連亞妮，楊可偉，牟洪香，李春友

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000)

農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是以生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)的自然資源管理系統(tǒng)，是根據(jù)各物種生物學(xué)特性進(jìn)行合理空間格局配置，營(yíng)造出多層次、多物種、多時(shí)序、多產(chǎn)業(yè)和環(huán)境友好型的人工復(fù)合經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)，是人們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)又兼顧一定生態(tài)服務(wù)功能而建立的綜合生產(chǎn)系統(tǒng)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新模式[1-2]。農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)合理的空間布局使各物種充分利用水、肥、光、熱等資源的同時(shí)，增加土地的生產(chǎn)力，提高單位土地面積上農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益[3-4]。但隨著林木冠幅和根系的增大，各物種之間會(huì)存在資源競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[4]。

植物水分利用效率是衡量植物抗旱性的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。目前，葉片尺度上水分利用效率有2種常用的表達(dá)方式：一種是瞬時(shí)水分利用效率(WUEi=Pn/Tr)，通過(guò)測(cè)定葉片的凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)的比值得出的，葉片瞬時(shí)水分利用效率只代表特定時(shí)間內(nèi)植物部分葉片的狀態(tài)，難以解釋植物長(zhǎng)期的適應(yīng)機(jī)理[8-10]；另一種長(zhǎng)期水分利用效率(WUEL)，是通過(guò)測(cè)定穩(wěn)定碳同位素來(lái)確定的，它不受時(shí)間和季節(jié)的約束，還可以通過(guò)分析長(zhǎng)期積累于葉片中的碳代謝產(chǎn)物來(lái)評(píng)估葉片或植株生長(zhǎng)過(guò)程中總的水分利用效率特性[11]。穩(wěn)定碳同位素技術(shù)因具有示蹤、整合和指示功能，且檢測(cè)快速、準(zhǔn)確，現(xiàn)被普遍用于植物長(zhǎng)期水分利用效率的測(cè)定，在生態(tài)學(xué)、水文學(xué)和地球科學(xué)研究領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用[12]。

目前，利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)對(duì)植物水分利用效率的研究主要集中在探討不同地區(qū)或同一地區(qū)不同植物δ13C值與環(huán)境因子(主要是氣候因子)之間的關(guān)系上[13-15]，在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中植物水分利用情況也有報(bào)道。不同植物、甚至同一植物不同部位的水分利用效率都不同[16-18]。已有研究表明，種間水分競(jìng)爭(zhēng)可以提高橡膠樹(shù)等抗旱植物的水分利用效率[19]。合理的灌水和施肥能提高蘋(píng)果-玉米間作系統(tǒng)的葉片水分利用效率[20]。WEI B等研究發(fā)現(xiàn)在遼寧半干旱地區(qū)，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的同時(shí)也提高了各物種的水分利用效率[21]。河北省衡水市饒陽(yáng)縣位于河北平原中部，滹沱河畔，黑龍港流域低平原旱作區(qū)，水分是農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)根系分布和種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的關(guān)鍵因子之一，種間水分關(guān)系對(duì)該地區(qū)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力具有決定性的影響[5-6]。為摸清農(nóng)田防護(hù)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)植物間水分利用效率關(guān)系，本研究以農(nóng)田防護(hù)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中的楊樹(shù)、冬小麥與夏玉米為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定穩(wěn)定碳同位素比值(δ13C)，分析其在不同季節(jié)中的水分利用效率關(guān)系，以期為華北地區(qū)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的水分利用提供參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省衡水市饒陽(yáng)縣圓子村南側(cè),東經(jīng)115°39′33″，北緯38°5′54″，林網(wǎng)以20 hm2為一個(gè)農(nóng)田方塊，防護(hù)林位于每一個(gè)農(nóng)田方塊4周。試驗(yàn)區(qū)屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，4季分明，冬冷夏熱，雨熱同期。年均氣溫12.5 ℃，年均積溫4 904.6 ℃，日照時(shí)數(shù)2 600 h，無(wú)霜期190 d，降雨量509 mm，土壤理化性質(zhì)為：速效鉀129 mg/kg，有效磷33.8 mg/kg，堿解氮83.0 mg/kg，有機(jī)質(zhì)17.8 g/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)材料的采集與處理 分別于冬小麥返青期、拔節(jié)期和成熟期，夏玉米出苗期、拔節(jié)期和成熟期隨機(jī)選取6株長(zhǎng)勢(shì)一致、生長(zhǎng)健康的7 a生楊樹(shù)(楊樹(shù)株間距為1.5 m，單排種植，用激光測(cè)距儀(Trupulse 360 B)測(cè)量樹(shù)高(H)，小麥返青期、拔節(jié)期和成熟期的楊樹(shù)平均樹(shù)高分別為12.1 m、12.4 m和12.6 m，玉米出苗期、拔節(jié)期和成熟期的楊樹(shù)平均樹(shù)高分別為12.7 m、12.9 m、13.4 m。在取樣地附近距離地面1 m左右處用小氣泵采集氣體樣品。在楊樹(shù)樹(shù)冠中部不同方位上摘取適量葉片，擦拭干凈，放入密封袋中保存。在小麥和玉米的不同發(fā)育期分別摘取距楊樹(shù)0.5 H、1 H和2 H處小麥和玉米的葉片，擦拭干凈，放入密封袋中保存。小麥返青期，楊樹(shù)還未長(zhǎng)葉，這個(gè)時(shí)期不對(duì)楊樹(shù)葉片進(jìn)行采樣。為防止呼吸作用消耗葉片中的有機(jī)物，葉片樣品在采集完成后迅速放入便攜式冷藏箱內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室后于105 ℃殺青1 h，然后置入恒溫干燥箱70 ℃烘干至恒重，研磨后過(guò)80目篩，制成供試樣品保存待測(cè)。

