何春霞，陳平，張勁松＊，孟平＊，孫守家，高峻

(1.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室，北京 100091；2.南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；3.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

通過林木和作物的合理間作，農(nóng)林復合系統(tǒng)能充分利用水肥光熱資源，既能保持生態(tài)功能，又能在降低投入的情況下可持續(xù)獲得林產(chǎn)品（木材或果實）[1]和作物收成，如Niether等[2]對可可樹（Theobroma cacaoLinn.）、Sun等[3]、孫守家等[4]和何春霞等[5]對核桃（Juglans regiaL.）-綠豆（Vigna radiate(L.) Wilczek）或小麥（Triticum aestivumL.）等及Rivest等[6]對楊樹（Populus nigra×P.maximowiczii）/大豆（Giycine max(L.)Merr.）等的研究都表明，農(nóng)林間作比單作具有產(chǎn)量優(yōu)勢；Mu?oz-Villers等[7]研究得出咖啡（Coffea arabicaL.）復合系統(tǒng)的種間水分互補關系。也有農(nóng)林復合系統(tǒng)種間水分競爭的報導，如核桃樹/花生（Arachis hypogaeaL.）[8]、旱季的南酸棗（Choerospondias axillaris(Roxb.) Burtt et Hill.）/花生[9]及棗農(nóng)間作系統(tǒng)[10]。量化不同復合系統(tǒng)的種間水分關系，有助于合理選擇和配置農(nóng)林復合系統(tǒng)[4]。

農(nóng)林復合系統(tǒng)中，林木的耗水規(guī)律可通過液流法[11]估算，而作物耗水卻不易估算。能量平衡法估算的耗水[12]包括植物蒸騰和土壤蒸發(fā)，二者無法區(qū)分開來。渦度相關法能區(qū)分農(nóng)田的土壤蒸發(fā)和作物蒸騰[13]，但不適用于下墊面不一致的農(nóng)林復合系統(tǒng)。植物穩(wěn)定碳同位素比率（δ13C）整合了其生長過程的水分狀況，與植物水分利用效率（WUE）成正比，能指示其長期水分狀況[14-16]。因為干旱時，葉片內外水汽壓差增加，葉片會關閉氣孔、降低導度以減少蒸騰和充分利用水分，這也引起胞間CO2濃度降低，使得光合作用對13C 的甄辨率降低，最終造成葉片中13C 富集、δ13C 增大[17]。結合作物的WUE和生物量可估算其耗水量[18]，且只需少量組織，能簡化農(nóng)林復合系統(tǒng)的水分關系研究。

在太行山南麓低丘山區(qū)，立地和灌溉條件差，季節(jié)性干旱等極端氣候頻發(fā)，導致水分虧缺制約其農(nóng)林業(yè)發(fā)展，當?shù)貫榱嗽鍪沾罅Πl(fā)展果樹與作物等間作。核桃位居中國四大干果之首，適應性強，具有水土保持等生態(tài)功能。決明（Cassia toraLinn.)是豆科藥材，種子可明目。菘藍（Isatis tinctoriaLinnaeus，板藍根）屬十字花科藥材，具清熱解毒，涼血消斑功效。這2種藥材雖在華北復合農(nóng)林實踐中廣泛栽培，但其種間關系研究尚且匱乏。本文采用穩(wěn)定碳同位素方法，結合樹干液流，研究該區(qū)核桃-決明/菘藍復合系統(tǒng)的耗水特征和水分利用等，旨在量化其種間水分關系，并為3種植物的管理和當?shù)剞r(nóng)林復合系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗地概況及材料

1.1 試驗地概況

試驗地設在黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站(35.02° N，112.47° E)，地處太行山南麓，屬暖溫帶大陸性季風氣候。年均日照時數(shù)2 367.7 h，年降水量641.7 mm（6—9月占68.3 %）。土壤母質多為石灰?guī)r，風化淋溶后形成褐土，土層厚度50～80 cm，石礫含量10%～18%，pH 值7.6～8.5，速效氮、磷、鉀含量分別為21.4～80.0、2.60～8.16、60～102.35 mg·kg–1，有機質含量為8.28～16.5 g·kg–1。

1.2 試驗材料

試驗地位于東西長140～200 m、南北寬20～30 m 的水平梯田上。于2006年核桃東西向種植，株×行距為3 m×8 m，樹高、地徑和冠幅均值分別為5.2 m、14.1 cm 和2.7 m。菘藍為秋種夏收，決明為夏種秋收。菘藍于2011年11月15 日播種，2012年6月8 日收獲；7月3 日換茬決明，10月10 日采收；11月19 日再播種菘藍，2013年6月15 日收獲；6月22 日換茬決明，10月17 日采收。菘藍/決明的株×行距均為20 cm×50 cm，南、北側離核桃樹1.5 m。單作菘藍/決明位于復合系統(tǒng)50 m 外的梯田上。試驗期間無灌溉補水措施。

