王晶晶，畢華興,2,3,4?，孫于卜，段航旗，彭瑞東

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，102206，北京；3.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，100083，北京；4.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京)

黃土高原區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)具有明顯的水土保持生態(tài)效益，其接納降雨調(diào)集使用，既流又阻，保持水土，已經(jīng)在黃土區(qū)大面積推廣和應(yīng)用。農(nóng)林復(fù)合在提高土地利用率和土地生產(chǎn)力、防治水土流失、改善土壤水肥條件方面存在重要意義[1-6]。近年來(lái)，在農(nóng)林復(fù)合種間關(guān)系的研究領(lǐng)域，研究主要集中在水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)方面[7-19]，忽略了光照對(duì)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)種間關(guān)系的影響。太陽(yáng)輻射作為間作作物的能量來(lái)源，直接影響間作作物、林內(nèi)小氣候。因此，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)光環(huán)境下的樹(shù)冠遮光應(yīng)該予以重視。

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度和遮陰范圍是光環(huán)境研究的重點(diǎn)。目前農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)光環(huán)境的研究，主要集中在利用太陽(yáng)輻射強(qiáng)度儀對(duì)林下不同位置太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的測(cè)定[20-25]。在遮陰范圍實(shí)測(cè)方面的研究，由于果樹(shù)實(shí)體下地面平整度較低、果樹(shù)間相互影響等原因，使得遮陰范圍難以明確界定，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中果樹(shù)的遮陰范圍實(shí)測(cè)研究較少。因此，筆者避開(kāi)地面和果樹(shù)間對(duì)單株果樹(shù)遮陰實(shí)測(cè)的影響，以太陽(yáng)光線(xiàn)是平行光[26]為前提，采用相似性原理，利用蘋(píng)果樹(shù)3D模型實(shí)測(cè)遮陰范圍。結(jié)合CAD、MATLAB等軟件，對(duì)不同年限實(shí)測(cè)范圍進(jìn)行對(duì)比分析，使得太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與遮陰范圍結(jié)合，指導(dǎo)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，間作作物的種植和蘋(píng)果樹(shù)種植的配置方式，從而達(dá)到農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)水土保持效益優(yōu)化。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣黃河西南部(E36°20′20″，N110°45′47″)，屬于黃土高原殘?jiān)礈羡值孛埠土罕狼鹆隃羡值孛?。目前，吉縣的蘋(píng)果種植已形成一定的規(guī)?；?，并成為主導(dǎo)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，截至2014年，全縣共栽植蘋(píng)果1.8萬(wàn)hm2，產(chǎn)值3億元。80%以上的農(nóng)民從事蘋(píng)果種植業(yè)，農(nóng)民的收入85%以上來(lái)自于蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)。吉縣的果樹(shù)種植選擇地理東西方向?yàn)闃?shù)行方向，4 m×5 m或5 m×5 m的株行距配置方式，間作年限1～7年。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 試驗(yàn)材料 以實(shí)驗(yàn)樣地的蘋(píng)果樹(shù)作為研究對(duì)象，選擇實(shí)驗(yàn)樣地4、5、6和7年生的蘋(píng)果樹(shù)各100棵，進(jìn)行拍照和基本特征的測(cè)量(表1)，將所取照片導(dǎo)入PS，對(duì)其進(jìn)行處理分析，通過(guò)對(duì)大量測(cè)量數(shù)據(jù)和照片中樹(shù)冠輪廓的提取分析，利用三維制圖構(gòu)建蘋(píng)果樹(shù)體模型，最終采用3D打印制作縮小50倍的蘋(píng)果樹(shù)三維樹(shù)體模型。

表1 試驗(yàn)地果樹(shù)樹(shù)體的基本特征Tab.1 Basic characteristic of fruit tree in test area m

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為測(cè)定蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)體模型的遮陰范圍、重復(fù)遮陰區(qū)域和遮陰時(shí)長(zhǎng)，將樹(shù)體模型插放在厚度為3 mm的A3硬紙板，硬紙板上固定有網(wǎng)格紙(樹(shù)體模型枝下高已加高3 mm)。樹(shù)體模型選擇插放在網(wǎng)格紙的中心位置，且以地理北為Y軸的正半軸，地理東為X軸正半軸。一天內(nèi)08:00—17:00是太陽(yáng)輻射的重要時(shí)段；因此，實(shí)驗(yàn)在晴天08:00—17:00，每隔1 h進(jìn)行標(biāo)定一次，在固定的網(wǎng)格紙上，使用鉛筆(鉛筆與地面垂直)描繪出樹(shù)體模型在此時(shí)間的遮陰邊界。實(shí)驗(yàn)選擇在2017年7月進(jìn)行3次，每次相同樹(shù)齡樹(shù)體模型為3次重復(fù)。遮陰范圍為對(duì)應(yīng)時(shí)間的遮陰邊界內(nèi)的遮陰區(qū)域，遮陰范圍隨著時(shí)間的變化而變化。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將繪制有遮陰范圍的網(wǎng)格紙導(dǎo)入電腦，利用MATLAB獲取各個(gè)遮陰邊界的位置坐標(biāo)，并將各邊界坐標(biāo)點(diǎn)均擴(kuò)大50倍，然后將獲取的位置坐標(biāo)導(dǎo)入CAD中，對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行連接，最終獲取蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠在一天內(nèi)隨著時(shí)間變化的遮陰范圍圖。利用CAD的制圖軟件，對(duì)遮陰范圍圖進(jìn)行遮陰面積的求算，以及重復(fù)遮陰區(qū)域范圍的確定。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹(shù)齡單株蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠遮陰范圍和遮陰時(shí)間的分析

