天天论文网

硕士论文范文

不同林龄核桃林下光强和光质的时空变化特征研究

作者: 日期:2019/1/24 13:48:22 点击:

   

 

农林复合系统作为一种高收益的农林经营方式,长期以来受到了广大农民群众的欢迎。

 

在农林复合系统内,光资源被认为是满足水肥资源的基础上对系统内间作物影响最大的因素

 

之一。但以往的研究多侧重于系统内总光强以及光合有效辐射,对各光质及光质比例的定量

 

分析研究甚少,本文结合核桃树冠层参数,对不同林龄核桃林下总辐照度、各光质辐照度、

 

各光质比例的时空变化特征均进行了研究,旨在为华北低山丘区农林复合系统优化种植配置,

 

提高土地利用率和生产力提供理论依据。主要研究结果如下:

 

17 月至 9 月份,5a 10a 核桃树叶面积指数 LAI 呈现先增后减的状态,冠层下天

 

空可见度 DIFN 与叶面积指数 LAI 相反,呈现先减后增的状态,二者在 5a 10a 核桃树之

 

间的差异表现为 8 月份最大,9 月份最小。

 

25a10a 核桃林下的总辐照度均在中午 1200 左右达到最大值,总辐照度消减率

 

在上午 1000 左右出现最大值,下午 1600 左右出现次大值。)7 月至 9 月份,总辐照度

 

均逐渐降低,其消减率表现为 8 >7 >9 月。5a10a 核桃林下总辐照度均表现为 M 处最

 

大,E0.5 处最小,且树行内西侧各处均高于相对应的东侧各处;5a10a 核桃林之间的差异

 

表现为 W1.0 处最大,M 处最小,西侧各处的差异均高于相对应的东侧各处。

 

35a10a 核桃林下的各光质辐照度的日变化、月变化、空间变化特征均与总辐照

 

度呈现相同的特征。其中,各光质辐照度对比均表现为蓝紫光辐照度消减率及差异最大,红

 

橙光次之,远红外最小。

 

45a10a 核桃林下的各光质比例中 B/FRR/FRNR/FR 的波动范围较大,其值及

 

消减率均在上午 1000 左右出现最低值,下午 1600 左右出现次低值。)7 月至 9 月份,

 

B/FRR/FRNR/FR 均表现为 9 >7 >8 月,其消减率均表现为 8 >7 >9 月。5a10a

 

核桃林下 B/FRR/FRNR/FR 均表现为 M 处最大,E0.5 处最小,且树行内西侧各处均高

 

于相对应的东侧各处;5a 10a 核桃林之间的差异表现为 W1.0 处最大,M 处最小,西侧各

 

处的差异均高于相对应的东侧各处。其中,各光质比例对比均表现为 B/FR 消减率及差异最

 

大,R/FR 次之,NR/FR 最小。

 

研究表明,核桃林下总辐照度、各光质辐照度及各光质比例的消减率变化趋势均与核桃

 

树冠层 LAI 一致,且不同时刻、月份、空间处的光特征参数各不相同,而不同的作物在各

 

物候期对光资源的需求也不相同。在生产实践中,应根据作物的物候期综合考虑其对总辐照

 

度、各光质辐照度及各光质比例的需求和敏感程度,选择与林下各空间处光资源相适应的间

 

作物,以提高土地生产力和光能利用率。

 

关键词:冠层参数;总辐射照度;各光质;光质比例

 

1 文献综述

 

1.1 研究目的与意义

 

农林复合系统是以生态学、经济学、系统工程学为基本理论,并根据物种的生物学特性进行合理的时空配置,形成多物种、多层次、多时序、多产业的人工复合经营系统[1]。近些

年来随着世界经济的发展,人类面临着严峻的人口、粮食、能源、资源和环境危机,农林复

 

合经营正是在这种国际背景下发展起来的一种有效的土地利用模式和生产技术。因其组分结

 

构的合理配置、资源利用率及土地生产力的高效利用、生态环境的稳定维护等优势,在世界范围内得到愈来愈多的重视与提倡[2]

种间竞争一直是农林复合系统的重要研究内容,且明显存在两个界面,一是地上以空气为介质的光、热、水分的地上界面;二是以土壤为介质的养分、水分的地下界面[3],两界面

上种间的相互作用共同决定了农林复合系统的资源利用模式,从而决定了系统的生产力。在

 

保证水肥充足的前提下,光被认为是林木与作物竞争的主要因素。农林复合系统中,木本植

 

物冠层对光的拦截作用改变了林下间作物的光资源,降低了其光合有效辐射,进而导致了间作物的产量发生变化[4]。因此,研究了解林内光强与光质的时空分布特征,对选择适生间作

植物、优化复合系统结构配置,应对种间竞争、提高复合经营生态效应及经济效益,具有重

 

要理论指导作用。

 

果农复合系统作为农林复合系统的一种衍生模式,在我国的实践应用范围甚为广泛,该

 

