棉田間作系統(tǒng)的農(nóng)田小氣候特征及光合特性

崔愛(ài)花，劉 帥，黃國(guó)勤

（1.江西省棉花研究所，江西 九江 332105；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心，南昌 330045）

間作是指一茬有兩種或兩種以上生育季節(jié)相近的作物，在同一地塊成行或成帶間作種植的方式。研究表明，間作具有提供糧食相對(duì)穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)［1］，提高耕地復(fù)種指數(shù)［2］、資源高效利用［3，4］、投資風(fēng)險(xiǎn)小產(chǎn)值穩(wěn)定［5］、防止水土流失［6］、有效防止病蟲(chóng)害和抑制雜草［7］等優(yōu)點(diǎn)。棉花是中國(guó)最主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位［8，9］。江西省地處長(zhǎng)江中下游南岸，具備了適宜棉花生長(zhǎng)發(fā)育的充足光照、充沛雨量、較長(zhǎng)的無(wú)霜期等氣候條件，是全國(guó)優(yōu)質(zhì)棉優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)和商品棉生產(chǎn)基地之一，2015年棉花的播種面積、單產(chǎn)和總產(chǎn)分別達(dá)到8.11萬(wàn)hm2、1 421 kg/hm2和115 221 t［10］。近年來(lái)，由于受生產(chǎn)資料價(jià)格和人工成本的不斷攀高、自然災(zāi)害等因素的影響，植棉比較效益降低，棉農(nóng)植棉收益缺乏保障，棉花生產(chǎn)穩(wěn)定性較差，棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢；另外，國(guó)家對(duì)糧食作物的重視、蔬菜面積的擴(kuò)大等，棉花與糧食及其他作物的爭(zhēng)地矛盾已成為制約棉花生產(chǎn)發(fā)展的重要因素之一。因此，大力發(fā)展以棉花為主體的間作對(duì)解決中國(guó)棉糧爭(zhēng)地矛盾、促進(jìn)綠色高效農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

農(nóng)學(xué)界和地學(xué)界一直把作物生長(zhǎng)發(fā)育與氣候變化的關(guān)系作為重點(diǎn)研究的問(wèn)題之一。除受非自然因素影響外，氣象因子對(duì)棉花產(chǎn)量的影響較大，究其原因是氣候因素的變化改變了棉田內(nèi)部小環(huán)境［11，12］。李成堯等［13］、婁善偉等［14，15］、李樹(shù)叢［16］、李富先等［17］分別對(duì)棉花不同種植行向、不同種植密度、不同株行距配置和新疆棉花膜下滴灌條件下的田間小氣候效應(yīng)進(jìn)行了研究。近年來(lái)，前人對(duì)農(nóng)作物間作系統(tǒng)的小氣候研究主要集中在玉米間作系統(tǒng)［18，19］、果棉間作系統(tǒng)［20，21］等，而棉花與糧食、蔬菜間作的田間小氣候研究較少［22］。光合作用是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要的生理過(guò)程之一，同時(shí)又是一個(gè)對(duì)環(huán)境條件變化很敏感的生理過(guò)程，被認(rèn)為是植物生理的主攻方向之一［23，24］。本研究利用棉花及其他3種作物在不同種植模式下，從系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境因子和作物生理指標(biāo)等多角度分析不同處理之間的差異，探討棉田間作對(duì)棉花及其他作物小環(huán)境的影響，以期為優(yōu)化棉田高產(chǎn)高效種植模式、提高棉田生產(chǎn)水平、促進(jìn)棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2017年在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園進(jìn)行。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，光熱資源充足，年平均日照時(shí)數(shù)為1 559.9 h，年平均日照總輻射102.55 kJ/cm2，無(wú)霜期約269 d，年均降雨量1 658.9 mm，年均溫度16.5℃，≥10℃的活動(dòng)積溫為5 521℃。試驗(yàn)地為低崗地，無(wú)灌溉條件。試驗(yàn)初始土壤容重為1.304 g/cm3，總孔隙度為52.98%，毛管孔隙度為41.55%，有機(jī)質(zhì)為29.78 g/kg，全氮為1.34 g/kg，堿解氮為90.00 mg/kg，全磷為1.18 g/kg，有效磷為76.35 mg/kg，全鉀為55.38 g/kg，速效鉀為107.5 mg/kg，pH為4.75。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)設(shè)棉花間作大豆、棉花間作玉米和棉花間作甘薯3種間作模式及棉花單作、大豆單作、玉米單作和甘薯單作4種單作模式。每處理重復(fù)3次，共21個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)長(zhǎng)為6.0 m，寬5.5 m，面積為33.0 m2。

