陳 平 孟 平 張勁松 何春霞

(國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國林業(yè)科學(xué)研究院)，北京，100091)

賈長榮 李建中

(濟(jì)源市國有大溝河林場)

華北低丘山區(qū)2種林藥復(fù)合模式的水分利用1)

陳 平 孟 平 張勁松 何春霞

(國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國林業(yè)科學(xué)研究院)，北京，100091)

賈長榮 李建中

(濟(jì)源市國有大溝河林場)

采用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)和樹干液流法對華北低丘山區(qū)3 m×8 m核桃—菘藍(lán)/決明子復(fù)合模式不同生長時(shí)期的水分利用效率、耗水量和產(chǎn)量等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，復(fù)合模式的土壤含水量分別比單作核桃和單作藥用植物高11.86%和21.06%；間作菘藍(lán)水分利用效率在苗期高于單作菘藍(lán)，在其它時(shí)期均小于單作菘藍(lán)。間作決明子水分利用效率在各個時(shí)期均小于單作決明子；在復(fù)合系統(tǒng)中，單位土地面積上核桃與菘藍(lán)的耗水比例是0.70∶1，核桃與決明子的耗水比例是1.79∶1。單作系統(tǒng)耗水量均高于間作系統(tǒng)，其中，單作核桃耗水量比間作核桃高10.90%，單作菘藍(lán)和決明子耗水量分別是間作模式的1.65倍和2.17倍；單位面積土地上復(fù)合系統(tǒng)的產(chǎn)量均小于單作系統(tǒng)，而總收入分別是單作核桃和單作藥用植物的1.47倍和1.24倍；復(fù)合模式的水分產(chǎn)值效率為17.84元·t-1·hm-2，比單作菘藍(lán)和決明子的高24.32%；復(fù)合模式的產(chǎn)量土地當(dāng)量比為1.98，較單作模式增產(chǎn)率達(dá)98%?？傮w上，核桃—菘藍(lán)/決明子復(fù)合模式比單作系統(tǒng)耗水量少，水分利用效率提高、水資源獲得高效利用，同時(shí)具備生產(chǎn)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，該模式進(jìn)一步完善后可適當(dāng)推廣。研究結(jié)果對進(jìn)一步豐富復(fù)合農(nóng)林業(yè)水分生態(tài)理論，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，具有重要的指導(dǎo)意義。

復(fù)合系統(tǒng)；穩(wěn)定碳同位素；樹干液流；水分利用效率；耗水量

We studied water use efficiency, water use and yield of 3 m×8 m walnut (JuglansregiaL.)-woad (IsatisindigoticaF.)/cassia (CassiaobtusifoliaL.) intercropping system and monoculture system at different growth stages by stable carbon isotope technique and sap flow method in the low hilly area of North China. Soil water content of intercropping system were 11.86% and 21.06% greater, respectively, than that of monoculture walnut and medicinal plant system at each stage. Water use efficiency of the intercropping woad system at seedling stage was higher than that of monoculture system, and lower than that of monoculture system at later stages, and water use efficiency of the cassia in intercropping system was lower than that of monoculture system at each growth stage. In the walnut-woad intercropping, the ratio of water used by walnut and woad was 0.7∶1, and the ratio of water used by walnut and cassia was 1.79∶1. Water use of the monoculture system were higher than that of intercropping system, among them, water use of monoculture walnut was 10.90% higher than that of the intercropping walnut, water use of monoculture woad/ cassia were 1.65 and 2.17 times, respectively, than that of intercropping woad/cassia. Although, the yield of each component in the intercropping system was less than the sole system, the total income of the agroforestry was higher than that of the sole systems, the yield in the intercropping system were 1.47 and 1.24 times than that in the sole walnut system and medicinal plant, respectively. Water value efficiency of output of intercropping system was 17.84 yuan/(t·hm2), 24.32% higher than that of the monoculture woad/cassia. Land equivalent ratio of intercropping system was 1.98, and the yield increasing rate was 98% compared with the monoculture system. Generally, walnut-woad/cassia composite pattern takes less water than that of monoculture system, and improved water use efficiency, at the same time they had advantages on the production and economical. The walnut-woad/cassia intercropping system with further perfect could be properly extended.

