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通过林木和作物的合理间作,农林复合系统能充分利用水肥光热资源,既能保持生态功能,又能在降低投入的情况下可持续获得林产品(木材或果实)[1]和作物收成,如Niether等[2]对可可树(Theobroma cacao Linn.)、Sun等[3]、孙守家等[4]和何春霞等[5]对核桃(Juglans regia L.)-绿豆(Vigna radiate (L.) Wilczek)或小麦(Triticum aestivum L.)等及Rivest等[6]对杨树(Populus nigra × P. maximowiczii)/大豆(Giycine max (L.) Merr.)等的研究都表明,农林间作比单作具有产量优势;Muñoz-Villers等[7]研究得出咖啡(Coffea arabica L.)复合系统的种间水分互补关系。也有农林复合系统种间水分竞争的报导,如核桃树/花生(Arachis hypogaea L.)[8]、旱季的南酸枣(Choerospondias axillaris (Roxb.) Burtt et Hill.)/花生[9]及枣农间作系统[10]。量化不同复合系统的种间水分关系,有助于合理选择和配置农林复合系统[4]。
农林复合系统中,林木的耗水规律可通过液流法[11]估算,而作物耗水却不易估算。能量平衡法估算的耗水[12]包括植物蒸腾和土壤蒸发,二者无法区分开来。涡度相关法能区分农田的土壤蒸发和作物蒸腾 [13],但不适用于下垫面不一致的农林复合系统。植物稳定碳同位素比率(δ13C)整合了其生长过程的水分状况,与植物水分利用效率(WUE)成正比,能指示其长期水分状况[14-16]。因为干旱时,叶片内外水汽压差增加,叶片会关闭气孔、降低导度以减少蒸腾和充分利用水分,这也引起胞间CO2浓度降低,使得光合作用对13C的甄辨率降低,最终造成叶片中13C富集、δ13C增大[17]。结合作物的WUE和生物量可估算其耗水量[18],且只需少量组织,能简化农林复合系统的水分关系研究。
在太行山南麓低丘山区,立地和灌溉条件差,季节性干旱等极端气候频发,导致水分亏缺制约其农林业发展,当地为了增收大力发展果树与作物等间作。核桃位居中国四大干果之首,适应性强,具有水土保持等生态功能。决明(Cassia tora Linn.) 是豆科药材,种子可明目。菘蓝(Isatis tinctoria Linnaeus,板蓝根)属十字花科药材,具清热解毒,凉血消斑功效。这2种药材虽在华北复合农林实践中广泛栽培,但其种间关系研究尚且匮乏。本文采用稳定碳同位素方法,结合树干液流,研究该区核桃-决明/菘蓝复合系统的耗水特征和水分利用等,旨在量化其种间水分关系,并为3种植物的管理和当地农林复合系统的优化提供理论依据。
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图2为研究区生长季(4—10月)的气象因子,2012年和2013年的年均气温、相对空气湿度和总降水量分别为22.18℃、64.86 %、493.0 mm和 22.41℃、70.64 %、409.0 mm。
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单作和间作系统的土壤含水量季节变化见图3。受降雨分布影响,总体2012年土壤含水量高于2013年。2012年,土壤含水量均随菘蓝生长逐渐减少;在决明生长时期土壤含水量较高且随其生长变化不大。2013年,菘蓝生长前期土壤较干旱(含水量仅10%左右),生长后期(5月29日)受降雨补充有所提高;土壤含水量则随决明生长缓慢减少。
Figure 3. Temporal variation of soil water content at different intercropping systems in 2012 and 2013
在同一时期,土壤含水量为:复合系统 > 单作核桃 > 单作菘蓝/决明(图3),除2012年4月25日外,复合系统与单作核桃均差异不显著。除2012年9月18日,2013年3月28、4月26和10月12日三者差异不显著外,复合系统与单作菘蓝/决明其他时期均差异显著(P < 0.05)。单作核桃在2012年6月3日、7月26日和2013年5—9月也显著高于单作菘蓝/决明。2012、2013年复合系统的土壤含水量在上半年比单作菘蓝分别增加26.74%和7.93%,下半年比单作决明分别增加17.39%和13.65%。
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图4表明:随着菘蓝和决明生长,其δ13C值均逐渐增大;间作菘蓝和决明的δ13C均低于对应的单作,2012、2013年间作菘蓝比单作菘蓝分别低3.61%、3.88%,间作决明比单作决明分别低2.95%、1.01%;除了2013年开花期和成熟期间作决明略高于间作菘蓝外,决明的δ13C总体小于菘蓝的。
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图5表明:菘蓝的水分利用效率(WUE)随其生长逐渐减少(同时期间作、单作菘蓝差异不显著);决明的WUE在2012年随生长逐渐增加,2013年则逐渐减少,且间作决明在2012年成熟期和2013年苗期显著低于单作决明。