在一天太陽(yáng)輻射的重要時(shí)段中，4、5、6和7年生單株蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠的遮陰范圍隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。以蘋(píng)果樹(shù)干作為原點(diǎn)，依據(jù)4、5、6和7年生單株蘋(píng)果樹(shù)遮陰范圍(圖2)，對(duì)于研究區(qū)蘋(píng)果樹(shù)種植選擇的配置而言，4、5、6和7年生的蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠遮陰區(qū)域在株間出現(xiàn)遮陰重疊；而在行間果樹(shù)樹(shù)冠遮陰區(qū)域無(wú)遮陰重疊，進(jìn)行間作種植可行。

圖1 不同樹(shù)齡單株蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠遮陰范圍隨時(shí)間變化圖Fig.1 Shade area change of an individual apple tree in different age over time

圖2 不同樹(shù)齡蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠持續(xù)遮陰區(qū)域邊界對(duì)比圖Fig.2 Boundary contrast of lasting shade area of an apple tree crown in different age

由圖1可知，在08:00—17:00中，蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠遮陰時(shí)長(zhǎng)≤3 h的遮陰區(qū)域占據(jù)樹(shù)冠遮陰區(qū)域的大部分遮陰，主要集中在09:00—15:00時(shí)間段。樹(shù)冠遮陰區(qū)域的遮陰時(shí)長(zhǎng)是隨著從樹(shù)干到周邊遮陰區(qū)域逐漸變短。隨著果樹(shù)年限的不斷增長(zhǎng)，遮陰范圍、遮陰區(qū)域的不斷擴(kuò)大，遮陰時(shí)長(zhǎng)也在增長(zhǎng)。4年生果樹(shù)樹(shù)冠遮陰區(qū)域未出現(xiàn)超過(guò)7 h的遮陰，而在5、6和7年生果樹(shù)樹(shù)冠遮陰區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)7 h的遮陰，且隨著果樹(shù)年限的增長(zhǎng)，持續(xù)7 h遮陰區(qū)域不斷擴(kuò)大。因此，遮陰范圍、遮陰區(qū)域和遮陰時(shí)長(zhǎng)隨著樹(shù)齡的增加而增長(zhǎng)，導(dǎo)致果農(nóng)間作系統(tǒng)中，光資源競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)而增強(qiáng)。

3.2 不同樹(shù)齡蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠重復(fù)遮陰邊界分析

由圖2可知,果樹(shù)重復(fù)遮陰區(qū)域邊界值隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)擴(kuò)大的變化趨勢(shì)。在持續(xù)遮陰4～6 h的遮陰區(qū)域中，東向遮陰始終大于西向。當(dāng)持續(xù)遮陰7 h的遮陰區(qū)域出現(xiàn)在5年生的果樹(shù)樹(shù)冠遮陰時(shí)，遮陰區(qū)域最初出現(xiàn)在西向，且隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)，重復(fù)遮陰區(qū)域邊界逐漸向東向靠近。這是由于太陽(yáng)方位角由東向西，使得遮陰最初出現(xiàn)在西向，并由西向逐漸向東向過(guò)度，導(dǎo)致開(kāi)始出現(xiàn)最大時(shí)長(zhǎng)的遮陰的區(qū)域位于西側(cè)。

圖3 不同蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)齡重復(fù)遮陰面積對(duì)比圖Fig.3 Contrast of repeated shade areas in different apple tree ages

蘋(píng)果樹(shù)重復(fù)遮陰區(qū)域內(nèi)，樹(shù)下遮陰的重復(fù)遮陰邊界北側(cè)始終大于南側(cè)。因此，對(duì)于研究區(qū)果農(nóng)間作系統(tǒng)的種植模式而言，依據(jù)傳統(tǒng)方式下，果樹(shù)兩側(cè)的間作作物等行距的種植方式是不合理，重復(fù)遮光區(qū)域是對(duì)間作作物光合作用產(chǎn)生極大影響的區(qū)域。如表2所示，4、5、6和7年生蘋(píng)果樹(shù)的遮光影響范圍距目標(biāo)果樹(shù)分別為以東2.38 m、以西1.78 m、以南1.20 m、以北1.78 m；以東2.50 m、以西1.92 m、以南1.36 m、以北1.94 m；以東2.69 m、以西2.04 m、以南1.40 m、以北2.04 m和以東2.78 m、以西2.17 m、以南1.54 m、以北2.15 m。間作作物的種植距離，可依據(jù)表2中不同年限重復(fù)遮陰邊界位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高間作作物的產(chǎn)量，減少果樹(shù)和作物在長(zhǎng)時(shí)間遮陰下的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，達(dá)到果農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)效益較優(yōu)。