1.2.2 數(shù)據(jù)的采集測(cè)定

1.2.2.1 穩(wěn)定碳同位素比值與碳含量的測(cè)定 用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage Isotope Ratio Mass Spectrometer)測(cè)定植物碳同位素比值(δ13C)與碳含量。氣體樣品用二氧化碳同位素分析儀(Carbon Dioxide Isotope Analyzer, CCIA-38-EP)測(cè)定碳同位素比值。植物和空氣δ13C值的測(cè)定以PDB(Pee Dee Belemnite)為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)下面公式進(jìn)行計(jì)算[23]：

(1)

式中：δ13C表示樣品13C/12C與標(biāo)準(zhǔn)樣品偏離的千分率，(13C/12C)sample和(13C/12C)PDB分別表示樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)PDB的13C/12C。

1.2.2.2 水分利用效率的計(jì)算 植物水分利用效率根據(jù)下列公式計(jì)算[23]：

(2)

式中：φ為植物整個(gè)生長(zhǎng)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；Ca為大氣CO2濃度；a、b分別為CO2擴(kuò)散和羧化過(guò)程中的同位素分餾系數(shù)，其中a=4.4‰，b=27‰；δa和δp分別為空氣和植物的δ13C值；數(shù)值1.6為水蒸汽和CO2在空氣中的擴(kuò)散比率。VPD(Vapor pressure deficit)為葉片內(nèi)外蒸汽壓差(KPa)，由植物生長(zhǎng)過(guò)程中取樣日期前3天白天的氣象數(shù)據(jù)(空氣溫度、大氣相對(duì)濕度等)計(jì)算得出[24]，氣象數(shù)據(jù)由饒陽(yáng)縣氣象局提供，其公式為：

VPD=0.611×e17.502T/(240.97+T)×(1-RH)

(3)

式中：0.611為t=0 ℃時(shí)純水平面上的飽和水汽壓；e為實(shí)際水汽壓；T為葉片溫度；RH(Relative humidity)為大氣相對(duì)濕度。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 使用SPSS21.0和Excel

2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表制作，采用單因素方差分析進(jìn)行分析，并采用最小顯著差數(shù)法(LSD)在P<0.05水平下進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。利用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)穩(wěn)定碳同位素、水分利用效率和環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物葉片碳含量的變化

農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物葉片碳含量的變化見(jiàn)圖1。

由圖1可知，楊樹(shù)葉片碳含量為41.0%～46.7%，小麥成熟期楊樹(shù)葉片碳含量達(dá)到最高。不同時(shí)期楊樹(shù)葉片碳含量差異顯著(P<0.01)，玉米拔節(jié)期和玉米成熟期楊樹(shù)葉片碳含量顯著低于小麥成熟期、玉米出苗期和拔節(jié)期(P<0.01)。

圖1 不同生長(zhǎng)時(shí)期植物葉片碳含量Figure 1 The carbon content of plant leaves in different growth stages

小麥葉片碳含量為42.25%～47.78%，與同時(shí)期楊樹(shù)葉片碳含量間差異顯著(P<0.05)。拔節(jié)期和成熟期小麥葉片碳含量顯著低于楊樹(shù)葉片；不同時(shí)期小麥葉片碳含量間差異顯著(P<0.01)，返青期的顯著高于拔節(jié)期和成熟期；同時(shí)期內(nèi)不同距離處小麥葉片碳含量間差異均不顯著。