系统的果树加林下经济作物的双收益打破了传统果树种植模式单一的模式,为广大农民

 

群众带来了更多的经济效益。核桃是世界著名的四大坚果(核桃、扁桃、板栗、腰果)之一[5]

 

因其较高的经济价值,丰富的营养及用途广泛而深受人们喜爱,其种植面积在我国坚果类果

 

树中位列第一,因此,核桃作物复合模式的发展潜力很大。

 

以往同类研究主要侧重于复合系统内光强的时空变化,有关林下光质方面的研究甚少。

 

本研究在华北低山丘区,于核桃树成叶期即对林下光资源影响较大的夏种时期,结合核桃树

 

冠层参数(叶面积指数 LAI 和天空可见度 DIFN),分析 2 个林龄香玲核桃园地内林下光总

 

辐(射)照度、各光质辐(射)照度、各光质比例三部分的时空变化特征,旨在为核桃

 

物复合系统优化种植配置,提高间作系统的土地利用率和生产力提供理论依据。

 

1.2 国内外研究发展与现状

 

1.2.1 光强和光质对植物光合特性的影响研究进展

 

光作为最重要的环境因子,是通过光强和光质两方面作用来对植物产生影响[6]

 

1.2.1.1 光强对植物光合特性的影响

 

光作为高等植物唯一作物的能源,直接影响着植物的叶绿素含量及其光合作用,进而影

 

响其生长发育。植物的光合作用对光强的响应呈现为:在光强较低的范围内,随着光强的增

 

大,光合速率相应升高,当达到一定光强(即光补偿点)时叶片的光合速率等于呼吸速率;

 

在一定范围内,随着光强的增大,光合速率呈直线增高;随着光强的逐步增加,光合速率增

 

长率减小,当达到一定光强(即光饱和点)时光合速率将不再增大;当光强高出光饱和点后,

其再次升高将导致光合速率降低,产生光抑制现象[7]

 

绿色植物主要通过叶片进行光合作用和营养生长,叶绿素(Chl)是植物叶片吸收并利

 

用光能的最主要光受体色素,其量的高低决定了光合速率的大小,从而对植物的光合能力产生影响[8]。一般植物包含两类叶绿素即叶绿素 aChla)和叶绿素 bChlb),其中叶绿素 a

 

主要吸收利用长波光(红橙光区),而叶绿素 b 主要吸收利用短波光(蓝紫光区)。在光强较弱的环境中,叶片的光合色素含量尤其叶绿素 b 量将会提高[910]Chlb 能高效吸收弱光,

加强叶片接收光能的能力。一般情况下,一株植物的阴生叶中 Chlb 含量较高,以吸收遮荫环境下的漫射蓝紫光、红橙光[11],阳生叶和阴生叶在一株植物上共存是叶片对不同光强环

境生态适应的结果。当光照强度过大时,过多的光能可引起植物的氧化胁迫,严重伤害其光

 

合作用反应中心、光合色素及光合膜,促使植物产生光抑制进而致使很多植物产生午休

 

现象,对植物的正常生长和发育产生影响。当光照强度较低时,为适应较差的光资源,植物就会减弱自身对光能的需求及其呼吸速率,并降低对其同化产物的耗损及光补偿点[12]。长时间生长在不同光强条件下的植物,其叶片结构、叶绿体数量及大小会有显著的区别[13]

 

王云贺等[14]研究表明,东北铁线莲在遮荫环境下的比叶面积显著高于自然光下,这表明在

 

遮荫环境下,东北铁线莲为满足其光合作用的需求,利用提高单位生物量的叶面积的方式获取较多的光能。曹柯等[15]研究发现,中度遮荫时桃幼树品种朝阵南方早红的叶

 

面积明显变大,重度遮荫时叶面积明显变小;中度遮荫时早露幡桃的叶面积与自然光照相比差异并不显著。相关研究表明,弱光能显著削弱植物叶片的净光合速率[16],而具有较强耐弱光能力的植物在光照强度较低时仍能持续较大的光合速率[17]。戴凌峰等[18]研究表明,

弱光资源下桐子幼苗叶片的最大净光合速率降低,这表明其对光能的利用率下降。通常,不

 

同植物种类的耐阴能力也不相同,光合速率降低的程度也存在差异。阳生植物和阴生植物对同一种光资源会表现出不同的反应[19],如相比全光照,部分遮荫反而更有利于阳生植物的

生长。光照强度过高或过低都会对植物的生长发育产生不好的影响,但截至目前,强光对植

 

物叶片构造影响的研究仍较少。

 

1.2.2.2 光质对植物光合特性的影响

 

光质对植物的生长发育有着重要的影响,且对植物物质积累的影响较光强更为复杂[20]

 