2 研究方法

2.1 氣象因子和土壤含水量監(jiān)測

小氣候自動觀測系統(tǒng)觀測空氣溫度（Ta）、相對濕度（RH）和降雨量（RF），溫濕度傳感器為HMP45C（Vaisala Inc.，Vantaa，F(xiàn)inland），雨量筒傳感器和數(shù)據(jù)采集器為TE525M 和CR10X（Campbell Scientific Inc.,Logan,USA）。

TDR（Time Domain Reflectometry）和TRIMET3（IMKO Inc.，German）測定0～20、20～40、40～60、60～80 cm 深度的土壤含水量。TDR 管埋設在核桃樹行北側0.5 m（N0.5）、1.5 m（N1.5）、中間4 m（M）和南側1.5 m（S1.5）處，圖1 所示為1個測點，設3個測點作為重復，單作藥草地中也埋設3個測點。

圖1 試驗區(qū)測點布設示意圖Fig.1 Sketch of sampling spots in the experiment field

2.2 植物穩(wěn)定碳同位素比率（δ13C）及水分利用效率（WUE）、耗水量（WU）的測算

2.2.1 植物穩(wěn)定碳同位素比率（δ13C）的測算2012、2013年分別于菘藍苗期（03-22、03-28）、開花期（04-25、04-26）、成熟期（05-30、05-31）和決明苗期（07-26、07-19）、開花期（08-27、08-24）、成熟期（09-18、09-25）取樣。核桃取樹冠中部南向葉片；在N1.5、N2.5、M、S2.5、S1.5 位置處（圖1，共重復3個測點）對菘藍/決明各部分取樣（每樣品為5株混合），測定生物量。葉片烘干、粉碎、過篩后在中國林業(yè)科學研究院質譜實驗室用元素分析儀（Thermo Scientific Flash1112 HT，美國）和質譜儀（DELTA V Advantage Isotope Ratio Mass Spectrometer）測定δ13C 值。計算公式如下[19]：

式（1）中：Rsample和Rstandard分別是樣品和標準物質PDB（Pee Dee Belemnite）的13C/12C 比值，δ13C 表示樣品13C/12C 與標準樣品PDB 偏離的千分率，測定精度為0.1‰。

2.2.2 水分利用效率（WUE）的測算 根據(jù)Farquhar等[17,19]的研究計算水分利用效率（WUE（mmol C·mol?1H2O））：

式（2）中：a=4.4‰、b=27‰分別為CO2擴散和羧化過程中的同位素分餾系數(shù)；Ca為大氣CO2濃度；δa和δp分別為大氣與植物樣品的δ13C 值；1.6 為水蒸汽和CO2在大氣中的擴散比率。δa和Ca的數(shù)據(jù)來自定位站的CO2同位素在線分析系統(tǒng)（Los Gatos Research,USA）。VPD為葉片內外蒸汽壓差（kPa），計算公式如下[18]：

式（3）中：T為葉溫，根據(jù)研究氣溫每升高1℃，葉溫升高0.72℃[20]；RH表示大氣相對濕度；0.611 為氣溫0℃時純水平面上的飽和水汽壓。

2.2.3 植物耗水量（WU）測算 一段時期內植物耗水量（WU）為其碳同化量與WUE的乘積，碳同化量即各器官的干生物量（DW，g）乘以含碳率（CC，mg·g?1），即：

將式（2）中：WUE的單位由mmol C·mol?1H2O 換算成mg C·g?1H2O，代入式（4），即可計算出單位面積菘藍/決明的耗水量，為方便比較，除以土地面積，將耗水量換算成以mm 為單位。

產(chǎn)量土地當量比（LER）計算公式[21]為：

式（5）中：Y1、Y2、Y3和分別為間作菘藍、間作決明、間作核桃和單作菘藍、單作決明、單作核桃的單位面積的產(chǎn)量。

產(chǎn)值水分利用效率（WUEe，元·hm?2·mm?1H2O）[21]計算公式為：

2.3 核桃樹干液流測定及耗水量計算

對間作和單作核桃，分別選5 棵標準木，采用熱擴散法（TDP-30，北京雨根公司）測定樹干液流。數(shù)據(jù)采集器為CR1000X（Campbell Scientific Inc.,Logan,USA）。液流測算公式如下[11]：

