间作模式农田小气候效应对棉花生理生态指标的影响

艾鹏睿，马英杰

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】应用间作模式可以促使多种互补协同作用发生，使作物出现不同的生理性状变化，提高作物产量。黄爱军[1]、乔旭[2]等研究发现间作系统对冠层风速、冠气温度和土壤温度均明显降低效果，而相对湿度却明显提高。该变化可以延缓和缩短高温和干旱时间，减少高温对叶片的损伤，促进作物生长，改善果实品质[3-4]。【前人研究进展】Chai等[5]、Yin等[6]研究表明，间作模式具有显著提高水分利用效率，减少无效耗水的优势。交互作用可以提高玉米生理性状和光合特性，改善果实品质[7-8]，提高土壤中的酶活性和细菌、真菌、放线菌和固氮菌的数量[9]，提高抗病虫害等[10]。对于冠气湿度：在白天，由于间作棉花受枣树影响，风速和乱流交换减弱，植物蒸腾和土壤蒸发的水分在近地表层滞留时间延长[11]，冠气相对湿度显著高于单作，其差异主要集中在白天作物光合作用旺盛时刻。棉花冠气相对湿度提高15.07%，有利于作物进行光合作用[12-13]，延缓或减少植物午休现象的发生时间，增加间作系统作物产量[14]。在高湿环境下也有助于减少土壤水分的蒸散发。在夜间，受作物自身蒸腾作用的影响，外界空气湿度变化对冠气湿度影响程度较弱，后期基本维持在100%。而后进行控水，减少或停止灌溉，植株高度发生萎缩[15]。【本研究切入点】在现有针对间作棉花的研究中，尤其是种间协同作用所导致的农田小气候变化对棉花作物生理生态指标的影响还缺乏一定的研究。其次，间作模式下对作物的影响不仅有小气候，还存在着显著地下种间竞争因素[16-17]。【拟解决的关键问题】以新疆南疆枣树/棉花间作种植模式为试材，分析间作模式下农田小气候变化对棉田冠气温湿度及棉花生理指标的影响，为间作棉花获得高产高效优化田间配置提供实践与理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区位于新疆阿克苏地区红旗坡农场新疆农业大学林果实验基地(E 80°14′，N 41°16′，海拔1 133 m)。该地属于大陆性温带干旱沙漠气候，昼夜温差悬殊。多年平均太阳总辐射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均年日照时数2 855～2 967 h，无霜期达205～219 d，多年平均降水量74.4 mm，多年平均气温11.2℃，多年平均有效积温为3 950℃。土壤质地上层(0～50 cm)以粉砂壤土为主，下层(50～100 cm)以细沙土为主，平均容重为1.39 g/cm3，田间持水率为27%。地下水埋藏深度大于10 m。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

大田试验：棉花品种为新陆中49号；枣树品种为灰枣，树龄5年。棉花于4月19日播种，10月15日收获；枣树于4月24日进入萌芽展叶期，11月15日收获。枣树株距1 m，行距4 m，南北向双管滴灌灌溉，滴灌带距树干0.3 m。棉花采用一膜1管4行种植，株距8 cm，行距20-40-20 cm。试验共设4个处理，分别为间作棉花(T1)、棉花单作(T2)、盆栽间作棉花(P1)、盆栽单作棉花(P2)，每个处理设3个重复。对于棉花灌溉制度的制定，主要与当地棉花灌溉有关。苗期灌水次数为0，控水、防倒伏。在铃期和吐絮期时，为减少棉桃含水率，减少自然炸裂时间，需再次控水处理。图1，表1

表1 枣树/棉花田间试验设计Table 1 Field experiment design of jujube tree/cotton

盆栽试验：采用高60 cm，直径50 cm的塑料桶种植棉花。待棉花播种时，分别在单作和间作试验田中间挖设深度60 cm土坑(间作盆栽棉花距树85 cm)，放入塑料桶若干，桶内播种棉花2排，每排4株，棉花株距8 cm，行距20 cm。盆栽棉花灌溉制度与施肥量与大田作物相同。

1.2.2 样品采集与测试

1.2.2.1 棉花株高与叶面积指数

在棉花各生育期内，分别在苗期(6月5日)、蕾期(7月11日)、花铃期(8月13日)、吐絮期(9月8日)、收获期(10月15日)每个重复选择8株长势均匀的棉花，采用米尺测定株高，选取3株棉花采用万深LA-S仪器测定叶面积。盆栽棉花每个重复选取1盆所有棉花测定株高，随机选取3株棉花测定叶面积。

