流减缓使得下层大豆的蒸腾作用下降，水气在间作内部积聚，从而提高了空气相对湿度；棉花与玉米各种植模式中，棉花单作模式空气相对湿度日均值最低，为62.7%，小于玉米单作模式和棉花间作玉米模式，差异达极显著水平（P＜0.01）；棉花与甘薯各种植模式中，甘薯单作模式空气相对湿度日均值最低，为55.0%，比棉花单作模式和棉花间作甘薯模式低7.7和9.5个百分点，差异达极显著水平（P＜0.01），而棉花间作甘薯模式与棉花单作模式间空气相对湿度日均值差异不显著。

表2 不同种植模式空气相对湿度日均值

2.2 棉田间作对间作农作物光合特征的影响

2.2.1 棉田间作对净光合速率的影响 棉田间作对各农作物叶片净光合速率的影响见图3。由图3a可知，6月棉花间作大豆模式下大豆叶片的净光合速率日变化趋势与大豆单作模式基本一致，均呈双峰曲线。大豆单作模式叶片的净光合速率峰值分别出现在11：00和14：00，分别为18.0、15.7μmol/（cm2·s），棉花间作大豆模式下大豆叶片的净光合速率峰值分别出现在12：00和15：00，分别为16.8、16.4μmol/（cm2·s）。由图3b可知，7月玉米单作模式和棉花间作玉米模式内玉米叶片的净光合速率日变化均呈单峰曲线，且峰值均出现在12：00，峰值分别为26.0、35.0μmol/（cm2·s），间作模式在12：00之前叶片的净光合速率均高于玉米单作模式，中午之后则相反。由图3c可知，9月甘薯单作模式叶片的净光合速率日变化呈双峰曲线变化，两峰值分别出现在11：00和14：00，分别为17.2、15.0μmol/（cm2·s），棉花间作甘薯模式内甘薯叶片的净光合速率日变化曲线与单作模式相比较为平缓，峰值分别出现在12：00和14：00，分别为13.1、12.9μmol/（cm2·s）。

图3 不同种植模式农作物叶片净光合速率的日变化

多重比较分析表明（表3），大豆单作模式叶片的净光合速率日均值高于棉花间作大豆模式，但两处理之间差异不显著；玉米单作模式叶片的净光合速率日均值低于棉花间作玉米模式，但两处理间差异不显著；甘薯单作模式叶片的净光合速率日均值高于棉花间作甘薯模式，两处理间差异达显著水平（P＜0.05）。

表3 不同种植模式下农作物叶片净光合速率日均值

2.2.2 棉田间作对气孔导度的影响 由图4a可知，大豆单作模式、棉花间作大豆模式下大豆的叶片气孔导度日变化趋势均呈双峰曲线，出现双峰曲线的原因主要是早上温度较低，气孔处于微开状态，随着气温的升高气孔逐渐张大，出现第一个峰值，中午时段由于太阳光的强烈照射，大豆的气孔自动关闭，减少水分蒸腾，气孔导度降低，随后逐渐回升，晚上气温下降，气孔导度又下降至最低。其中，大豆单作模式叶片的气孔导度的峰值出现在12：00和16：00，分别为0.376、0.350 mol/（m2·s），棉花间作大豆模式内大豆叶片的气孔导度峰值分别出现在13：00和16：00，分别为0.321、0.319 mol/（m2·s）。由图4b可知，玉米单作模式、棉花间作玉米模式内玉米叶片气孔导度日变化趋势均呈单峰曲线，且均在12：00达到峰值，分别为0.480、0.550 mol/（m2·s）。由图4c可知，甘薯单作模式和棉花间作甘薯模式中甘薯叶片的气孔导度日变化均为单峰曲线，甘薯单作模式的峰值出现在10：00，为0.580 mol/（m2·s），棉花间作甘薯模式的峰值出现在11：00，为0.390 mol/（m2·s）。

图4 不同种植模式农作物叶片气孔导度的日变化

多重分析表明（表4），大豆单作模式叶片的气孔导度日均值高于棉花间作大豆模式，但两处理间差异不显著；玉米单作模式叶片的气孔导度日均值低于棉花间作玉米模式，差异显著（P＜0.05）；甘薯单作模式叶片的气孔导度日均值高于棉花间作甘薯模式，两处理间差异达显著水平（P＜0.05）。

表4 不同种植模式下农作物叶片气孔导度日均值

2.2.3 棉田间作对蒸腾速率的影响 各模式作物叶片蒸腾速率的变化趋势如图5所示。由图5a可知，大豆单作模式叶片的蒸腾速率日变化趋势呈双峰曲线，而棉花间作大豆模式呈波动曲线。大豆单作模式的峰值分别出现在11：00和16：00，峰值分别为4.52、3.90μmol/（m2·s），棉花间作大豆模式的峰值分别出现在11：00和15：00，分别为4.18、3.70μmol/（m2·s）。由图5b可知，玉米单作模式和棉花间作玉米模式下的玉米叶片蒸腾速率日变化趋势均呈双峰曲线，玉米单作模式的峰值分别出现在11：00和15：00，分别为4.20、3.52μmol/（m2·s），棉花间作模式的峰值分别出现在11：00和14：00，分别为4.90、3.94μmol/（m2·s）。由图5c可知，甘薯单作模式和棉花间作甘薯模式下甘薯叶片的蒸腾速率日变化趋势均呈双峰曲线，甘薯单作模式的峰值分别出现在10：00和16：00，分别为4.17、2.70μmol/（m2·s），棉花间作甘薯的峰值分别出现在11：00和15：00，峰值分别为3.41、2.52μmol/（m2·s）。