式（7）～（10）中：Fd為液流密度（g·m?2·s?1）；Fs為液流速率（L·h?1）；K為無量綱參數(shù)；dT為2個探針某時刻的溫差值，dTM為日溫差最大值；SA為樹干邊材面積（cm2），D和d分別為去皮和心材直徑（cm）。試驗后用生長錐取探針處樹干的樹芯，計算邊材面積。將單株核桃的液流速率按時間積分得到其耗水量，乘以核桃密度（416株·hm?2）得出林分耗水量（mm）。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用 EXCEL 對數(shù)據(jù)進行分析和作圖，采用SPSS18.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

3 結果和分析

3.1 研究地氣象因子的季節(jié)變化

圖2 為研究區(qū)生長季（4—10月）的氣象因子，2012年和2013年的年均氣溫、相對空氣濕度和總降水量分別為22.18℃、64.86 %、493.0 mm 和22.41℃、70.64 %、409.0 mm。

圖2 研究地2012年和2013年生長季的氣象因子Fig.2 Climatic factors in the year 2012 and 2013 at the study area.

3.2 不同系統(tǒng)不同時期的土壤含水量及藥材的δ13C 值和WUE

3.2.1 不同系統(tǒng)間不同時期的土壤含水量 單作和間作系統(tǒng)的土壤含水量季節(jié)變化見圖3。受降雨分布影響，總體2012年土壤含水量高于2013年。2012年，土壤含水量均隨菘藍生長逐漸減少；在決明生長時期土壤含水量較高且隨其生長變化不大。2013年，菘藍生長前期土壤較干旱（含水量僅10% 左右），生長后期（5月29 日）受降雨補充有所提高；土壤含水量則隨決明生長緩慢減少。

在同一時期，土壤含水量為：復合系統(tǒng) >單作核桃 >單作菘藍/決明（圖3），除2012年4月25 日外，復合系統(tǒng)與單作核桃均差異不顯著。除2012年9月18 日，2013年3月28、4月26 和10月12 日三者差異不顯著外，復合系統(tǒng)與單作菘藍/決明其他時期均差異顯著（P<0.05）。單作核桃在2012年6月3 日、7月26 日和2013年5—9月也顯著高于單作菘藍/決明。2012、2013年復合系統(tǒng)的土壤含水量在上半年比單作菘藍分別增加26.74%和7.93%，下半年比單作決明分別增加17.39%和13.65%。

圖3 2012年和2013年不同系統(tǒng)0～80 cm 土層平均土壤含水量的時間動態(tài)變化Fig.3 Temporal variation of soil water content at different intercropping systems in 2012 and 2013

3.2.2 不同系統(tǒng)不同時期藥材的δ13C 值 圖4 表明：隨著菘藍和決明生長，其δ13C 值均逐漸增大；間作菘藍和決明的δ13C 均低于對應的單作，2012、2013年間作菘藍比單作菘藍分別低3.61%、3.88%，間作決明比單作決明分別低2.95%、1.01%；除了2013年開花期和成熟期間作決明略高于間作菘藍外，決明的δ13C 總體小于菘藍的。

圖4 2012年和2013年不同系統(tǒng)藥材δ13C 的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of crop leaf δ13C at different intercropping systems in 2012 and 2013

3.2.3 不同系統(tǒng)不同時期藥材的WUE圖5 表明：菘藍的水分利用效率（WUE）隨其生長逐漸減少（同時期間作、單作菘藍差異不顯著）；決明的WUE在2012年隨生長逐漸增加，2013年則逐漸減少，且間作決明在2012年成熟期和2013年苗期顯著低于單作決明。

圖5 2012年和2013年不同系統(tǒng)各組分WUE 的季節(jié)變化Fig.5 Seasonal variation of leaf WUE at different intercropping systems in 2012 and 2013

3.3 間作系統(tǒng)不同位置的土壤含水量及藥材的δ13C 值和WUE

3.3.1 間作系統(tǒng)不同位置的土壤含水量 圖6 表明：間作系統(tǒng)中的土壤含水量總體表現(xiàn)為樹行中間位置（M）處最低，而距離核桃樹較近的位置較高。

圖6 2012年和2013年間作系統(tǒng)土壤含水量的水平變化特征Fig.6 Horizontal variation of soil water content at the intercropping system in 2012 and 2013

