华北低丘山区2种林药复合模式的水分利用1)

陈 平 孟 平 张劲松 何春霞

(国家林业局林木培育重点实验室(中国林业科学研究院)，北京，100091)

贾长荣 李建中

(济源市国有大沟河林场)

华北低丘山区2种林药复合模式的水分利用1)

陈 平 孟 平 张劲松 何春霞

(国家林业局林木培育重点实验室(中国林业科学研究院)，北京，100091)

贾长荣 李建中

(济源市国有大沟河林场)

采用稳定碳同位素技术和树干液流法对华北低丘山区3 m×8 m核桃—菘蓝/决明子复合模式不同生长时期的水分利用效率、耗水量和产量等相关指标进行了研究。结果表明，复合模式的土壤含水量分别比单作核桃和单作药用植物高11.86%和21.06%；间作菘蓝水分利用效率在苗期高于单作菘蓝，在其它时期均小于单作菘蓝。间作决明子水分利用效率在各个时期均小于单作决明子；在复合系统中，单位土地面积上核桃与菘蓝的耗水比例是0.70∶1，核桃与决明子的耗水比例是1.79∶1。单作系统耗水量均高于间作系统，其中，单作核桃耗水量比间作核桃高10.90%，单作菘蓝和决明子耗水量分别是间作模式的1.65倍和2.17倍；单位面积土地上复合系统的产量均小于单作系统，而总收入分别是单作核桃和单作药用植物的1.47倍和1.24倍；复合模式的水分产值效率为17.84元·t-1·hm-2，比单作菘蓝和决明子的高24.32%；复合模式的产量土地当量比为1.98，较单作模式增产率达98%。总体上，核桃—菘蓝/决明子复合模式比单作系统耗水量少，水分利用效率提高、水资源获得高效利用，同时具备生产优势和经济优势，该模式进一步完善后可适当推广。研究结果对进一步丰富复合农林业水分生态理论，促进相关学科的发展，具有重要的指导意义。

复合系统；稳定碳同位素；树干液流；水分利用效率；耗水量

We studied water use efficiency, water use and yield of 3 m×8 m walnut (JuglansregiaL.)-woad (IsatisindigoticaF.)/cassia (CassiaobtusifoliaL.) intercropping system and monoculture system at different growth stages by stable carbon isotope technique and sap flow method in the low hilly area of North China. Soil water content of intercropping system were 11.86% and 21.06% greater, respectively, than that of monoculture walnut and medicinal plant system at each stage. Water use efficiency of the intercropping woad system at seedling stage was higher than that of monoculture system, and lower than that of monoculture system at later stages, and water use efficiency of the cassia in intercropping system was lower than that of monoculture system at each growth stage. In the walnut-woad intercropping, the ratio of water used by walnut and woad was 0.7∶1, and the ratio of water used by walnut and cassia was 1.79∶1. Water use of the monoculture system were higher than that of intercropping system, among them, water use of monoculture walnut was 10.90% higher than that of the intercropping walnut, water use of monoculture woad/ cassia were 1.65 and 2.17 times, respectively, than that of intercropping woad/cassia. Although, the yield of each component in the intercropping system was less than the sole system, the total income of the agroforestry was higher than that of the sole systems, the yield in the intercropping system were 1.47 and 1.24 times than that in the sole walnut system and medicinal plant, respectively. Water value efficiency of output of intercropping system was 17.84 yuan/(t·hm2), 24.32% higher than that of the monoculture woad/cassia. Land equivalent ratio of intercropping system was 1.98, and the yield increasing rate was 98% compared with the monoculture system. Generally, walnut-woad/cassia composite pattern takes less water than that of monoculture system, and improved water use efficiency, at the same time they had advantages on the production and economical. The walnut-woad/cassia intercropping system with further perfect could be properly extended.