植物为更好的适应环境因素,利用其光受体系统来感受不同波长、强度、方向的光[21]。目前已知,感受红光波段的光受体称为光敏色素(phytochrome[22];感受蓝光波段的光受体称为隐花色素 (cryptochrome) [22-24]。红光抑制了光合产物从叶片中的输出,从而增加叶片中淀粉的累积;蓝光则对叶绿素的形成、叶绿体的发育以及气孔开启等起着调节作用[25]。许多研究证明[2627],大部分高等植物的光合速率在红橙光下最大,蓝紫光次之,黄绿光最小。

 

Sun [28]研究表明,组培的植物在红蓝光共同调控下净光合速率最大。有关番茄的研究表明

 

[29],红光条件下培养的植株其叶绿素含量、光合速率、气孔导度及蒸腾速率均明显大于其

 

它光质培养条件下;蓝光条件下植株的叶绿素含量稍低于对照,但其光合速率仍明显大于对

照,可能是蓝光增强了植株叶片的气孔导度,提高了胞间 CO2 浓度。但 Anna [30]研究表明蓝光提高了风信子愈伤组织的叶绿素含量,而红光却促使其叶绿素含量降低。魏胜林等[31]

 

对菊花的研究同样发现蓝光条件下植株的叶绿素含量和净光合强度均得到提升,而红光条件下相反。张瑞华等[32]研究发现,适当增加遮光光质中黄绿光的比例能降低生姜叶片在正午的光抑制水平,提高其光能利用效率。王绍辉等[33]研究发现,不同光质条件下生长的黄瓜

叶绿素含量及组分有明显的差别,其中白光条件下的黄瓜叶片叶绿素含量最高,蓝光下含量

 

最低;白光和蓝光下叶绿素 a/b 的值相似,而红光下的值最低;红光下黄瓜叶片的光合速率

 

较高,有利于碳水化合物的形成。

 

董飞等[34]发现不同光质处理下的樱桃番茄幼苗的光合特性呈现以下特征:红/(1:1)

 

件下的叶绿素含量最大;红/(3:1)条件下的净光合速率最大,红/(1:1)最小;红/(3:1)

 

件下的栅栏组织、海绵组织细胞长度最大;所以,红/(3:1)最有利于壮苗培养,该条件下培养的樱桃番茄品质较高,光合特性较强。Carlos [35]对菜豆的研究表明随着红光/远红光

的增大,叶片的叶绿素含量、呼吸速率、光合速率均有不同程度上的提高。而较低的 R/FR

 

值下培养的草莓,其叶片类胡萝卜素含量得到提高,这说明光敏色素调控了草莓叶片类胡萝卜素的合成[36]。研究表明[25],蓝光能有效促进叶绿体的发育,在蓝光下生长的桦树幼苗叶

片的表皮细胞、栅栏组织、海绵组织、叶绿体的面积相对白光和红光下要大,且蓝光下叶肉

 

细胞中淀粉粒积累比红光少,这是因为红光抑制了光合产物从叶片中输出,增加了叶片的淀粉积累。相关研究发现[3738]UV-B 辐射的增强将引起大多数植物叶面积及生物量的显著减少和比叶重的增加,而赵平等[39]研究发现,UV-B 辐射对叶片形态的影响并不显著,大部分

受试植物的叶面积变化甚小或并没有出现明显变化,研究结果的不一致可能与植物品种及其

 

对环境的适应力差异有关。综上所述,不同光质以及光质比例对于不同种类植物的光合能力、

 

叶片结构的影响也存在一定差异,可以将此作为间作系统内不同遮光程度空间处选择不同间

 

作物的依据之一,在满足种间水肥关系的基础上进一步提高间作系统的经济效益。

 

1.2.2 农林复合系统内影响林下光照的因素研究进展

 

1.2.2.1 树行走向对林下光照的影响

 

在农林复合系统中,因树行走向的不同,使间作物所受的遮光程度有很大的差别。赵忠宝[40]研究发现,在东西走向树行以南和间南北走向树行以东的空间处,由于树行遮荫对其

影响较小,且日照时数较多,光胁地程度较小,而在东西走向树行以北和间南北走向树行以西,日照时数较少,光胁地程度较大。赵天榜等[41]在对枣农间作系统内光照的研究中发现,

间作走向为东西的林冠下光照强度弱,原因是遮荫时间长导致透光率差,所以在林冠下形成明显的减产区,应尽量少用或不用东西走向的枣树林带。胡海波等[42]在徐淮平原农田防护林的规划方案中提出 胁北不胁南,胁西不胁东的设计方针。季永华等[43]经理论计算出

了对林网内各条遮荫带宽度的日变化和林荫透光率,可以据此对林带遮荫范围进行评估,结

 

果表明农田林网内各区域均受到不同程度的光胁地,随着林带间作走向的不同,胁地范围有

显著差异,其中南林带胁地范围最大,其次为东西林带,北林带不明显。研究结果出现的差

 

异与林带的株行距、树高、冠幅等其他因素有关。由于方位角和太阳高度角的差异,复合系统内上午和下午均主要表现为行间遮荫,遮荫范围也不尽相同。王汉杰[44]研究表明,一天