多重分析表明（表5），棉花间作模式下大豆叶片的蒸腾速率日均值低于大豆单作模式，但两处理间差异不显著；玉米单作模式的蒸腾速率低于棉花间作玉米模式，差异不显著；甘薯单作模式叶片的蒸腾速率日均值高于棉花间作甘薯模式，两处理间差异达显著水平（P＜0.05）。

表5 不同种植模式下农作物叶片蒸腾速率日均值

2.2.4 棉田间作对胞间CO2浓度的影响 由图6a可知，大豆单作模式和棉花间作大豆模式下大豆的胞间CO2浓度日变化均与气孔导度变化所呈现的M形双峰曲线相反。大豆单作模式叶片的胞间CO2浓度最低值分别出现在12：00和15：00，分别为222.0、242.3μmol/（m2·s），棉花间作大豆模式下大豆叶片胞间CO2浓度的最低值也同样出现在12：00和15：00，分别为250.0、246.5μmol/（m2·s）。

由图6b可知，玉米单作模式和棉花间作玉米间作模式下玉米叶片胞间CO2浓度日变化呈逐渐下降趋势。玉米单作模式和棉花间作玉米模式下玉米叶片胞间CO2浓度随着时间的推移和气温的逐渐上升，浓度逐渐降低，到12：00以后下降趋势有所减缓。

由图6c可知，棉花间作甘薯模式及甘薯单作模式中甘薯叶片的胞间CO2浓度日变化均呈W形曲线分布。棉花间作甘薯模式下甘薯叶片的胞间CO2浓度的两个最低值分别为280.0、276.1μmol/（m2·s），分别出现在11：00和15：00，甘薯单作模式叶片胞间CO2浓度最低值分别出现在12：00和16：00，分别为257.3、240.8μmol/（m2·s）。

图6 不同种植模式农作物叶片胞间CO2浓度的日变化

多重分析表明（表6），棉花间作大豆模式中大豆叶片的胞间CO2浓度日均值高于大豆单作模式，差异不显著；玉米单作模式叶片的胞间CO2浓度日均值高于棉花间作玉米模式，差异不显著；甘薯单作模式叶片的胞间CO2浓度日均值低于棉花间作甘薯模式，差异显著（P＜0.05）。

表6 不同种植模式下农作物胞间CO2日均值

3 讨论

气候是影响农业生产中作物产量最主要的因素之一［25］，棉花与不同作物间作，系统内作物冠层的光、热、水等资源会发生改变，作物的生理指标如叶面积指数、光合特征等也会随之发生改变，继而影响作物产量［14］。

间作模式相对于单作来说可有效降低空气温度［26-29］。滕维超［29］在对油茶-农作物间作、油茶单作及农作物单作的空气温度进行分析表明，无论间作或单作，系统内的空气温度均呈先上升后下降的趋势，油茶-农作物间作较油茶单作均有显著的降温作用。本研究的结果与其类似，棉田间作和单作的空气温度亦是随时间推移均呈先上升后下降的趋势，棉田间作各模式的日平均温度最低，除了玉米单作外，大豆和甘薯单作的降温作用均低于棉花单作，主要是由于玉米单作植株的秸秆高，冠层荫蔽以及改变气流方向和降低风速等因素造成的。本研究中各系统内空气相对湿度日变化趋势曲线均表现为U形，棉花间作大豆、棉花间作玉米和棉花间作甘薯模式分别较大豆、玉米和甘薯单作的空气相对湿度有所提高，这与前人［29-32］的研究结论较一致。

玉米、大豆间作可提高玉米叶片的光合速率、蒸腾速率及气孔导度，降低胞间CO2浓度［33-35］。焦念元等［36］在对玉米、花生间作复合体系光合特性的研究中认为，间作日平均光合速率大于单作，说明间作延长了玉米高光合功能期。本研究中玉米单作模式的日平均光合速率低于棉花间作玉米模式，正好印证了上述观点。滕维超［29］指出，油茶-农作物间作模式中各农作物单作模式的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均高于间作模式。本研究中也有类似结论，大豆单作模式和甘薯单作模式叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等均分别高于棉花间作大豆和棉花间作甘薯模式，胞间CO2浓度正好相反。

4 小结

棉田间作及相应单作的空气相对湿度日变化趋势均表现为U形曲线，空气温度日变化趋势呈先升高后降低的趋势；棉田间作较相应单作可提高系统内的空气湿度，不同程度降低空气温度，避免高温胁迫和昼夜温差对作物造成伤害；棉田间作可改善间作农作物（大豆和甘薯）的光合午休现象，降低其叶片净光合速率、气孔导度及蒸腾速率，有效提高胞间CO2浓度，避免高温胁迫和昼夜温差对作物造成伤害。综合看来，棉花间作甘薯模式在改善甘薯光合午休现象、降低系统内空气温度、提高空气湿度方面的优势较其他间作模式更为明显。