趙 陽(yáng), 喬 杰, 王煒煒, 王保平**, 周海江, 崔令軍, 段 偉, 蘇凌燕

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泡桐林網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)小麥產(chǎn)量對(duì)光合有效輻射分布的響應(yīng)*

趙 陽(yáng)1, 喬 杰1, 王煒煒2, 王保平1**, 周海江1, 崔令軍1, 段 偉1, 蘇凌燕3

(1. 國(guó)家林業(yè)局泡桐研究開發(fā)中心 鄭州 450003; 2. 北京林淼生態(tài)環(huán)境技術(shù)有限公司 北京 100000; 3. 長(zhǎng)葛市林業(yè)技術(shù)推廣站 長(zhǎng)葛 461500)

本研究以黃淮海平原地區(qū)重要的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式泡桐-小麥林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象, 通過對(duì)2013—2015年系統(tǒng)內(nèi)光合有效輻射(PAR)的連續(xù)定位觀測(cè)及小麥產(chǎn)量的調(diào)查, 結(jié)合對(duì)小麥不同生育期內(nèi)的PAR與小麥產(chǎn)量、千粒重、粒數(shù)的相關(guān)性分析, 研究了系統(tǒng)內(nèi)PAR的分布狀況及小麥產(chǎn)量對(duì)其的響應(yīng)。結(jié)果表明: PAR、透光率均隨著與林帶距離的增加而增加, 且在10 m(約1倍樹高)范圍內(nèi)變化顯著, 10 m之后增加緩慢。在所有生育期、所有測(cè)點(diǎn)中, 透光率的最小值出現(xiàn)在灌漿成熟期2 m處觀測(cè)點(diǎn)。單位面積小麥產(chǎn)量與小麥全生育期內(nèi)的PAR、粒數(shù)和小麥揚(yáng)花期內(nèi)的PAR、千粒重及小麥灌漿成熟期內(nèi)的PAR的相關(guān)關(guān)系均達(dá)極顯著水平(=0.918,=0.000;=0.926,=0.000;=0.922,=0.000)。揚(yáng)花期林帶對(duì)小麥的遮蔭直接影響小麥的粒數(shù), 灌漿成熟期林帶對(duì)小麥的遮蔭直接影響小麥的千粒重, 系統(tǒng)內(nèi)小麥產(chǎn)量的空間差異性可以通過小麥粒數(shù)和千粒重的差異來解釋。小麥產(chǎn)量()與全生育期內(nèi)PAR()的線性回歸方程為:=0.121 3+95.117 (2=0.842)。經(jīng)檢驗(yàn), 方程的模擬值和實(shí)測(cè)值無(wú)顯著差異(=0.609), 預(yù)測(cè)精度達(dá)91.8%。可以根據(jù)此方程, 結(jié)合PAR觀測(cè)值對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的小麥產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。本研究結(jié)果為建立泡桐-小麥林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)整體生產(chǎn)力的預(yù)測(cè)模型奠定了基礎(chǔ), 為優(yōu)化泡桐林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

