种植密度对我国东北地区大豆辐射利用率的影响

刘建生 邵晓梅

（1.黑龙江省农垦九三管理局尖山农场，黑龙江 嫩江 161441；2.黑龙江省农垦九三管理局植保植检站，黑龙江 嫩江 161441）

辐射利用率（Radiation Use Efficiency，RUE）是指植物将冠层截获的光合有效辐射转化为生物量的效率。在相同太阳辐射条件下，提高辐射利用率可以提高作物产量。影响辐射利用率的诸多因素中，由于种植密度对植物叶面积指数和冠层结构有直接影响，导致辐射利用率受作物种植密度的影响显著。因此，探讨种植密度对冠层截获辐射及其利用率的影响具有重要意义。东北地区作为我国的商品产地，研究种植密度对其作物辐射利用率的影响，可以为当地农业生产提供理论依据。因此，本研究旨在探讨大豆出苗后至收获前的辐射利用率在研究区的订正及种植密度对辐射利用率的影响。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究选择在黑龙江省农垦总局九三分局尖山农场进行。该农场地处小兴安岭西南麓向松嫩平原过渡的漫川漫岗地带，地形呈波状起伏，耕地坡度为1°～3°。气候属于寒温带大陆性半湿润气候，最热月7月，平均气温20.8℃，最冷月1月，平均气温为-22.5℃。无霜期110～120 d。年降水量450～550 mm，集中在7—9月，占全年的64%［1］。区内主要土壤为黑土类和黑土亚类［2］，按中国土壤系统分类属于均腐土［3］。成土母质为第四纪沉积黄黏土，土体剖面一般厚30～60 cm，有机质含量一般在30～70 g/kg。主要种植大豆、玉米等作物。

1.2 作物试验与观测

2017年于尖山农场进行大豆不同种植密度的试验。设计低密度、较低密度、中密度、较高密度和高密度5个密度处理。出苗后，重新测定密度分别为25株/m2、32株/m2、45株/m2、53株/m2和64株/m2，每个处理3个重复。大豆起垄耕作，垄距110 cm，垄上播种3行。样地土地质量中等偏上，实测表土碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为193、57、154 mg/kg，有机质含量4.83%，沙粒、粉粒、黏粒含量分别为34.6%、31.8%、33.6%，pH值为6.3。2017年播种时间为5月7日，收获时间为9月28日。试验施肥水平为施纯肥量140 kg/hm2，氮磷钾的比例为1∶1.3∶0.3。出苗后喷药除草。

大豆播种后，从出苗后到收获前，在每个小区内进行光合有效辐射与生物量的观测。2017年观测时间分别为6月29日、7月15日、7月25日、8月1日、8月8日、8月15日、8月23日、8月29日和9月6日，分别为播种后第48 d、64 d、74 d、81 d、88 d、95 d、103 d、109 d和117 d，共9次观测。观测项目包括上午10:00—12:00，利用冠层分析仪对每小区冠层顶部和冠层底部光合有效辐射进行3次重复测定；同日，每小区采集垄长1 m的生物量带回室内称鲜重，从中抽取子样，利用叶面积仪测定叶面积、称鲜重、105℃杀青、80℃烘干后称干重。

1.3 辐射利用率的计算方法

研究采用的气象数据来自当地气象站，为实测逐日日照时间，用于计算逐日太阳辐射：

式中，RA是逐日太阳辐射，单位MJ/m2；RAMX是逐日晴天最大太阳辐射，单位MJ/m2；a、b是与大气质量状况有关的经验参数，分别为0.105和0.708。n和N分别为逐日实际日照时间和逐日可照时间，单位h。其中，逐日可照时间N可利用式（2）进行计算：

