王晶晶，畢華興,2,3,4?，孫于卜，段航旗，彭瑞東

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，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)國家野外科學觀測研究站，100083，北京；4.北京林業(yè)大學 水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，100083，北京)

黃土高原區(qū)農(nóng)林復合系統(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)大面積推廣和應用。農(nóng)林復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，在農(nóng)林復合種間關系的研究領域，研究主要集中在水分和養(yǎng)分的競爭方面[7-19]，忽略了光照對農(nóng)林復合系統(tǒng)種間關系的影響。太陽輻射作為間作作物的能量來源，直接影響間作作物、林內(nèi)小氣候。因此，農(nóng)林復合系統(tǒng)光環(huán)境下的樹冠遮光應該予以重視。

農(nóng)林復合系統(tǒng)中，太陽輻射的強度和遮陰范圍是光環(huán)境研究的重點。目前農(nóng)林復合系統(tǒng)光環(huán)境的研究，主要集中在利用太陽輻射強度儀對林下不同位置太陽輻射強度的測定[20-25]。在遮陰范圍實測方面的研究，由于果樹實體下地面平整度較低、果樹間相互影響等原因，使得遮陰范圍難以明確界定，農(nóng)林復合系統(tǒng)中果樹的遮陰范圍實測研究較少。因此，筆者避開地面和果樹間對單株果樹遮陰實測的影響，以太陽光線是平行光[26]為前提，采用相似性原理，利用蘋果樹3D模型實測遮陰范圍。結合CAD、MATLAB等軟件，對不同年限實測范圍進行對比分析，使得太陽輻射強度與遮陰范圍結合，指導農(nóng)林復合系統(tǒng)中，間作作物的種植和蘋果樹種植的配置方式，從而達到農(nóng)林復合系統(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″)，屬于黃土高原殘源溝壑地貌和梁崩丘陵溝壑地貌。目前，吉縣的蘋果種植已形成一定的規(guī)?；?，并成為主導農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，截至2014年，全縣共栽植蘋果1.8萬hm2，產(chǎn)值3億元。80%以上的農(nóng)民從事蘋果種植業(yè)，農(nóng)民的收入85%以上來自于蘋果產(chǎn)業(yè)。吉縣的果樹種植選擇地理東西方向為樹行方向，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 試驗方法

2.1.1 試驗材料 以實驗樣地的蘋果樹作為研究對象，選擇實驗樣地4、5、6和7年生的蘋果樹各100棵，進行拍照和基本特征的測量(表1)，將所取照片導入PS，對其進行處理分析，通過對大量測量數(shù)據(jù)和照片中樹冠輪廓的提取分析，利用三維制圖構建蘋果樹體模型，最終采用3D打印制作縮小50倍的蘋果樹三維樹體模型。

表1 試驗地果樹樹體的基本特征Tab.1 Basic characteristic of fruit tree in test area m

2.1.2 試驗設計 為測定蘋果樹樹體模型的遮陰范圍、重復遮陰區(qū)域和遮陰時長，將樹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(樹體模型枝下高已加高3 mm)。樹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是太陽輻射的重要時段；因此，實驗在晴天08:00—17:00，每隔1 h進行標定一次，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間的遮陰邊界。實驗選擇在2017年7月進行3次，每次相同樹齡樹體模型為3次重復。遮陰范圍為對應時間的遮陰邊界內(nèi)的遮陰區(qū)域，遮陰范圍隨著時間的變化而變化。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將繪制有遮陰范圍的網(wǎng)格紙導入電腦，利用MATLAB獲取各個遮陰邊界的位置坐標，并將各邊界坐標點均擴大50倍，然后將獲取的位置坐標導入CAD中，對各點進行連接，最終獲取蘋果樹樹冠在一天內(nèi)隨著時間變化的遮陰范圍圖。利用CAD的制圖軟件，對遮陰范圍圖進行遮陰面積的求算，以及重復遮陰區(qū)域范圍的確定。

3 結果與分析

3.1 不同樹齡單株蘋果樹樹冠遮陰范圍和遮陰時間的分析

在一天太陽輻射的重要時段中，4、5、6和7年生單株蘋果樹樹冠的遮陰范圍隨時間的變化見圖1。以蘋果樹干作為原點，依據(jù)4、5、6和7年生單株蘋果樹遮陰范圍(圖2)，對于研究區(qū)蘋果樹種植選擇的配置而言，4、5、6和7年生的蘋果樹樹冠遮陰區(qū)域在株間出現(xiàn)遮陰重疊；而在行間果樹樹冠遮陰區(qū)域無遮陰重疊，進行間作種植可行。

圖1 不同樹齡單株蘋果樹樹冠遮陰范圍隨時間變化圖Fig.1 Shade area change of an individual apple tree in different age over time