泡桐林網(wǎng); 小麥; 生育期; 光合有效輻射; 透光率; 產(chǎn)量

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)是有目的地把多年生木本植物與農(nóng)作物進(jìn)行合理的時(shí)空搭配, 形成的共存互助的生態(tài)系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)在協(xié)調(diào)農(nóng)林爭(zhēng)地矛盾、高效利用各種自然資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面起到了積極作用[2]。有研究表明, 草牧場(chǎng)防護(hù)林為牧草的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的小氣候環(huán)境, 牧草產(chǎn)量高于無(wú)林草牧場(chǎng), 非洲草原上孤立木下的牧草產(chǎn)量也遠(yuǎn)高于空曠草地[3-4]。但是, 由于木本植物和農(nóng)作物經(jīng)常利用同一時(shí)空序列上的資源, 導(dǎo)致出現(xiàn)了生態(tài)位重疊現(xiàn)象, 產(chǎn)生強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)作用[5], 二者對(duì)水分、營(yíng)養(yǎng)和光照的競(jìng)爭(zhēng)也引起了廣泛關(guān)注[6]。有觀點(diǎn)認(rèn)為, 在復(fù)合系統(tǒng)中, 相對(duì)于地上部分光競(jìng)爭(zhēng)而言, 地下部分的水分競(jìng)爭(zhēng)對(duì)作物產(chǎn)量的影響更大, 營(yíng)養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng)次之[7-9]。Singh等[10]通過利用根障排除地下部分的競(jìng)爭(zhēng)作用來研究遮蔭是否是導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低的主導(dǎo)因子, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 銀合歡()對(duì)相鄰農(nóng)作物的遮蔭率達(dá)85%時(shí), 農(nóng)作物產(chǎn)量仍然沒有顯著降低, 說明適度的遮蔭對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量沒有明顯影響, 這也進(jìn)一步說明復(fù)合系統(tǒng)中地下部分對(duì)水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的主導(dǎo)因子。但美國(guó)夏威夷的一項(xiàng)根障試驗(yàn)則顯示, 大葉千斤拔[(Willd.) Merr]和玉米(L.)之間的光競(jìng)爭(zhēng)對(duì)玉米產(chǎn)量的影響較為嚴(yán)重[11]?？梢姼捣植紶顩r在很大程度上影響了水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)狀況。淺根性木本植物的根系與農(nóng)作物的根系基本分布在相同土層, 因此與農(nóng)作物對(duì)水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)就比較激烈[12]。深根性木本植物則不然, 一些深根性木本植物甚至可以將從深層土壤吸收來的水分釋放到干旱的上層土壤, 供相鄰農(nóng)作物利用[13-14]。因此, 在設(shè)計(jì)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)時(shí), 要考慮到木本植物和農(nóng)作物在生理或者物候特性上的差異, 減少資源利用的競(jìng)爭(zhēng), 實(shí)現(xiàn)資源利用的互補(bǔ)[5]。

在黃淮海平原地區(qū), 泡桐[(Seem.) Hemsl.]在每年的4月下旬開始展葉, 至5月中旬葉完全展開, 歷時(shí)1個(gè)月左右; 冬季和春季, 葉面積指數(shù)幾乎為零, 主要是樹冠枝椏的遮蔭[15], 對(duì)夏作物的影響較小。泡桐以其發(fā)葉遲、樹冠稀疏、主根深、須根少等生物學(xué)特性, 在很大程度上減少了與農(nóng)作物對(duì)光照、水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)[16], 與夏季主要作物小麥形成了農(nóng)桐復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)模式。相關(guān)專家針對(duì)該系統(tǒng)開展了一系列研究, 基本闡明了系統(tǒng)對(duì)小麥(L.)產(chǎn)量的影響[17-20]。但是, 這些研究主要集中在桐麥間作系統(tǒng), 鮮見泡桐林網(wǎng)內(nèi)小麥產(chǎn)量、復(fù)合系統(tǒng)整體生產(chǎn)力及綜合經(jīng)濟(jì)效益的報(bào)道。

泡桐林網(wǎng)作為農(nóng)田防護(hù)林體系的重要組成部分, 在改善小氣候、抵御自然災(zāi)害及確保農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)方面起到了重要作用, 是農(nóng)桐復(fù)合系統(tǒng)主要的經(jīng)營(yíng)模式。本研究以黃淮海高產(chǎn)農(nóng)區(qū)廣泛采用的泡桐-小麥林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象, 研究了林帶對(duì)系統(tǒng)內(nèi)光合有效輻射(PAR)分布及對(duì)小麥產(chǎn)量的影響, 建立了林網(wǎng)內(nèi)PAR與小麥產(chǎn)量的關(guān)系, 旨在為建立小麥產(chǎn)量乃至整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)力的預(yù)測(cè)模型奠定基礎(chǔ), 為優(yōu)化泡桐林網(wǎng)的結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于河南省長(zhǎng)葛市南席鎮(zhèn)馬武村(34.23°N, 114.06°E)。年均氣溫14.5 ℃, 1月平均氣溫最低, 為0.1 ℃。7月平均氣溫最高, 達(dá)27.3 ℃。年均無(wú)霜期214 d, 降雨量711 mm, 日照時(shí)數(shù)1 883 h, 日照百分率為54%。土壤為沙壤土, pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和全氮含量見表1。

