王晶晶，畢華興,3,4，郭孟霞，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/水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司，北京 100055；3. 北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 102206，； 4.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 吉縣 042200)

果農(nóng)間作模式是立體農(nóng)業(yè)的一種，選擇合適的林木與農(nóng)作物進(jìn)行混合的種植模式，既能促進(jìn)林木的生長，又增加了農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1-5]。因此，果農(nóng)間作系統(tǒng)的發(fā)展與研究在世界范圍內(nèi)得到廣泛運(yùn)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、功能特征、生產(chǎn)力、生物氣候潛能以及種間的水分與養(yǎng)分競爭等為目前果農(nóng)配置時(shí)考慮的主要因素，但忽略了光照對(duì)果農(nóng)復(fù)合種間關(guān)系的影響[6-11]。

光照作為光合作用的能量來源，直接影響間作作物的生產(chǎn)力。因此，光環(huán)境對(duì)果農(nóng)間作系統(tǒng)中間作作物的影響應(yīng)當(dāng)被關(guān)注[12-17]。本研究假設(shè)太陽光線是平行光，遵循相似性原理，利用蘋果樹3D模型實(shí)測遮陰范圍，研究不同年限果樹群體遮陰范圍時(shí)空分布，明確光環(huán)境下樹冠遮陰動(dòng)態(tài)變化狀況，以期指導(dǎo)果農(nóng)間作系統(tǒng)的作物種植，從而達(dá)到農(nóng)林間作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣，氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，光照充裕,季節(jié)變化明顯。年均氣溫范圍約為9.3～11.3℃。年均日溫差為11.2℃。年內(nèi)最低溫在1月份，最高溫在8月份。>10℃的有效積溫3 361.5℃，日照時(shí)數(shù)可達(dá)2 538 h。年均無霜期176 d。多年平均降水532.8 mm。春季大風(fēng)且干旱，降雨主要集中于夏季，秋季陰雨較多，冬季干燥寒冷。

研究區(qū)地形為典型的丘陵溝壑區(qū)，水土資源缺乏，果農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)的種植模式在該地被廣泛使用。果樹主要為蘋果，間作作物主要選擇大豆、花生、玉米等。本研究選擇蘋果+間作作物模式進(jìn)行研究，蘋果樹東-西向種植,果樹株行距主要為4 m×5 m、5 m×5 m兩種。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 試驗(yàn)材料 以試驗(yàn)樣地的蘋果樹作為研究對(duì)象，選擇試驗(yàn)樣地4、5、6 a和7 a生的所有蘋果樹，進(jìn)行拍照和基本特征的測量(表1)，將所取照片導(dǎo)入PS對(duì)其進(jìn)行處理分析，通過對(duì)大量測量數(shù)據(jù)和照片中樹冠輪廓的提取分析，利用三維制圖技術(shù)構(gòu)建蘋果樹體模型，最終采用3D打印制作縮小50倍的蘋果樹三維樹體模型。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為測定單株蘋果樹遮陰范圍和不同株行距配置的蘋果樹群體遮陰，將樹體模型(樹體模型枝下已加高3 mm)插放在厚度為3 mm的A3硬紙板，硬紙板上固定有網(wǎng)格紙。具體位置見圖1，目標(biāo)蘋果樹體模型選擇插放在網(wǎng)格紙的中心位置，其他蘋果樹模型依據(jù)圖1位置插放(株行距4 m×5 m、5 m×5 m縮小50倍后的配置方式)，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)8∶00～17∶00是太陽輻射的重要時(shí)段。因此，試驗(yàn)在晴天8∶00～17∶00進(jìn)行，每隔1 h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)描繪出樹體模型在此時(shí)間的遮陰邊界。試驗(yàn)在2017年7月進(jìn)行3次，每次試驗(yàn)選擇相同樹齡樹體模型，3次重復(fù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹齡單株蘋果樹遮陰范圍時(shí)空分布