供試品種：棉花為贛棉雜1號(hào)，由江西省棉花研究所選育和提供；玉米為甜糯玉米、甘薯為南昌農(nóng)家種、大豆為東北毛豆，均購(gòu)自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

間作模式：于4月17日翻耕開(kāi)溝播種棉花，行距和株距分別為100 cm和40 cm，施鈣鎂磷肥375 kg/hm2（基肥）、氯化鉀225 kg/hm2（基肥∶苗肥∶花鈴肥=3∶3∶4）、尿素450 kg/hm2（基肥∶苗肥∶花鈴肥=2∶3∶5）；于4月16日在棉花行中間開(kāi)溝播種大豆，行距和株距分別為100 cm和25 cm，施鈣鎂磷肥325 kg/hm2（基肥）、氯化鉀200 kg/hm2（基肥∶苗肥∶孕穗肥=3∶3∶4）、尿素450 kg/hm2（基肥∶苗肥∶孕穗肥=2∶3∶5）；于4月16日在棉花行間開(kāi)溝播種玉米，種植規(guī)格同大豆，施鈣鎂磷肥325 kg/hm2（基肥）、氯化鉀200 kg/hm2（基肥∶苗肥∶孕穗肥=3∶3∶4）、尿素320 kg/hm2（基肥∶苗肥∶孕穗肥=2∶3∶5）；于4月25日在棉花行間開(kāi)溝栽種甘薯苗，種植規(guī)格同大豆和玉米，施鈣鎂磷肥225 kg/hm2（基肥）、氯化鉀150 kg/hm2（基肥）、尿素240 kg/hm2（基肥∶追肥=1∶2）。

單作模式：棉花、大豆、玉米和甘薯單作的播期、種植規(guī)格及施肥方式同間作模式，其他田間管理同常規(guī)大田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

溫度、濕度測(cè)定：于6月、7月和9月，采用小型溫濕度儀ZDR-20分別觀測(cè)并記錄棉花間作大豆、棉花間作玉米、棉花間作甘薯3種間作模式以及對(duì)應(yīng)的單作模式內(nèi)空氣溫度、空氣相對(duì)濕度等指標(biāo)，每天8：00—18：00作為1個(gè)測(cè)量周期，每間隔1 h測(cè)定1次，數(shù)據(jù)選用3個(gè)月中天氣較好的連續(xù)3 d測(cè)量的數(shù)據(jù)。

光合測(cè)定：于6月、7月和9月，每月選擇晴朗天氣，采用Li-6400便攜式光合儀分別測(cè)定間作模式中大豆、玉米和甘薯及對(duì)應(yīng)單作的功能葉的光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度，每個(gè)處理選擇生長(zhǎng)一致的3株作物進(jìn)行測(cè)定，每天8：00—18：00作為1個(gè)測(cè)量周期，每間隔1 h測(cè)定1次。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行原始數(shù)據(jù)整理，并采用SPSS17.0系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用OriginPro 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉田間作對(duì)小氣候的影響

2.1.1 棉田間作對(duì)空氣溫度的影響 不同種植模式空氣溫度日變化和日均值分別由圖1和表1表示。由圖1可知，各種植模式內(nèi)空氣溫度日變化趨勢(shì)總體上均呈先升高后降低的趨勢(shì)。棉花間作大豆、棉花間作玉米、棉花間作甘薯模式及棉花單作、大豆單作、甘薯單作模式的日最高溫度均出現(xiàn)在12：00，玉米單作模式的日最高溫度出現(xiàn)在14：00。由表1可知，棉花與大豆各種植模式中，大豆單作模式的空氣溫度日均值最高，為34.3℃，顯著高于棉花間作大豆模式（P＜0.05），但與棉花單作差異不顯著；棉花與玉米各種植模式中，棉花單作模式的空氣溫度日均值分別極顯著高于玉米單作和棉花間作玉米模式（P＜0.01），而后兩者之間差異不顯著；棉花與甘薯各種植模式中，甘薯單作模式的空氣溫度日均值最高，但與棉花間作甘薯及棉花單作模式差異不顯著。

