太行山南麓核桃-菘蓝/决明复合系统种间水分关系

2021-12-27何春霞陈平张劲松孟平孙守家高峻

林业科学研究 2021年4期

何春霞，陈平，张劲松＊，孟平＊，孙守家，高峻

(1.中国林业科学研究院林业研究所，国家林业和草原局林木培育重点实验室，北京 100091；2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏南京 210037；3.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

通过林木和作物的合理间作，农林复合系统能充分利用水肥光热资源，既能保持生态功能，又能在降低投入的情况下可持续获得林产品（木材或果实）[1]和作物收成，如Niether等[2]对可可树（Theobroma cacaoLinn.）、Sun等[3]、孙守家等[4]和何春霞等[5]对核桃（Juglans regiaL.）-绿豆（Vigna radiate(L.) Wilczek）或小麦（Triticum aestivumL.）等及Rivest等[6]对杨树（Populus nigra×P.maximowiczii）/大豆（Giycine max(L.)Merr.）等的研究都表明，农林间作比单作具有产量优势；Muñoz-Villers等[7]研究得出咖啡（Coffea arabicaL.）复合系统的种间水分互补关系。也有农林复合系统种间水分竞争的报导，如核桃树/花生（Arachis hypogaeaL.）[8]、旱季的南酸枣（Choerospondias axillaris(Roxb.) Burtt et Hill.）/花生[9]及枣农间作系统[10]。量化不同复合系统的种间水分关系，有助于合理选择和配置农林复合系统[4]。

农林复合系统中，林木的耗水规律可通过液流法[11]估算，而作物耗水却不易估算。能量平衡法估算的耗水[12]包括植物蒸腾和土壤蒸发，二者无法区分开来。涡度相关法能区分农田的土壤蒸发和作物蒸腾[13]，但不适用于下垫面不一致的农林复合系统。植物稳定碳同位素比率（δ13C）整合了其生长过程的水分状况，与植物水分利用效率（WUE）成正比，能指示其长期水分状况[14-16]。因为干旱时，叶片内外水汽压差增加，叶片会关闭气孔、降低导度以减少蒸腾和充分利用水分，这也引起胞间CO2浓度降低，使得光合作用对13C 的甄辨率降低，最终造成叶片中13C 富集、δ13C 增大[17]。结合作物的WUE和生物量可估算其耗水量[18]，且只需少量组织，能简化农林复合系统的水分关系研究。

在太行山南麓低丘山区，立地和灌溉条件差，季节性干旱等极端气候频发，导致水分亏缺制约其农林业发展，当地为了增收大力发展果树与作物等间作。核桃位居中国四大干果之首，适应性强，具有水土保持等生态功能。决明（Cassia toraLinn.)是豆科药材，种子可明目。菘蓝（Isatis tinctoriaLinnaeus，板蓝根）属十字花科药材，具清热解毒，凉血消斑功效。这2种药材虽在华北复合农林实践中广泛栽培，但其种间关系研究尚且匮乏。本文采用稳定碳同位素方法，结合树干液流，研究该区核桃-决明/菘蓝复合系统的耗水特征和水分利用等，旨在量化其种间水分关系，并为3种植物的管理和当地农林复合系统的优化提供理论依据。

1 试验地概况及材料

1.1 试验地概况

试验地设在黄河小浪底森林生态系统国家定位研究站(35.02° N，112.47° E)，地处太行山南麓，属暖温带大陆性季风气候。年均日照时数2 367.7 h，年降水量641.7 mm（6—9月占68.3 %）。土壤母质多为石灰岩，风化淋溶后形成褐土，土层厚度50～80 cm，石砾含量10%～18%，pH 值7.6～8.5，速效氮、磷、钾含量分别为21.4～80.0、2.60～8.16、60～102.35 mg·kg–1，有机质含量为8.28～16.5 g·kg–1。