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)是以生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的自然資源管理系統(tǒng)，通過在農(nóng)地和牧地上種植樹木達(dá)到生產(chǎn)的多樣性和持續(xù)發(fā)展，從而使不同層次的土地利用者獲得更高的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的效益[1]。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)不僅能夠高效利用各種自然資源、提高土地生產(chǎn)力[2]，同時(shí)還能防止土壤侵蝕、保護(hù)生物多樣性、提高土壤肥力、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等[3]。復(fù)合農(nóng)林業(yè)是華北低丘山區(qū)退耕還林工程建設(shè)的重要內(nèi)容之一，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整發(fā)展過程中，得到了廣泛應(yīng)用。由于該地區(qū)氣候干旱、土層瘠薄、灌溉條件較差，水資源短缺制約了林業(yè)及農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展[4-6]。因此，基于種間水分關(guān)系理論，研究農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)水分生態(tài)問題，對當(dāng)?shù)亓謽I(yè)生態(tài)建設(shè)、提高農(nóng)民收入，促進(jìn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，具有重要的指導(dǎo)意義。

水分利用效率是一個重要的產(chǎn)量決定因子，提高水分利用效率可以降低獲得一定產(chǎn)量的需水量，提高特定土壤有效水量下的總生物產(chǎn)量[7]。因農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性(特別是山地條件下)，目前農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)種間水分關(guān)系研究方面，常規(guī)的微氣象學(xué)法、水量平衡法及以氣孔法為代表的生理生態(tài)學(xué)法等在測算不同組分耗水量、水分利用效率等指標(biāo)均存在諸多局限性[8]。植物穩(wěn)定碳同位素用來作為一段時(shí)間內(nèi)水分利用和損失的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用[9]。植物組織的穩(wěn)定碳同位素比率和穩(wěn)定碳同位素分辨率與C3植物的水分利用效率有很強(qiáng)的相關(guān)性，可以作為植物長期水分利用效率的間接測定指標(biāo)[10]。

核桃(JuglansregiaL.)因其食用價(jià)值和木材經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，是許多國家的重要栽培樹種，對環(huán)境條件要求不嚴(yán)，是目前退耕還林的理想經(jīng)濟(jì)林木。菘藍(lán)(IsatisindigoticaF.)和決明子(CassiaobtusifoliaL.)因其較廣的生態(tài)適應(yīng)性和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，被列入林藥復(fù)合系統(tǒng)的重要組分。目前，國內(nèi)外對菘藍(lán)和決明子的研究多集中在化學(xué)成分及藥理作用等方面[11-12]，至今未見其群體尺度蒸騰耗水特征的研究報(bào)道，也未見有關(guān)核桃—菘藍(lán)/決明子復(fù)合系統(tǒng)耗水特征的研究。筆者以碳穩(wěn)定同位素信息、樹干液流及群體蒸騰等為指標(biāo)，在位于河南濟(jì)源的華北低丘山區(qū)，研究核桃—菘藍(lán)/決明子復(fù)合系統(tǒng)種間水分關(guān)系，旨在為該區(qū)發(fā)展高效、穩(wěn)定的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)提供理論依據(jù)，并以期補(bǔ)充菘藍(lán)、決明子2種藥用植物水分利用內(nèi)容，進(jìn)一步豐富復(fù)合農(nóng)林業(yè)水分生態(tài)理論，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)地設(shè)在黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站內(nèi)的河南省濟(jì)源市裴村(35°01′N，112°28′E)，該地位于太行山南端南麓，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水641.7 mm，主要集中在6—9月份，占全年降雨量的68.3%。土壤以石灰?guī)r風(fēng)化母質(zhì)淋溶性褐色土為主，土層厚度50～80 cm，pH值為7.6～8.5，石礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～18%，速效氮21.4～80.0 mg·kg-1，速效磷2.60～8.16 mg·kg-1，速效鉀60～102.35 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.28～16.5 g·kg-1。

2 材料與方法

2.1 研究對象及測點(diǎn)布置

以水平梯田條件下的核桃(JuglansregiaL.)—菘藍(lán)(IsatisindigoticaF.)/決明子(CassiaobtusifoliaL.)間作系統(tǒng)和單作系統(tǒng)為研究對象。梯田南北寬30 m，東西長140 m。間作和單作系統(tǒng)核桃樹均種植于2006年，樹帶行向?yàn)闁|西向，株行距為3 m×8 m，平均樹高、地徑和冠幅分別為5.2 m、14.1 cm和2.7 m。菘藍(lán)于2011年11月15日播種，2012年6月8日收獲，決明子于2012年7月3日播種，2012年10月10日收獲，播種株行距均為20 cm×50 cm，間作系統(tǒng)中兩種藥用植物南北兩側(cè)距離核桃樹100 cm。單作菘藍(lán)/決明子位于復(fù)合系統(tǒng)西南側(cè)20 m梯田地塊中，株行距同間作系統(tǒng)。整個生育期無灌溉補(bǔ)水措施。