表1 不同種植模式空氣溫度日均值

圖1 不同種植模式空氣溫度的日變化

2.1.2 棉田間作對(duì)空氣相對(duì)濕度的影響 不同種植模式空氣相對(duì)濕度日變化和日均值分別如圖2和表2表示。由圖2可知，各模式內(nèi)空氣相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為U形曲線，早晚高、中間低。棉花單作模式及甘薯單作模式的空氣相對(duì)濕度均在13：00達(dá)到最低點(diǎn)，棉花間作大豆、棉花間作玉米和棉花間作甘薯模式及大豆單作模式的空氣相對(duì)濕度均在12：00達(dá)到最低點(diǎn)；玉米單作模式的空氣相對(duì)濕度在11：00最低。

圖2 不同種植模式空氣相對(duì)濕度的日變化

由表2可知，棉花與大豆各種植模式中，棉花單作和大豆單作模式的空氣相對(duì)濕度日均值均較低，分別為62.7%和63.6%，且兩者之間差異不顯著，但分別比棉花間作大豆模式（68.7%）低6.0和5.1個(gè)百分點(diǎn)，差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。形成這種現(xiàn)象的原因可能有以下兩個(gè)方面：棉花的遮陰效果減緩了蒸發(fā)作用，降低了間作內(nèi)部溫度，導(dǎo)致空氣濕度較高；間作模式充分利用了棉花下空間，導(dǎo)致模式內(nèi)風(fēng)速降低，氣流減緩使得下層大豆的蒸騰作用下降，水氣在間作內(nèi)部積聚，從而提高了空氣相對(duì)濕度；棉花與玉米各種植模式中，棉花單作模式空氣相對(duì)濕度日均值最低，為62.7%，小于玉米單作模式和棉花間作玉米模式，差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）；棉花與甘薯各種植模式中，甘薯單作模式空氣相對(duì)濕度日均值最低，為55.0%，比棉花單作模式和棉花間作甘薯模式低7.7和9.5個(gè)百分點(diǎn)，差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），而棉花間作甘薯模式與棉花單作模式間空氣相對(duì)濕度日均值差異不顯著。

表2 不同種植模式空氣相對(duì)濕度日均值

2.2 棉田間作對(duì)間作農(nóng)作物光合特征的影響

2.2.1 棉田間作對(duì)凈光合速率的影響 棉田間作對(duì)各農(nóng)作物葉片凈光合速率的影響見(jiàn)圖3。由圖3a可知，6月棉花間作大豆模式下大豆葉片的凈光合速率日變化趨勢(shì)與大豆單作模式基本一致，均呈雙峰曲線。大豆單作模式葉片的凈光合速率峰值分別出現(xiàn)在11：00和14：00，分別為18.0、15.7μmol/（cm2·s），棉花間作大豆模式下大豆葉片的凈光合速率峰值分別出現(xiàn)在12：00和15：00，分別為16.8、16.4μmol/（cm2·s）。由圖3b可知，7月玉米單作模式和棉花間作玉米模式內(nèi)玉米葉片的凈光合速率日變化均呈單峰曲線，且峰值均出現(xiàn)在12：00，峰值分別為26.0、35.0μmol/（cm2·s），間作模式在12：00之前葉片的凈光合速率均高于玉米單作模式，中午之后則相反。由圖3c可知，9月甘薯單作模式葉片的凈光合速率日變化呈雙峰曲線變化，兩峰值分別出現(xiàn)在11：00和14：00，分別為17.2、15.0μmol/（cm2·s），棉花間作甘薯模式內(nèi)甘薯葉片的凈光合速率日變化曲線與單作模式相比較為平緩，峰值分別出現(xiàn)在12：00和14：00，分別為13.1、12.9μmol/（cm2·s）。

圖3 不同種植模式農(nóng)作物葉片凈光合速率的日變化

多重比較分析表明（表3），大豆單作模式葉片的凈光合速率日均值高于棉花間作大豆模式，但兩處理之間差異不顯著；玉米單作模式葉片的凈光合速率日均值低于棉花間作玉米模式，但兩處理間差異不顯著；甘薯單作模式葉片的凈光合速率日均值高于棉花間作甘薯模式，兩處理間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

