晋西黄土区常规果农间作模式下果树遮阴时空分布特征

王晶晶，毕华兴,3,4，郭孟霞，孙于卜，段航旗，彭瑞东

(1.北京林业大学水土保持学院/水土保持国家林业局重点实验室，北京 100083；2.北京水保生态工程咨询有限公司，北京 100055；3. 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京 102206，； 4.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，山西 吉县 042200)

果农间作模式是立体农业的一种，选择合适的林木与农作物进行混合的种植模式，既能促进林木的生长，又增加了农业的经济效益[1-5]。因此，果农间作系统的发展与研究在世界范围内得到广泛运用。系统结构组成、功能特征、生产力、生物气候潜能以及种间的水分与养分竞争等为目前果农配置时考虑的主要因素，但忽略了光照对果农复合种间关系的影响[6-11]。

光照作为光合作用的能量来源，直接影响间作作物的生产力。因此，光环境对果农间作系统中间作作物的影响应当被关注[12-17]。本研究假设太阳光线是平行光，遵循相似性原理，利用苹果树3D模型实测遮阴范围，研究不同年限果树群体遮阴范围时空分布，明确光环境下树冠遮阴动态变化状况，以期指导果农间作系统的作物种植，从而达到农林间作系统经济效益优化。

1 研究区概况

研究区位于山西省吉县，气候属于暖温带大陆性季风气候，光照充裕,季节变化明显。年均气温范围约为9.3～11.3℃。年均日温差为11.2℃。年内最低温在1月份，最高温在8月份。>10℃的有效积温3 361.5℃，日照时数可达2 538 h。年均无霜期176 d。多年平均降水532.8 mm。春季大风且干旱，降雨主要集中于夏季，秋季阴雨较多，冬季干燥寒冷。

研究区地形为典型的丘陵沟壑区，水土资源缺乏，果农复合系统的种植模式在该地被广泛使用。果树主要为苹果，间作作物主要选择大豆、花生、玉米等。本研究选择苹果+间作作物模式进行研究，苹果树东-西向种植,果树株行距主要为4 m×5 m、5 m×5 m两种。

2 材料与方法

2.1 试验方法

2.1.1 试验材料 以试验样地的苹果树作为研究对象，选择试验样地4、5、6 a和7 a生的所有苹果树，进行拍照和基本特征的测量(表1)，将所取照片导入PS对其进行处理分析，通过对大量测量数据和照片中树冠轮廓的提取分析，利用三维制图技术构建苹果树体模型，最终采用3D打印制作缩小50倍的苹果树三维树体模型。

2.1.2 试验设计 为测定单株苹果树遮阴范围和不同株行距配置的苹果树群体遮阴，将树体模型(树体模型枝下已加高3 mm)插放在厚度为3 mm的A3硬纸板，硬纸板上固定有网格纸。具体位置见图1，目标苹果树体模型选择插放在网格纸的中心位置，其他苹果树模型依据图1位置插放(株行距4 m×5 m、5 m×5 m缩小50倍后的配置方式)，且以地理北为Y轴的正半轴，地理东为X轴正半轴。一天内8∶00～17∶00是太阳辐射的重要时段。因此，试验在晴天8∶00～17∶00进行，每隔1 h标定一次，在固定的网格纸上，使用铅笔(铅笔与地面垂直)描绘出树体模型在此时间的遮阴边界。试验在2017年7月进行3次，每次试验选择相同树龄树体模型，3次重复。

3 结果与分析

3.1 不同树龄单株苹果树遮阴范围时空分布

4～7 a生单株苹果树遮阴范围时空分布呈规律性变化(图2)。在一天(8∶00～17∶00)中，随着时间的推移，单株苹果树的遮阴范围由西向东偏移，遮阴范围面积变化趋势为大-小-大，苹果树在8∶00时遮阴距离苹果树最远为6.5～7.5 m；在中午12∶00时树冠遮阴区域面积最小；在17∶00时遮阴距离苹果树为5.0～5.9 m；在其余时段，遮阴距苹果树最远距离,西向为3.9～4.6 m、东向为3.2～4.0 m。单株苹果树遮阴整体呈现不等宽弧型分布。苹果树遮阴区域距离苹果树的北向始终大于南向0.5～0.6 m。随着树龄的增长，单株苹果树树冠遮阴区域均增大。

表1 试验地果树树体的基本特征(均值)Table 1 Basic characteristic of fruit tree in test area

注：模型尺寸/实际尺寸为1/50。Note: Model sizes/actual sizes are 1/50.图1 株行距配置模式果树模型点位布设示意图Fig.1 Point design figure of apple-trees model in plantspacing configuration

根据遮阴区域的遮阴时长的不同，将一天内单株苹果树遮阴划分为8个区域，分别为<1 h、1～2 h、2～3 h、3～4 h、4～5 h、5～6 h、6～7 h、>7 h。

3.2 株行距4 m×5 m配置模式下苹果树遮阴范围时空分布

4 m×5 m株行距配置模式下4～7 a生苹果树遮阴范围时空分布如图3所示。根据单株苹果树遮阴分布特征，8∶00和17∶00时段内同行的部分区域受到邻树和目标果树的叠加遮阴，其余时段同行未受到邻树的叠加遮阴。4～6 a生苹果树遮阴区域最大距离为北向(N)2.1～2.5 m，南向(S)1.7～2.0 m;因此，4～6 a生苹果树行间不存在果树遮阴的叠加影响。然而，7 a生单株苹果树一天中遮阴区域最远距离为北向(N)2.7 m，南向(S)2.5 m；因此，7 a生苹果树行间存在果树间的叠加遮阴。

