強(qiáng)遮蔭巨桉林下鴨茅的光合特性、生物量及經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

沈迪玉,白 燕,陳小紅,萬雪琴,尹 麗,弓 平,陳 飛

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 雅安 625014)

林草復(fù)合系統(tǒng)泛指由森林和草地結(jié)合形成的多層次人工植被,林業(yè)上稱為林草混交、林草間作等,草原學(xué)把它歸為林草型人工草地[1]。實(shí)踐表明,林草復(fù)合模式既可減少水土流失,改善生態(tài)環(huán)境,又能增加農(nóng)民的收入,促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,是一種能很好兼顧三大效益的優(yōu)良模式[2]。因此近年來,林草復(fù)合種植成了退耕還林還草中和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要經(jīng)營模式,也成了解決中國西部生態(tài)問題的有效途徑。

目前關(guān)于林草復(fù)合模式的研究主要集中在模式配置[2～3]及生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益等方面[4～6],如龔偉等[2]的研究提出林草配置主要有 4種模式:林帶草帶型、稀林草型、林草塊狀混交型、樹籬草型;王海明等[8]的研究表明,杉木 +黑麥草、三倍體毛白楊 +黑麥草及雜交竹 +牛鞭草這 3種林草模式中林、草、土壤養(yǎng)分間存在一定的顯著相關(guān)關(guān)系。林草模式在保持水土、改良土壤和提高土壤肥力等方面的作用也有報(bào)道[7～10]。

巨桉生長迅速,經(jīng)濟(jì)價(jià)值高,是近年來引種較廣泛的樹種之一。關(guān)于其林下牧草光合特性、生物量的研究已經(jīng)較多,但主要集中在一種牧草在不同栽植密度的林分下或同一林分下幾種牧草的光合特性及生長的比較[11～17],而關(guān)于在林分的強(qiáng)遮蔭條件下是否適宜繼續(xù)種植牧草,繼續(xù)種植其經(jīng)濟(jì)效益如何以及牧草生長年齡對其光合特性及生物量的影響則少有報(bào)道。劉闖等[1]研究表明,鴨茅光合效率高,在巨桉林內(nèi)生物量最高的適宜遮蔭水平為 25%左右。而在生產(chǎn)實(shí)踐中,由于耕地缺乏,有的養(yǎng)殖戶在郁閉度很高的林內(nèi)繼續(xù)種植黑麥草、鴨茅等牧草,在獲得了較好經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí),林分也發(fā)揮了良好的生態(tài)效益。本試驗(yàn)旨在研究鴨茅在高遮蔭水平林分內(nèi)的光合能力、生長狀況及生物量,并進(jìn)行投入產(chǎn)出分析,為科學(xué)經(jīng)營林草復(fù)合種植模式,提高林地綜合生產(chǎn)力提供參考。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)張家坪教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地。地處橫斷山東部邊緣,四川盆地與川西高山高原過渡地帶,華西雨屏區(qū)的中心區(qū)。地理位置界為東經(jīng) 102°59′09″～ 102°59′16″和北緯 29°58′39″～ 29°58′44″,海拔 620 m,氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候,全年陰雨日較多,年均降雨量為1 774.3 mm,年均溫 16.1℃,年均空氣濕度 79%。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

巨桉(Eucalyptus grandis):分布于澳大利亞東海岸,具有適應(yīng)性廣,萌芽力強(qiáng),抗逆性好,生長快等特性,是四川省近年來引種最廣泛的樹種,也是退耕還林和其它立地條件較好的植被恢復(fù)區(qū)的首選造林樹種之一[17]。

鴨茅(Dactylis glomerata L.)為多年生草本植物。其須根系,無主根,根深可達(dá) 1m以上,在表層土壤 10 cm～30 cm內(nèi)根系非常密集。莖直立,基部扁平,株高 70 cm～130 cm?；糠痔Y,基葉眾多,葉片長而軟,葉片及邊緣粗糙,葉色藍(lán)綠以至濃綠色。鴨茅適應(yīng)性廣、再生力強(qiáng)、葉量大、草質(zhì)好、營養(yǎng)價(jià)值高,是一種耐蔭低光效植物,適宜于濕潤而溫涼的氣候,對土壤的適應(yīng)性強(qiáng),1 a中可刈割 2次 ～3次。第 2年、第 3年產(chǎn)草量為最高,一般條件下每hm2可產(chǎn)鮮草45 000 kg,肥沃土壤上每 hm2可達(dá)75 000 kg[18,19]。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地內(nèi)的巨桉試驗(yàn)林為 2004年春定植,設(shè)置五種栽植密度(行距為 3 m,4m,5 m,6m,8m),同時(shí)于 2004年 9月與 2006年 9月在不同密度巨桉林下播種鴨茅(其中 2006年 9月沒有在 8m行距中播種鴨茅),鴨茅播種量為 15 kg?hm-2。 2008年 5月利用植物冠層儀(LAI-2000,USA)測定其遮蔭水平,分 別 為 92.8%,90.7%,88.0%,81.5%,71.5%。試驗(yàn)時(shí)間為 2007年 10月下旬至 2008年 5月上旬,期間施肥兩次。于 2008年 4月 6日測定其生長指標(biāo)及光合日變化,4月 9日刈割測定產(chǎn)量及地上部分生物量。