1.2 试验材料

试验地位于东西长140～200 m、南北宽20～30 m 的水平梯田上。于2006年核桃东西向种植，株×行距为3 m×8 m，树高、地径和冠幅均值分别为5.2 m、14.1 cm 和2.7 m。菘蓝为秋种夏收，决明为夏种秋收。菘蓝于2011年11月15 日播种，2012年6月8 日收获；7月3 日换茬决明，10月10 日采收；11月19 日再播种菘蓝，2013年6月15 日收获；6月22 日换茬决明，10月17 日采收。菘蓝/决明的株×行距均为20 cm×50 cm，南、北侧离核桃树1.5 m。单作菘蓝/决明位于复合系统50 m 外的梯田上。试验期间无灌溉补水措施。

2 研究方法

2.1 气象因子和土壤含水量监测

小气候自动观测系统观测空气温度（Ta）、相对湿度（RH）和降雨量（RF），温湿度传感器为HMP45C（Vaisala Inc.，Vantaa，Finland），雨量筒传感器和数据采集器为TE525M 和CR10X（Campbell Scientific Inc.,Logan,USA）。

TDR（Time Domain Reflectometry）和TRIMET3（IMKO Inc.，German）测定0～20、20～40、40～60、60～80 cm 深度的土壤含水量。TDR 管埋设在核桃树行北侧0.5 m（N0.5）、1.5 m（N1.5）、中间4 m（M）和南侧1.5 m（S1.5）处，图1 所示为1个测点，设3个测点作为重复，单作药草地中也埋设3个测点。

图1 试验区测点布设示意图Fig.1 Sketch of sampling spots in the experiment field

2.2 植物稳定碳同位素比率（δ13C）及水分利用效率（WUE）、耗水量（WU）的测算

2.2.1 植物稳定碳同位素比率（δ13C）的测算2012、2013年分别于菘蓝苗期（03-22、03-28）、开花期（04-25、04-26）、成熟期（05-30、05-31）和决明苗期（07-26、07-19）、开花期（08-27、08-24）、成熟期（09-18、09-25）取样。核桃取树冠中部南向叶片；在N1.5、N2.5、M、S2.5、S1.5 位置处（图1，共重复3个测点）对菘蓝/决明各部分取样（每样品为5株混合），测定生物量。叶片烘干、粉碎、过筛后在中国林业科学研究院质谱实验室用元素分析仪（Thermo Scientific Flash1112 HT，美国）和质谱仪（DELTA V Advantage Isotope Ratio Mass Spectrometer）测定δ13C 值。计算公式如下[19]：

式（1）中：Rsample和Rstandard分别是样品和标准物质PDB（Pee Dee Belemnite）的13C/12C 比值，δ13C 表示样品13C/12C 与标准样品PDB 偏离的千分率，测定精度为0.1‰。

2.2.2 水分利用效率（WUE）的测算根据Farquhar等[17,19]的研究计算水分利用效率（WUE（mmol C·mol−1H2O））：

式（2）中：a=4.4‰、b=27‰分别为CO2扩散和羧化过程中的同位素分馏系数；Ca为大气CO2浓度；δa和δp分别为大气与植物样品的δ13C 值；1.6 为水蒸汽和CO2在大气中的扩散比率。δa和Ca的数据来自定位站的CO2同位素在线分析系统（Los Gatos Research,USA）。VPD为叶片内外蒸汽压差（kPa），计算公式如下[18]：

式（3）中：T为叶温，根据研究气温每升高1℃，叶温升高0.72℃[20]；RH表示大气相对湿度；0.611 为气温0℃时纯水平面上的饱和水汽压。

2.2.3 植物耗水量（WU）测算一段时期内植物耗水量（WU）为其碳同化量与WUE的乘积，碳同化量即各器官的干生物量（DW，g）乘以含碳率（CC，mg·g−1），即：

将式（2）中：WUE的单位由mmol C·mol−1H2O 换算成mg C·g−1H2O，代入式（4），即可计算出单位面积菘蓝/决明的耗水量，为方便比较，除以土地面积，将耗水量换算成以mm 为单位。