3.3.2 間作系統(tǒng)不同位置藥材的δ13C 值 圖7 表明：間作系統(tǒng)中，2012年菘藍的δ13C 各時期均為S2.5 處最小，苗期的M 和S1.5 處及成熟期的N2.5和S1.5 處較高；2013年苗期仍為S2.5 處最低，M 和S1.5 處較高，成熟期則S1.5 和N2.5 處較低，M 和S2.5 處較高。2012年決明苗期的δ13C 值為N1.5 處最低；開花期和成熟期為M 處最高；2013年決明開花期在N2.5 和M 處及成熟期在N2.5處顯著高于其他位置。

圖7 2012年和2013年間作系統(tǒng)距離核桃不同位置菘藍/決明葉片δ13C 的季節(jié)變化Fig.7 Seasonal variation of leaf δ13C in woad and sickle senna of the intercropping systems at different position in 2012 and 2013

3.3.3 間作系統(tǒng)不同位置藥材的WUE圖8 表明：間作系統(tǒng)中，在2012年苗期和開花期，菘藍的WUE為S2.5 處最低，而M 和S1.5 處較高；在2013年苗期為M 和S1.5 處較高，S2.5 處最低，成熟期則S1.5 處最低。決明的WUE在2012年苗期和開花期均為M 處最高，在2013年總體為N2.5 處最高。

圖8 2012年和2013年間作系統(tǒng)距離核桃不同位置菘藍/決明WUE 的季節(jié)變化Fig.8 Seasonal variation of WUE in woad and sickle senna of the intercropping systems at different positions in 2012 and 2013

3.4 不同系統(tǒng)核桃和藥材的耗水量

3.4.1 不同系統(tǒng)不同生長時期的耗水量 核桃在6—8月（菘藍成熟期和決明苗期、開花期）的耗水量較大（圖9），間作核桃、單作核桃在2012和2013年分別約占其生長季總耗水的69.03%、68.36%和71.38%、69.90%；間作和單作核桃的生長季（4—10月）總耗水量在2012年分別為104.79、116.21 mm，2013年分別為104.44、112.13 mm，單作比間作分別高10.90%、7.36%。

菘藍和決明的耗水量隨其生長逐漸增加，且間作均低于單作（圖9）。間作菘藍、間作決明、單作菘藍、單作決明的總耗水量在2012年分別為65.15、40.17、119.10、90.97 mm，在2013年分別為23.78、64.69、47.20、167.90 mm，2012年菘藍高于決明，2013年決明高于菘藍。

圖9 2012年和2013年不同間作系統(tǒng)各組分水分利用效率的季節(jié)變化Fig.9 Seasonal variation of water use in different intercropping systems in 2012 and 2013

在復合系統(tǒng)中，核桃和菘藍的耗水比例：在2012年是0.70:1，菘藍高于核桃，在2013年則是2.06:1，核桃高于菘藍。核桃和決明的耗水比在2012 和2013年分別是1.79:1 和1.42:1，核桃均高于決明。

3.4.2 間作系統(tǒng)不同位置藥材的耗水量 圖10 表明：核桃-菘藍間作系統(tǒng)中，樹行南北1.5 m 處菘藍總耗水量最少，其次是樹行南北2.5 m 處，M 處的最大（2012 和2013年分別為95.51、41.50 mm，是S1.5 處的2.8 倍和3.4 倍）。在核桃-決明系統(tǒng)中，M 處決明的總耗水量最多，除了2013年開花期N1.5 處耗水最高外，其他時期表現(xiàn)為距離樹行越近耗水越少。

圖10 2012年和2013年間作系統(tǒng)距離核桃不同位置菘藍/決明耗水量的季節(jié)變化Fig.10 Seasonal variation of water use in woad and sickle senna of the intercropping systems at different positions in 2012 and 2013

3.5 不同間作系統(tǒng)的經(jīng)濟效益

表1 表明：在復合系統(tǒng)中，核桃、菘藍和決明的產(chǎn)量均低于對應的單作。當年每公斤綠皮核桃、菘藍和決明的價格分別約為10、10、4 元，計算的2012年復合系統(tǒng)、單作核桃和單作菘藍/決明收入分別為37 493、25 451、30 135 元·hm?2；復合系統(tǒng)是單作核桃的1.47 倍、單作菘藍/決明的1.24倍。2013年復合系統(tǒng)、單作核桃和單作菘藍/決明的收入分別為28 392、22 900、19 030 元·hm?2，均低于2012年，依然是復合系統(tǒng)最高，分別是單作核桃的1.24 倍、單作菘藍/決明的1.49。復合系統(tǒng)的產(chǎn)量土地當量在2012 和2013年分別為1.98、1.89；產(chǎn)值水分利用效率均為單作核桃最高，2012年和2013年分別為21.90、20.42 元·t?1·hm?2，其次是復合系統(tǒng)，分別為17.84、14.72 元·t?1·hm?2，單作菘藍/決明最低，分別為14.35、8.85 元·t?1·hm?2。