2.2.1 光合速率和光照強(qiáng)度的測定

利用便攜式光合儀(LI-6400,USA)測定鴨茅光合速率和光照強(qiáng)度。上午 8:00到下午 18:00,每隔兩小時(shí)測定一次,每次在小樣方內(nèi)選取鴨茅的功能葉(頂端向下的第 5片完全展開葉片),重復(fù)測定3次,每次重復(fù)選取 3株不同植株的葉片。

2.2.2 鴨茅生長指標(biāo)的測定

在樣方內(nèi)隨機(jī)選擇 10株鴨茅,對其生長指標(biāo)(草高、葉長、葉厚、葉寬 、莖寬 、莖厚)進(jìn)行測定。

2.2.3 鴨茅生物量的測定

在每一遮蔭水平下,設(shè)置 3個(gè)面積為 0.7 m×0.7m的小樣方,5個(gè)遮陰水平共設(shè) 15個(gè)小樣方。將樣方內(nèi)牧草地上部分刈割,立即稱其鮮重,同時(shí)取樣,計(jì)算單位面積產(chǎn)量,在室內(nèi)于 85℃溫度下烘干至恒重,測定其干重,計(jì)算地上部分生物量。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

測定的數(shù)據(jù)利用 Microsoft excel、SPSS 13.0處理,同時(shí)分析在不同遮陰水平種植鴨茅的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)果與分析

3.1 遮蔭對鴨茅光合的影響

光照是影響植物光合作用最主要的因素。巨桉林內(nèi)由于自然郁閉形成的遮蔭度不同,使透入林內(nèi)的光照也不同。由圖 1可以看出,不同年齡鴨茅光合速率日變化與林內(nèi)光照強(qiáng)度日變化趨勢基本一致,均為單峰曲線,不同遮蔭水平下,2 a生與 4 a生鴨茅光照強(qiáng)度達(dá)到峰值的時(shí)間與光合速率達(dá)到峰值時(shí)間一致。

圖 1 不同遮蔭水平下鴨茅光照強(qiáng)度日變化及光合日變化Fig.1 Diurnal variation of light intensity and photosynthesis of Dactylis glomerata L.under differentshading rates

2 a生鴨茅光合速率的最大峰值出現(xiàn)在遮蔭81.5%,隨著遮蔭水平的增加,光合速率呈降低趨勢,遮蔭 92.8%的光合速率峰值低于其它水平。遮蔭 92.8%和 90.7%的最大光合速率出現(xiàn)在 10:00,而 81.5%和 88.0%的出現(xiàn)在 12:00,此時(shí)各遮蔭水平的光合速率差異較大,其他時(shí)刻,各遮蔭光合速率差異不大。

4 a生光合速率的最大峰值出現(xiàn)在遮蔭71.5%,明顯高于其它水平。隨著遮蔭水平的增加,光合速率變化趨勢不明顯,原因主要是 4 a生鴨茅均種植在林緣位置(71.5%除外),受遮蔭的影響沒有 2 a生鴨茅大,使光合速率受遮蔭水平影響的規(guī)律未明顯表現(xiàn)出來。遮蔭 88.0%的光合速率峰值低于其它水平,從圖 1c中可知,該水平光照強(qiáng)度的峰值也低于其它水平,可能是測定光合時(shí)選定的測定點(diǎn)的實(shí)際遮蔭水平還要高于其它水平,所以造成光合速率的最小峰值出現(xiàn)在遮蔭 88.0%。

3.2 遮蔭對鴨茅生長的影響

測定不同遮蔭水平下不同年齡鴨茅的生長指標(biāo)見表 1。從生長指標(biāo)的分析可知:同一年齡鴨茅在不同遮蔭水平下,隨著遮蔭水平增加株高降低,葉長變短,葉寬變窄,莖寬增寬,而莖厚變薄,莖偏向于扁平生長,葉厚變化趨勢不明顯,2 a生在遮蔭水平81.5%生長最好,4 a生在遮蔭水平 71.5%生長最好;不同年齡鴨茅在同一遮蔭水平下,2 a生株高和葉長明顯優(yōu)于 4 a生,特別是葉長,增幅達(dá)到31.6%,4 a生的葉寬要比 2 a生寬,其他生長指標(biāo)的差異較小。總之,隨著遮蔭水平增加,鴨茅長勢變差,而隨著年齡增加,鴨茅長勢也會變差。