式中，LAT为纬度，SD为太阳赤纬，i是该年的第i天。

逐日晴天最大可能太阳辐射RAMX可利用式（4）进行模拟：

式中，RAMXi是第i天晴天最大可能太阳辐射，单位MJ/m2；XT为太阳时角。

1.4 生育期内冠层累积截获光合有效辐射的模拟

根据比尔定律，模拟冠层截获光合有效辐射为：

式中，IPARi为第i天冠层截获光合有效辐射，单位MJ/m2；0.5为日辐射转换光合有效辐射系数；ki和LAIi分别为第i天的消光系数和叶面积指数。消光系数k根据比尔定律，利用观测日上午10:00—12:00测定冠层顶部和冠层底部光合有效辐射计算获得，以作为观测当日全天平均消光系数。

根据比尔定律，第i天的冠层截获光合有效辐射率为：

非观测日的冠层截获光合有效辐射利用线性内插获得，再进行累加，即为冠层累积截获光合有效辐射。将作物冠层累积的光合有效辐射与生物量进行线性拟合，其斜率即为辐射利用率。

2 结果与分析

2.1 LAI与k

不同种植密度处理下，LAI均为随时间先增大后减小，最大叶面积指数为4.93。大豆播种88～95 d时达到最大；低密度和较高密度为88 d时最大；较低密度、中密度和高密度为95 d时最大。此时为结荚-鼓粒期。

随种植密度的增加，大豆出苗至收获前的平均LAI呈显著线性增长趋势（如图1所示），说明种植密度可有效增加LAI，而平均消光系数k却表现出相反的趋势，呈显著指数减少（如图2所示），最大为0.66，最小为0.45，说明种植密度的增加会引起消光系数的降低。平均LAI的增长幅度远大于平均消光系数的减小幅度，当平均LAI分别增加62%时，平均消光系数k仅减小28%。根据比尔定律，这将导致种植密度越大，生育期内冠层截获的光合有效辐射越多。

图1 出苗至收获前的平均LAI与种植密度的关系

表1 各处理下生物量y与累积辐射截获率x的线性回归（y=a+bx）系数

图2 出苗至收获前的平均消光系数k与种植密度的关系

2.2IPAR和FPAR

至末次观测为止，冠层累积（IPAR）均表现为随种植密度的增大而线性增加，与LAI的增长幅度大于消光系数的减小幅度时可导致冠层截获的光合有效辐射越多的结论吻合。

在比尔定律中，在相同的入射光下，辐射截获率（FPAR）是决定冠层截获光合有效辐射的决定性因素。观测数据显示：各处理下，辐射截获率均随着生育期逐渐变大，并接近于1，一般在播种后85～88 d达到最大，此时LAI亦达到最大。出苗到收获前的平均辐射截获率随种植密度增加略微增加，但差异不大。

2.3 辐射利用率

对生物量的观测发现，播种后48～103 d是生物量持续增长阶段，约为大豆出苗后至鼓粒期。将此时期内冠层累积截获的PAR与生物量进行线性回归，其斜率即为出苗后至鼓粒期的平均辐射利用率（如表1所示的b）。结果显示，各处理下，回归决定系数R2为0.93～0.99，回归效果良好。各处理下，出苗后至鼓粒期平均辐射利用率变化很大，表现为随种植密度先增加后减小的趋势（如表1、图3所示）。在中密度和较高密度条件下，大豆的辐射利用率较高，分别为2.03 g/MJ和2.06 g/MJ，说明适当提高大豆播种密度可以更好地利用光照，但密度过高辐射利用率会降低。例如，高密度条件下，大豆辐射利用率为1.78 g/MJ。另外，辐射利用率的高低仅对地上生物量有影响，而大豆最终产量还与收获指数有关，需要进行更加深入的研究，以确定大豆最优的播种密度。

图3 出苗后至鼓粒期平均辐射利用率与种植密度的关系

3 结论

通过对大豆种植密度与叶面积指数、观测截获光合有效辐射以及辐射利用率的分析得到如下结论。

①大豆出面至收获前的平均叶面积指数LAI随着种植密度的增加而增加，消光系数则随着种植密度的增加而减小；

②大豆冠层累积光合有效辐射随种植密度的增加而增加，辐射截获率播种出苗后逐渐增大；

③大豆辐射利用率随着密度的增加先增加后减少，在中密度和较高密度条件下，大豆的辐射利用率最大。