1.2 定位觀測(cè)林網(wǎng)介紹

定位觀測(cè)林網(wǎng)網(wǎng)格東西長(zhǎng)160 m, 南北寬320 m。結(jié)構(gòu)為東林帶1行, 西、北林帶1路4行, 南林帶為1路2行。2011年3月采用1年生‘泡桐9501’造林, 平均胸徑和苗高分別為4.6 cm和3.4 m, 株距4 m。林網(wǎng)網(wǎng)格內(nèi)種植小麥, 品種為‘豫麥13號(hào)’, 播種量為150 kg×hm-2, 統(tǒng)一田間管理。2014年12月調(diào)查林木生長(zhǎng)狀況, 結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)地土壤化學(xué)基本性狀

表2 泡桐林網(wǎng)林帶基本情況

1.3 觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

2013年10月1日自東林帶中間點(diǎn)開始向西和西林帶中間點(diǎn)開始向東2 m、5 m、10 m、15 m、25 m、40 m處各設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。自南林帶中間點(diǎn)向北和北林帶中間點(diǎn)向南2 m、5 m、10 m、15 m、25 m處各設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。在林網(wǎng)中間設(shè)置2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)作為對(duì)照, 總計(jì)24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。在各觀測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置1個(gè)高2.5 m, 大小為2.38 Dia.×2.54 cm H的光量子傳感器(LI-COR, 美國(guó))。所有傳感器均被連接到CR-1000數(shù)據(jù)采集器上(Campbell, 美國(guó)), 每分鐘掃描并記錄1組數(shù)據(jù)。每月從數(shù)據(jù)采集器中導(dǎo)出數(shù)據(jù)。連續(xù)觀測(cè)3年。

1.4 小麥產(chǎn)量調(diào)查

在林網(wǎng)內(nèi), 按照距北林帶80 m、150 m、230 m和距東林帶40 m、70 m、110 m布設(shè)6條樣帶。分別在每條樣帶與PAR觀測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的位置設(shè)置1個(gè)1 m×1 m的樣方, 總計(jì)72個(gè)樣方。于小麥蠟熟期采用全收獲法收割各樣方內(nèi)的小麥, 人工脫粒之后, 風(fēng)干。每個(gè)樣方按照占風(fēng)干重20%的抽樣強(qiáng)度抽取樣品在80 ℃條件下連續(xù)烘干72 h后稱重, 計(jì)算各樣方內(nèi)的小麥產(chǎn)量、粒數(shù)和千粒重[19]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)段偉等[21]日PAR的處理方法, 計(jì)算各觀測(cè)點(diǎn)1 d的PAR, 進(jìn)而計(jì)算影響小麥產(chǎn)量的3個(gè)關(guān)鍵生育期[19](揚(yáng)花期、灌漿成熟期、全生育期)內(nèi)的PAR和透光率。采用單因素方差分析(ANOVA)和Duncan’s多重比較分析不同觀測(cè)點(diǎn)之間單位面積的小麥產(chǎn)量、粒數(shù)和千粒重的差異。

將2015年各觀測(cè)點(diǎn)小麥平均產(chǎn)量、粒數(shù)和千粒重分別與3個(gè)關(guān)鍵生育期內(nèi)的PAR進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析并進(jìn)行雙尾顯著性檢驗(yàn), 篩選出相關(guān)關(guān)系顯著且相關(guān)系數(shù)高的組合分別建立線性回歸關(guān)系, 研究PAR對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響。將2014年小麥全生育期內(nèi)的PAR代入建立的回歸關(guān)系中計(jì)算小麥產(chǎn)量的模擬值, 通過與小麥產(chǎn)量實(shí)測(cè)值進(jìn)行K-W秩和檢驗(yàn)和線性擬合, 檢驗(yàn)已經(jīng)建立的回歸關(guān)系。

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析, 采用Origin 9.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 泡桐林網(wǎng)對(duì)小麥不同生育期光量分布的影響