玉米葉片碳含量為38.45%～43.09%，成熟期玉米葉片碳含量顯著低于楊樹(shù)葉片(P<0.01)，出苗期與拔節(jié)期兩者間差異不顯著；出苗期與拔節(jié)期，不同距離處玉米葉片碳含量差異不顯著，但在成熟期，玉米葉片碳含量隨著與楊樹(shù)距離增大逐漸增大，且2H處玉米葉片碳含量顯著高于0.5 H處的；不同時(shí)期玉米葉片碳含量間差異顯著(P<0.05)。

2.2 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物葉片δ13C值的變化

農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物葉片δ13C值的變化見(jiàn)圖2。

圖2 不同生長(zhǎng)時(shí)期植物葉片δ13C值Figure 2 The δ13C of plant leaves in different growth stages

由圖2可知，楊樹(shù)葉片δ13C值為-29.90 ‰～-27.87 ‰，玉米出苗期楊樹(shù)葉片δ13C值達(dá)到最高，顯著高于玉米拔節(jié)期和成熟期楊樹(shù)葉片δ13C值(P<0.01)，但與小麥拔節(jié)期楊樹(shù)葉片δ13C值差異不顯著。

小麥葉片δ13C值為-29.04 ‰～-25.77 ‰，拔節(jié)期小麥葉片δ13C值與同時(shí)期楊樹(shù)葉片δ13C值之間差異不顯著，而成熟期小麥葉片δ13C值顯著高于同時(shí)期楊樹(shù)葉片δ13C值；不同時(shí)期小麥葉片δ13C值間差異顯著(P<0.01)，返青期小麥葉片δ13C值顯著高于拔節(jié)期和成熟期的；同時(shí)期內(nèi)，返青期1 H處小麥葉片δ13C值顯著高于與2 H處的(P<0.01)，其他時(shí)期各處小麥葉片δ13C值間差異不顯著，拔節(jié)期小麥δ13C值隨著與楊樹(shù)距離的增大有增加趨勢(shì)。

玉米葉片δ13C值為-14.07 ‰～-12.60 ‰，顯著高于同時(shí)期楊樹(shù)葉片δ13C值(P<0.05)；出苗期玉米葉片δ13C值顯著高于其他兩個(gè)時(shí)期(P<0.05)，且其他兩個(gè)時(shí)期玉米葉片δ13C值間差異不顯著；玉米出苗期與成熟期，不同距離處玉米葉片δ13C值差異均不顯著，拔節(jié)期0.5 H處玉米葉片δ13C值顯著低于1 H和2 H處(P<0.05)。

2.3 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物WUE的變化

農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物WUE的變化見(jiàn)圖3。

由圖3可知，楊樹(shù)WUE為5.33～14.88 mmol/mol，不同時(shí)期楊樹(shù)WUE間差異顯著(P<0.01)，小麥拔節(jié)期楊樹(shù)WUE最高，小麥成熟期、玉米出苗期、拔節(jié)期楊樹(shù)WUE顯著低于小麥拔節(jié)期、玉米成熟期楊樹(shù)WUE。

圖3 不同生長(zhǎng)時(shí)期植物WUEFigure 3 The plant WUE of different growth stages

小麥WUE為5.79～26.72 mmol/mol，拔節(jié)期小麥WUE與同時(shí)期楊樹(shù)WUE間差異不顯著，成熟期小麥WUE顯著低于同時(shí)期楊樹(shù)WUE(P<0.05)；不同時(shí)期小麥WUE間差異顯著(P<0.01)，返青期WUE>拔節(jié)期WUE>成熟期WUE；同時(shí)期內(nèi)，返青期1 H處小麥WUE顯著高于2 H處(P<0.01)，其他時(shí)期各處小麥WUE間差異不顯著；拔節(jié)期與成熟期0.5 H處小麥WUE均小于1 H和2 H處WUE，且差異不顯著。

玉米WUE為14.56～27.63 mmol/mol，顯著高于同一時(shí)期楊樹(shù)WUE(P<0.01)。成熟期玉米WUE顯著高于出苗期和拔節(jié)期WUE(P<0.01)，但不同距離處玉米WUE間差異不顯著；拔節(jié)期0.5 H處玉米WUE均顯著低于1 H處WUE(P<0.01)。

2.4 農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境因子對(duì)WUE和δ13C值的影響

農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境因子對(duì)WUE和δ13C值的影響見(jiàn)表1、表2。

表2 植物WUE與影響因子的相關(guān)性分析Table 2 The correlation analysis among WUE and impact factors

由表1、2可知，環(huán)境因子對(duì)植物δ13C值及WUE影響顯著。溫度除與玉米δ13C值呈極顯著正相關(guān)外，與楊樹(shù)、小麥的WUE、δ13C值以及玉米WUE均呈顯著負(fù)相關(guān)?？諝庀鄬?duì)濕度對(duì)楊樹(shù)δ13C值及玉米WUE影響不顯著，但與楊樹(shù)WUE呈顯著正相關(guān)，與小麥、玉米δ13C值及小麥WUE呈顯著負(fù)相關(guān)。植物δ13C與WUE間關(guān)系密切，與楊樹(shù)、小麥WUE呈極顯著正相關(guān)，與玉米的呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表1 植物δ13C值與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 1 The correlation analysis among δ13C and environmental factors