表2 不同樹(shù)齡蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠重復(fù)遮陰區(qū)域邊界范圍Tab.2 Boundary of repeated shade area of an apple tree crown in different age m

由圖3可知，各持續(xù)遮陰時(shí)長(zhǎng)的遮陰區(qū)域面積隨著蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)齡的增長(zhǎng)而擴(kuò)大，遮陰面積隨果樹(shù)樹(shù)齡增長(zhǎng)的變化規(guī)律依次為4年生<5年生<6年生<7年生。這主要是由于隨著果樹(shù)樹(shù)齡的增長(zhǎng)，蘋(píng)果樹(shù)的冠幅、高度和枝下高等均增長(zhǎng)。圖3中持續(xù)遮陰4～5 h的遮陰面積，隨著蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)齡的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)均勻增長(zhǎng)的趨勢(shì)；然而，持續(xù)遮陰6～7 h的遮陰面積，隨著蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)齡的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)不規(guī)律變化。就持續(xù)遮陰6～7 h的遮陰面積而言，樹(shù)齡為6～7年生樹(shù)冠遮陰面積相較4～6年生樹(shù)冠遮陰面積的變化快速。

4 結(jié)論與討論

對(duì)于研究區(qū)蘋(píng)果樹(shù)種植配置而言，4～7年生蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠在株間存在遮陰重疊，而在行間不重疊；蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠遮陰區(qū)域，北側(cè)始終大于南側(cè)。因此，就研究區(qū)果農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)配置中，在蘋(píng)果樹(shù)南北兩側(cè)等距離種植間作作物是不合理的，在種植間作作物的行距設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠的遮陰區(qū)域；隨著蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠遮陰區(qū)域向果樹(shù)靠近，其遮陰區(qū)域的遮陰時(shí)長(zhǎng)也隨著增加。長(zhǎng)時(shí)間遮陰，導(dǎo)致果樹(shù)與作物光資源競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的增強(qiáng)[27-31]。因此，果農(nóng)間作系統(tǒng)中，果樹(shù)與作物間的光競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系也表現(xiàn)為隨著距離果樹(shù)越近，光競(jìng)爭(zhēng)越明顯；隨著蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)齡的增長(zhǎng)，遮陰面積和遮陰時(shí)長(zhǎng)增加，導(dǎo)致果農(nóng)間作中，光競(jìng)爭(zhēng)隨樹(shù)齡增長(zhǎng)而競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)。

研究表明，從樹(shù)干向外的不同距離處，遮陰強(qiáng)度不同。距果樹(shù)越近，遮陰強(qiáng)度的等值線(xiàn)密集、遮陰強(qiáng)度大，且樹(shù)干北側(cè)的遮陰強(qiáng)度大于樹(shù)干南側(cè)。與筆者遮陰區(qū)域的分析一致，表明遮陰強(qiáng)度主要是由于樹(shù)冠遮陰范圍的變化而變化[32]。許華森[33]對(duì)遮陰范圍的研究表明，不同林齡蘋(píng)果樹(shù)下空間分布具有相似特征，蘋(píng)果樹(shù)的遮陰區(qū)域北側(cè)大于南側(cè)。蘋(píng)果樹(shù)對(duì)農(nóng)作物遮陰影響大，在蘋(píng)果的復(fù)合經(jīng)營(yíng)中，間作作物與果樹(shù)的距離要大些，且隨著果樹(shù)樹(shù)齡的增長(zhǎng)，間作作物適宜種植區(qū)域變小。而盧國(guó)珍等[34]在遮陰規(guī)律的研究中提出，林木行向正南正北的前提下，林木遮陰范圍以中午為中點(diǎn)，上午、下午的遮陰區(qū)域呈對(duì)稱(chēng)。這與筆者的研究有差異，盧國(guó)珍等僅考慮太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的因素，而忽略冠層半陰影效應(yīng)的因素。果樹(shù)對(duì)行間遮陰最嚴(yán)重的時(shí)間段是09：00和13:00，隨著樹(shù)齡的增大，使重復(fù)遮陰區(qū)域、遮陰時(shí)長(zhǎng)變長(zhǎng)[35]。蘋(píng)果復(fù)合系統(tǒng)模式的光競(jìng)爭(zhēng)主要發(fā)生在14:00前[36]。有關(guān)多株果樹(shù)配置造成相互遮陰方面，有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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