农林复合系统是以生态学为基础的自然资源管理系统，通过在农地和牧地上种植树木达到生产的多样性和持续发展，从而使不同层次的土地利用者获得更高的社会、经济和环境方面的效益[1]。农林复合系统不仅能够高效利用各种自然资源、提高土地生产力[2]，同时还能防止土壤侵蚀、保护生物多样性、提高土壤肥力、保护生态环境等[3]。复合农林业是华北低丘山区退耕还林工程建设的重要内容之一，在当地农业产业调整发展过程中，得到了广泛应用。由于该地区气候干旱、土层瘠薄、灌溉条件较差，水资源短缺制约了林业及农业的持续发展[4-6]。因此，基于种间水分关系理论，研究农林复合系统水分生态问题，对当地林业生态建设、提高农民收入，促进生态与经济可持续发展，具有重要的指导意义。

水分利用效率是一个重要的产量决定因子，提高水分利用效率可以降低获得一定产量的需水量，提高特定土壤有效水量下的总生物产量[7]。因农林复合系统结构的复杂性(特别是山地条件下)，目前农林复合系统种间水分关系研究方面，常规的微气象学法、水量平衡法及以气孔法为代表的生理生态学法等在测算不同组分耗水量、水分利用效率等指标均存在诸多局限性[8]。植物稳定碳同位素用来作为一段时间内水分利用和损失的标准被广泛应用[9]。植物组织的稳定碳同位素比率和稳定碳同位素分辨率与C3植物的水分利用效率有很强的相关性，可以作为植物长期水分利用效率的间接测定指标[10]。

核桃(JuglansregiaL.)因其食用价值和木材经济价值高，是许多国家的重要栽培树种，对环境条件要求不严，是目前退耕还林的理想经济林木。菘蓝(IsatisindigoticaF.)和决明子(CassiaobtusifoliaL.)因其较广的生态适应性和较高的经济价值，被列入林药复合系统的重要组分。目前，国内外对菘蓝和决明子的研究多集中在化学成分及药理作用等方面[11-12]，至今未见其群体尺度蒸腾耗水特征的研究报道，也未见有关核桃—菘蓝/决明子复合系统耗水特征的研究。笔者以碳稳定同位素信息、树干液流及群体蒸腾等为指标，在位于河南济源的华北低丘山区，研究核桃—菘蓝/决明子复合系统种间水分关系，旨在为该区发展高效、稳定的农林复合系统提供理论依据，并以期补充菘蓝、决明子2种药用植物水分利用内容，进一步丰富复合农林业水分生态理论，促进相关学科发展。

1 研究区概况

本试验地设在黄河小浪底森林生态系统定位研究站内的河南省济源市裴村(35°01′N，112°28′E)，该地位于太行山南端南麓，属暖温带大陆性季风气候，年平均降水641.7 mm，主要集中在6—9月份，占全年降雨量的68.3%。土壤以石灰岩风化母质淋溶性褐色土为主，土层厚度50～80 cm，pH值为7.6～8.5，石砾质量分数10%～18%，速效氮21.4～80.0 mg·kg-1，速效磷2.60～8.16 mg·kg-1，速效钾60～102.35 mg·kg-1，有机质质量分数8.28～16.5 g·kg-1。

2 材料与方法

2.1 研究对象及测点布置

以水平梯田条件下的核桃(JuglansregiaL.)—菘蓝(IsatisindigoticaF.)/决明子(CassiaobtusifoliaL.)间作系统和单作系统为研究对象。梯田南北宽30 m，东西长140 m。间作和单作系统核桃树均种植于2006年，树带行向为东西向，株行距为3 m×8 m，平均树高、地径和冠幅分别为5.2 m、14.1 cm和2.7 m。菘蓝于2011年11月15日播种，2012年6月8日收获，决明子于2012年7月3日播种，2012年10月10日收获，播种株行距均为20 cm×50 cm，间作系统中两种药用植物南北两侧距离核桃树100 cm。单作菘蓝/决明子位于复合系统西南侧20 m梯田地块中，株行距同间作系统。整个生育期无灌溉补水措施。

间作模式中选择1棵核桃树及其周围间作菘蓝/决明子作为1个试验小区，在水平方向上，垂直于核桃树行带，自南向北分别在距离核桃树南侧150(S1.5)、250(S2.5)、400(M)、550(N2.5)、650 cm(N1.5)处的行间设置菘蓝/决明子测点，共设3个试验重复。单作模式中采用随机取样的方法，各设3个试验重复。

2.2 测定项目及方法

2.2.1 气象因子及土壤含水量测定

在距离核桃地10 m处设定自动气象站，连续观测空气温度、相对湿度、太阳辐射和降雨量，所采用的传感器(探头)分别为05103、HMP45C、Li-cor，TE525M，数据采集器为CR10X。设定每2 min采集1次，每10 min输出1组平均值，将每天144组数据平均获得一个平均值。

在各个系统内埋设3根长度为100 cm的时域反射仪测量管，间作系统布设点见图1，单作药草地随机布设。在不同物候期采用TRIME-T3(MKO公司，德国)土壤水分测定系统测定20、40、60、80、100 cm的土壤水分含量。