表1 不同間作系統(tǒng)收獲指標Table 1 Harvest indice of different agroforestry systems

4 討論

在2012 和2013年，復合系統(tǒng)的土壤含水量比單作菘藍/決明提高8% 以上，也高于單作果樹。這是由于核桃林帶能減弱風速和亂流交換，加上藥材的間作使植被覆蓋度大，裸露土壤減少，蒸發(fā)面積降低，使得復合系統(tǒng)內部蒸散量低于開闊農(nóng)田和單作核桃，土壤含水量增加[22]。Ling等[23]對油菜（Brassicarapavar.oleiferade Candolle）/黃花菜（Hemerocallis citrinaBaroni）及Siriri等[1]對烏干達梯田的農(nóng)林復合系統(tǒng)研究也得出同樣的結論；但在較干旱的2013年，復合系統(tǒng)和單作核桃的土壤含水量差異不大，表明干旱時期復合系統(tǒng)的種間水分競爭可能有所加大，從而抵消其保水效應。對南酸棗/花生[9]和棗農(nóng)復合系統(tǒng)[10]的研究也表明干旱期間種間競爭加劇。

復合系統(tǒng)中，核桃樹行中間處土壤含水量較低、藥材的耗水量也較多，且在菘藍苗期及決明的大多生長時期此處的水分利用效率（WUE）也較高，這應是藥材對復合系統(tǒng)不同位置處土壤含水量和小氣候的生理生態(tài)反應[22]。因為，此處核桃遮蔽少、相對濕度低，造成藥材蒸騰較強，核桃6—8月耗水較多也與決明的耗水高峰重疊、吸收區(qū)域重合，造成水分競爭加大，加上春旱和秋旱，此處藥材會相應提高WUE[15]。

從降雨分布看，菘藍生長時期處于春旱少雨期，而決明生長前中期處于雨季，生長后期多秋旱。決明生長前中期的水分充足，與核桃的水分競爭較少，間作決明的水分狀況好于單作決明，δ13C 值和WUE反而低于單作藥材。由于2012年春旱，使得菘藍時期的水分比決明的差，其δ13C值也顯著高于決明，意味著菘藍受到的水分虧缺更嚴重。

菘藍的總耗水量2012年高于決明，2013年則低于決明，這與其生長期降雨密切相關。2013年生長季總降雨量比2012年少84 mm，各系統(tǒng)的產(chǎn)量均比2012年有所減少。間作決明的WUE小于單作決明、而復合系統(tǒng)中核桃、菘藍/決明的耗水量均低于單作核桃、單作菘藍/決明，這些都進一步表明復合系統(tǒng)中核桃樹冠和間作藥材遮陰有效保持了系統(tǒng)內的水分，使其全生育期蒸騰和耗水量降低[22，24]。對其水分來源研究[25]也得出，核桃-菘藍/決明復合系統(tǒng)中核桃在旱季主要利用深層土壤水以避開與淺根作物的水分競爭[26]，并對淺根藥材菘藍具有水力提升作用；在雨季則轉向以利用補充雨水的淺層土壤水為主，表現(xiàn)為種間水分互利關系。2013年核桃-菘藍間作系統(tǒng)中，核桃耗水所占比率比2012年明顯增加，應該與降水少、土壤干旱對菘藍的耗水和生長影響較大但對深根的核桃影響較小有關。對咖啡間作系統(tǒng)[7]及其他復合系統(tǒng)[27]的研究也得出種間水分互補關系的結論。

豆科植物可通過根瘤固定大氣中的氮素，并提供給非豆科間作植物，后者還能反過來促進豆科植物的固氮作用[28]，進而提高復合系統(tǒng)的地力和產(chǎn)量[29]，如豆科與禾本科等作物的間作[30]。本研究中，豆科植物決明與其他組分的氮素關系如何，其間作能否提高復合系統(tǒng)的氮素和產(chǎn)量等，有必要做進一步研究。

5 結論

在太行山南麓低丘山區(qū)的核桃-菘藍/決明復合系統(tǒng)中，土壤水分狀況得到改善，總體耗水減少，總體收益和產(chǎn)量土地當量遠高于單作系統(tǒng)。該復合模式既能達到退耕還林工程的生態(tài)效應，又能保證農(nóng)民的經(jīng)濟效益，適合在太行山南麓退耕還林區(qū)推廣。