之中太阳高度角的变化呈抛物线形式,在中午时最大,阴影居南北向且影长最短;由中午向

 

上午和下午逐渐降低,在日出及日落时达到最小值,此时阴影居东西向且影长最长,因此在

 

行距大于株距的南北走向树行中重复遮荫区域最少。以上研究表明,复合系统内树行走向不

 

同,太阳高度角不同,间作系统内遮荫范围及遮荫时数也不同,而遮荫时间越长、遮荫范围

 

越大,对间作物产量的影响也就越大。

 

1.2.2.2 树高、冠幅、株行距对林下光照的影响

 

复合系统中间作物生产力的降低由诸多因素引起,其中复合系统中树木粗壮的树干和茂

 

盛的树冠与间作物产生的光能竞争是导致农作物减产的首要原因,对间作物而言,树高、冠幅、株行距直接影响其截获的总辐射能及所受遮荫时数长短。李连国等[10]研究表明,根据

果粮间作系统的光能分布规律可以确定果树的栽植方式、树形、树高、冠幅等因素,进而提高系统的光能利用率。王汉杰等[4445]根据气象学原理,说明了池杉投影在农田中的移动规

律,并根据池杉的生长规律,计算出了不同树高条件下株间与行间不重复遮荫时的栽植密度。李树人等[46]计算出了泡桐在农田中的投影移动规律,得出了泡桐在株间郁闭情况下树行的遮荫时长和遮荫范围关系的经验方程。宋锋惠等[47]研究表明,为降低枣棉间作系统内种间

 

光能竞争,棉花的种植带应距离枣树 1.2m 左右,并且与树行东侧间距应适当宽于树行西侧。米方秋等[48]在对江苏省泗洪县城头林场 2 年生、3 年生、4 年生杨树水稻复合系统内的光资源及水稻产量的研究中发现,水稻产量随着林龄、冠幅、树高的增加而逐渐降低,随着光照时长、光合速率的增加而逐渐提高。农林复合系统中的光资源相对于农作物单作要复杂得多,因树木处于上层且远高于间作物而对其光照造成的遮挡,改变了间作物的光资源,进而在一定程度上对间作物的生长及产量造成影响,这种影响从早晨到傍晚,从树行中间到两侧的光资源无时无处不处于变化中。

 

果树树龄不同,其树高、冠幅均有所不同。当果树树龄较小时,其树冠冠幅较小,冠层结构较为稀疏,因此较多的光能透过树冠到达作物层;而随着果树树龄的增大,树高及冠幅也逐渐递增,冠层对光能的拦截能力增强,导致林下光能也随之减少。果树物候期不同,其冠幅也有所不同。当果树处于萌芽期、展叶初期时,其冠层叶面积仍较为稀疏,对林下作物的光资源影响较小,展叶期到果实成熟期,冠层结构变得紧凑且已基本成型,对冠下光照条件影响较大,果实收获后林下光资源逐渐得到改善。株行距是除太阳高度角、方位角等不可控因素外,对间作系统中光资源影响最大的因素[49]。随着树高、冠幅的增大,若不适当增

大果树的株行距将导致树行内的光照强度越来越弱。通过树高、冠幅及株行距的综合考量,

 

能对间作系统内的光资源做出基本的评估,如若间作系统内造成重复遮荫,对间作物的生长

 

是及其不利的。因此,系统内果树的株行距应确保不在株间和行间形成重复遮荫区域。但生

产实践中,要同时保证核桃树与间作物二者的经济效益,所以株距不能任意扩大。

 

1.2.2.3 树形对林下光照的影响

 

有关杏树[50]的研究表明,株行距、树高一定的条件下,呈自然开心形的杏树冠幅最大,

 

其枝开张角度、天空可见度也最大,因此利于打开树冠顶部光路,改善内膛的光照条件,Y

 

字形的杏树冠幅、枝开张角度、天空可见度次之,疏散分层形最小。张雯等[5152]在对南疆

 

地区扁桃冬小麦间作系统的研究中,将扁桃树形做了 4 个树形处理,分别为疏散分层形、

 

自然开心形、高干形、小冠半圆形,研究发现小冠半圆形对应的间作区域内光照条件最好,

 

其次为高干形、自然开心形,疏散分层形对应的间作区域内光照条件最差,且冠层截获光能

 

的能力受冠层体积、枝条量、枝条分布的综合影响,扁桃坐果期冠层对总辐射能的拦截造成

 

的光胁迫是间作系统中小麦产量降低的主要原因。在果粮复合系统中,随着果树树龄的递增,

 

园地内天空可见度逐渐降低,林下作物所接收到的光能不足对其生长造成的不良影响越来越严重,控制好果树的树形能将林下光能的损耗降至最低[53]。研究表明[54],保持最佳的树形,

树冠对林下空间的遮蔽通常是明暗均匀的光斑状,随着太阳高度角、方位角的变化以及风吹

 