2.1.1 對(duì)小麥不同生育期PAR的影響

位置、季節(jié)和時(shí)刻的共同作用, 導(dǎo)致太陽(yáng)高度角不同, 引起了光量子通量密度的變化[22]。圖1表明, 在泡桐林網(wǎng)復(fù)合系統(tǒng)中, 林帶的光競(jìng)爭(zhēng)作用導(dǎo)致作物所接收的光量子數(shù)隨著與林帶距離的增加而逐漸增加至平穩(wěn), 所接收的PAR呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。小麥揚(yáng)花期、灌漿成熟期和全生育期, 東、西、南和北4條林帶結(jié)構(gòu)下, PAR均隨著與林帶距離的增加而增加, 且增加的速率均逐漸降低, 至10 m之后逐漸趨于穩(wěn)定。即10 m(約1倍樹高)之后, PAR幾乎不再受林帶遮蔭的影響。

東、南、西、北指東林帶、西林帶、南林帶和北林帶。E, S, W and N infer east shelterbelt, south shelterbelt, west shelterbelt and north shelterbelt.

2.1.2 對(duì)小麥不同生育期透光率的影響

從圖2可以看出, 同一生育期內(nèi), 透光率隨著與林帶距離的增加呈增加趨勢(shì)。距林帶10 m范圍內(nèi)對(duì)透光率的影響較大。距林帶10 m之后, 透光率增加速率逐漸降低。在小麥的揚(yáng)花期、灌漿成熟期和全生育期, 透光率的最小值均出現(xiàn)在距南林帶2 m處觀測(cè)點(diǎn), 而且以灌漿成熟期的透光率0.43為最小, 這與此時(shí)期泡桐已經(jīng)進(jìn)入全葉期有密切關(guān)系。

東、南、西、北指東林帶、西林帶、南林帶和北林帶。E, S, W and N infer east shelterbelt, south shelterbelt, west shelterbelt and north shelterbelt.

2.2 泡桐林網(wǎng)對(duì)小麥產(chǎn)量分布及其構(gòu)成因子的影響

由表3可以看出, 各觀測(cè)點(diǎn)單位面積內(nèi)小麥產(chǎn)量隨著與林帶距離的變化而變化。方差分析結(jié)果顯示, 距東林帶2 m、5 m處的小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異, 5 m、10 m、15 m、25 m處的小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異, 但2 m和5 m處的小麥產(chǎn)量均顯著低于40 m處的小麥產(chǎn)量。距西林帶5 m、10 m、15 m、25 m 、40 m處的小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異, 且均顯著高于2 m處的小麥產(chǎn)量。距南林帶不同距離觀測(cè)點(diǎn)小麥產(chǎn)量的變化規(guī)律與之相同。距北林帶2 m、5 m處的小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異, 5 m、10 m、15 m、25 m處的小麥產(chǎn)量無(wú)顯著差異, 但2 m處的小麥產(chǎn)量顯著低于10 m、15 m、25 m處的小麥產(chǎn)量。

單位面積小麥的粒數(shù)和千粒重是小麥產(chǎn)量的2個(gè)重要構(gòu)成因子[19]。距東林帶2 m、5 m、10 m、15 m處的小麥粒數(shù)無(wú)顯著差異, 10 m、15 m、25 m、40 m處的小麥粒數(shù)無(wú)顯著差異, 2 m處的小麥粒數(shù)顯著低于25 m和40 m處的小麥粒數(shù)。距西林帶2 m、5 m處的小麥粒數(shù)無(wú)顯著差異, 10 m、15 m、25 m、40 m處的小麥粒數(shù)與5 m處的小麥粒數(shù)無(wú)顯著差異, 但顯著高于2 m處的小麥粒數(shù)。距南林帶5 m、10 m、15 m、25 m處的小麥粒數(shù)無(wú)顯著差異, 但顯著高于2 m處的小麥粒數(shù)。距北林帶不同距離的5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的小麥粒數(shù)無(wú)顯著差異。