圖2 不同樹齡蘋果樹樹冠持續(xù)遮陰區(qū)域邊界對比圖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，蘋果樹樹冠遮陰時長≤3 h的遮陰區(qū)域占據(jù)樹冠遮陰區(qū)域的大部分遮陰，主要集中在09:00—15:00時間段。樹冠遮陰區(qū)域的遮陰時長是隨著從樹干到周邊遮陰區(qū)域逐漸變短。隨著果樹年限的不斷增長，遮陰范圍、遮陰區(qū)域的不斷擴大，遮陰時長也在增長。4年生果樹樹冠遮陰區(qū)域未出現(xiàn)超過7 h的遮陰，而在5、6和7年生果樹樹冠遮陰區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)7 h的遮陰，且隨著果樹年限的增長，持續(xù)7 h遮陰區(qū)域不斷擴大。因此，遮陰范圍、遮陰區(qū)域和遮陰時長隨著樹齡的增加而增長，導致果農(nóng)間作系統(tǒng)中，光資源競爭關系隨著樹齡的增長而增強。

3.2 不同樹齡蘋果樹樹冠重復遮陰邊界分析

由圖2可知,果樹重復遮陰區(qū)域邊界值隨著樹齡的增長，呈現(xiàn)擴大的變化趨勢。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。當持續(xù)遮陰7 h的遮陰區(qū)域出現(xiàn)在5年生的果樹樹冠遮陰時，遮陰區(qū)域最初出現(xiàn)在西向，且隨著樹齡的增長，重復遮陰區(qū)域邊界逐漸向東向靠近。這是由于太陽方位角由東向西，使得遮陰最初出現(xiàn)在西向，并由西向逐漸向東向過度，導致開始出現(xiàn)最大時長的遮陰的區(qū)域位于西側。

圖3 不同蘋果樹樹齡重復遮陰面積對比圖Fig.3 Contrast of repeated shade areas in different apple tree ages

蘋果樹重復遮陰區(qū)域內(nèi)，樹下遮陰的重復遮陰邊界北側始終大于南側。因此，對于研究區(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，果樹兩側的間作作物等行距的種植方式是不合理，重復遮光區(qū)域是對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年生蘋果樹的遮光影響范圍距目標果樹分別為以東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中不同年限重復遮陰邊界位置進行設計，從而提高間作作物的產(chǎn)量，減少果樹和作物在長時間遮陰下的相互競爭關系，達到果農(nóng)復合系統(tǒng)效益較優(yōu)。

表2 不同樹齡蘋果樹樹冠重復遮陰區(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)遮陰時長的遮陰區(qū)域面積隨著蘋果樹樹齡的增長而擴大，遮陰面積隨果樹樹齡增長的變化規(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樹齡的增長，蘋果樹的冠幅、高度和枝下高等均增長。圖3中持續(xù)遮陰4～5 h的遮陰面積，隨著蘋果樹樹齡的增長，呈現(xiàn)均勻增長的趨勢；然而，持續(xù)遮陰6～7 h的遮陰面積，隨著蘋果樹樹齡的增長，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，樹齡為6～7年生樹冠遮陰面積相較4～6年生樹冠遮陰面積的變化快速。

4 結論與討論

對于研究區(qū)蘋果樹種植配置而言，4～7年生蘋果樹樹冠在株間存在遮陰重疊，而在行間不重疊；蘋果樹樹冠遮陰區(qū)域，北側始終大于南側。因此，就研究區(qū)果農(nóng)復合系統(tǒng)配置中，在蘋果樹南北兩側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計時，必須考慮蘋果樹樹冠的遮陰區(qū)域；隨著蘋果樹樹冠遮陰區(qū)域向果樹靠近，其遮陰區(qū)域的遮陰時長也隨著增加。長時間遮陰，導致果樹與作物光資源競爭關系的增強[27-31]。因此，果農(nóng)間作系統(tǒng)中，果樹與作物間的光競爭關系也表現(xiàn)為隨著距離果樹越近，光競爭越明顯；隨著蘋果樹樹齡的增長，遮陰面積和遮陰時長增加，導致果農(nóng)間作中，光競爭隨樹齡增長而競爭增強。

研究表明，從樹干向外的不同距離處，遮陰強度不同。距果樹越近，遮陰強度的等值線密集、遮陰強度大，且樹干北側的遮陰強度大于樹干南側。與筆者遮陰區(qū)域的分析一致，表明遮陰強度主要是由于樹冠遮陰范圍的變化而變化[32]。許華森[33]對遮陰范圍的研究表明，不同林齡蘋果樹下空間分布具有相似特征，蘋果樹的遮陰區(qū)域北側大于南側。蘋果樹對農(nóng)作物遮陰影響大，在蘋果的復合經(jīng)營中，間作作物與果樹的距離要大些，且隨著果樹樹齡的增長，間作作物適宜種植區(qū)域變小。而盧國珍等[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，上午、下午的遮陰區(qū)域呈對稱。這與筆者的研究有差異，盧國珍等僅考慮太陽高度角和太陽方位角的因素，而忽略冠層半陰影效應的因素。果樹對行間遮陰最嚴重的時間段是09：00和13:00，隨著樹齡的增大，使重復遮陰區(qū)域、遮陰時長變長[35]。蘋果復合系統(tǒng)模式的光競爭主要發(fā)生在14:00前[36]。有關多株果樹配置造成相互遮陰方面，有待進一步試驗研究。

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