核桃—菘蓝/决明子复合系统种间水分关系研究

【摘要】复合农林业是华北低丘山区退耕还林工程建设的重要内容之一，林药复合系统作为农林复合系统的类型之一，在当地农业产业调整发展的过程中得到了广泛的应用。由于该地区气候干旱、土层瘠薄、灌溉条件较差，水资源短缺制约了林业及农业的可持续发展。因此，基于种间水分关系理论，研究林药复合系统水分生态问题，对当地林业生态建设、提高农民收入，促进生态与经济可持续发展具有重要的指导意义。本文以水和碳稳定同位素信息、树干液流及群体蒸腾等为指标，2011年-2013年在位于华北低丘山区的河南济源，试验研究株行距3m×8m核桃-菘蓝/决明子复合系统种间水分关系，旨在为该区发展高效、稳定的农林复合系统提供理论依据。结果表明：（1）核桃-菘蓝/决明子系统土壤水分呈现明显的时空变化规律。在垂直方向上，土壤水分随着土层深度的增加整体上呈现增加的趋势，0-10cm的表层土壤水分差异较大；在水平方向上，核桃-菘蓝/-决明子复合系统表现出位于核桃树干距离0.5m处土壤水分最大，距离南北两侧核桃树木中间处最小。由于核桃树的遮蔽作用，降低了土壤水分的蒸发量，间作系统土壤含水量较单作系统均有所增加，核桃-菘蓝间作系统土壤水分在2012年、2013年比单作菘蓝分别增加了36.5%和8.78%；核桃-决明子间作系统土壤水分在2012年、2013年比单作决明子分别增加了21.05%和16.10%。（2）揭示了核桃-菘蓝/决明子间作系统根系的空间分布特征。在垂直方向上，核桃根系主要分布在10-50cm土层中，占总量的60%以上，而菘蓝和决明子根系主要分布在0-30cm的土层中，根长密度分别占其总量的70%以上；水平方向上，间作系统中菘蓝和决明子根系距离树干距离越远，其分布越多，最大值均在距离南北两侧树木中间处。核桃根系在距离南北两侧树行越近，其分布越多。间作对林带根系有一定程度的影响，0-40cm土层中，单作核桃的根长密度和根表面积大于间作核桃，40cm以下土层，间作核桃根系的根长密度和根表面积较单作核桃的大，说明间作系统中核桃根系由于间作物的竞争发生了下移的现象。复合系统中150～250cm带距范围内的10～30cm土层为种间根系主要交错区，就根系分布而言，该范围土体是种间水肥主要竞争区域。（3）菘蓝生长时期，由于降雨较少，属于干旱季节，核桃-菘蓝间作系统中核桃树木主要利用土壤深层（30-80cm）中的水分，比例为约59.7%；决明子生长时期主要集中在7-9月份，降雨量较多，属于雨季，核桃-决明子间作系统中核桃树木主要利用土壤浅层（0-30cm）中的水分，比例约为69.9%。菘蓝和决明子均主要利用来自0-30cm浅层土壤中的水分。菘蓝生长苗期，尽管这个时期菘蓝的根系没有生长到深层土壤中，但在核桃-菘蓝间作系统中菘蓝有5.7%、9.7%的水分来源于土壤深层中，说明复合系统核桃具有“水力提升”作用。（4）通过称重法和稳定碳同位素方法对盆栽决明子/菘蓝的水分利用效率进行比较研究，结果显示，两种方法测定的决明子/菘蓝水分利用效率呈极显著正相关关系（P<0.01），说明利用稳定碳同位素方法测定决明子/菘蓝水分利用效率具有可行性。（5）核桃-菘蓝复合系统中，2012年核桃与菘蓝的耗水比例是0.70:1，二者分别占41.25%、58.75%。2013核桃与菘蓝的耗水比例是2.06:1，二者分别占67.40%、32.60%，核桃在生长时期两年的耗水量差异较小，说明2013年严重春旱对主要吸收浅层土壤水的菘蓝的生长产生了较大影响，对于依靠深层土壤水的核桃影响不大。核桃-决明子复合系统中，2012年核桃与决明子的耗水比例是1.79:1，二者分别占64.20%、35.8%。2013年核桃与决明子的耗水比例是1.42:1，二者分别占58.73%、41.27%。对比单作菘蓝，2012、2013年核桃-菘蓝复合系统可使菘蓝的耗水量分别降低45.29%、49.63%；对比单作决明子，2012、2013年核桃-决明子复合系统可使决明子耗水量分别降低55.84%、61.83%；对比清耕核桃园，2012、2013年核桃-菘蓝/-决明子复合系统在生长期可使核桃耗水量分别降低9.83%、6.86%。核桃用水高峰期在6-8月，该时期耗水量占主要生长季总耗水量的52%左右。菘蓝、决明子的用水高峰期分别在4-5月、8-9月，二者与核桃可以错开主要用水期。（6）核桃-菘蓝/-决明子复合系统中核桃、菘蓝和决明子的产量低于单作系统或清耕核桃园，但复合系统的总收入高于单作系统，2012年和2013年间作系统的总收入分别是单作核桃的1.47倍和1.24倍，分别是单作菘蓝和单作决明子的1.24倍和1.49倍。综上所述，核桃-菘蓝/决明子复合系统表现为深根木本植物和浅根药用植物以互补的方式利用不同层次土壤水分，复合系统中核桃遮阴明显改善了菘蓝和决明子的土壤水分状况、降低耗水量、提高水分利用效率及产值，在生长时期上也错开主要用水时期。故在地处半干旱季风气候的华北低丘山区，发展核桃-菘蓝/决明子复合系统具有可行性。以上研究对退耕还林地林药复合系统的结构配置及经营管理具有重要的理论指导作用。
【作者】陈平；
【导师】张劲松；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，生态学，2014，博士
【关键词】林药复合系统；种间关系；稳定同位素；水分来源；水分利用效率；耗水量；

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