枣树间作巷道土壤养分空间分异对冬小麦冠层光分布的响应

郭佳欢，冯会丽,，史彦江，俞元春*

(1.南方现代林业协同创新中心，南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037；2.新疆林业科学院经济林研究所，新疆 乌鲁木齐 830000)

【研究意义】间作系统是人们为解决自然生产中“林农争地”问题所推行的一种多效应集约型农业生产模式，在传统农业基础上，间作不仅能提升植物对光照和养分的利用效率，增强作物对杂草的抑制和对病虫害的抗性，提高作物产量和产量的稳定性，还能提高土地利用率，减少土壤侵蚀，提高土地当量比(Land Equivalent Ration, LER)[1-3]。在地处亚欧大陆腹地，土地盐碱化、荒漠化严重的新疆，为充分利用可用耕地资源，当地农村正推行一种以枣(Ziziphusjujuba)等优质果林为主，以冬小麦(Triticumaestivum)等经济作物为辅的特色林农复合经营模式，以保障当地粮食安全生产[4]。截至目前，全疆枣树栽植面积达38.66×104hm2，全国占比超过23 %，已成为推动当地农村发展的支柱产业[5]。相关统计显示，疆内枣树大多与冬小麦或棉花(Gossypiumspp.)复合栽植，其复合栽植的面积约占总种植面积的52 %[6-7]。自然环境中，植物进行能量交换和物质循环的初始能量主要来源于该植株冠层接收的光合有效辐射(Photosynthetically active radiation, PAR)，同一时间内植物单位面积叶片截获的光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)越高，其生物量积累潜力就越大，生长发育就越好，反之亦然[8]。长期处于异质光环境中的作物，地上部分对光的竞争增强，地下部分对养分的竞争能力减弱，严重影响作物产量的形成[9-11]。因此，调节间作系统内部光环境，优化土壤养分资源分配是维持间作系统稳定发展的关键。【前人研究进展】目前，国内外学者对于间作系统作了大量研究，但主要还是集中在对间作植物的系统结构[12]、生理指标[13]、种间关系[14]、生态影响[15]和经济效益[16]的研究，对农田土壤养分的探索也常注重于对特定生长时期的空间分布的差异性分析，而关于间作系统中土壤养分的时空分布与PAR的时空分布之间关系的研究还少见报道。【本研究切入点】本研究拟对冬小麦冠层光分布及土壤养分的时空变化规律进行探索。【拟解决的关键问题】以期掌握不同光照环境中作物对地下土壤养分交换利用的影响，为间作系统的土壤养分管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于新疆维吾尔自治区环塔里木盆地干旱区中心地带阿克苏实验林场(80°19′36″E，41°12′52″N)，海拔1079.2 m，属温带大陆性气候。该地区光照充足，降水量少，蒸发量大，气候干燥、昼夜温差大，年均降水量42.4～94.4 mm，年蒸发量2000～2900 mm，年平均气温在9.9～11.5 ℃，无霜期205～219 d，光热资源丰富，年平均≥10 ℃积温为3953 ℃，年日照时数达2800～3831.35 h，年太阳总辐射量为5340～6620 MJ/(m2·a)，春夏季多浮尘，年均浮尘天气52～64 d。土壤质地较轻，以沙土、沙壤土为主，土壤通透性良好[17]。土壤基本化学性质见表1。

表1 试验地不同土层土壤基本化学性质(平均值±标准差)

注：表中数值为平均值±标准差，同列不同大小写字母表示在0.01和0.05水平上差异显著，下同。

Note: Values are means±SD. Different capital and small letters in a column indicate significant difference at 0.01 or 0.05 levels. The same as below.

1.2 试验设计

供试对象为枣麦间作复合生产系统。枣树品种为灰枣(ZiziphusjujubaMill. ‘Huizao’)，树龄6 a，平均株高3.66 m，基径5.70 cm, 东西冠幅2.39 m，南北冠幅2.79 m，株行距3 m×4 m，南北行向栽植。冬小麦品种为新冬20号。机条播，播种行距15 cm，两行枣树之间间作20行。播种日期为9月下旬，播种量为430 kg·hm2，有效株数约6.17×106株·hm-2，生育期238 d左右。试验于2016年10月至2017年6月进行，枣树与麦行最近距离50 cm，共生期内共灌水4次，3月25日浇头水、4月12日浇二水、4月25日浇三水、5月20日浇末水。