表3 不同種植模式下農(nóng)作物葉片凈光合速率日均值

2.2.2 棉田間作對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響 由圖4a可知，大豆單作模式、棉花間作大豆模式下大豆的葉片氣孔導(dǎo)度日變化趨勢(shì)均呈雙峰曲線，出現(xiàn)雙峰曲線的原因主要是早上溫度較低，氣孔處于微開(kāi)狀態(tài)，隨著氣溫的升高氣孔逐漸張大，出現(xiàn)第一個(gè)峰值，中午時(shí)段由于太陽(yáng)光的強(qiáng)烈照射，大豆的氣孔自動(dòng)關(guān)閉，減少水分蒸騰，氣孔導(dǎo)度降低，隨后逐漸回升，晚上氣溫下降，氣孔導(dǎo)度又下降至最低。其中，大豆單作模式葉片的氣孔導(dǎo)度的峰值出現(xiàn)在12：00和16：00，分別為0.376、0.350 mol/（m2·s），棉花間作大豆模式內(nèi)大豆葉片的氣孔導(dǎo)度峰值分別出現(xiàn)在13：00和16：00，分別為0.321、0.319 mol/（m2·s）。由圖4b可知，玉米單作模式、棉花間作玉米模式內(nèi)玉米葉片氣孔導(dǎo)度日變化趨勢(shì)均呈單峰曲線，且均在12：00達(dá)到峰值，分別為0.480、0.550 mol/（m2·s）。由圖4c可知，甘薯單作模式和棉花間作甘薯模式中甘薯葉片的氣孔導(dǎo)度日變化均為單峰曲線，甘薯單作模式的峰值出現(xiàn)在10：00，為0.580 mol/（m2·s），棉花間作甘薯模式的峰值出現(xiàn)在11：00，為0.390 mol/（m2·s）。

圖4 不同種植模式農(nóng)作物葉片氣孔導(dǎo)度的日變化

多重分析表明（表4），大豆單作模式葉片的氣孔導(dǎo)度日均值高于棉花間作大豆模式，但兩處理間差異不顯著；玉米單作模式葉片的氣孔導(dǎo)度日均值低于棉花間作玉米模式，差異顯著（P＜0.05）；甘薯單作模式葉片的氣孔導(dǎo)度日均值高于棉花間作甘薯模式，兩處理間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

表4 不同種植模式下農(nóng)作物葉片氣孔導(dǎo)度日均值

2.2.3 棉田間作對(duì)蒸騰速率的影響 各模式作物葉片蒸騰速率的變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5a可知，大豆單作模式葉片的蒸騰速率日變化趨勢(shì)呈雙峰曲線，而棉花間作大豆模式呈波動(dòng)曲線。大豆單作模式的峰值分別出現(xiàn)在11：00和16：00，峰值分別為4.52、3.90μmol/（m2·s），棉花間作大豆模式的峰值分別出現(xiàn)在11：00和15：00，分別為4.18、3.70μmol/（m2·s）。由圖5b可知，玉米單作模式和棉花間作玉米模式下的玉米葉片蒸騰速率日變化趨勢(shì)均呈雙峰曲線，玉米單作模式的峰值分別出現(xiàn)在11：00和15：00，分別為4.20、3.52μmol/（m2·s），棉花間作模式的峰值分別出現(xiàn)在11：00和14：00，分別為4.90、3.94μmol/（m2·s）。由圖5c可知，甘薯單作模式和棉花間作甘薯模式下甘薯葉片的蒸騰速率日變化趨勢(shì)均呈雙峰曲線，甘薯單作模式的峰值分別出現(xiàn)在10：00和16：00，分別為4.17、2.70μmol/（m2·s），棉花間作甘薯的峰值分別出現(xiàn)在11：00和15：00，峰值分別為3.41、2.52μmol/（m2·s）。

多重分析表明（表5），棉花間作模式下大豆葉片的蒸騰速率日均值低于大豆單作模式，但兩處理間差異不顯著；玉米單作模式的蒸騰速率低于棉花間作玉米模式，差異不顯著；甘薯單作模式葉片的蒸騰速率日均值高于棉花間作甘薯模式，兩處理間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

表5 不同種植模式下農(nóng)作物葉片蒸騰速率日均值

2.2.4 棉田間作對(duì)胞間CO2濃度的影響 由圖6a可知，大豆單作模式和棉花間作大豆模式下大豆的胞間CO2濃度日變化均與氣孔導(dǎo)度變化所呈現(xiàn)的M形雙峰曲線相反。大豆單作模式葉片的胞間CO2濃度最低值分別出現(xiàn)在12：00和15：00，分別為222.0、242.3μmol/（m2·s），棉花間作大豆模式下大豆葉片胞間CO2濃度的最低值也同樣出現(xiàn)在12：00和15：00，分別為250.0、246.5μmol/（m2·s）。

由圖6b可知，玉米單作模式和棉花間作玉米間作模式下玉米葉片胞間CO2濃度日變化呈逐漸下降趨勢(shì)。玉米單作模式和棉花間作玉米模式下玉米葉片胞間CO2濃度隨著時(shí)間的推移和氣溫的逐漸上升，濃度逐漸降低，到12：00以后下降趨勢(shì)有所減緩。