間作模式中選擇1棵核桃樹及其周圍間作菘藍(lán)/決明子作為1個試驗(yàn)小區(qū)，在水平方向上，垂直于核桃樹行帶，自南向北分別在距離核桃樹南側(cè)150(S1.5)、250(S2.5)、400(M)、550(N2.5)、650 cm(N1.5)處的行間設(shè)置菘藍(lán)/決明子測點(diǎn)，共設(shè)3個試驗(yàn)重復(fù)。單作模式中采用隨機(jī)取樣的方法，各設(shè)3個試驗(yàn)重復(fù)。

2.2 測定項(xiàng)目及方法

2.2.1 氣象因子及土壤含水量測定

在距離核桃地10 m處設(shè)定自動氣象站，連續(xù)觀測空氣溫度、相對濕度、太陽輻射和降雨量，所采用的傳感器(探頭)分別為05103、HMP45C、Li-cor，TE525M，數(shù)據(jù)采集器為CR10X。設(shè)定每2 min采集1次，每10 min輸出1組平均值，將每天144組數(shù)據(jù)平均獲得一個平均值。

在各個系統(tǒng)內(nèi)埋設(shè)3根長度為100 cm的時(shí)域反射儀測量管，間作系統(tǒng)布設(shè)點(diǎn)見圖1，單作藥草地隨機(jī)布設(shè)。在不同物候期采用TRIME-T3(MKO公司，德國)土壤水分測定系統(tǒng)測定20、40、60、80、100 cm的土壤水分含量。

圖1 試驗(yàn)地測定布設(shè)示意圖

2.2.2 生長指標(biāo)測定

分別在菘藍(lán)生長苗期(3月22日)、開花時(shí)期(4月25日)、成熟期(5月30日)和決明子生長苗期(7月26日)、開花期(8月27日)、成熟期(9月18日)進(jìn)行取樣，測定各個時(shí)期的生物量。按照圖1中布設(shè)的取樣點(diǎn)分別隨機(jī)選取5株整株菘藍(lán)/決明子，將植株同一器官的混合物作為一個樣品，分別烘干(80 ℃烘箱中烘干48 h)，并用萬分之一天平稱質(zhì)量獲得各個部分生物量。在核桃收獲時(shí)分別對間作核桃和單作核桃統(tǒng)計(jì)單株核桃產(chǎn)量。

2.2.3 核桃樹干液流蒸騰觀測

在復(fù)合和單作核桃模式中，分別選擇5棵具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)木，采用熱擴(kuò)散樹干液流法測定核桃樹蒸騰耗水量。設(shè)置每10 min采集1次平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器為CR10X。液流測算公式如下[13-14]：

Fd=118.99K1.231；

(1)

Fs=Fd×As×3.6；

(2)

K=(Tmd-Td)/Td；

(3)

As=π(D2-d2)/4。

(4)

式中：Fd為液流密度(g·m-2·s-1)；K為無量綱參數(shù)；Fs為樹干液流速率(L·h-1)；Td為某時(shí)刻兩個探針的溫差值，Tmd為一日內(nèi)最大溫差值；As為邊材面積(cm2)，D為去皮直徑(cm)，d為髓心直徑(cm)。為避免損傷被測木，于試驗(yàn)結(jié)束后在被測木周圍選擇5棵與被測木胸徑接近的樹木，用生長錐測定距地面20 cm處的邊材、心材，平均后確定邊材面積。數(shù)據(jù)取5棵樹的液流平均值，將單株蒸騰速率按時(shí)間積分得到單株蒸騰耗水量，結(jié)合核桃栽培密度(416株/hm2)得到單位面積核桃蒸騰耗水量。