本试验采用双因素裂区设计，随机选取树势(冠幅、树高、基径)大致相同的2株枣树，以两棵枣树的定植点连成1条测定样线，3条测定样线为1个试验组，每个试验组设3次重复；在样线上，以距枣树定植点的距离为基准，每50 cm设置1个测定点。以调查时期为主区(主处理)，设拔节期(4月中旬)、抽穗期(5月上旬)、扬花期(5月中旬)、灌浆期(5月下旬)和成熟期(6月中旬)共5个因素水平，以测定位置为副区，设E50 cm、E100 cm、E150 cm、E200 cm (W200 cm)、W150 cm、W100 cm、W50 cm共7个因素水平[E和W分别表示小麦带的东侧与西侧(图1)]。为排除枣树与冬小麦的根系竞争对土壤养分产生的影响，本试验于2016年7月10日在试验地近枣树50 cm处挖沟铺设聚乙烯(PE)塑料薄膜，每组沟长6 m，深1.5 m。冬小麦播种区内，于10月15日施用1.5×104kg·hm-2腐熟牛粪做基肥[ω(N)=0.59 %，ω(P)=0.28 %，ω(K)=0.14 %]，5月18日追施200 kg·hm-2磷酸二铵[ω(N)=18 %，ω(P)=46 %]，6月10日追施75 kg·hm-2磷酸二氢钾[ω(P)=52 %，ω(K)=34 %]。枣树在3月20日单株施用10 kg腐熟牛粪，6月15日单株施200 g磷酸二铵，施肥范围为远离冬小麦试验区一侧，距树体50～100 cm，深20 cm[18]。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 冬小麦冠层PAR PAR采用LI-191R型(Li-COR, USA)高稳定性硅光电探测器测定。于2017年4月起，在各调查时期，选取晴朗天气，采用往返观测法测定冬小麦冠层PAR，测定时间8:00 am-20:00 pm，测定频率1 h·t-1。

1.3.2 枣树形态 枣树株高、基径、冠幅等测树因子采用CGQ-1型直读式测高器、围尺、皮尺等测定。测定日期与PAR测定同步，不同调查时期内各测1次，每次测定共设9对(18株)重复，取平均值。

1.3.3 土壤养分含量 分别在不同调查时期内调查枣树巷道内深度为0～20、20～40 cm的土壤养分含量(有机质、速效N、P、K)，取平均值。土壤样品分析采用《土壤农化分析方法》[19]。采用浓H2SO4-K2Cr2O7外加热法测定土壤有机质；采用碱解扩散法测定土壤速效N；采用Olsen法测定土壤速效P；采用CH3COONH4浸提-火焰光度法测定土壤速效K。

1.4 数据分析与作图

采用Microsoft Excel 2007、Origin Pro 9.0进行数据统计，采用SPSS18.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 间作物冬小麦冠层PAR的时空分布

在冬小麦的整个生育期内，枣树间作巷道冬小麦冠层PAR时空分布具有一定的规律性。从时间上来看，自上午8:00(0～50 μmol·m-2·s-1)起，冬小麦冠层PAR辐射量不断增加，至14: 00-15: 00到最大值(1500～1700 μmol·m-2·s-1)，在15: 00-17: 00时表现出缓慢下降的趋势，之后急剧下降，至20:00降至0 μmol·m-2·s-1(图2左)。从空间上来看，处于枣树间作巷道不同位置的冬小麦冠层PAR辐射量表现出明显差异，主要表现为巷道东侧(E)PAR辐射量高于巷道西侧(W)辐射量，中间位置(E200 cm)的PAR辐射量高于巷道两侧辐射量。其中，在W150 cm和E200 cm(W200 cm)处的PAR辐射量明显高于其它位置，平均达到1500 μmol·m-2·s-1以上，在E50 cm处的PAR辐射量最低，平均约为900 μmol·m-2·s-1(图2右)。

图1 试验设计示意图Fig.1 Experimental design sketch

E和W分别表示小麦带的东侧与西侧，其后的数据为距枣树的距离，下同E and W mean the eastern and western parts of winter wheat belt, data following them are distance from jujube tree. The same as below图2 枣麦间作系统中冬小麦生育期内冠层光合有效辐射(PAR)时空分布Fig.2 Canopy photosynthetic ally active radiation (PAR) temporal and spatial distribution of winter wheat at whole growth stages in jujube-wheat intercropping system

图3 枣麦间作系统中冬小麦不同生育时期的冠层光合有效辐射(PAR)时空分布Fig.3 Canopy photosynthetic ally active radiation (PAR) temporal and spatial distribution of winter wheat at different growth stages in jujube-wheat intercropping system

在冬小麦的不同生育时期，枣树间作巷道冬小麦冠层PAR时空分布规律大致相同，在时间上和空间上的变化均呈“n”型的单峰曲线。各生育时期内，冬小麦冠层PAR分布呈现明显的层次性，其中介于1000～2000 μmol·m-2·s-1的强光主要集中在山峰区域，0～500 μmol·m-2·s-1的弱光主要分布在山脊区域，而500～1000 μmol·m-2·s-1的中强光主要分布在山腰区域。在时间上，PAR时空分布表现出“中午高，早晚低”分布规律，自中午14: 00-15: 00向早晚依次递减；在空间上则表现出“中间高，两侧低”的空间分布规律，自E200 cm(W200 cm)处向两侧依次递减(图3)。