产量土地当量比（LER）计算公式[21]为：

式（5）中：Y1、Y2、Y3和分别为间作菘蓝、间作决明、间作核桃和单作菘蓝、单作决明、单作核桃的单位面积的产量。

产值水分利用效率（WUEe，元·hm−2·mm−1H2O）[21]计算公式为：

2.3 核桃树干液流测定及耗水量计算

对间作和单作核桃，分别选5 棵标准木，采用热扩散法（TDP-30，北京雨根公司）测定树干液流。数据采集器为CR1000X（Campbell Scientific Inc.,Logan,USA）。液流测算公式如下[11]：

式（7）～（10）中：Fd为液流密度（g·m−2·s−1）；Fs为液流速率（L·h−1）；K为无量纲参数；dT为2个探针某时刻的温差值，dTM为日温差最大值；SA为树干边材面积（cm2），D和d分别为去皮和心材直径（cm）。试验后用生长锥取探针处树干的树芯，计算边材面积。将单株核桃的液流速率按时间积分得到其耗水量，乘以核桃密度（416株·hm−2）得出林分耗水量（mm）。

2.4 数据分析

采用 EXCEL 对数据进行分析和作图，采用SPSS18.0 统计软件对数据进行统计分析。

3 结果和分析

3.1 研究地气象因子的季节变化

图2 为研究区生长季（4—10月）的气象因子，2012年和2013年的年均气温、相对空气湿度和总降水量分别为22.18℃、64.86 %、493.0 mm 和22.41℃、70.64 %、409.0 mm。

图2 研究地2012年和2013年生长季的气象因子Fig.2 Climatic factors in the year 2012 and 2013 at the study area.

3.2 不同系统不同时期的土壤含水量及药材的δ13C 值和WUE

3.2.1 不同系统间不同时期的土壤含水量单作和间作系统的土壤含水量季节变化见图3。受降雨分布影响，总体2012年土壤含水量高于2013年。2012年，土壤含水量均随菘蓝生长逐渐减少；在决明生长时期土壤含水量较高且随其生长变化不大。2013年，菘蓝生长前期土壤较干旱（含水量仅10% 左右），生长后期（5月29 日）受降雨补充有所提高；土壤含水量则随决明生长缓慢减少。

在同一时期，土壤含水量为：复合系统 >单作核桃 >单作菘蓝/决明（图3），除2012年4月25 日外，复合系统与单作核桃均差异不显著。除2012年9月18 日，2013年3月28、4月26 和10月12 日三者差异不显著外，复合系统与单作菘蓝/决明其他时期均差异显著（P<0.05）。单作核桃在2012年6月3 日、7月26 日和2013年5—9月也显著高于单作菘蓝/决明。2012、2013年复合系统的土壤含水量在上半年比单作菘蓝分别增加26.74%和7.93%，下半年比单作决明分别增加17.39%和13.65%。

图3 2012年和2013年不同系统0～80 cm 土层平均土壤含水量的时间动态变化Fig.3 Temporal variation of soil water content at different intercropping systems in 2012 and 2013

3.2.2 不同系统不同时期药材的δ13C 值图4 表明：随着菘蓝和决明生长，其δ13C 值均逐渐增大；间作菘蓝和决明的δ13C 均低于对应的单作，2012、2013年间作菘蓝比单作菘蓝分别低3.61%、3.88%，间作决明比单作决明分别低2.95%、1.01%；除了2013年开花期和成熟期间作决明略高于间作菘蓝外，决明的δ13C 总体小于菘蓝的。

图4 2012年和2013年不同系统药材δ13C 的季节变化Fig.4 Seasonal variation of crop leaf δ13C at different intercropping systems in 2012 and 2013

3.2.3 不同系统不同时期药材的WUE图5 表明：菘蓝的水分利用效率（WUE）随其生长逐渐减少（同时期间作、单作菘蓝差异不显著）；决明的WUE在2012年随生长逐渐增加，2013年则逐渐减少，且间作决明在2012年成熟期和2013年苗期显著低于单作决明。

图5 2012年和2013年不同系统各组分WUE 的季节变化Fig.5 Seasonal variation of leaf WUE at different intercropping systems in 2012 and 2013

3.3 间作系统不同位置的土壤含水量及药材的δ13C 值和WUE

3.3.1 间作系统不同位置的土壤含水量图6 表明：间作系统中的土壤含水量总体表现为树行中间位置（M）处最低，而距离核桃树较近的位置较高。

图6 2012年和2013年间作系统土壤含水量的水平变化特征Fig.6 Horizontal variation of soil water content at the intercropping system in 2012 and 2013