2.2.4 穩(wěn)定碳同位素的測定

用研缽和粉碎機(jī)將決明子和菘藍(lán)各部分器官的干物質(zhì)進(jìn)行研磨，過80目篩子，制備成供試樣品。在中國林業(yè)科學(xué)研究院穩(wěn)定同位素比率質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定碳同位素比值和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采樣的同時(shí)在距離地面0.5 m處用小氣泵將空氣樣品裝入氣體采樣袋中用于分析空氣的碳同位素比值，每個樣品做3個重復(fù)，在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所穩(wěn)定同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室用質(zhì)譜儀(MAT-253)采用高溫燃燒法測定。植物和空氣碳同位素比值的測定以穩(wěn)定碳同位素測試標(biāo)準(zhǔn)物為標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定碳同位素比值根據(jù)下面公式計(jì)算[15]：

δ(13C)=(Rs-Rp)/Rp。

(5)

式中：δ(13C)表示樣品13C/12C與測試標(biāo)準(zhǔn)物對應(yīng)比值的相對分差；Rp表示穩(wěn)定碳同位素測試標(biāo)準(zhǔn)物的13C/12C；Rs表示樣品的13C/12C。

穩(wěn)定碳同位素分辨率(Δ)的計(jì)算方法為：

Δ=(δa-δp)/(1+δp)。

(6)

式中：δp和δa分別為植物組織及大氣CO2的碳同位素比率。

2.2.5 水分利用相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算

水分利用效率(Ewu)(mmol·mol-1，以H2O中C的摩爾分?jǐn)?shù)計(jì))根據(jù)相關(guān)方面學(xué)者的研究進(jìn)行計(jì)算[13-14，16-17]：

(7)

式中：r為根部含碳量占植物總含碳量的比例；Φ為植物整個生長期葉片夜間呼吸和其它器官呼吸消耗掉的碳的比率，取Φ=0.3[16]；δa和δp分別為空氣和植物的碳同位素比值；Ca為大氣CO2體積分?jǐn)?shù)，其數(shù)值為取樣日前一段時(shí)間的平均值，通過小浪底森林生態(tài)定位站的CO2同位素在線分析系統(tǒng)獲得；a、b分別為CO2擴(kuò)散和羧化過程中的同位素分餾系數(shù)，其中a=4.4%，b=3.0%；數(shù)值1.6為水蒸氣和CO2在空氣中的擴(kuò)散比率；Dvp為葉片內(nèi)外蒸氣壓差，由植物生長過程中取樣日期前一段的平均白日(7：00—17:30)氣象數(shù)據(jù)(Ta、HR等)計(jì)算得出[18]：

Dvp=E-e；

(8)

E=0.611×e17.502×T/(240.97+T)；

(9)

HR=(e/E)×100%；

(10)

Dvp=0.611×1017.502×T/(240.97+T)×(1-HR)。

(11)

式中：E為同溫度下的飽和水汽壓；e為實(shí)際水汽壓；T為葉片溫度；HR為大氣相對濕度；0.611為t=0 ℃時(shí)純水平面上的飽和水汽壓。

同時(shí)，EWU是植物在一段時(shí)間內(nèi)同化的碳總量與總耗水量(WU)(kg·m-2)的比值，干物質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)各個器官的生物量干質(zhì)量(WD)(g)和含碳率(CC)(mg·g-1)計(jì)算，即：

WU=(WD×CC)/EWU。

(12)

將EWU的單位mmol·mol-1換算成mg·g-1，代入公式即計(jì)算出單位面積的實(shí)際耗水量。

產(chǎn)量土地當(dāng)量比計(jì)算公式[19]：

RLE=Y1/Y1′+Y2/Y2′+Y3/Y3′。

(13)

式中：Y1、Y2、Y3分別為間作系統(tǒng)中菘藍(lán)、決明子、核桃的單位面積的產(chǎn)量；Y1′、Y2′、Y3′分別為單作菘藍(lán)、決明子、核桃單位面積的產(chǎn)量。

水分產(chǎn)值效率計(jì)算[19]：

WWUE=Epv/WU。

(14)

式中：EPV為生產(chǎn)單元經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用EXCEL2010和SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同模式土壤含水量差異

不同模式的各個生長階段均顯示(表1)，核桃—菘藍(lán)/決明子間作模式的土壤含水量高于單作模式，間作模式中平均土壤含水量為18.47%，其次是單作核桃模式(16.28%)，比間作模式低11.86%，單作菘藍(lán)/決明子模式土壤含水量最低為14.58%，比間作模式低21.06%。