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图6表明:间作系统中的土壤含水量总体表现为树行中间位置(M)处最低,而距离核桃树较近的位置较高。
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图7表明:间作系统中,2012年菘蓝的δ13C各时期均为S2.5处最小,苗期的M和S1.5处及成熟期的N2.5和S1.5处较高;2013年苗期仍为S2.5处最低,M和S1.5处较高,成熟期则S1.5和N2.5处较低,M和S2.5处较高。2012年决明苗期的δ13C值为N1.5处最低;开花期和成熟期为M处最高;2013年决明开花期在N2.5和M处及成熟期在N2.5处显著高于其他位置。
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图8表明:间作系统中,在2012年苗期和开花期,菘蓝的WUE为S2.5处最低,而M和S1.5处较高;在2013年苗期为M和S1.5处较高,S2.5处最低,成熟期则S1.5处最低。决明的WUE在2012年苗期和开花期均为M处最高,在2013年总体为N2.5处最高。
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核桃在6—8月(菘蓝成熟期和决明苗期、开花期)的耗水量较大(图9),间作核桃、单作核桃在2012和2013年分别约占其生长季总耗水的69.03%、68.36%和71.38%、69.90%;间作和单作核桃的生长季(4—10月)总耗水量在2012年分别为104.79、116.21 mm,2013年分别为104.44、112.13 mm,单作比间作分别高10.90%、7.36%。
菘蓝和决明的耗水量随其生长逐渐增加,且间作均低于单作(图9)。间作菘蓝、间作决明、单作菘蓝、单作决明的总耗水量在2012年分别为65.15、40.17、119.10、90.97 mm,在2013年分别为23.78、64.69、47.20、167.90 mm,2012年菘蓝高于决明,2013年决明高于菘蓝。
在复合系统中,核桃和菘蓝的耗水比例:在2012年是0.70:1,菘蓝高于核桃,在2013年则是2.06:1,核桃高于菘蓝。核桃和决明的耗水比在2012和2013年分别是1.79:1和1.42:1,核桃均高于决明。
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图10表明:核桃-菘蓝间作系统中,树行南北1.5 m处菘蓝总耗水量最少,其次是树行南北2.5 m处,M处的最大(2012和2013年分别为95.51、41.50 mm,是S1.5处的2.8倍和3.4倍)。在核桃-决明系统中,M处决明的总耗水量最多,除了2013年开花期N1.5处耗水最高外,其他时期表现为距离树行越近耗水越少。
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表1表明:在复合系统中,核桃、菘蓝和决明的产量均低于对应的单作。当年每公斤绿皮核桃、菘蓝和决明的价格分别约为10、10、4元,计算的2012年复合系统、单作核桃和单作菘蓝/决明收入分别为37 493、25 451、30 135元·hm−2;复合系统是单作核桃的1.47倍、单作菘蓝/决明的1.24倍。2013年复合系统、单作核桃和单作菘蓝/决明的收入分别为28 392、22 900、19 030元·hm−2,均低于2012年,依然是复合系统最高,分别是单作核桃的1.24倍、单作菘蓝/决明的1.49。复合系统的产量土地当量在2012和2013年分别为1.98、1.89;产值水分利用效率均为单作核桃最高,2012年和2013年分别为21.90、20.42元·t−1·hm−2,其次是复合系统,分别为17.84、14.72元·t−1·hm−2,单作菘蓝/决明最低,分别为14.35、8.85元·t−1·hm−2。
年份
Year间作系统 System 产量 Yield/(kg·hm−2) 收入 Income/(元·hm−2) 产量土地当量
LER产值水分利用效率
WUEe/(元·t−1·hm−2)核桃
Walnut菘蓝
Woad决明
Sickle senna核桃
Walnut菘蓝
Woad决明
Sickle senna2012 核桃-菘蓝/决明
Walnut-Woad/Sickle senna ntercropping1 963 944 2 104 19 635 9 442 8 416 1.98 17.84 单作核桃
Walnut monoculture2 545 — — 25 451 — — 1.00 21.90 单作菘蓝/决明
Sole Woad/Sickle senna— 1 751 3 156 — 17 510 12 625 1.00 14.35 2013 核桃-菘蓝/决明
Walnut-Woad/Sickle senna intercropping1 767 461 1 528 17 670 4 610 6 112 1.89 14.72 单作核桃
Sole Walnut2 290 — — 22 900 — — 1.00 20.42 单作菘蓝/决明
Sole Woad/Sickle senna— 901 2 505 — 9 010 10 020 1.00 8.85 Table 1. Harvest indice of different agroforestry systems