3.3.2 间作系统不同位置药材的δ13C 值图7 表明：间作系统中，2012年菘蓝的δ13C 各时期均为S2.5 处最小，苗期的M 和S1.5 处及成熟期的N2.5和S1.5 处较高；2013年苗期仍为S2.5 处最低，M 和S1.5 处较高，成熟期则S1.5 和N2.5 处较低，M 和S2.5 处较高。2012年决明苗期的δ13C 值为N1.5 处最低；开花期和成熟期为M 处最高；2013年决明开花期在N2.5 和M 处及成熟期在N2.5处显著高于其他位置。

图7 2012年和2013年间作系统距离核桃不同位置菘蓝/决明叶片δ13C 的季节变化Fig.7 Seasonal variation of leaf δ13C in woad and sickle senna of the intercropping systems at different position in 2012 and 2013

3.3.3 间作系统不同位置药材的WUE图8 表明：间作系统中，在2012年苗期和开花期，菘蓝的WUE为S2.5 处最低，而M 和S1.5 处较高；在2013年苗期为M 和S1.5 处较高，S2.5 处最低，成熟期则S1.5 处最低。决明的WUE在2012年苗期和开花期均为M 处最高，在2013年总体为N2.5 处最高。

图8 2012年和2013年间作系统距离核桃不同位置菘蓝/决明WUE 的季节变化Fig.8 Seasonal variation of WUE in woad and sickle senna of the intercropping systems at different positions in 2012 and 2013

3.4 不同系统核桃和药材的耗水量

3.4.1 不同系统不同生长时期的耗水量核桃在6—8月（菘蓝成熟期和决明苗期、开花期）的耗水量较大（图9），间作核桃、单作核桃在2012和2013年分别约占其生长季总耗水的69.03%、68.36%和71.38%、69.90%；间作和单作核桃的生长季（4—10月）总耗水量在2012年分别为104.79、116.21 mm，2013年分别为104.44、112.13 mm，单作比间作分别高10.90%、7.36%。

菘蓝和决明的耗水量随其生长逐渐增加，且间作均低于单作（图9）。间作菘蓝、间作决明、单作菘蓝、单作决明的总耗水量在2012年分别为65.15、40.17、119.10、90.97 mm，在2013年分别为23.78、64.69、47.20、167.90 mm，2012年菘蓝高于决明，2013年决明高于菘蓝。

图9 2012年和2013年不同间作系统各组分水分利用效率的季节变化Fig.9 Seasonal variation of water use in different intercropping systems in 2012 and 2013

在复合系统中，核桃和菘蓝的耗水比例：在2012年是0.70:1，菘蓝高于核桃，在2013年则是2.06:1，核桃高于菘蓝。核桃和决明的耗水比在2012 和2013年分别是1.79:1 和1.42:1，核桃均高于决明。

3.4.2 间作系统不同位置药材的耗水量图10 表明：核桃-菘蓝间作系统中，树行南北1.5 m 处菘蓝总耗水量最少，其次是树行南北2.5 m 处，M 处的最大（2012 和2013年分别为95.51、41.50 mm，是S1.5 处的2.8 倍和3.4 倍）。在核桃-决明系统中，M 处决明的总耗水量最多，除了2013年开花期N1.5 处耗水最高外，其他时期表现为距离树行越近耗水越少。

图10 2012年和2013年间作系统距离核桃不同位置菘蓝/决明耗水量的季节变化Fig.10 Seasonal variation of water use in woad and sickle senna of the intercropping systems at different positions in 2012 and 2013