表1 不同模式土壤含水量

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 不同模式碳同位素比值和水分利用效率

從表2可得，不同模式的各個生長階段中，核桃—菘藍(lán)/決明子間作模式碳同位素比值分別小于單作模式，其中，間作模式中菘藍(lán)碳同位素比值比單作菘藍(lán)偏負(fù)3.61%，間作模式中決明子的碳同位素比值比單作決明子偏負(fù)2.95%；不同物種之間，間作/單作模式菘藍(lán)的碳同位素比值在各個時(shí)期均分別大于決明子。其中，間作決明子的碳同位素比值比間作菘藍(lán)偏負(fù)4.11%，而單作決明子比單作菘藍(lán)偏負(fù)4.78%。

隨著生長時(shí)期的增加，間作和單作模式中菘藍(lán)的水分利用效率均逐漸減少，而決明子的水分利用效率均逐漸增加。不同模式中，間作菘藍(lán)水分利用效率在苗期高于單作菘藍(lán)，在其它時(shí)期均小于單作菘藍(lán)，間作模式?jīng)Q明子水分利用效率在各個時(shí)期均小于單作模式?jīng)Q明子；不同物種間，間作和單作菘藍(lán)的水分利用效率在生長前期分別小于間作和單作決明子，在生長中后期，間作和單作菘藍(lán)的水分利用效率分別大于間作和單作決明子，尤其是在成熟時(shí)期，間作決明子的水分利用效率是間作菘藍(lán)的2.76倍，單作決明子的水分利用效率是單作菘藍(lán)的3倍。

表2 不同模式碳同位素比值和水分利用效率

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3.3 不同模式植物耗水量

采用熱擴(kuò)散樹干液流法測定的核桃樹木耗水量(表3)，間作核桃和單作核桃在生長季(4—10月)總的耗水量分別為1 047.92、1 162.11 t·hm-2，其中，6—8月份的耗水量較大，占主要生長季總耗水量的52%左右。單作核桃耗水量比間作核桃高10.90%。

表3 不同模式核桃耗水量

從表4可以看出，隨著生長時(shí)期增加，間作和單作菘藍(lán)/決明子耗水量均逐漸增加，間作模式中菘藍(lán)和決明子總耗水量分別為651.54、401.66 t·hm-2，單作菘藍(lán)和單作決明子總耗水量分別為1 190.97、909.71 t·hm-2，其中，單作菘藍(lán)的耗水量是間作模式中菘藍(lán)的1.83倍，單作決明子的耗水量是間作決明子的2.26倍。在核桃—菘藍(lán)/決明子復(fù)合系統(tǒng)中，單位土地面積上核桃與菘藍(lán)的耗水比例是0.70∶1.00，二者分別占41.25%、58.75%；核桃與決明子的耗水比例是1.79∶1.00，二者分別占64.20%、35.80%。

表4 不同模式藥用植物耗水量

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3.4 不同模式收獲指標(biāo)

由表5可知，單位土地上間作系統(tǒng)核桃、菘藍(lán)、決明子產(chǎn)量分別比單作系統(tǒng)的低22.85%、46.08%和33.33%。以綠皮核桃、菘藍(lán)、決明子市場價(jià)格分別為10.0、10、4元/kg計(jì)算出各模式的總收入，復(fù)合模式收入最高為37 493元/hm2，單作核桃總收入為25 451元/hm2，單作菘藍(lán)和單作決明子的總收入為30 134元/hm2，復(fù)合模式總收入分別是單作核桃和單作藥用植物的1.47、1.24倍；復(fù)合模式中菘藍(lán)和決明子的收獲指數(shù)分別為0.54和0.87，均分別大于單作模式。產(chǎn)量土地當(dāng)量比是指同一農(nóng)田中兩種或兩種以上植物間作時(shí)的收益與各個植物單作時(shí)的收益之比率，它是衡量間作比單作增產(chǎn)程度的一項(xiàng)指標(biāo)。復(fù)合模式的產(chǎn)量土地當(dāng)量比為1.98，較單作模式的增產(chǎn)率達(dá)98%。單作核桃的產(chǎn)值水分利用效率最高為21.90，其次是復(fù)合模式17.84，單作藥用植物為14.35，復(fù)合模式產(chǎn)值水分利用效率比單作藥用植物高24.32%。

表5 不同模式收獲指標(biāo)