2.2 枣树间作巷道土壤养分时空分布

枣麦间作系统中，枣树间作巷道土壤中各养分含量变化呈现出一定的时空异质性。其中，冬小麦各生育时期内土壤有机质含量变化较稳定，各测点的含量波动较小。从生育时期来看，土壤中有机质的含量自拔节期(15.04 g·kg-1)开始便缓慢上升，至成熟期(19.29 g·kg-1)达到最大值；速效N含量整体呈现下降的趋势，土壤中速效N自拔节期(76.68 mg·kg-1)开始不断下降，经抽穗期(72.94 mg·kg-1)和扬花期(66.71 mg·kg-1)后，在灌浆期(66.74 mg·kg-1)又略有所上升，之后又继续下降，在成熟期(58.98 mg·kg-1) 达到最低值；速效P含量表现为“波浪式”的变化趋势，拔节期(7.15 mg·kg-1)开始上升，至抽穗期(8.33 mg·kg-1)后不断降低，在灌浆期(6.91 mg·kg-1)达到最低值，之后大幅上升，在成熟期(8.70 mg·kg-1)达到最大值；速效K含量整体呈现出先降后升的“弧形”变化趋势，拔节期(228.16 mg·kg-1)最高，扬花期(164.86 mg·kg-1)最低。

从空间上来看，土壤中有机质的含量自巷道中央区域E200 cm(W200 cm)向两侧(E50 cm和W50 cm处)呈翼状分布，中间区域明显低于两翼；速效N分布呈现出“正弦式”的波动变化规律，其总体平均含量变化表现为“东侧高，西侧低、中间低，两边高”的变化规律；速效P分布呈现出“U型”变化规律，其总体平均含量变化表现为“东侧低，西侧高、中间低，两边高”的变化规律；速效K含量整体也呈现出先降后升的“弧形”变化趋势，其总体平均含量变化表现为“中间低，两边高”的规律，其东西两侧分布较均匀(图4)。

2.3 光分布与土壤养分的相关性

枣树间作巷道冬小麦冠层PAR及巷道土壤养分之间具有一定的相关性。其中，冬小麦冠层PAR与土壤有机质呈负相关(r=-0.341)关系，与速效N呈正相关(r=0.034)关系，与速效P呈极显著(P<0.01)负相关(r=-0.452)关系，与速效K呈负相关(r=-0.120)关系；土壤有机质与速效N呈极显著(P<0.01)负相关(r=-0.504)关系，与速效P呈正相关(r=0.286)关系，与速效K显著(P<0.05)负相关(r=-0.421)；速效N与速效P呈正相关(r=0.286)关系，与速效K呈显著(P<0.05)正相关(r=0.365)；速效P与速效K呈正相关(r=0.223)关系(表2)。

图4 枣麦间作系统中冬小麦不同生育时期土壤养分的时空分布Fig.4 Soil nutrients temporal and spatial distribution of winter wheat at different growth stages in jujube-wheat intercropping system

表2 光合有效辐射和各土壤养分指标间的相关性分析

注：*表示5 %水平显著相关，**表示1 %水平显著相关，下同。

Note: *：Correlation is significant at the 5 % level; **:Correlation is significant at the 1 % level. The same as below.

通过相关性分析可以得出，在一定范围内，巷道土壤中速效N含量有随着冬小麦冠层光合有效辐射增强而上升的趋势，土壤有机质、速效P和速效K则表现出相反的变化趋势。这种现象很可能是由于冬小麦长期处于异质光环境中导致植株对土壤养分元素利用的不同所引起的“累积效应”。长期处于PAR辐射较弱区域的冬小麦光合效率下降，植株本身对速效养分N、P、K的吸收量减少，反之亦然。同时，该区域的冬小麦为补充幼叶生长对N、P、K等营养元素的需求，植株老叶过早衰老凋落，因此，冬小麦冠层PAR较弱区域的土壤有机质、速效P和速效K的含量高于PAR较强区域。与此同时，这可能由于PAR辐射较弱区域土壤温度较低，微生物及土壤酶活性下降，作为主要N源的凋落物分解速率降低，有效养分得不到释放，从而导致土壤中速效N含量下降；相反，PAR辐射较强区域速效N通过凋落物分解得以补充，速效N含量才会有所提升。