3.5 不同间作系统的经济效益

表1 表明：在复合系统中，核桃、菘蓝和决明的产量均低于对应的单作。当年每公斤绿皮核桃、菘蓝和决明的价格分别约为10、10、4 元，计算的2012年复合系统、单作核桃和单作菘蓝/决明收入分别为37 493、25 451、30 135 元·hm−2；复合系统是单作核桃的1.47 倍、单作菘蓝/决明的1.24倍。2013年复合系统、单作核桃和单作菘蓝/决明的收入分别为28 392、22 900、19 030 元·hm−2，均低于2012年，依然是复合系统最高，分别是单作核桃的1.24 倍、单作菘蓝/决明的1.49。复合系统的产量土地当量在2012 和2013年分别为1.98、1.89；产值水分利用效率均为单作核桃最高，2012年和2013年分别为21.90、20.42 元·t−1·hm−2，其次是复合系统，分别为17.84、14.72 元·t−1·hm−2，单作菘蓝/决明最低，分别为14.35、8.85 元·t−1·hm−2。

表1 不同间作系统收获指标Table 1 Harvest indice of different agroforestry systems

4 讨论

在2012 和2013年，复合系统的土壤含水量比单作菘蓝/决明提高8% 以上，也高于单作果树。这是由于核桃林带能减弱风速和乱流交换，加上药材的间作使植被覆盖度大，裸露土壤减少，蒸发面积降低，使得复合系统内部蒸散量低于开阔农田和单作核桃，土壤含水量增加[22]。Ling等[23]对油菜（Brassicarapavar.oleiferade Candolle）/黄花菜（Hemerocallis citrinaBaroni）及Siriri等[1]对乌干达梯田的农林复合系统研究也得出同样的结论；但在较干旱的2013年，复合系统和单作核桃的土壤含水量差异不大，表明干旱时期复合系统的种间水分竞争可能有所加大，从而抵消其保水效应。对南酸枣/花生[9]和枣农复合系统[10]的研究也表明干旱期间种间竞争加剧。

复合系统中，核桃树行中间处土壤含水量较低、药材的耗水量也较多，且在菘蓝苗期及决明的大多生长时期此处的水分利用效率（WUE）也较高，这应是药材对复合系统不同位置处土壤含水量和小气候的生理生态反应[22]。因为，此处核桃遮蔽少、相对湿度低，造成药材蒸腾较强，核桃6—8月耗水较多也与决明的耗水高峰重叠、吸收区域重合，造成水分竞争加大，加上春旱和秋旱，此处药材会相应提高WUE[15]。

从降雨分布看，菘蓝生长时期处于春旱少雨期，而决明生长前中期处于雨季，生长后期多秋旱。决明生长前中期的水分充足，与核桃的水分竞争较少，间作决明的水分状况好于单作决明，δ13C 值和WUE反而低于单作药材。由于2012年春旱，使得菘蓝时期的水分比决明的差，其δ13C值也显著高于决明，意味着菘蓝受到的水分亏缺更严重。

菘蓝的总耗水量2012年高于决明，2013年则低于决明，这与其生长期降雨密切相关。2013年生长季总降雨量比2012年少84 mm，各系统的产量均比2012年有所减少。间作决明的WUE小于单作决明、而复合系统中核桃、菘蓝/决明的耗水量均低于单作核桃、单作菘蓝/决明，这些都进一步表明复合系统中核桃树冠和间作药材遮阴有效保持了系统内的水分，使其全生育期蒸腾和耗水量降低[22，24]。对其水分来源研究[25]也得出，核桃-菘蓝/决明复合系统中核桃在旱季主要利用深层土壤水以避开与浅根作物的水分竞争[26]，并对浅根药材菘蓝具有水力提升作用；在雨季则转向以利用补充雨水的浅层土壤水为主，表现为种间水分互利关系。2013年核桃-菘蓝间作系统中，核桃耗水所占比率比2012年明显增加，应该与降水少、土壤干旱对菘蓝的耗水和生长影响较大但对深根的核桃影响较小有关。对咖啡间作系统[7]及其他复合系统[27]的研究也得出种间水分互补关系的结论。

豆科植物可通过根瘤固定大气中的氮素，并提供给非豆科间作植物，后者还能反过来促进豆科植物的固氮作用[28]，进而提高复合系统的地力和产量[29]，如豆科与禾本科等作物的间作[30]。本研究中，豆科植物决明与其他组分的氮素关系如何，其间作能否提高复合系统的氮素和产量等，有必要做进一步研究。