4 結(jié)論與討論

研究區(qū)域內(nèi)由于氣候干旱、降水量少、灌溉條件較差，水分成為該區(qū)林業(yè)及農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因子。長期水分利用效率常被定義為整個生長季節(jié)干物質(zhì)的積累量與所消耗水分的比值，水分利用效率的大小決定了植物的節(jié)水能力和水分生產(chǎn)水平[20]。高水分利用效率是干旱地區(qū)植物適應(yīng)當(dāng)?shù)厣车闹匾呗訹21]。在水分虧缺條件下植物會提高水分利用效率[13，18，22]。本研究通過碳同位素方法和生物量計(jì)算出不同模式中菘藍(lán)和決明子的水分利用效率，結(jié)果得出，間作菘藍(lán)水分利用效率在苗期高于單作菘藍(lán)，在其它時(shí)期均小于單作菘藍(lán)；而間作模式?jīng)Q明子水分利用效率在各個時(shí)期均小于單作模式?jīng)Q明子。這可能是由于菘藍(lán)在苗期處于快速生長階段，核桃樹也正處于萌芽期，需水量均較多；而這個階段雨水較少，造成水分缺乏，相對而言，單作菘藍(lán)沒有核桃樹與其水分的競爭；而其它時(shí)期，間作模式中核桃樹逐漸形成的樹冠遮陰，有效地減少地表水分散失，改善間作系統(tǒng)的小氣候和土壤水分狀況，從而減輕水分虧缺對間作藥用植物的影響[15，23]。不同物種間，菘藍(lán)在生長前期水分利用效率高于決明子，而生長后期明顯低于決明子。對不同模式土壤水分監(jiān)測得出，復(fù)合系統(tǒng)的土壤含水量分別比單作核桃和單作藥用植物高11.86%和21.06%。

通過樹干液流法估算的核桃耗水量和采用穩(wěn)定碳同位素法估算的藥用植物耗水量結(jié)果顯示，單位土地面積上核桃與菘藍(lán)的耗水比例是0.70∶1，二者分別占41.25%、58.75%，核桃與決明子的耗水比例是1.79∶1，二者分別占64.20%、35.80%。核桃樹木的耗水量主要集中在6—8月份，占主要生長季總耗水量的52%。間作和單作模式中菘藍(lán)和決明子耗水量隨著生長時(shí)期均逐漸增加。單作模式中核桃、菘藍(lán)和決明子的耗水量均分別高于間作模式，其中，單作核桃耗水量比間作核桃高10.90%，單作菘藍(lán)和決明子耗水量分別是間作模式中1.83倍和2.26倍。這進(jìn)一步說明復(fù)合模式中核桃樹冠的遮陰改變田間小氣候，降低植物葉片蒸騰速率，增加水分利用率，全生育期耗水量降低。單位土地上復(fù)合模式的產(chǎn)量均小于單作系統(tǒng)，而總收入分別是單作核桃和單作藥用植物的1.47倍和1.24倍；復(fù)合模式的產(chǎn)值水分利用效率比單作菘藍(lán)和決明子模式高24.32%；復(fù)合模式的產(chǎn)量土地當(dāng)量比高于單作模式，增產(chǎn)率達(dá)98%。

綜上所述，華北低丘山區(qū)株行距3 m×8 m的核桃—菘藍(lán)/決明子間作系統(tǒng)，相對單作系統(tǒng)顯著降低了系統(tǒng)的耗水量，土壤含水量、產(chǎn)量土地當(dāng)量比和產(chǎn)值水分利用效率比單作系統(tǒng)均明顯提高，水資源獲得高效利用，具備生產(chǎn)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，因此適宜發(fā)展。在核桃樹下可種植耐陰作物或藥材等，以最大限度地發(fā)揮復(fù)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

[1] Leakey R R B. Definition of agroforestry revisited[J]. Agroforestry Today,1996,8(1):5-7.

[2] 劉興宇,曾德慧.農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)種間關(guān)系研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26(9):1464-1470.

[3] 蔡崇法,王峰,丁樹文,等.間作及農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中植物組分間養(yǎng)分競爭機(jī)理分析[J].水土保持研究,2000,7(3):219-221,252.

[4] 張勁松,孟平.農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)水分生態(tài)特征的模擬研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(6):1172-1177.

[5] 孫守家,孟平,張勁松,等.華北石質(zhì)山區(qū)核桃—綠豆復(fù)合系統(tǒng)氘同位素變化及其水分利用[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(14):3717-3726.