的作用,对冠层阴影范围内的某一固定空间来说,光总是以明暗交替的方式投射进来,这种

 

交替存在的光可将间作物的光合效率提高近 54%

 

1.2.3 农林复合系统内光强和光质的变化特征研究进展

 

由于农林复合系统内的水肥资源可以通过人工操作进行及时有效的补充,因此光资源被

 

认为是农林复合系统中对间作物影响最大的因子之一。农田中,林木冠层对抵达农作物上层的光照的干扰被称为光胁地[55],光胁地对林下农作物的影响不仅指光强是否达到作物

生长发育的需求,更是多种光质发生变化综合作用的结果,近年来对农林复合系统内光资源

 

的研究多集中于林下光总辐射强度,而对林下光质的定量分析涉及甚少。

 

1.2.3.1 农林复合系统内光强的变化特征

 

对农林复合系统内小气候的研究中,关于光总辐射强度研究占了很大比重,其研究内容包括光总辐射强度和光分布规律两个方面 [56-58]。云雷等[59]的研究表明,光资源竞争是导致晋西黄土区 9 年生苹果大豆复合系统内大豆减产的主要原因。彭晓邦等[60]研究了商洛低

 

山丘区的核桃大豆和核桃桔梗果农复合系统,发现系统内光能竞争是造成大豆、桔梗产量下降的主要因素。李连国等[61]在对内蒙古巴盟地区果粮复合生态系统的光能分布研究中

阐述了其光能变化特征,离树行越远,光能越切近自然光;离树行越近,光能损耗越多;冠下区域内遮光最重,树冠以外的光能可达 80%以上。李芳东等[62]则较为透彻地研究了豫中

 

部黄泛区冲积平原上农桐复合系统内光合有效辐射(Photosynthetically Active radiationPAR

 

的变化规律,发现从小麦灌浆期起,间作系统内的 PAR 开始显著减少,得出灌浆期和成熟期是桐麦间作系统内光辐射竞争的主要发生期。赵英等[63]对株行距为 2m×8m 的南酸枣

(14 )复合系统进行了测定,得出了花生的光合有效辐射值(PAR)日变化规律:上午

 

8 点左右,9-14 行的 PAR 相对值小于 50%;中午 12 点左右,1-2 行和 13-14 行的 PAR 相对

值小于 40%;下午 1600 左右,树行内遮荫方向与上午相反,其 PAR 相对值则更低,1-9

 

行的 PAR 相对值小于 30%。卢琦等[64]在农桐复合系统内的研究中表明,鉴于距离林带的空

 

间及泡桐的物候期不同,复合系统内光合有效辐射(PAR)也有所不同,将冠层的透光率分

 

为严重遮光影响(透光率小于 40%)、轻微遮光影响(透光率 40%80%之间)、无遮光影

 

响(透光率大于 80%)共 3 个时期;根据 PAR 的时间及空间分布又可分为严重遮光带(削

 

减率大于 30%)、轻微遮光带(削减率 10%30%之间)、无显著遮光带(削减率小于 10%

 

3 个影响带,其中严重遮光带位于冠下 0-5m 处,轻微遮光带位于距林带 5-10m 处,无显著遮光带位于距林带 10-20m 处。田阳等[65]通过对晋西黄土地区 4 种典型果农复合系统光竞

争的研究表明,间作物距离树行愈近,其光合有效辐射及净光合速率愈小,果树对间作物的

 

竞争程度从大到小分别为苹果花生(26.39%)、苹果大豆(21.89%)、核桃花生(16.62%)、

 

核桃大豆(8.12%),综上所述,不同的间作系统内果树与间作物的光竞争程度不同,造

 

成间作物生长及产量差异的主要原因之一是不同空间处间作物所接收光能的差异。

 

不同天气特征下复合系统内的光资源特征存在差异,其中晴天条件下系统内不同空间处光资源差异更为显著。李芳东等[62]的研究表明,晴天时系统内光照以直射辐射为主,阴云天时直射与漫射兼并,漫射光合有效辐射相对含量要大于直射辐射。刘建栋等[57]利用 LI-1800

辐射分光光谱仪测定了晴天时安徽省怀宁县杨树油菜复合系统中的光谱,发现杨树油菜

 

复合生态系统中,油菜上方各光谱成分日变化显著,其中光合有效辐射光谱百分比朝夕变动大,正午前后变动小,变动范围为 41.7%56.1%。周允华等[66]利用量子传感器测定了晴天

 

时河北栾城县的苹果、梨和桃冠层的透光率,发现冠层透光率的日变化呈明显的U字形,即同样表现为朝夕变动大,正午前后变动小。相关研究表明[67],复合系统的结构配置方式

 

是否合理与总光能利用率具有相关:在研究池杉油菜复合系统的光能利用率试验中,池杉树龄为 6a,与单作地相比,复合系统内 PAR 利用率是其 3.64 倍。刘晓鹰等[68]研究发现,黄

 

-柳杉复合系统内的光能利用率(0.52%)反而要高于纯柳杉林地的光能利用率(0.21%),

 