距東林帶10 m、15 m、25 m處的小麥千粒重?zé)o顯著差異, 但均顯著高于5 m和2 m處的小麥千粒重。距北林帶不同距離小麥千粒重的變化規(guī)律與之相同。距西林帶2 m、5 m處的小麥千粒重?zé)o顯著差異, 但均顯著低于15 m、25 m、40 m處的小麥千粒重, 10 m與5 m處的小麥千粒重?zé)o顯著差異, 但10 m處小麥千粒重顯著高于2 m處的小麥千粒重。距南林帶2 m處的小麥千粒重顯著小于5 m、10 m、15 m、25 m處的小麥千粒重, 10 m、15 m、25 m處的小麥千粒重?zé)o顯著差異。

表3 泡桐林帶對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不同觀測(cè)點(diǎn)小麥產(chǎn)量、粒數(shù)和千粒重的影響

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同列數(shù)字后不同字母表示在0.05水平上差異顯著。Data are means±S.E. Values followed by different lowercases in the same column are significantly different at 5% level according to ANOVA analysis and Duncan’s multiple comparisons.

2.3 小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子對(duì)PAR的響應(yīng)

由于林帶的遮蔭, 系統(tǒng)內(nèi)小麥所接收的PAR發(fā)生了規(guī)律性變化[23]。泡桐林網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)小麥產(chǎn)量之間的差異可以用該點(diǎn)在小麥整個(gè)生育期內(nèi)所接收PAR的差異來解釋。即距林帶距離越近, 受林帶遮蔭的影響越嚴(yán)重, 小麥接收的PAR也越少, 產(chǎn)量受到的影響也越嚴(yán)重。小麥在整個(gè)生育期內(nèi)的PAR與小麥產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系達(dá)極顯著水平(=0.917 4,=0.000)(圖3c), 且相關(guān)系數(shù)高于揚(yáng)花期內(nèi)PAR與小麥產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)(=0.887 3,=0.001)(圖3a)、灌漿成熟期內(nèi)PAR與小麥產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)(=0.912 1,=0.000)(圖3b)。

單位面積小麥粒數(shù)與揚(yáng)花期PAR呈極顯著相關(guān)關(guān)系(=0.926 2,=0.000)(圖4a), 且相關(guān)系數(shù)高于灌漿成熟期內(nèi)PAR與小麥粒數(shù)的相關(guān)系數(shù)(=0.921 4,=0.000)(圖4b)、全生育期內(nèi)PAR與小麥粒數(shù)的相關(guān)系數(shù)(=0.894 2,=0.000)(圖4c)。

小麥千粒重與灌漿成熟期內(nèi)PAR呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系(=0.921 7,=0.000)(圖5b), 且相關(guān)系數(shù)高于揚(yáng)花期內(nèi)PAR與小麥千粒重的相關(guān)系數(shù)(=0.917,=0.000)(圖5a)、全生育期內(nèi)PAR與小麥產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)(=0.920 6,=0.000)(圖5c)。

基于上述結(jié)果, 分別建立小麥產(chǎn)量()與全生育期PAR()之間的關(guān)系(=0.121 3+95.117,2=0.842), 小麥粒數(shù)()與揚(yáng)花期PAR()之間的關(guān)系(=11.861+9 295.8,2=0.857 8), 小麥千粒重()與灌漿成熟期PAR()之間的關(guān)系(=0.015 5+30.821,2=0.849 6)。PAR與小麥產(chǎn)量線性回歸關(guān)系方程斜率為0.121 3, 說明PAR每減少1 mol?m-2, 單位面積小麥產(chǎn)量減少0.121 3 g?m-2。揚(yáng)花期間系統(tǒng)內(nèi)PAR通過影響單位面積內(nèi)小麥的粒數(shù)從而對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生影響(PAR每減少1 mol?m-2, 單位面積小麥粒數(shù)減少12粒?m-2)。灌漿成熟期系統(tǒng)內(nèi)PAR通過影響小麥的千粒重從而對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生影響(PAR每減少1 mol?m-2, 千粒重減少0.015 5 g?m-2)