3 結(jié)論與討論

碳是植物生長(zhǎng)的必需元素，植物獲取碳主要依靠光合作用，葉片碳含量既是衡量植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要基礎(chǔ)指標(biāo)，又反映了植物各種生理代謝活動(dòng)。小麥成熟期處于6月，此時(shí)期日照最長(zhǎng)，植物光合作用增加，因此楊樹(shù)葉片碳含量在此時(shí)期達(dá)到最高。楊樹(shù)葉片碳含量均高于同時(shí)期農(nóng)作物，這可能是因?yàn)閱棠居懈蟮墓夂辖佑|面積，這與前人的研究結(jié)果一致[22]。

植物種間關(guān)系是研究農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，它關(guān)系著植物是否能夠在不影響生長(zhǎng)的前提下，最大化利用系統(tǒng)內(nèi)的資源。有研究表明，不同間作模式、不同時(shí)期楊樹(shù)的WUE不同[23]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)小麥成熟期、玉米出苗期及拔節(jié)期楊樹(shù)、小麥、玉米WUE均低于其他時(shí)期，此時(shí)期為北方的雨季，降雨比較集中，水分充足，從而導(dǎo)致植物WUE降低，李雪松等在不同生長(zhǎng)季節(jié)楊樹(shù)WUE研究中也得到了相似的結(jié)論[24]。在生長(zhǎng)周期內(nèi)，小麥WUE隨生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)降低，玉米則相反，這可能與小麥生長(zhǎng)時(shí)期干旱少雨，而玉米生長(zhǎng)時(shí)期降雨較多有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)返青期0.5 H處小麥WUE大于2 H處小麥的WUE，其他時(shí)期0.5 H處小麥WUE均小于1 H和2 H處，可能是因?yàn)樵谛←湻登嗥?，楊?shù)處于萌芽時(shí)期，需水量開(kāi)始增加，此時(shí)天氣干燥，缺乏降雨，0.5 H處楊樹(shù)根系分布密集，對(duì)小麥水分競(jìng)爭(zhēng)大，造成0.5 H處水分相對(duì)缺乏，從而提高了小麥的WUE，而隨距離楊樹(shù)的增大，受楊樹(shù)的影響相對(duì)減小。隨生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，楊樹(shù)開(kāi)枝散葉，楊樹(shù)遮蔭作用有效減少了土壤水分散失，改善土壤水分狀況，使得距離楊樹(shù)越遠(yuǎn)，作物的WUE越高。何春霞等研究結(jié)果也表明，隨著與楊樹(shù)距離的增大，楊樹(shù)對(duì)小麥的水分競(jìng)爭(zhēng)變小，小麥的WUE也隨之降低，與本研究結(jié)果一致[25]。

葉片的δ13C值能夠指示植物長(zhǎng)期的WUE，可以通過(guò)測(cè)定植物的δ13C值來(lái)推斷植物水分利用效率。一般情況下δ13C值越高表明植物的WUE越高[26]。本研究中，楊樹(shù)和小麥葉片δ13C值與WUE呈極顯著性正相關(guān)，但玉米葉片δ13C值與WUE呈極顯著性負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)橛衩资荂4植物，小麥?zhǔn)荂3植物，光合羧化酶和羧化時(shí)空的差異使得C3植物和C4植物對(duì)δ13C具有不同的識(shí)別和排斥能力，使得不同光合途徑的植物具有顯著不同的δ13C值和WUE[27]。

本研究還發(fā)現(xiàn)植物WUE與溫度呈極顯著性負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)導(dǎo)致植物的蒸騰速率加快從而使植物WUE降低[28-30]。小麥WUE和空氣相對(duì)濕度呈極顯著性負(fù)相關(guān)，玉米WUE和空氣相對(duì)濕度相關(guān)性不顯著，這可能與玉米生長(zhǎng)時(shí)期大部分時(shí)間處于雨季有關(guān)，雨季玉米生長(zhǎng)所需水分充足，且空氣相對(duì)濕度較恒定，植物間水分競(jìng)爭(zhēng)較小。

綜上所述，農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)種間的相互作用關(guān)系和調(diào)控機(jī)制是合理配植復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)植物，促使系統(tǒng)內(nèi)部綜合效益最大化的關(guān)鍵所在。農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)能引起植物水分競(jìng)爭(zhēng)，在一定范圍內(nèi)能提高植物WUE，從而提高旱作農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。