图1 试验地测定布设示意图

2.2.2 生长指标测定

分别在菘蓝生长苗期(3月22日)、开花时期(4月25日)、成熟期(5月30日)和决明子生长苗期(7月26日)、开花期(8月27日)、成熟期(9月18日)进行取样，测定各个时期的生物量。按照图1中布设的取样点分别随机选取5株整株菘蓝/决明子，将植株同一器官的混合物作为一个样品，分别烘干(80 ℃烘箱中烘干48 h)，并用万分之一天平称质量获得各个部分生物量。在核桃收获时分别对间作核桃和单作核桃统计单株核桃产量。

2.2.3 核桃树干液流蒸腾观测

在复合和单作核桃模式中，分别选择5棵具有代表性的标准木，采用热扩散树干液流法测定核桃树蒸腾耗水量。设置每10 min采集1次平均数据，数据采集器为CR10X。液流测算公式如下[13-14]：

Fd=118.99K1.231；

(1)

Fs=Fd×As×3.6；

(2)

K=(Tmd-Td)/Td；

(3)

As=π(D2-d2)/4。

(4)

式中：Fd为液流密度(g·m-2·s-1)；K为无量纲参数；Fs为树干液流速率(L·h-1)；Td为某时刻两个探针的温差值，Tmd为一日内最大温差值；As为边材面积(cm2)，D为去皮直径(cm)，d为髓心直径(cm)。为避免损伤被测木，于试验结束后在被测木周围选择5棵与被测木胸径接近的树木，用生长锥测定距地面20 cm处的边材、心材，平均后确定边材面积。数据取5棵树的液流平均值，将单株蒸腾速率按时间积分得到单株蒸腾耗水量，结合核桃栽培密度(416株/hm2)得到单位面积核桃蒸腾耗水量。

2.2.4 稳定碳同位素的测定

用研钵和粉碎机将决明子和菘蓝各部分器官的干物质进行研磨，过80目筛子，制备成供试样品。在中国林业科学研究院稳定同位素比率质谱实验室用稳定同位素质谱仪测定碳同位素比值和碳质量分数。采样的同时在距离地面0.5 m处用小气泵将空气样品装入气体采样袋中用于分析空气的碳同位素比值，每个样品做3个重复，在中国科学院地质与地球物理研究所稳定同位素地球化学实验室用质谱仪(MAT-253)采用高温燃烧法测定。植物和空气碳同位素比值的测定以稳定碳同位素测试标准物为标准，稳定碳同位素比值根据下面公式计算[15]：

δ(13C)=(Rs-Rp)/Rp。

(5)

式中：δ(13C)表示样品13C/12C与测试标准物对应比值的相对分差；Rp表示稳定碳同位素测试标准物的13C/12C；Rs表示样品的13C/12C。

稳定碳同位素分辨率(Δ)的计算方法为：

Δ=(δa-δp)/(1+δp)。

(6)

式中：δp和δa分别为植物组织及大气CO2的碳同位素比率。

2.2.5 水分利用相关指标的计算

水分利用效率(Ewu)(mmol·mol-1，以H2O中C的摩尔分数计)根据相关方面学者的研究进行计算[13-14，16-17]：

(7)

式中：r为根部含碳量占植物总含碳量的比例；Φ为植物整个生长期叶片夜间呼吸和其它器官呼吸消耗掉的碳的比率，取Φ=0.3[16]；δa和δp分别为空气和植物的碳同位素比值；Ca为大气CO2体积分数，其数值为取样日前一段时间的平均值，通过小浪底森林生态定位站的CO2同位素在线分析系统获得；a、b分别为CO2扩散和羧化过程中的同位素分馏系数，其中a=4.4%，b=3.0%；数值1.6为水蒸气和CO2在空气中的扩散比率；Dvp为叶片内外蒸气压差，由植物生长过程中取样日期前一段的平均白日(7：00—17:30)气象数据(Ta、HR等)计算得出[18]：

Dvp=E-e；

(8)

E=0.611×e17.502×T/(240.97+T)；

(9)

HR=(e/E)×100%；

(10)

Dvp=0.611×1017.502×T/(240.97+T)×(1-HR)。

(11)