2.4 全生育期PAR與小麥產(chǎn)量之間關(guān)系的驗(yàn)證

將2014年各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)小麥全生育期內(nèi)的PAR代入到建立的線性回歸方程中, 得到小麥產(chǎn)量的模擬值。將其與實(shí)測(cè)值進(jìn)行K-W秩和檢驗(yàn), 結(jié)果顯示二者之間差異不顯著(=0.609)。將各觀測(cè)點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行線性回歸分析, 發(fā)現(xiàn)方程的斜率接近于1, 截距接近于0, 說明模擬值和實(shí)測(cè)值非常接近, 預(yù)測(cè)精度達(dá)91.8%。因此, 可以根據(jù)建立的關(guān)系, 結(jié)合光合有效輻射觀測(cè)值對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的小麥產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)(圖6)。

3 討論與結(jié)論

造成農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)作物生產(chǎn)力下降的原因眾多, 但在某些情況下, 光能競(jìng)爭(zhēng)或許是起主導(dǎo)作用的限制因素[24]。本研究表明, 在小麥揚(yáng)花期、灌漿成熟期和全生育期內(nèi), 隨著與林帶距離的增加, 各觀測(cè)點(diǎn)的PAR不斷增加, 且在10 m(1倍樹高)內(nèi), 變化幅度較大。10 m之后, PAR增加緩慢。說明林網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)林帶對(duì)1倍樹高之外光強(qiáng)的影響不再顯著, 這與陳振江等[25]的研究結(jié)果一致。通過進(jìn)一步研究透光率的變化發(fā)現(xiàn), 在所有生育期、所有測(cè)點(diǎn), 透光率的最小值出現(xiàn)在灌漿成熟期2 m處觀測(cè)點(diǎn)。這說明在灌漿成熟期林帶對(duì)光照的影響最大。這是由于在此期間, 泡桐進(jìn)入全葉期, 林冠的體積和表面積變大, 對(duì)太陽(yáng)的反射、吸收和遮擋作用增強(qiáng)而導(dǎo)致了這一結(jié)果[26]。

林網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)小麥產(chǎn)量、粒數(shù)、千粒重均隨著與林帶距離的增加而發(fā)生變化。小麥產(chǎn)量與其全生育期內(nèi)的PAR呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 說明泡桐林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中光能的競(jìng)爭(zhēng)是導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部小麥產(chǎn)量存在空間差異性的主要原因, 這與前期相關(guān)的研究結(jié)果一致[27-28]。小麥揚(yáng)花期的PAR與粒數(shù), 灌漿成熟期的PAR與千粒重的正相關(guān)關(guān)系也均達(dá)極顯著水平?？梢酝茰y(cè), 揚(yáng)花期林帶對(duì)小麥的遮蔭直接影響小麥的粒數(shù), 灌漿成熟期林帶對(duì)小麥的遮蔭直接影響小麥的千粒重, 系統(tǒng)內(nèi)小麥產(chǎn)量的空間差異性可以通過小麥粒數(shù)和千粒重的差異來解釋。

泡桐林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)作為黃淮海地區(qū)重要的農(nóng)林業(yè)復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式, 不僅可改善農(nóng)作物的生態(tài)環(huán)境條件, 還能為產(chǎn)區(qū)提供大量的桐材, 在一定程度上緩解農(nóng)林用地的矛盾。但由于傳統(tǒng)的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)模式等方面缺乏系統(tǒng)研究, 使得復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的綜合效益未能充分發(fā)揮。本研究針對(duì)泡桐林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題, 選擇系統(tǒng)內(nèi)光合有效輻射分布對(duì)小麥產(chǎn)量的影響作為切入點(diǎn), 建立并驗(yàn)證了其與小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系。這將對(duì)建立預(yù)測(cè)泡桐林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)整體生產(chǎn)力的模型提供參考, 為進(jìn)一步評(píng)價(jià)泡桐林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的綜合效益和優(yōu)化泡桐林網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模式奠定基礎(chǔ)。

在泡桐林網(wǎng)復(fù)合系統(tǒng)內(nèi), 由于林帶的遮蔭, 系統(tǒng)內(nèi)的PAR降低, 導(dǎo)致小麥出現(xiàn)一定程度的減產(chǎn), 泡桐林網(wǎng)未表現(xiàn)出明顯的防護(hù)效益。這與研究區(qū)域在高產(chǎn)農(nóng)區(qū), 且研究期間未遭受明顯的干熱風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣有密切關(guān)系。如若出現(xiàn)極端災(zāi)害性天氣, 林網(wǎng)系統(tǒng)就可能會(huì)表現(xiàn)出改善農(nóng)田小氣候、保障農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的功能[4,29]。