表 1 不同遮蔭水平下各年齡鴨茅生長情況Table1 Growth condition of Dactylis glomerata L.of different ages under different shading rates

經(jīng)相關(guān)分析,遮蔭水平與鴨茅株高和葉長存在以下相關(guān)關(guān)系:遮蔭水平與株高為負(fù)相關(guān),與 4 a生株高的相關(guān)系數(shù) r=-0.941(p＜0.05),與 2 a生株高的相關(guān)系數(shù) r=-0.951(p＜0.05);遮蔭水平與葉長也呈負(fù)相關(guān),與 4 a生葉長的相關(guān)系數(shù) r=-0.959(p＜0.01),與 2 a生葉長的相關(guān)系數(shù) r=-0.964(p＜0.05)。

3.3 遮蔭對鴨茅地上部分生物量的影響

遮蔭通過改變林內(nèi)光照強(qiáng)度,影響鴨茅的光合作用,使生物量的積累呈現(xiàn)規(guī)律性的差異(圖 2)。

試驗(yàn)中未測定遮蔭水平 92.8%時(shí) 4 a生鴨茅生物量,因?yàn)槠涫苋藶檑`踏嚴(yán)重,已不能滿足生物量測定。由圖 2可知,4 a生鴨茅生物量最大值出現(xiàn)在遮蔭水平 71.5%,為 0.4347 kg?m-2,最小值出現(xiàn)在遮蔭水平 90.7%,為 0.2092 kg? m-2,而 81.5%和88.0%的生物量差異較小;2 a生生物量最大值出現(xiàn)在遮蔭水平 81.5%(遮蔭水平 71.5%未種 2 a生鴨茅),為 0.3952 kg?m-2,最小值出現(xiàn)在遮蔭水平90.7%,為 0.2393 kg? m-2,81.5% ～90.7%生物量整體變化趨勢明顯,呈減少趨勢。由以上分析可知:同一年齡鴨茅在不同遮蔭水平下,生物量積累隨著遮蔭水平的增加而減少,2 a生在遮蔭水平 81.5%最大,4 a生在遮蔭水平 71.5%最大。

而比較在同一遮蔭水平下不同年齡鴨茅生物量積累,可得出以下結(jié)論:81.5%、88.0%和 90.7%這

圖 2 不同遮蔭水平與鴨茅生物量的關(guān)系Fig.2 The relationship between biomass and shading rates

3個(gè)遮蔭水平下 2 a生生物量積累明顯高于 4 a生,增幅分別為:40.5%、13.8%和 14.4%,平均高出22.9%。由此可知:在同一遮蔭水平下,鴨茅生物量積累隨著年齡增加而減少。

經(jīng)相關(guān)分析,遮蔭水平與鴨茅生物量存在負(fù)相關(guān),與 4 a生生物量的相關(guān)系數(shù) r=-0.948(p＞0.05),與 2 a生生物量的相關(guān)系數(shù) r=-0.964(p＜0.05)。株高既是衡量生長發(fā)育狀況的重要標(biāo)準(zhǔn),又是反映生產(chǎn)能力的生產(chǎn)指標(biāo),經(jīng)相關(guān)分析,生物量與株高呈正相關(guān),與 4 a生株高相關(guān)系數(shù) r=0.975(p＜0.05),與 2 a生株高相關(guān)系數(shù) r=0.994(p＜0.01)?？梢?生物量與株高均呈顯著相關(guān)。

3.4 遮蔭對鴨茅經(jīng)濟(jì)收益的影響

不同遮蔭水平下鴨茅產(chǎn)草量的差異直接影響林農(nóng)復(fù)合經(jīng)營初期的經(jīng)濟(jì)收益,本試驗(yàn)以 1 a為生產(chǎn)周期計(jì)算種植鴨茅的生產(chǎn)投入和直接收益(見表2)。

表 2 不同遮蔭水平下種植鴨茅的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算表Table 2 Tab le of economic benefits of p lanted Dactylis glomerata L.under different shading rates