4～7 a生單株蘋果樹遮陰范圍時(shí)空分布呈規(guī)律性變化(圖2)。在一天(8∶00～17∶00)中，隨著時(shí)間的推移，單株蘋果樹的遮陰范圍由西向東偏移，遮陰范圍面積變化趨勢為大-小-大，蘋果樹在8∶00時(shí)遮陰距離蘋果樹最遠(yuǎn)為6.5～7.5 m；在中午12∶00時(shí)樹冠遮陰區(qū)域面積最?。辉?7∶00時(shí)遮陰距離蘋果樹為5.0～5.9 m；在其余時(shí)段，遮陰距蘋果樹最遠(yuǎn)距離,西向?yàn)?.9～4.6 m、東向?yàn)?.2～4.0 m。單株蘋果樹遮陰整體呈現(xiàn)不等寬弧型分布。蘋果樹遮陰區(qū)域距離蘋果樹的北向始終大于南向0.5～0.6 m。隨著樹齡的增長，單株蘋果樹樹冠遮陰區(qū)域均增大。

表1 試驗(yàn)地果樹樹體的基本特征(均值)Table 1 Basic characteristic of fruit tree in test area

注：模型尺寸/實(shí)際尺寸為1/50。Note: Model sizes/actual sizes are 1/50.圖1 株行距配置模式果樹模型點(diǎn)位布設(shè)示意圖Fig.1 Point design figure of apple-trees model in plantspacing configuration

根據(jù)遮陰區(qū)域的遮陰時(shí)長的不同，將一天內(nèi)單株蘋果樹遮陰劃分為8個(gè)區(qū)域，分別為<1 h、1～2 h、2～3 h、3～4 h、4～5 h、5～6 h、6～7 h、>7 h。

3.2 株行距4 m×5 m配置模式下蘋果樹遮陰范圍時(shí)空分布

4 m×5 m株行距配置模式下4～7 a生蘋果樹遮陰范圍時(shí)空分布如圖3所示。根據(jù)單株蘋果樹遮陰分布特征，8∶00和17∶00時(shí)段內(nèi)同行的部分區(qū)域受到鄰樹和目標(biāo)果樹的疊加遮陰，其余時(shí)段同行未受到鄰樹的疊加遮陰。4～6 a生蘋果樹遮陰區(qū)域最大距離為北向(N)2.1～2.5 m，南向(S)1.7～2.0 m;因此，4～6 a生蘋果樹行間不存在果樹遮陰的疊加影響。然而，7 a生單株蘋果樹一天中遮陰區(qū)域最遠(yuǎn)距離為北向(N)2.7 m，南向(S)2.5 m；因此，7 a生蘋果樹行間存在果樹間的疊加遮陰。

分析株行距4 m×5 m配置下果樹樹行間遮陰時(shí)長分布可知，4～6 a生蘋果樹在一天內(nèi)受到同行鄰株蘋果樹的連續(xù)疊加遮陰，遮陰時(shí)長約為4～9 h。根據(jù)果樹行間間作作物接受遮陰時(shí)長，對(duì)4 m×5 m配置的蘋果樹行間進(jìn)行劃分(圖3)，4～6 a生蘋果樹為3個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)(弱遮陰區(qū)，時(shí)長<1 h)，Ⅱ區(qū)(中度遮陰區(qū)，時(shí)長1～3 h)，Ⅲ區(qū)(強(qiáng)遮陰區(qū)，時(shí)長4～9 h)；7 a生蘋果樹的行間存在鄰行果樹的疊加遮陰，劃分為2個(gè)區(qū)域：Ⅱ區(qū)(中度遮陰區(qū)，1～3 h)，Ⅲ區(qū)(強(qiáng)遮陰區(qū)，4～9 h)。為了使得間作作物的種植效益良好，間作作物的種植區(qū)選擇為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)。根據(jù)不同樹齡蘋果樹行間遮陰范圍和遮陰時(shí)長分析，果樹行間適宜間作范圍見表2。

3.3 株行距5 m×5 m配置模式下蘋果樹遮陰范圍時(shí)空分布

5 m×5 m株行距配置模式下4～7 a生蘋果樹遮陰范圍時(shí)空分布如圖4所示。一天中，在8∶00時(shí)間段，同行蘋果樹與鄰株果樹部分區(qū)域出現(xiàn)疊加遮陰；在其余時(shí)間段，同行內(nèi)不存在相鄰蘋果樹體間的疊加遮陰區(qū)域。在一天中，4～6 a生蘋果樹行間不存在鄰行蘋果樹的疊加遮陰，但7 a生蘋果樹在行間會(huì)存在疊加遮陰。

