杨树-玉米林网系统内光强空间变化特征的研究

段 伟 ，王保平 ，孟 伟 ，乔 杰 ，王炜炜 ，杨海清 ，崔令军 ，苏凌燕

（1.国家林业局泡桐研究开发中心，河南 郑州 450003；2.河南省林业科学研究院，河南郑州450003；3.长葛市林业局，河南 长葛 461500）

杨树-玉米林网系统内光强空间变化特征的研究

段 伟1，王保平1，孟 伟1，乔 杰1，王炜炜1，杨海清2，崔令军1，苏凌燕2

（1.国家林业局泡桐研究开发中心，河南 郑州 450003；2.河南省林业科学研究院，河南郑州450003；3.长葛市林业局，河南 长葛 461500）

2010～2012年对杨树林网系统内光量分布和透光率的监测实验表明，在玉米生长的各个时期，随着距树距离的增加，光合有效辐射量呈现增大趋势，并且在15 m内变化幅度较大，15 m外随着距离的增加光合有效辐射量缓慢增加至对照点处数值； 2012年与2010年相比各测点透光率分别降低9.88%、8.57%、12.02%、2.23%、0.87%；利用2010～2012年3 a数据对杨树林网系统内不同距离范围内玉米透光性的研究结果显示，当距离和树高比（X）为0.1、0.5、1时，系统内的透光率分别为43.03%、75.20%、92.92%，受遮荫率则分别为56.97%、24.80%、7.08%；系统内1.5 m、7.5 m观测点处光合有效辐射量和透光率受林木的遮荫影响较大，其它各测点处受遮荫影响较小，并且林木的遮荫在15 m范围内。

农田防护林网；玉米生长期；光量；分布；透光率

光量变化规律是目前农林复合领域最为关注的研究方向之一，一般认为合理的农林间作能够提高光能利用率[1-2]，然而农田防护林网系统内的“光胁地”现象已逐渐成为讨论的焦点与热点问题。林带与作物间地上光竞争比地下根系竞争更为激烈，由于部分光合辐射被林带所遮挡造成林缘附近遮荫严重[3-4]，袁玉欣等在华北平原农区杨粮间作系统毛白杨对农田遮荫研究中，提出15%的遮荫程度是田间可接受的最大遮荫程度[5]；通过对农桐间作光合有效辐射传输模拟研究表明，农桐间作系统光合有效辐射(PAR)的变化规律因距树行的距离和泡桐生长季节不同而异，按树冠透光率的变化分为3个时期[6-7]。

当前在我国平原地区分布着大面积的杨树林网，存在诸如杨树-玉米，杨树-小麦等多种复合农林配置模式，但仍受到作物减产，生产缺乏指导等问题，所以开展复合农林生态系统技术措施方面的研究，对生产实践具有重要的指导意义。相关学者对我国不同地区的复合农林生态的水分利用、能量平衡、林木遮阴面积、防护效益以及改善小气候特征进行了详细的研究[8-12]。这些都为农林复合系统模式的合理配置提供了科学依据，但对林网系统内不同区域光合有效辐射及林木生长量的动态变化，缺少长期、定位的观测。本研究通过对豫中平原农田林网内的主要气候因子―光合有效辐射、树木生长指标进行了较详细的观测，通过3 a的定位观测，试图全面反映3 a杨树林网生长量的变化对林网系统内小麦作物整个生长期的光合有效辐射空间分布特征，进而为平原高产农区建设高效稳定的农林复合系统提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究地点位于河南省长葛市董天龙村（34.19°N，114.01°E），总面积 179.8 hm2。年均气温13.6 ℃至15.6 ℃之间，1月最冷，月平均气温0.1 ℃，7月最热，月平均气温27.3 ℃，年均无霜期为214 d，年均降雨量691.6 mm，日照时数年均2 422.5 h，日照百分率为54%，四季气温的高低、降水的时空分布差异很大，属暖温带大陆性季风气候；其地貌特征以平原为主，土壤为平原黄泛冲积物发育的潮土，土壤肥沃，水资源充足。林网杨树品种为欧美107杨，于2004年春营建。

1.2 试验设计与仪器

选择典型网格320 m×640 m，分1路2行（林带南面），其余3面均为1路3行林带，于2010年（7 a树龄）、2011年（8 a树龄）、2012年（9 a树龄）分别将仪器架设在距南北林带320 m处的东、西边两边，各测点距东、西林带分别为：1.5 m、7.5 m、15 m、39 m、54 m 处，并在林网内160 m处设置对照点。分别记为：W1、W2、W3、W4、W5、CK、E1、E2、E3、E4、E5，共计11个观测点。2010年试验开始前，对样地内50 m范围内杨树林带按每木检尺法，调查林木的胸径、高度、活枝下高、冠幅，以后每年深秋杨树林网停止生长时对其指标测定。

本试验采用美国CAMPBELL公司研制生产的AG-1000数据采集器，该系统配备了土壤温度、土壤湿度、光量子共44个不同规格的传感器。本研究仅利用11个光量子传感器，光量子传感器高度为3 m；传感器均1 min记录一组数据。