式中：E为同温度下的饱和水汽压；e为实际水汽压；T为叶片温度；HR为大气相对湿度；0.611为t=0 ℃时纯水平面上的饱和水汽压。

同时，EWU是植物在一段时间内同化的碳总量与总耗水量(WU)(kg·m-2)的比值，干物质碳质量分数根据各个器官的生物量干质量(WD)(g)和含碳率(CC)(mg·g-1)计算，即：

WU=(WD×CC)/EWU。

(12)

将EWU的单位mmol·mol-1换算成mg·g-1，代入公式即计算出单位面积的实际耗水量。

产量土地当量比计算公式[19]：

RLE=Y1/Y1′+Y2/Y2′+Y3/Y3′。

(13)

式中：Y1、Y2、Y3分别为间作系统中菘蓝、决明子、核桃的单位面积的产量；Y1′、Y2′、Y3′分别为单作菘蓝、决明子、核桃单位面积的产量。

水分产值效率计算[19]：

WWUE=Epv/WU。

(14)

式中：EPV为生产单元经济产量。

2.3 数据统计与分析

采用EXCEL2010和SPSS18.0统计软件对数据进行分析。

3 结果与分析

3.1 不同模式土壤含水量差异

不同模式的各个生长阶段均显示(表1)，核桃—菘蓝/决明子间作模式的土壤含水量高于单作模式，间作模式中平均土壤含水量为18.47%，其次是单作核桃模式(16.28%)，比间作模式低11.86%，单作菘蓝/决明子模式土壤含水量最低为14.58%，比间作模式低21.06%。

表1 不同模式土壤含水量

注：表中数值为平均值±标准差。

3.2 不同模式碳同位素比值和水分利用效率

从表2可得，不同模式的各个生长阶段中，核桃—菘蓝/决明子间作模式碳同位素比值分别小于单作模式，其中，间作模式中菘蓝碳同位素比值比单作菘蓝偏负3.61%，间作模式中决明子的碳同位素比值比单作决明子偏负2.95%；不同物种之间，间作/单作模式菘蓝的碳同位素比值在各个时期均分别大于决明子。其中，间作决明子的碳同位素比值比间作菘蓝偏负4.11%，而单作决明子比单作菘蓝偏负4.78%。

随着生长时期的增加，间作和单作模式中菘蓝的水分利用效率均逐渐减少，而决明子的水分利用效率均逐渐增加。不同模式中，间作菘蓝水分利用效率在苗期高于单作菘蓝，在其它时期均小于单作菘蓝，间作模式决明子水分利用效率在各个时期均小于单作模式决明子；不同物种间，间作和单作菘蓝的水分利用效率在生长前期分别小于间作和单作决明子，在生长中后期，间作和单作菘蓝的水分利用效率分别大于间作和单作决明子，尤其是在成熟时期，间作决明子的水分利用效率是间作菘蓝的2.76倍，单作决明子的水分利用效率是单作菘蓝的3倍。

表2 不同模式碳同位素比值和水分利用效率

注：表中数值为平均值±标准差。

3.3 不同模式植物耗水量

采用热扩散树干液流法测定的核桃树木耗水量(表3)，间作核桃和单作核桃在生长季(4—10月)总的耗水量分别为1 047.92、1 162.11 t·hm-2，其中，6—8月份的耗水量较大，占主要生长季总耗水量的52%左右。单作核桃耗水量比间作核桃高10.90%。

表3 不同模式核桃耗水量

从表4可以看出，随着生长时期增加，间作和单作菘蓝/决明子耗水量均逐渐增加，间作模式中菘蓝和决明子总耗水量分别为651.54、401.66 t·hm-2，单作菘蓝和单作决明子总耗水量分别为1 190.97、909.71 t·hm-2，其中，单作菘蓝的耗水量是间作模式中菘蓝的1.83倍，单作决明子的耗水量是间作决明子的2.26倍。在核桃—菘蓝/决明子复合系统中，单位土地面积上核桃与菘蓝的耗水比例是0.70∶1.00，二者分别占41.25%、58.75%；核桃与决明子的耗水比例是1.79∶1.00，二者分别占64.20%、35.80%。