3 讨 论

林农间作时，整个复合生产系统的生产力主要取决于植物对光照和养分的需求[20]。国内外学者通常把这个系统分为地上光照资源和地下的土壤养分两部分来研究。Bolte & Villanueva认为，由于土壤中养分的可流动特性，同一区域不同位置的植物均能得到相同的资源，因此，间作巷道内土壤养分的初期分配不存在很大的差异[21]。Wilson根据数学统计中的“最小因子法则”提出植物间地上部分与地下部分竞争为负向相互作用机制的理论[22]，发现间作系统中光照的分配会影响到植物对于土壤养分的竞争[23]，而当立地环境中营养物质富集时，则会促进植物间对光照的争夺[24]。本研究发现，间作物冬小麦冠层PAR表现出“中午高，早晚低”，自中午向早晚依次递减时间分布规律和“中间高，两侧低”、自巷道中间处向两侧依次递减的空间分布规律。与此同时，土壤中有机质、速效N、速效P、速效K等营养元素也呈现出与光合有效辐射分布密切相关的时空分布特征，这很可能是由于光合作用影响了作物对土壤养分的吸收与利用，这与Wilson关于植物对光照的竞争与对土壤养分竞争的理论相符合。已有研究发现，植物处于异质光环境中时，不同的光照环境促使植物不同程度的改变其生理特性以期对不同光质、光强和光周期做出精确的响应，从而更有利于植物实现光合作用干物质的形成和生物量的积累[25]。本试验在对枣麦间作生态系统研究时发现，枣麦间作时，农田土壤养分在时间上和空间均会呈现出一定的异质性，这与国内外学者对茶树(Camelliasinensis)与大豆(Glycinemax)[26]、合欢(Acaciasenegal)与玫瑰茄(Hibiscussabdariffa)[27]、美国白蜡(Fraxinusamericana)与小麦(Triticumaestivum)[28]间作系统的土壤养分变化等研究结果类似。

本研究还发现，冬小麦冠层PAR与速效P呈极显著负相关，这说明光照充足时速效P是限制冬小麦生长发育的主要养分因子。而土壤有机质则与速效N、速效K分别呈极显著正相关和显著正相关，这说明土壤有机质是土壤中速效N和速效K的主要来源之一，适当增施有机肥可有效补充农田中的速效N和速效K等土壤养分，这也证实了枣树间作巷道土壤养分的时空变化与PAR的时空变化具有一定的联系，冬小麦自身对速效N、P、K等养分利用情况在一定程度上随着冠层接收的光合有效辐射情况做出响应，以实现自身生长发育需求。试验中，不同测点的冬小麦生存在于不同的光照环境，光合作用强度不同，这直接导致其对土壤中养分的吸收利用的水平也不同，最终可能导致间作巷道土壤中各养分的含量产生差异。这从另一方面可以说明，间作物冠层光合有效辐射也可以作为指导林农间作系统中土壤养分管理的一项重要参数。光合有效辐射和土壤养分作为作物生长发育的主要影响因素，严重影响作物产量的形成，长期光照不足和土壤中速效养分的亏缺往往会导致间作物光合效率下降、生长发育受阻，最终导致间作系统整体产量降低。因此，根据枣麦间作系统中冬小麦冠层PAR和土壤养分的时空变化规律而言，可在枣麦共生期内适当加强对枣树树体西侧枝条的修剪疏理，改善间作物冬小麦的光照环境条件，而土壤中有机质、速效N、速效P、速效K含量分别在冬小麦拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期达到最低值，因此可在冬小麦拔节期增施有机肥，扬花期增施K肥，灌浆期增施P肥，成熟期增施N肥，且适当增加巷道西侧区域施肥量，可有效避免枣树与冬小麦对光照和养分的竞争，以期获得更多产出。

当然，间作系统中土壤养分含量变化还可能与土壤中的动物、微生物、及土壤温度等影响因素有关，这需要在后续研究中进一步探索。总体来讲，长期生长在不同光环境中的作物对土壤中养分的吸收利用也有所不同，但巷道内光照对土壤养分的影响并不是单一的，只有综合调节系统内光照与土壤养分之间的关系，才能最大程度地提高整个间作系统的生产力。

4 结 论

枣麦间作系统中冬小麦冠层PAR时空分布具有一定的异质性，在冬小麦整个生育期内主要表现为“中间高，两侧低”和“东侧高，西侧低”的分布特征。长期处于异质光环境中的冬小麦对土壤速效养分利用的差异累积使其也呈现出明显的空间分布差异，为提高间作系统产量，可在冬小麦拔节期增施有机肥，扬花期增施K肥，灌浆期增施P肥，成熟期增施N肥，且适当增加巷道西侧区域施肥量。光照充足时，速效P的亏缺是限制冬小麦生长的主要养分因子，枣麦共生期间适当增施P肥有利于系统生产力的维持。