1.3 数据处理方法与分析

林网与光合有效辐射的关系采用理查德方程：y=A[1-Bexp(-kx)]1/(1-m)。

日光量处理方法：将仪器搜集11个测点1 min的数据整合为 10 min，10 min 转化为 1 h，最后整合为天，求出11个测点的东、西每天光强的平均值记为：A1、A2、A3、A 4、A 5；日光量 = 日测点光强 ×3 600/1 000 000。

透光率=100-（对照点光量-各测点光量）/对照点光量。

用单因素方差分析各测点的光量空间变化及不同树龄对各测点的光率影响；并对其差异显著进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 三年杨树林网对玉米不同生育期光量分布特征的影响

2.1.1 玉米苗期光量及全光率分布特征

对3 a防护林网系统内玉米苗期(6月中旬～7月初)光量分布特征进行分析显示（图1），3 a玉米苗期光量分布呈现出随着距林带距离的增加，光合有效辐射量呈现增大趋势；距林带距离15 m内，对于区域内光照强度分布影响较大，距林带15 m外随着距离的增加光合有效辐射量缓慢增加至160 m对照点处。方差分析显示2010年 A1、A2点差异显著 (p＜ 0.05 )，A3，A4、A5点差异不显著（p＞0.05），2011年、2012年均为 A1、A2 、A3点差异显著 (p＜ 0.05 )，A4、A5点差异不显著（p＞0.05），2010年各点光量与对照相比分别下降51.83%、20.05%、4.728%、2.39%、1.04%；2011年各点较对照依次分别降低 了 59.17%、33.03%、13.89%、3.76%、1.8%；2012年与对照相比各点分别显著下降69.87%、34.69、19.65%、5.58%、2.09%。

图2 2010～2012 年杨树林网对农田玉米苗透光率的影响Fig.2 Effects of poplar shelter forest network system on light transmittance for maize growth in seedling period from 2010 to 2012

光合有效辐射量玉米苗期系统内透光率的变化趋势与光合有效辐射变化一致（图2）。3 m数据比较显示，2010年A1、A2处的透光率差异显著 (p＜ 0.05 ) ，A3、A4、A5差异不显著（p＞0.05），2011年、2012年 A1、A2 、A3差 异 显著(p＜0.05 )；其他各点透光率差异不显著（p＞0.05）。林网对各点空间位置上的透光率影响较大，2010年与2012年相比，各点透光率分别减少了 38.8%、18.26%、15.61%、3.43%、1.89%， 在距林带15 m范围内3 a透光率下降幅度较大，这是由于3 a内随着林木树体的增高、冠幅的增加减少了到达林木下层的光照时间所致；林网对距离林带较近的测点透光率影响较大，对中心区域基本没有影响。

2.1.2 杨树林网对玉米穗期光量及全光率分布的影响

不同树龄系统内林网对玉米穗期（7月中旬至8月初）各测点光合有效辐射具有显著影响（图3），不同树龄林网系统内玉米穗期光量均呈现出离林带越远光量越大的趋势。2010年A1、A2点差异显著(p＜ 0.05 )；A3 、A4、A5点差异不显著（p＞0.05），与对照相比各测点光量分别减少 62.2%、34.1%、1.91%、1.69%、1.62%；2011年A4、A5点差异不显著（p＞0.05），其它各点差异显著(p＜0.05 )，各点光量与对照相比分别下降了57.6%、31.9%、13.7%、2.5%、1.9%。2012年光量趋势与2011年相似，即A4、A5点差异不显著（p＞0.05），其它各点差异显著(p＜0.05 )，与对照相比各点光量减少69.3%、33.3%、18.8%、5%、2.1%。

图3 2010～2012年杨树林网对农田玉米穗期光量分布的影响Fig.3 Effects of poplar shelter forest network system onlight intensity distribution for maize in panicle period from 2010 to 2012

图4显示了不同树龄杨树林网对玉米穗期透光率的影响，距林带15 m内变化幅度较大呈现 2010年＞2011年＞2012年；玉米穗期透光率方差分析显示，A1、A2处透光率2010年、2011年显著高于2012年（p＜0.05）；A3处3 a透光率差异显著（p＜0.05）； A4、A5处3 a透光率没有显著差异（p＞0.05）。2012年透光率与2010年相比，各点分别减少14.2%、11.3%、14.3%，3%、1.1%；A4点以外各点趋于缓和。这说明3 a中随着林带树体的增高，林内透光率逐渐减少，林木对林缘附近的遮荫程度逐步提高，对林网中心区域影响较小。

图4 2010～2012年杨树林网对农田玉米穗期透光率的影响Fig.4 Effects of poplar shelter forest network system on light transmittance for maize growth in panicle period from 2010 to 2012