通過表 2的分析可知:隨著遮蔭水平的增加,不同年齡鴨茅的年凈收入均呈明顯減少趨勢,在遮蔭水平小于 90.7%時(shí)均為正值(年收入 ＞年投入),高于 90.7%時(shí),均為負(fù)值(年收入 ＜年投入),說明在較高遮蔭水平下種植鴨茅已經(jīng)不能獲得經(jīng)濟(jì)收益;而在同一遮蔭水平下,2 a生鴨茅的年凈收入明顯高于 4 a生,表明隨著年齡增加,鴨茅的鮮草產(chǎn)量降低,其經(jīng)濟(jì)收益明顯減少。

經(jīng)擬合,種植鴨茅的經(jīng)濟(jì)收入(Y)與遮蔭(x)存在以下關(guān)系:

假設(shè)每年總投入不變,均為 0.79萬元?hm-2,由(1)、(2)可知,2 a生鴨茅在遮蔭 90.7%時(shí),4 a生85.0%時(shí),其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出等于投入,為經(jīng)濟(jì)效益臨界點(diǎn),在低于此遮蔭水平巨桉林分內(nèi)種植鴨茅將獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 討論

1)植物凈光合速率的大小反映了植物固定太陽能并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的能力,對植物的光合日進(jìn)程進(jìn)行測定,可以深入分析植物光合速率的日變化,從而解釋植物的產(chǎn)量構(gòu)成因素[20]。在圖 1中,光照日變化曲線及光合日變化曲線在不同遮蔭水平間(71.5%除外),差異不明顯,一方面是因?yàn)樵撊斯ち纸?jīng)過幾年的自然生長,林分已郁閉,不同行距間遮蔭水平差異不大,除 71.5%與 81.5%相差 10.0%,81.5%與 88.0%相差 6.5%,其余遮蔭水平均相差在 2%左右;另外,測定的遮蔭水平只能代表林分的平均水平,不能完全代表林分內(nèi)具體位置的特征(如該點(diǎn)實(shí)際遮蔭水平、附近喬木生長狀況等),所以可能造成測定的光合特性的變化與遮蔭水平關(guān)系不明顯。

本試驗(yàn)所設(shè)的遮蔭水平均為人工林郁閉后的自然遮蔭水平,其均很高,而試驗(yàn)中未設(shè)計(jì)低遮蔭水平的處理及全光對照,所以無法得出鴨茅的最適遮蔭水平。劉闖等[1]的研究表明,鴨茅的最適遮蔭水平為 50%左右,本試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的遮蔭水平均已超過鴨茅的最適遮蔭水平,雖然鴨茅為耐蔭低光效植物,但過度的遮蔭會使鴨茅的光合速率降低,此時(shí)可通過撫育間伐調(diào)整林分郁閉度,改善林分光照條件來促進(jìn)鴨茅光合,從而提高鴨茅產(chǎn)草量。

2)生物量的高低反映植物光合產(chǎn)物積累的大小,遮蔭通過改變林內(nèi)光照強(qiáng)度、降水等,影響鴨茅的生長,從而影響其生物量的積累。試驗(yàn)表明,較高遮蔭水平會抑制鴨茅生長,使其生物量積累減少。試驗(yàn)中測得的各遮蔭水平下生物量均較高,且同一遮蔭水平下各小樣方內(nèi)差異不大,一方面是因?yàn)樵谠囼?yàn)期間,雨水較往年充足,不易形成巨桉與鴨茅對水分的競爭,有利于鴨茅的生長;另外,從生物學(xué)特性考慮,巨桉為喬木,是深根性的,而鴨茅為淺根性,兩者對肥料的競爭相對較弱,而試驗(yàn)期間共施肥兩次,第一次是在刈割后,有利于鴨茅恢復(fù)生長,另外于 2008年 3月下旬,鴨茅進(jìn)入速生期施追肥一次,滿足了鴨茅生長對肥料的需要。因此在遮蔭水平較高的林內(nèi),只要保證其水肥條件良好,仍能獲得較高產(chǎn)量。

3)在林草復(fù)合模式中,林下牧草可用于發(fā)展畜牧業(yè),增加經(jīng)濟(jì)收入,促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。試驗(yàn)中計(jì)算種植鴨茅的年凈收入,是在該試驗(yàn)條件下的年凈收入,而生產(chǎn)實(shí)踐中所采取的經(jīng)營措施(如施肥)和生產(chǎn)投入并不能保證與本試驗(yàn)一樣,因此在生產(chǎn)中,實(shí)際的年凈收入與本試驗(yàn)會有一定出入。