由圖6c可知，棉花間作甘薯模式及甘薯單作模式中甘薯葉片的胞間CO2濃度日變化均呈W形曲線分布。棉花間作甘薯模式下甘薯葉片的胞間CO2濃度的兩個(gè)最低值分別為280.0、276.1μmol/（m2·s），分別出現(xiàn)在11：00和15：00，甘薯單作模式葉片胞間CO2濃度最低值分別出現(xiàn)在12：00和16：00，分別為257.3、240.8μmol/（m2·s）。

圖6 不同種植模式農(nóng)作物葉片胞間CO2濃度的日變化

多重分析表明（表6），棉花間作大豆模式中大豆葉片的胞間CO2濃度日均值高于大豆單作模式，差異不顯著；玉米單作模式葉片的胞間CO2濃度日均值高于棉花間作玉米模式，差異不顯著；甘薯單作模式葉片的胞間CO2濃度日均值低于棉花間作甘薯模式，差異顯著（P＜0.05）。

表6 不同種植模式下農(nóng)作物胞間CO2日均值

3 討論

氣候是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物產(chǎn)量最主要的因素之一［25］，棉花與不同作物間作，系統(tǒng)內(nèi)作物冠層的光、熱、水等資源會(huì)發(fā)生改變，作物的生理指標(biāo)如葉面積指數(shù)、光合特征等也會(huì)隨之發(fā)生改變，繼而影響作物產(chǎn)量［14］。

間作模式相對(duì)于單作來(lái)說(shuō)可有效降低空氣溫度［26-29］。滕維超［29］在對(duì)油茶-農(nóng)作物間作、油茶單作及農(nóng)作物單作的空氣溫度進(jìn)行分析表明，無(wú)論間作或單作，系統(tǒng)內(nèi)的空氣溫度均呈先上升后下降的趨勢(shì)，油茶-農(nóng)作物間作較油茶單作均有顯著的降溫作用。本研究的結(jié)果與其類(lèi)似，棉田間作和單作的空氣溫度亦是隨時(shí)間推移均呈先上升后下降的趨勢(shì)，棉田間作各模式的日平均溫度最低，除了玉米單作外，大豆和甘薯單作的降溫作用均低于棉花單作，主要是由于玉米單作植株的秸稈高，冠層蔭蔽以及改變氣流方向和降低風(fēng)速等因素造成的。本研究中各系統(tǒng)內(nèi)空氣相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)曲線均表現(xiàn)為U形，棉花間作大豆、棉花間作玉米和棉花間作甘薯模式分別較大豆、玉米和甘薯單作的空氣相對(duì)濕度有所提高，這與前人［29-32］的研究結(jié)論較一致。

玉米、大豆間作可提高玉米葉片的光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度，降低胞間CO2濃度［33-35］。焦念元等［36］在對(duì)玉米、花生間作復(fù)合體系光合特性的研究中認(rèn)為，間作日平均光合速率大于單作，說(shuō)明間作延長(zhǎng)了玉米高光合功能期。本研究中玉米單作模式的日平均光合速率低于棉花間作玉米模式，正好印證了上述觀點(diǎn)。滕維超［29］指出，油茶-農(nóng)作物間作模式中各農(nóng)作物單作模式的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均高于間作模式。本研究中也有類(lèi)似結(jié)論，大豆單作模式和甘薯單作模式葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等均分別高于棉花間作大豆和棉花間作甘薯模式，胞間CO2濃度正好相反。

4 小結(jié)

棉田間作及相應(yīng)單作的空氣相對(duì)濕度日變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為U形曲線，空氣溫度日變化趨勢(shì)呈先升高后降低的趨勢(shì)；棉田間作較相應(yīng)單作可提高系統(tǒng)內(nèi)的空氣濕度，不同程度降低空氣溫度，避免高溫脅迫和晝夜溫差對(duì)作物造成傷害；棉田間作可改善間作農(nóng)作物（大豆和甘薯）的光合午休現(xiàn)象，降低其葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率，有效提高胞間CO2濃度，避免高溫脅迫和晝夜溫差對(duì)作物造成傷害。綜合看來(lái)，棉花間作甘薯模式在改善甘薯光合午休現(xiàn)象、降低系統(tǒng)內(nèi)空氣溫度、提高空氣濕度方面的優(yōu)勢(shì)較其他間作模式更為明顯。