1.2.2.2 冠气温湿度

采用温湿度记录仪测定棉花冠层内部空气的温度和湿度(以下简称冠气温/湿度，与专业名称冠层温度相区分)。温湿度记录仪布设在仪器顶端距棉花顶端下方5～10 cm处，并随着棉花的生长适时调节，每30 min一测，测定时间为4月24日～10月15日。

1.2.2.3 棉花叶片净光合速率

采用CIRAS-3光合测定系统测定棉花叶片净光合速率。每个重复均选取3株棉花，选择顶端倒3片发育完全的叶片测定，测定时间为6月5日、7月17日，8月1日，8月19日，9月15日。

1.2.2.4 棉花产量及其相关构成因素

棉花全生育期结束后，分别在各个重复收取10 m2棉花测产。每个重复随机抽取棉花10株，测定其衣分、单铃重、单株结铃数。盆栽每个重复随机选取3桶棉花测产，并在3盆中随机抽取棉花12株，测定其衣分、单铃重、单株结铃数。

1.3 数据处理

使用Watchdog小型自动气象站全天候自动观测气温、辐射、降雨等常用气象数据，30 min测定1次。

2 结果与分析

2.1 间作模式下棉田冠气温湿度日变化特征

研究表明，空气温度与冠气温度之间关系主要分为2个阶段。在第一阶段(10:00～18:00)，外界气温逐渐升高，植物叶片和冠层内部空气总体处于吸热时段，或受到叶片细胞放出水蒸气散失热量，增强冠层内部比热容，使冠层温度均低于空气温度。第二阶段，受太阳辐射减少的影响，外界气温总体呈现下降趋势。冠层内部温度较高，冠层处于放热状态，其放热速率与冠层密闭度等密切相关。冠气温度基本高于外界空气温度。对于间作棉花，密闭度较高，冠气温度上升需要外界提供更多的能量，两者差异主要体现在升温速率和降温速率上。间作棉花相比单作模式冠层升温速度慢在10：00～18:00期间均低于单作。18：00以后，间作冠气温度开始高于单作模式。图2

图2 单间作模式下棉花冠气温湿度日变化Fig.2 Diurnal variation in the air temperature and relative humidity of the jujube tree/cotton

2.2 田间和盆栽棉花生理性状变化特征

研究表明，大田试验间作棉花株高显著高于单作。且差异随生育期的推进由苗期(差异16.93%)，至蕾期(差异22.5%)，到花铃期达到最大值(差异26.6%)。至收获期时差异仅为11.39%。棉花叶面积指数也出现与之相似的波动情况，在花铃期差异达最大值为19.52%。

盆栽试验中，间作棉花株高同样显著高于单作，其中苗期、蕾期、花铃期、收获期差异分别为：14.2%、17.4%、21.4%和15.2%。表2

表2 不同处理条件下棉花生理指标差异性Table 2 Cotton physiological index in different treatments

2.3 田间和盆栽棉花光合特性变化特征

研究表明，从6到8月上旬，棉花生长旺盛，光合速率稳步提高。棉花进入花铃期，此时生殖器官对光合产物需求逐渐减少，同时又受到人为干扰(控水)，叶片光合速率呈现下降趋势，直至全生育期结束。

棉花光合速率受农田小气候影响显著，间作棉花(大田和盆栽)在各个生育期的净光合速率均高于单作模式大田试验中，间作棉花在苗期净光合速率高于单作28.67%，在棉花控水期间，农田小气候的变化缓和了水分亏缺对棉花地上部植株的影响，促进棉花光合速率提升，有利于作物生长。当控水结束至蕾期时，其差幅迅速减少至2.54%(7月17日)，灌水减弱了农田小气候对棉花光合特性提升的影响。当8月中旬棉花再次进入控水期时，这种影响效果又再一次凸显，单间作差幅增加到24.85%(8月19日)。但这种效果会随着控水时间的延长逐渐较弱，如9月15日所示，两者差幅已经回落到7.70%。在苗期的控水所造成的差幅相似(苗期30.46%)。但对于 8月中旬经控水处理后，差幅虽然回落，但回落速率慢于大田试验(8月19日13.26%；9月15日10.42%)。