这是因为相比纯柳杉林地,复合系统内总的有效光合时间及光合面积均有所增加。农林间作

 

系统因光能竞争而造成的影响因作物种类的不同而不同,对有些阴生作物而言具有协同作用。张劲松等[69]在研究苹果生姜间作系统时发现,不同间作系统中生姜的产量均有所提高。丁瑞兴[70]研究表明,乌桕茶树复合系统内茶叶的产量、品质均有所提高。以上研究表明,

间作物种类的择选能有效提高农林复合系统中间作物产量。彭晓邦等[71]研究认为,以核桃

 

等果树为主的农林复合系统中,在不影响果树经济效益的前提下应优先选择耐荫植物作为间

 

作物,若选择大豆、桔梗等阳生植物,应在条件允许的情况下加大果树株行距并定期修剪其

 

冠层,以尽力减轻种间光资源的竞争,提高间作物的产量,增大复合系统的整体收益。

 

1.2.3.2 农林复合系统内光质的变化特征

 

贺庆棠等[72]对林带内太阳辐射光谱的测定研究证明,树冠吸收的主要是橙光,然后是

 

红光和蓝光,绿光吸收最少而过滤、反射最多。玉米大豆套作模式中,与单作大豆冠层光

资源比较发现,大豆冠层低部的红光、蓝光、远红光及其光质比例均发生了变化[73]。姜仲书等[74]对叶幕影响透射光质的研究发现,各光质辐射穿透叶幕时的消减率不同,叶幕层可

 

吸收 0.80.9 的光合有效辐射及紫外辐射,仅能吸收 0.1 左右的近红外辐射,自然光透过苹

 

果冠层时,由于冠层叶片的吸收、过滤、反射作用,抵达树冠下层的光谱成分与自然光有所差异,其中红光/远红光值明显减小。于盈盈等[75]研究同样表明,自然光经过叶片的选择吸收后红光远红光比例即 R/FR 值发生了明显变化。张雯等[76]研究发现,自然光穿透果树冠层

 

抵达间作物上层后,不同处理及不同区域的光质比例均发生了变化,其中 R/FRNR/FR

 

变化幅度较大,R/FR 的变化范围最大,其对不同的果树冠层结构反响最敏感。研究表明,

 

在林木冠层遮荫下,由于冠层吸收利用红、蓝光的作用,冠层下的散射蓝光较少,冠层下

 

R/FR 的降低是因为冠层吸收利用了红光,远红光则透过冠层抵达地面,其降低可导致植物

 

的生长发育发生一系列的变化,如光合作用减弱、株高增加、生物量分配方式变化、叶面积减小等[7778]。研究表明,傍晚时冠层遮荫区域的 B/P 值上升而 R/FR 值下降,这是由于受到太阳高度角、大气、水汽的影响,导致了散射蓝光和远红光有所提高[79]。以上研究结果表

明,自然光抵达冠层下后,其各光质以及部分光质比例会发生明显变化,而在光总辐射强度

 

对冠层下间作物生长造成影响的基础上,光质及光质比例的变化是更为内在的原因。目前为

 

止,有关光质及光质比例在树行内不同区域的定量分析研究相对较少。

2 研究内容及技术路线

 

2.1 研究内容

 

本研究以华北低山丘区 5 林龄和 10 林龄香玲核桃林为研究对象,结合核桃树冠层参数

 

分析不同林龄核桃林下光特征参数的时空变化特征,以探求林下光照发生变化的内在原因,

 

为华北低山丘区果农间作系统优化种植配置,提高间作系统的土地利用率和生产力提供理论

 

依据。研究内容如下:

 

1)不同林龄核桃树冠层参数

 

通过对核桃树冠层叶面积指数 LAI、天空可见度 DIFN 的测定,分析冠层参数对核桃林

 

下光特征参数的影响。

 

2)不同林龄核桃林下总辐照度

 

通过对核桃林下总辐照度的测算,揭示不同林龄核桃林下的总光强的时空变化特征,以

 

作为选择林下间作物的基础。

 

3)不同林龄核桃林下各光质辐照度

 

通过对核桃林下各光质辐照度的测算,揭示不同林龄核桃林下的各光质的时空变化特征,

 

以作为选择林下间作物深层次的基础。

 

4)不同林龄核桃林下各光质比例

 

通过对核桃林下各光质比例的测算,揭示不同林龄核桃林下的各光质比例的时空变化特

 

征,以作为进行林下间作物精细化种植的依据。

 

2.2 技术路线

3 材料与方法

 

3.1 试验地概况

 

试验地位于河南省济源市核桃标准化示范区基地近(35°6′17′′N112°28′46′′E)。该基地

 

占地 150 多公顷,南连黄河小浪底库区,西邻王屋山地质公园,北倚太行山脉的玉阳山。是

 

典型的低山丘陵区,属暖温带大陆季风气候,全年日照时数为 2367.7h0℃的多年平均积

 