[6] 何春霞,孟平,張勁松,等.基于穩(wěn)定碳同位素技術(shù)的華北石質(zhì)山區(qū)2種果農(nóng)復(fù)合模式水分利用研究[J].林業(yè)科學(xué),2012,48(5):1-7.

[7] 尹偉倫,萬雪琴,夏新莉.楊樹穩(wěn)定碳同位素分辨率與水分利用效率和生長的關(guān)系[J].林業(yè)科學(xué),2007,43(8):15-22.

[8] 王建林,楊新民,房全孝.不同尺度農(nóng)田水分利用效率測定方法評述[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2010,26(6):77-80.

[9] Dawson T E, Mambelli S, Plamboeck A H, et al. Stable isotopes in plant ecology[J]. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics,2002,33:507-559.

[10] 蘇波,韓興國,李凌浩,等.中國東北樣帶草原區(qū)植物δ～(13)C值及水分利用效率對環(huán)境梯度的響應(yīng)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2000,24(6):648-655.

[11] 謝必武,張鳳龍,陳光蓉.決明子優(yōu)化栽培措施研究及模型建立[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,2007,33(4):425-428.

[12] 朱霞,胡勇,王曉麗,等.幾種植物生長調(diào)節(jié)劑對決明種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].作物雜志,2010(1):46-48.

[13]LuP,UrbanL,ZhaoP.Granier’sthermaldissipationprobe(TDP)methodformeasuringsapflowintrees:Theoryandpractice[J].ActaBotanicaSinica,2004,46(6):631-646.

[14]GranierA,HucR,BarigahST.Transpirationofnaturalrainforestanditsdependenceonclimaticfactors[J].AgriculturalandForestMeteorology,1996,78(1/2):19-29.

[15]HolmgrenM.Combinedeffectsofshadeanddroughtontulippoplarseedlings:trade-offintoleranceorfacilitation?[J].Oikos,2000,90(1):67-78.

[16]FarquharGD,RichardsRA.Isotopiccompositionofplantcarboncorrelateswithwater-useefficiencyofwheatgenotypes[J].AustralianJournalofPlantPhysiology,1984,11(6):539-552.

[17]WullschlegerSD,MeinzerFC,VertessyRA.Areviewofwhole-plantwaterusestudiesintrees[J].TreePhysiology,1998,18(8/9):499-512.

[18]AnyiaAO,SlaskiJJ,NyachiroJM,etal.RelationshipofCarbonisotopediscriminationtowateruseefficiencyandproductivityofbarleyunderfieldandgreenhouseconditions[J].JournalofAgronomyandCropScience,2007,193(5):313-323.

[19] 黃偉,張俊花,李文紅,等.冀西北壩上半干旱區(qū)南瓜油葵間作的水分效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(14):4072-4081.

[20]SobradoMA.Relationofwatertransporttoleafgasexchangepropertiesinthreemangrovespecies[J].Trees,2000,14(5):258-262.

[21] 鄧雄,李小明,張希明,等.多枝檉柳氣體交換特性研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(1):180-187.

[22]ChenJ,ChangSX,AnyiaAO.ThephysiologyandstabilityofleafCarbonisotopediscriminationasameasureofWater-UseefficiencyinbarleyontheCanadianprairies[J].JournalofAgronomyandCropScience,2011,197(1):1-11.

[23]QueroJL,VillarR,MaraónT,etal.InteractionsofdroughtandshadeeffectsonseedlingsoffourQuercusspecies:physiologicalandstructuralleafresponses[J].NewPhytologist,2006,170(4):819-33.

Water Use of Intercropping System of Tree and Two Herbal Medicine in the Low Hilly Area of North China/

Chen Ping, Meng Ping, Zhang Jinsong, He Chunxia

(Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, P. R. China);

Jia Changrong, Li Jianzhong

(Dagouhe National Forest Farm)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-52～56，78

Intercropping system; Stable carbon isotope; Sap flow; Water use efficiency; Water use

1) 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170409)。

陳平，女，1984年1月生，國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國林業(yè)科學(xué)研究院)，博士研究生。

張勁松，國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國林業(yè)科學(xué)研究院)，研究員。E-mail:zhangjs@caf.ac.cn。

2013年11月21日。

S727.24

責(zé)任編輯：戴芳天。