棉花净光合速率在时间段内(10:00～20:00)呈现出一个明显的单峰曲线，在12:00时达到最高峰，而后受到高温的影响，叶片气孔出现闭合，光合速率减弱，植物出现午休现象。到16:00后，叶片净光合速率出现轻微反弹，但受土壤水分供给不足等影响，光合速率逐渐减弱，直至20:00结束。提高的冠气湿度和降低的冠气温度使间作棉花在正午时气孔闭合程度弱于单作棉花，使植物午休时间段内的光合速率得到了提升，增加的每日光合产物。即在整个时间段内，与单作棉花相比，间作棉花净光合速率提高了12.28%(盆栽提高了19.35%)。图3

图3 单、间作模式下棉花叶片净光合速率变化趋势Fig.3 Change trend of net photosynthetic rate of cotton leaves under single cropping and intercropping mode

2.4 田间和盆栽棉花产量及其产量构成因素的影响

研究表明，单、间作棉花衣分差异较小，种植模式对棉花出棉率基本无影响。单铃重和结铃数却出现显著差异，其中单铃重相差12.0%，单株结铃数相差11.8%。棉花单铃数和单株结铃数在养分充足时，主要受棉花株高和叶面积指数影响，而间作棉花株高和叶面积指数显著高于单作。故间作模式主要通过改善植株高度和叶面积指数，最终提高了约20%的产量(与单作相比)。而棉花衣分主要受品种影响，间作模式对棉花基因型没有任何影响，棉花衣分难以出现显著差异。表3

表3 单、间作模式棉花产量及其产量构成因素Table 3 The comparison of cotton yield components in different planting pattern

3 讨 论

冠气温、湿度是表征作物冠层发育状态的一个重要参数，随辐射强度变化而进行波动[18]。即随着环境温度的升高，冠气温度、蒸腾速率也逐渐提高。同时，冠层结构也会影响冠气温、湿度的变化。致密的冠层结构可以限制了部分水分散失，使得冠气湿度维持在一个较高的水平，利于作物生长发育[19-20]。相关研究表明，间作模式改变植株的形态，增加棉花冠层郁闭度，有利于冠层结构限制水分散失能力提高[21]。在试验中，间作棉花的株高提升26.6%，叶面积指数提高19.52%，促使冠气湿度显著提高15.07%，但冠气温度仅降低1.90%。这与林松明等[22]和雷金银等[23]研究结果相似。此外，间作树木可以产生一种林带效应，使风速和乱流交换减弱[24]，延长植物蒸腾和土壤蒸发水分在近地表层滞留时间，同样也有利于冠气湿度的提高。

光合有效辐射是植物生长发育的能源基础。对植株干物质量的累积有着重要的影响作用[25]。有研究表明，农作物可能受到相邻果树冠层遮蔽的影响，对作物的光合作用强度和生长发育产生不利的影响[2]。研究中，间作棉花(大田和盆栽)在各个生育期的净光合速率均高于单作模式大田试验中。棉花全生育期叶片净光合速率提高10.25%。但最显著体现在苗期控水时期，提升的相对湿度直接提高净光合速率28.67%以上。这与宫香伟等[26]研究结果相似。间作模式改善了农田小气候，增加相对湿度，调节气孔导度，增加叶片与外界进行气体交换的能力[27]。另有研究也表明,高湿环境有利于减弱植物“午休”，增强其光合能力[21]。间作模式内部种间互补效果明显，其间作棉花生长发育程度明显优于单作模式[28]，使叶片净光合速率出现明显的提升。

4 结 论

4.1间作棉花受间作枣树的影响，使植物蒸腾和土壤蒸发水分在近地表层滞留时间延长。株高提升26.61%，叶面积指数提高19.42%，促使冠气湿度显著提高15.07%，但冠气温度仅降低1.90%。间作棉花(大田和盆栽)在各个生育期的净光合速率均高于单作模式，植物午休现象也得到了缓解。大田试验中棉花全生育期叶片净光合速率提高10.25%。日均净光合速率提高了12.28%。

4.2单作盆栽棉花和间作盆栽棉花在不同的农业小气候条件下表现出截然不同的生理性状。地间作盆栽棉花的株高、叶面积指数和净光合速率分别提升21.37%、14.02%、12.55%，差幅微小于大田试验。地上协同作用是引起棉花生理指标出现显著差异的重要因素。

4.3较单作模式，间作棉花产量提高约20%左右。对棉花实施间作可改善田间小气候，对防止环塔里木盆地一带常出现的干热风、浮尘和强对流等灾害性天气也有一定效果。