4～6 a生蘋果樹在一天內(nèi)同行的部分區(qū)域存在連續(xù)的疊加遮陰，遮陰時(shí)長為4～9 h。根據(jù)一天內(nèi)5 m×5 m配置模式下蘋果樹遮陰區(qū)域的遮陰時(shí)長，將5 m×5 m配置模式的蘋果樹行間劃分為3個(gè)區(qū)域(同4 m×5 m配置模式)。對(duì)于7 a生蘋果樹群體行間而言，由于部分區(qū)域存在鄰行果樹遮陰的疊加影響，僅分為Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。為了使間作作物的種植產(chǎn)生良好的效益，間作作物的種植區(qū)選擇在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)。根據(jù)不同樹齡蘋果樹行間遮陰范圍和遮陰時(shí)長分析，5 m×5 m株行距配置的果樹行間適宜間作范圍見表3。

圖2 不同樹齡單株蘋果樹遮陰時(shí)空動(dòng)態(tài)變化圖Fig.2 Dynamic space-time chart of shade range for individual apple tree in different ages

圖3 4 m×5 m配置蘋果樹群體遮陰范圍時(shí)空分布Fig.3 Space-time distribution of shading range for apple trees about plant spacing configuration of 4 m×5 m

表2 株行距4 m×5 m配置下不同樹齡蘋果樹種植范圍

表3 株行距5 m×5 m配置不同樹齡下蘋果樹種植范圍

圖4 5 m×5 m配置蘋果樹群體遮陰范圍時(shí)空分布Fig.4 Space-time distribution of shading range for apple trees about plant spacing configuration of 5 m×5 m

4 討 論

本研究通過實(shí)地觀測和模型模擬，分析晉西黃土區(qū)單株蘋果樹以及不同株行距配置的蘋果樹群體遮陰范圍的時(shí)空分布。研究表明4～7 a生單株蘋果樹在一天內(nèi)遮陰區(qū)域隨時(shí)間推移呈從西向東變化，變化趨勢取決于一天中太陽方位角由東南向西南的轉(zhuǎn)移變化。由于太陽高度角的移動(dòng)，導(dǎo)致蘋果樹遮陰區(qū)域面積隨時(shí)間變化為大-小-大[18]。果樹遮陰時(shí)空分布直接影響果樹群體中光合輻射時(shí)空分布。有關(guān)果樹光合輻射時(shí)空分布的研究表明：果農(nóng)間作系統(tǒng)光合有效輻射呈“單峰形”變化，并且距樹行越近，光合有效輻射強(qiáng)度越弱，且樹行兩側(cè)光合有效輻射不一致[19-23]。這種變化與本研究果樹群體遮陰范圍時(shí)空分布基本一致。因此，果農(nóng)間作系統(tǒng)傳統(tǒng)的間作作物等間距種植模式存在不合理性。本研究結(jié)果表明，果農(nóng)間作系統(tǒng)間作作物種植應(yīng)該采取沿蘋果樹樹行南-北向不等間距種植，北向種植距離小于南向0.6～0.7 m。為達(dá)到蘋果樹遮陰區(qū)域最小化，果樹種植樹行選擇地理東-西向種植；間作作物適宜的種植區(qū)域隨蘋果樹年限的增長而減小。

實(shí)際上，林下輻射強(qiáng)度是影響間作作物生長的重要指標(biāo)，未來需進(jìn)一步研究不同株行距配置下的遮陰效果。

5 結(jié) 論

1) 4～7 a生單株蘋果樹遮陰呈現(xiàn)規(guī)律性時(shí)空分布。時(shí)間上，蘋果樹遮陰范圍隨時(shí)間推移從西向東變化，呈現(xiàn)大-小-大的變化趨勢。空間上，蘋果樹遮陰區(qū)域整體呈現(xiàn)不等寬弧型分布，且果樹遮陰區(qū)域距離蘋果樹的北向大于南向。

2)蘋果樹群體遮陰時(shí)長、范圍與果樹配置方式和樹齡相關(guān)。4～7 a生同行蘋果樹在一天內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)疊加遮陰；4 m×5 m、5 m×5 m株行距配置遮陰時(shí)長為4～9 h，且5 m×5 m株行距配置下4～9 h的遮陰區(qū)域多于4 m×5 m株行距配置；4 m×5 m株行距配置下適宜間作作物種植區(qū)范圍為1.41～1.91 m，5 m×5 m 株行距配置下間作作物種植范圍為1.63～2.14 m，且種植范圍均隨樹齡的增加而減小。

3)間作作物行間種植采取南-北不等間距種植,間作種植區(qū)北向距離大于南向距離0.6～0.7 m。