本研究表明,2 a生鴨茅在遮蔭 90.7%時(shí),4 a生 85.0%時(shí),經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出與投入相等。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,超過此遮陰水平不適宜繼續(xù)種植鴨茅。但從生態(tài)效益角度考慮,林下種植牧草有利于減少降雨對地表的直接沖刷,防止水土流失,提高地表植被覆蓋度,改善生態(tài)環(huán)境[21]。因此,在水土流失較嚴(yán)重的地區(qū),為使林分繼續(xù)發(fā)揮良好的生態(tài)效益,可繼續(xù)種植鴨茅并給予適當(dāng)?shù)慕?jīng)營管理。

綜上所述,在強(qiáng)遮蔭水平巨的桉林內(nèi),鴨茅生長受到抑制,產(chǎn)草量不能達(dá)到最大,且鴨茅連續(xù)生長 3 a至 4 a后,長勢逐漸衰退,不適宜繼續(xù)種植。若需要林分繼續(xù)發(fā)揮較好的水土保持效益,可繼續(xù)種植。

[1] 劉闖,胡庭興,李強(qiáng),等.巨桉林草間作模式中牧草光合生理生態(tài)適應(yīng)性研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2008,17(1):58～65.

[2] 龔偉,胡庭興,宮淵波,等.退耕還林中林草模式效益評價(jià)與物種的選擇與配置[J].四川林勘設(shè)計(jì),2004,3:1～7.

[3] 王海明,李賢偉,李守劍,等.林草復(fù)合經(jīng)營模式研究[J].四川林勘設(shè)計(jì),2003,1:5～9.

[4] 豆志杰,高平亮.關(guān)于退耕還林還草經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制的思考[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版),2005,7(24):45～47.

[5] 彭珂珊.退耕還林還草工程實(shí)施后的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)良性循環(huán)分析[J].淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,3(1):71～76.

[6] 何躍軍,劉濟(jì)明.花江低熱河谷區(qū)不同退耕還林模式植被恢復(fù)效益研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(4):1439～1440,1459.

[7] 武衛(wèi)國,胡庭興,周朝彬,等.不同密度巨桉林草復(fù)合模式初期土壤特征研究[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(1):76～81.

[8] 王海明,陳治諫,李賢偉,等.不同林草復(fù)合經(jīng)營模式礦質(zhì)營養(yǎng)元素相互關(guān)系的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(4):76～79.

[9] 王海明,陳治諫,李賢偉,等.不同退耕還林林草模式土壤與林草間氮素變化規(guī)律研究[J].水土保持研究,2006,13(2):124～127.

[10] 王海明,陳治諫,李賢偉,等.不同退耕還林林草復(fù)合經(jīng)營模式生物量和營養(yǎng)元素循環(huán)研究[J].水土保持研究,2005,12(2):125～128.

[11] 張學(xué)權(quán),胡庭興,葉充,等.模擬林(竹)—草種植模式遮蔭對扁穗牛鞭草的光合速率、生長的影響及其經(jīng)濟(jì)效益分析[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2006,15(2):54～59.

[12] 張學(xué)權(quán),胡庭興,張健.不同遮蔭度對三種牧草凈光合速率和生物量影響的比較分析[J].四川林業(yè)科技,2006,27(3):24～27.

[13] 王娟,林磊,向楊,等.不同遮陰度對幾種牧草生長的影響[J].四川林業(yè)科技,2006,27(2):72～76.

[14] Peri P L,McNeil D L,Moot D J,et al.Net photosynthetic rate of cocksfoot leaves under continuous and fluctuating shade conditions in the field[J].Grass and Forage Science,2002,57(2):157～170.

[15] PeriP L,MootD J,McNeil D L,etal.Modeling photosynthetic efficiency(alpha)for the light-response curve of cocksfoot leaves grown under temperate field conditions[J].European Journal of Agronomy,2005,22(3):277～292.

[16] Peri P L,Moot D J,McNeil D L,et al.Modelling net photosynthetic rate of field-grown cocksfoot leaves under different nitrogen,water and temperature regimes[J].Grass and Forage Science,2002,57(1):61～71.

[17] 李艷,羅承德,胡庭興,等.不同密度巨桉對林下幾種牧草生長和產(chǎn)量的影響試驗(yàn)[J].四川林業(yè)科技,2006,28(2):38～41.

[18] 劉大林.優(yōu)質(zhì)牧草高效生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2004:39～41.

[19] 陳明.優(yōu)質(zhì)牧草高產(chǎn)栽培與利用[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2001:124～125.

[20] 杜修學(xué).農(nóng)桐間作光合和作物產(chǎn)量關(guān)系的研究[J].山東林業(yè)科技,1991,(1):39～40.

[21] 涂利華,謝財(cái)永,胡庭興,等.華西雨屏區(qū)幾種牧草的水土保持能力研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(5):35～39.