温为 5282℃,10℃的多年平均积温达 4847℃;多年平均降水量 641.7mm,其中,69

 

份降水量占全年的 68.3%;园区土壤以褐色土为主,土层厚度达 80cm 以上。

 

3.2 试验设置

 

3.2.1 样地设置

 

试验选取位处华北低山丘区的河南省济源市核桃标准化示范区内 5 年生和 10 年生香玲

 

核桃园地为研究对象,株行距为 4m×5m ,南北走向。在园地中选取株型匀称、长势良好

 

6 株核桃树组成的块状土地为试验样地,同一样地中的核桃树龄相同,树高和冠幅基本一

 

致。对样地中选定的核桃树进行标记,核桃树平均生长指标见表 3-1

 

3-1 研究样地基本状况

Table 3-1

The basic condition of the studied sample plots

树龄/a

株行距/m

东西冠幅/m

南北冠幅/m

平均树高/m

第一枝下高/m

胸径/cm

5

4×5

3.84

3.56

3.58

1.12

7.60

10

4×5

4.88

4.75

4.85

1.26

8.83

 

5a 10a 核桃树样地行间距离东西两侧核桃树 0.5m1.0m1.5m2.5 m 处各设置 1

 

个观测点,即西侧 0.5m、西侧 1.0m、西侧 1.5m、中间、东侧 1.5m、东侧 1.5m、东侧 1.0m

 

东侧 0.5m,简称 W0.5W1.0W1.5ME1.5E1.0E0.5;各观测点每隔 1m 向南平移

 

1 点,共平移 8 次,则距树行不同距离处各设置了 9 个点,W0.5W1.0W1.5ME1.5

 

E1.0E0.5 的值分别取 9 个点的平均值,试验样地内观测点布置详情见图 3-1


  

3.2.2 波段选择

 

3-2 总辐照度及各光质的波段选择

 

Table 3-2 Introduction of bandused of Total Irradiance and Light qualities’ Irradiance

参数

总辐照度

光合有效辐射

蓝紫光

黄绿光

红橙光

红外线

近红外

远红外

Parameters

Total

Photosynthetica

Blue-violet

Yellow-green

Red-orange

Infrared

Near

Far

Irradiance

lly

light

light

light

ray

infrared

infrared

(TI)

Activeradiation

(B)

(Y)

(R)

(IR)

ray

ray

(PAR)

(NR)

(FR)

波段 nm

350-1130

380-710

400-510

510-610

610-710

710-1130

710-760

760-1130

Wave band

3.3 测定指标及方法

 

3.3.1 核桃树冠层参数的测定

 

采用 LAI-2000 冠层分析仪(LI-CORUSA),测定各样方中核桃树叶面积指数 LAI

 

天空可见度 DIFN,每个样地中共 6 株核桃树。于早上日出前或傍晚太阳落山后进行测量,

 

仪器设置每个数据测 3 个重复,样方中每棵树测量 3 次。于 7 月份至 9 月份的每月 10 号左

 

右各测定一次。

 

3.3.2 核桃林下光强和光质的测定

 

采用安装余弦接收器的 ASD 便携式光纤光谱仪(FieldSpecUSA),选择晴朗、无云、

 

无风或风很小的天气,测定 5a 10a 样地内各观测点的辐照度,每个样地中共 63 个观测点,

 

并测定空旷处自然光的辐照度为对照记为 CK。从早上 800 到傍晚 1800,每隔 2h 测定

 

1 次。仪器设置每个观测点的数据自动采集 3 个重复,测定时手持接收器距离地面 30cm

 

右,面向太阳防止人影遮盖接收器。测定日期同冠层参数,于 7 月份至 9 月份的每月 10

 

左右各测定一次。

 

  1. 数据处理

     

    • ViewSpecExcel2007 对测定数据进行合并统计处理,用 OriginV9.0 进行作图,用

       

      SPSS19.0 软件进行方差分析。

      4 结果与分析

       

      4.1 不同林龄核桃树冠层参数的月变化特征

       

      4.1.1 不同林龄核桃树叶面积指数 LAI 的月变化趋势

       

      叶面积指数 LAI 是指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数,是反映植物群体生长状况的重要指标之一[80],叶面积指数越高林下遮荫程度越大,反之亦然。由图 4-1

      可以看出,5a 10a 样地内的核桃树叶面积指数 LAI 7 月份到 9 月份均呈现出先增长后

       

      降低的趋势,其中 5a 核桃树 LAI 依次分别为 8 月(1.96>7 月(1.66>9 月(1.54)(P<0.05),

       

      10a 核桃树 LAI 依次分别为 8 月(3.28>7 月(2.68>9 月(2.35)(P<0.05),即 2 种林

       

      龄的核桃树 LAI 均在 8 月份达到最大,9 月份最小。10a 叶面积指数 LAI 相对于 5a 分别高

       