分析株行距4 m×5 m配置下果树树行间遮阴时长分布可知，4～6 a生苹果树在一天内受到同行邻株苹果树的连续叠加遮阴，遮阴时长约为4～9 h。根据果树行间间作作物接受遮阴时长，对4 m×5 m配置的苹果树行间进行划分(图3)，4～6 a生苹果树为3个区域：Ⅰ区(弱遮阴区，时长<1 h)，Ⅱ区(中度遮阴区，时长1～3 h)，Ⅲ区(强遮阴区，时长4～9 h)；7 a生苹果树的行间存在邻行果树的叠加遮阴，划分为2个区域：Ⅱ区(中度遮阴区，1～3 h)，Ⅲ区(强遮阴区，4～9 h)。为了使得间作作物的种植效益良好，间作作物的种植区选择为Ⅰ区、Ⅱ区。根据不同树龄苹果树行间遮阴范围和遮阴时长分析，果树行间适宜间作范围见表2。

3.3 株行距5 m×5 m配置模式下苹果树遮阴范围时空分布

5 m×5 m株行距配置模式下4～7 a生苹果树遮阴范围时空分布如图4所示。一天中，在8∶00时间段，同行苹果树与邻株果树部分区域出现叠加遮阴；在其余时间段，同行内不存在相邻苹果树体间的叠加遮阴区域。在一天中，4～6 a生苹果树行间不存在邻行苹果树的叠加遮阴，但7 a生苹果树在行间会存在叠加遮阴。

4～6 a生苹果树在一天内同行的部分区域存在连续的叠加遮阴，遮阴时长为4～9 h。根据一天内5 m×5 m配置模式下苹果树遮阴区域的遮阴时长，将5 m×5 m配置模式的苹果树行间划分为3个区域(同4 m×5 m配置模式)。对于7 a生苹果树群体行间而言，由于部分区域存在邻行果树遮阴的叠加影响，仅分为Ⅱ区和Ⅲ区。为了使间作作物的种植产生良好的效益，间作作物的种植区选择在Ⅰ区、Ⅱ区。根据不同树龄苹果树行间遮阴范围和遮阴时长分析，5 m×5 m株行距配置的果树行间适宜间作范围见表3。

图2 不同树龄单株苹果树遮阴时空动态变化图Fig.2 Dynamic space-time chart of shade range for individual apple tree in different ages

图3 4 m×5 m配置苹果树群体遮阴范围时空分布Fig.3 Space-time distribution of shading range for apple trees about plant spacing configuration of 4 m×5 m

表2 株行距4 m×5 m配置下不同树龄苹果树种植范围

表3 株行距5 m×5 m配置不同树龄下苹果树种植范围

图4 5 m×5 m配置苹果树群体遮阴范围时空分布Fig.4 Space-time distribution of shading range for apple trees about plant spacing configuration of 5 m×5 m

4 讨 论

本研究通过实地观测和模型模拟，分析晋西黄土区单株苹果树以及不同株行距配置的苹果树群体遮阴范围的时空分布。研究表明4～7 a生单株苹果树在一天内遮阴区域随时间推移呈从西向东变化，变化趋势取决于一天中太阳方位角由东南向西南的转移变化。由于太阳高度角的移动，导致苹果树遮阴区域面积随时间变化为大-小-大[18]。果树遮阴时空分布直接影响果树群体中光合辐射时空分布。有关果树光合辐射时空分布的研究表明：果农间作系统光合有效辐射呈“单峰形”变化，并且距树行越近，光合有效辐射强度越弱，且树行两侧光合有效辐射不一致[19-23]。这种变化与本研究果树群体遮阴范围时空分布基本一致。因此，果农间作系统传统的间作作物等间距种植模式存在不合理性。本研究结果表明，果农间作系统间作作物种植应该采取沿苹果树树行南-北向不等间距种植，北向种植距离小于南向0.6～0.7 m。为达到苹果树遮阴区域最小化，果树种植树行选择地理东-西向种植；间作作物适宜的种植区域随苹果树年限的增长而减小。

实际上，林下辐射强度是影响间作作物生长的重要指标，未来需进一步研究不同株行距配置下的遮阴效果。

5 结 论

1) 4～7 a生单株苹果树遮阴呈现规律性时空分布。时间上，苹果树遮阴范围随时间推移从西向东变化，呈现大-小-大的变化趋势。空间上，苹果树遮阴区域整体呈现不等宽弧型分布，且果树遮阴区域距离苹果树的北向大于南向。

2)苹果树群体遮阴时长、范围与果树配置方式和树龄相关。4～7 a生同行苹果树在一天内出现连续叠加遮阴；4 m×5 m、5 m×5 m株行距配置遮阴时长为4～9 h，且5 m×5 m株行距配置下4～9 h的遮阴区域多于4 m×5 m株行距配置；4 m×5 m株行距配置下适宜间作作物种植区范围为1.41～1.91 m，5 m×5 m 株行距配置下间作作物种植范围为1.63～2.14 m，且种植范围均随树龄的增加而减小。

3)间作作物行间种植采取南-北不等间距种植,间作种植区北向距离大于南向距离0.6～0.7 m。