表4 不同模式药用植物耗水量

注：表中数值为平均值±标准差。

3.4 不同模式收获指标

由表5可知，单位土地上间作系统核桃、菘蓝、决明子产量分别比单作系统的低22.85%、46.08%和33.33%。以绿皮核桃、菘蓝、决明子市场价格分别为10.0、10、4元/kg计算出各模式的总收入，复合模式收入最高为37 493元/hm2，单作核桃总收入为25 451元/hm2，单作菘蓝和单作决明子的总收入为30 134元/hm2，复合模式总收入分别是单作核桃和单作药用植物的1.47、1.24倍；复合模式中菘蓝和决明子的收获指数分别为0.54和0.87，均分别大于单作模式。产量土地当量比是指同一农田中两种或两种以上植物间作时的收益与各个植物单作时的收益之比率，它是衡量间作比单作增产程度的一项指标。复合模式的产量土地当量比为1.98，较单作模式的增产率达98%。单作核桃的产值水分利用效率最高为21.90，其次是复合模式17.84，单作药用植物为14.35，复合模式产值水分利用效率比单作药用植物高24.32%。

表5 不同模式收获指标

4 结论与讨论

研究区域内由于气候干旱、降水量少、灌溉条件较差，水分成为该区林业及农业发展的主要限制因子。长期水分利用效率常被定义为整个生长季节干物质的积累量与所消耗水分的比值，水分利用效率的大小决定了植物的节水能力和水分生产水平[20]。高水分利用效率是干旱地区植物适应当地生境的重要策略[21]。在水分亏缺条件下植物会提高水分利用效率[13，18，22]。本研究通过碳同位素方法和生物量计算出不同模式中菘蓝和决明子的水分利用效率，结果得出，间作菘蓝水分利用效率在苗期高于单作菘蓝，在其它时期均小于单作菘蓝；而间作模式决明子水分利用效率在各个时期均小于单作模式决明子。这可能是由于菘蓝在苗期处于快速生长阶段，核桃树也正处于萌芽期，需水量均较多；而这个阶段雨水较少，造成水分缺乏，相对而言，单作菘蓝没有核桃树与其水分的竞争；而其它时期，间作模式中核桃树逐渐形成的树冠遮阴，有效地减少地表水分散失，改善间作系统的小气候和土壤水分状况，从而减轻水分亏缺对间作药用植物的影响[15，23]。不同物种间，菘蓝在生长前期水分利用效率高于决明子，而生长后期明显低于决明子。对不同模式土壤水分监测得出，复合系统的土壤含水量分别比单作核桃和单作药用植物高11.86%和21.06%。

通过树干液流法估算的核桃耗水量和采用稳定碳同位素法估算的药用植物耗水量结果显示，单位土地面积上核桃与菘蓝的耗水比例是0.70∶1，二者分别占41.25%、58.75%，核桃与决明子的耗水比例是1.79∶1，二者分别占64.20%、35.80%。核桃树木的耗水量主要集中在6—8月份，占主要生长季总耗水量的52%。间作和单作模式中菘蓝和决明子耗水量随着生长时期均逐渐增加。单作模式中核桃、菘蓝和决明子的耗水量均分别高于间作模式，其中，单作核桃耗水量比间作核桃高10.90%，单作菘蓝和决明子耗水量分别是间作模式中1.83倍和2.26倍。这进一步说明复合模式中核桃树冠的遮阴改变田间小气候，降低植物叶片蒸腾速率，增加水分利用率，全生育期耗水量降低。单位土地上复合模式的产量均小于单作系统，而总收入分别是单作核桃和单作药用植物的1.47倍和1.24倍；复合模式的产值水分利用效率比单作菘蓝和决明子模式高24.32%；复合模式的产量土地当量比高于单作模式，增产率达98%。

综上所述，华北低丘山区株行距3 m×8 m的核桃—菘蓝/决明子间作系统，相对单作系统显著降低了系统的耗水量，土壤含水量、产量土地当量比和产值水分利用效率比单作系统均明显提高，水资源获得高效利用，具备生产优势和经济优势，因此适宜发展。在核桃树下可种植耐阴作物或药材等，以最大限度地发挥复合系统的经济和生态效益。

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Water Use of Intercropping System of Tree and Two Herbal Medicine in the Low Hilly Area of North China/

Chen Ping, Meng Ping, Zhang Jinsong, He Chunxia

(Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, P. R. China);

Jia Changrong, Li Jianzhong

(Dagouhe National Forest Farm)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-52～56，78

Intercropping system; Stable carbon isotope; Sap flow; Water use efficiency; Water use

1) 国家自然科学基金项目(31170409)。

陈平，女，1984年1月生，国家林业局林木培育重点实验室(中国林业科学研究院)，博士研究生。

张劲松，国家林业局林木培育重点实验室(中国林业科学研究院)，研究员。E-mail:zhangjs@caf.ac.cn。

2013年11月21日。

S727.24

责任编辑：戴芳天。