      8 月(1.32>7 月(1.02>9 月(0.81),即两者之间的差异同样在 8 月份达到最大,9

       

      月份最小,且二者呈极显著差异(P<0.01)。7 月份至 9 月份核桃树的生长呈现出以下规律:

       

      7 月初核桃处于果壳硬化期,该时期种仁由浆状物变成核仁,营养物质迅速积累,营养枝和

       

      结果枝均处于生长阶段;8 月初核桃处于油脂迅速转化期,核仁不断充实,此时发育枝几乎

       

      停止生长,结果枝长势良好;9 月初核桃收获后发育枝和结果枝均停止生长,徒长枝依然有

       

      少量增加,由于该区在 8 月中下旬核桃果实收获,9 月份叶面积指数相对于 8 月份有很大程

       

      度的降低。

      4.1.2 不同林龄核桃树天空可见度 DIFN 的月变化趋势

       

      天空可见度 DIFN 与叶面积指数 LAI 呈负相关关系,用来表征树冠下透光率更为直观。

       

      由图 4-2 可以看出,5a 10a 样地内的核桃树冠下天空可见度 DIFN 7 月份到 9 月份均呈

       

      现出先降低后增长的趋势,其中 5a 核桃树冠下 DIFN 依次分别为 9 月(0.24>7 月(0.23>8

       

      月(0.20)(P<0.05),10a 核桃树冠下 DIFN 依次分别为 9 月(0.15>7 月(0.12>8

       

      0.06)(P<0.05),即 2 种林龄的核桃树 DIFN 均在 9 月份达到最大,8 月份最小。5a

       

      空可见度 DIFN 相对于 10a 分别高出 8 月(0.13>7 月(0.11>9 月(0.09),即两者之间

       

      的差异表现为 8 月份最大,9 月份最小,且二者呈极显著差异(P<0.01)。

       

      4.1.3 小结

       

      核桃树冠层的作用是造成林下光照发生变化的直接因素,通过将样地内核桃冠层参数与

       

      林下光照的变化特征结合,可以进一步说明核桃树冠层对林下光照条件的影响。由以上分析

       

      可以看出,7 月份至 9 月份,5a 10a 核桃树叶面积指数 LAI 呈现先增后减的状态,冠层

       

      下天空可见度 DIFN 与叶面积指数 LAI 相反,呈现先减后增的状态,二者在 5a 10a 核桃

       

      树之间的差异均表现为 8 月份最大,9 月份最小,这是核桃树本身的生长规律和试验地区气

       

      候条件变化综合作用的结果。

       

      4.2 不同林龄核桃林下总辐照度的时空变化特征

       

      样地内总辐照度(Total IrradianceTI)是否充足是影响样地内间作物正常生长发育的

       

      基本因素。核桃树冠层的反射、透过及吸收作用会削弱自然光总辐照度,不同林龄的核桃树

       

      冠层结构、冠层密度均有差异,所以对自然光的削弱程度也有所不同。

       

      4.2.1 不同林龄核桃林下总辐照度的时间变化特征

       

      4.2.1.1 不同林龄核桃林下总辐照度的日变化特征

      以典型晴天日(8 4 日)为例,研究发现(图 4-3):CK5a10a 样地内总辐照度

       

      的日变化趋势基本一致,均呈现抛物线形式,在中午 1200 左右达到最大值,分别为

       

      427.08w/m2209.74 w/m2142.52 w/m2,各时刻均表现为 CK>5a>10aP<0.01)。上午(取8001000CK5a10a 样地内总辐照度的均值分别为 314.51 w/m2298.04 w/m2141.93 w/m291.42w/m2,下午(取 14001600)分别 260.89w/m2126.07w/m283.18w/m2

      即三者上午的总辐照度均高于下午。

       

      从表 4-3 可以看出,5a10a 样地内总辐照度的消减率均在上午 1000 左右出现最大值,

       

      分别为 52.72%70.03%,下午 1600 左右出现次大值,分别为 51.95%68.61%,这可能

       

      是由于上午 1000 左右核桃叶片的光合能力上升到一天中最强的状态,其净光合速率最大,

       

      导致其相对于自然光的消减率也最大;中午 1200 左右林下总辐照度的消减率较小可能植

       

      物的光合午休现象有关;下午 16:00 左右,太阳总辐照度降低至核桃树叶片正常光合作用所

       

      适宜的强度,林下总辐照度消减率均出现不同程度的回升现象。10a 样地内总辐照度消减率

       

      分别高出 5a 样地 100017.31%>160016.67%>8:0016.40%>140016.31%>12

       

      0015.74%>180012.67%),即 5a10a 样地间总辐照度消减率的差异在上午 1000

       

      左右最大,下午 1600 左右次之,5a10a 样地内同一时刻的总辐照度消减率呈极显著差

       

      异(P<0.01)。

天天论文网
专注硕士论文代写服务

24小时免费热线

SERVICE ONLINE

13838208225

手机扫描二维码

收缩
  • 电话咨询

  • 13838208225