優(yōu)化泡桐林網(wǎng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式, 需要在發(fā)揮林網(wǎng)生態(tài)防護(hù)效益的同時(shí), 降低林網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。減少林帶與農(nóng)作物之間對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)是解決這一問題的有效途徑。例如, 通過修枝, 使枝下高升高, 林冠的表面積降低, 可以減少對(duì)PAR的截留[30]。合理的株行距與林帶寬度也能增加林帶的疏透度, 降低林帶對(duì)農(nóng)作物的遮蔭影響[31]。

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Response of wheat yield to light distribution in intercroppedshelterbelt and wheat*

ZHAO Yang1, QIAO Jie1, WANG Weiwei2, WANG Baoping1**, ZHOU Haijiang1, CUI Lingjun1, DUAN Wei1, SU Lingyan3

(1. China Paulownia Research Center, Zhengzhou 450003, China; 2. Beijing Linmiao Eco-Environment Technology CO. LTD, Beijing 100000, China; 3. Changge General Station for Forest Technology, Changge 461500, China)

-wheat intercropping system is one of the most important agro-forestry ecosystems in Yellow-Huai-Hai River Flooding Plain in China. In this paper, ashelterbelt intercropped with wheat was studied in order to determine light distribution and its impact on wheat yield. A total of 24 observation points with different differences to.shelterbelt were set to monitor photosynthetically active radiation (PAR) and 72 quadrats investigated to measure wheat yield, 1000-grain weight and grains per unit area for the period 2013–2015. Correlations between PAR at 3 key stages (including flowering stage, grain-filling stage and whole growth stage) and wheat yield, 1000-grain weight and grains per unit area were then analyzed. The results suggested that PAR and transmittance increased along with increasing distance fromshelterbelt and there were significant changes within 10 m (approximately 1-fold tree stem height) in theshelterbelt. PAR and transmittance changed slightly above the distance of 10 m apart. The transmittance at 2 m apart from the south of the shelterbelt at grain-filling stage was smallest among all the observation points at 3 growth stages. The correlations were significant between wheat yield and PAR for whole growth period (= 0.918,= 0.000), the number of grains and PAR at flowering stage (= 0.926,= 0.000), the 1000-grain weight and PAR at grain-filling stage (= 0.922,= 0.000). The number of grains per unit area and 1000-grain weight were directly affected by shelterbelt overshadow both at flowering stage and grain-filling stage. The spatial difference in wheat yield in the intercropping system was explained by the difference in number of grains per unit area. The linear regression equation for wheat yield () and PAR () was= 0.121 3+ 95.117 (2= 0.842). The K-W rank test (= 0.609) at equation precision of 91.8% showed no significant difference between predicted yield and actual yield. The equation (in combination with observed PAR) was suitable for predicting wheat yield in the intercropping system. This study provided theoretical basis for establishing predictive model of ecosystem productivity and for designing optimal structure of-wheat intercropping system.

shelterbelt; Wheat; Growth period; Photosynthetically active radiation; Transmittance; Wheat yield

S344.2

A

1671-3990(2017)05-0647-09

10.13930/j.cnki.cjea.160887

* 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD07B00)資助

**通訊作者:王保平, 主要從事高效森林培育及農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究。E-mail: bpingwang@163.com

趙陽(yáng), 主要從事農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究。E-mail: zhao5980@126.com

2016-10-09

2017-01-09

* This work was funded by the National Key Technologies R&D Program of China (2015BAD07B00).

** Corresponding author, E-mail: bpingwang@163.com

Oct. 9, 2016; accepted Jan. 9, 2017

趙陽(yáng), 喬杰, 王煒煒, 王保平, 周海江, 崔令軍, 段偉, 蘇凌燕. 泡桐林網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)小麥產(chǎn)量對(duì)光合有效輻射分布的響應(yīng)[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(5): 647-655

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