2.1.3 杨树林网对玉米花粒期光量及全光率分布的影响

以开花授粉为主的玉米花粒期是决定有效穗数、每穗粒数和粒重的关键时期，这一时期玉米所获光合有效辐射不足时，将直接导致产量下降。从图5玉米花粒期2010年～2012年系统内光合有效辐射可以看出，3 a光合有效辐射总量依次为：2012年＞2010年＞2011年。2010年光合有效辐射方差分析显示A3、A4和A4、A5点没有显著差异（p＞0.05），其它各点差异显著（p＜0.05)，与对照相比各点分别减少了53.9%、22.8%、5.29%、2.04%、1.35%；2011年 A4、A5点没有显著差异（p＞0.05），其它各点差异显著（p＜0.05)，与对照相比各点分别下降了58.82%、34.67%、15.59%、3.85%、1.47%；2012年与2011年相似，与对照相比各点减少57.98%、27.3%、15.08%、3.59%、1.69%。从3 a内各点与对照相比的减少值可看出，距林带15 m范围内光合有效辐射变幅较大，随着距林带距离的增加，光合有效辐射量缓慢增加至对照点处光合有效辐射量；花粒期内, 系统内外入射光量比相应测点在苗期和穗期所截获的光量要显著多，这主要是因为玉米花粒期比苗期和穗期都要长，并且花粒期玉米的叶面积指数大于其它两个时期的叶面积指数。

图5 2010～2012年杨树林网对农田玉米粒期光量分布的影响Fig.5 Effects of poplar shelter forest network system onlight intensity distribution for maize in anthesismaturity period from 2010 to 2012

图6显示2010～2012年系统内透光率随着林带距离的增加而呈增大趋势，方差分析显示，在A1、A2、A3处 2010年显著高于2011年、2012年（p＞0.05），其它各点处没有显著差异（p＜0.05)；2012年与2010年透光率相比各点分别减少3.8%、4.5%、9.6%、1.4%、0.3%。在15 m范围内各点透光率呈现2010年＞2012年＞2011年，2012年＞2011年是因为2012年试验地发生大面积的虫害，造成林带叶面积减少了50%～60%，进而导致透光率增大；距林带15 m距离以外随距离的增加光合有效辐射缓慢增加至160 m对照点处。

2.1.4 杨树林网对玉米全生长期光量及全光率分布的影响

图6 2010～2012年杨树林网对农田玉米粒期透光率的影响Fig.6 Effects of poplar shelter forest network system on light transmittance for maize growth in anthesis maturity period from 2010 to 2012

图7 2010～2012年杨树林网对农田玉米生长光量分布的影响Fig.7 Effects of poplar shelter forest network system on light intensity for maize growth in farmland from 2010 to 2012

从图7显示整个玉米生长期总光量的分布特征，在系统内距林带A1、A2、A3测点处光合有效辐射变幅较大，其他各点随着距林带距离的增加，光合有效辐射量缓慢增加至对照点处光合有效辐射量。在A1、A2、 A3测点处光合有效辐射量2010年＞2012年＞2011年，其它测点处2012年＞2010年＞2011年， 2012年进入系统的光合有效辐射量明显高于2010年、2011年。方差分析表明，2010年光合有效辐射A1、A2测点处差异显著（p＜0.05)，A3、A4、 A5点处差异不显著（p＞0.05）；2011年、2012年光合有效辐射A4、 A5点处差异不显著（p＞0.05），其它各点差异显著（p＜0.05)。

从图8可以看出，A1测点处的透光率2010年＞2011年＞2012年，且差异显著（p＜0.05)；A2、A3测点处的透光率2010年显著高于2011年、2012年（p＜0.05)；A3、A4、 A5测点处系统透光率2010年＞2011年＞2012年，并随着距树距离的增加逐渐趋近于1；A4、A5测点处的透光率2010年、2011年、2012年差异不显著（p＞0.05）。2012与2010年相比各点透光率分别降低9.88%、8.57%、12.02%、2.23%、0.87%。

图8 2010～2012年杨树林网对农田玉米生长期透光率的影响Fig.8 Effects of poplar shelter forest network system on light transmittance for maize growth in farmlandfrom 2010 to 2012

综合分析显示，2010～2012年系统内随林龄的增加，林木的遮荫程度逐步提高， 林网对A1、 A2、A3测点处光合有效辐射和透光率受林木的遮荫影响较大，林冠截留了大量的太阳辐射, 使照射到玉米叶上的光照强度减弱，其它各测点处受遮荫影响较小，林带对系统内光照强度影响范围在15 m 内。

2.2 林网与光量的关系

玉米的生长发育是玉米自身的生理特性与其周围生态系统互相作用的结果[13]，农田林网为行状栽植 ,树冠相接, 构成一个投影带[14]。随着林木年龄的变化，其冠幅不断增加，株间进入郁闭状态，由冠长引起的遮荫面积也发生变化，对农作物受遮荫程度和产量产生影响[15-16]。利用理查德方程，对2010～2012年3 a数据杨树林网系统内不同距离范围玉米透光性的研究结果显示，其透光率(Y)与距离d和树高h比(X)的关系比较密切，可用下式表示：

y=100×[1+6.2451×10-5exp(-2.7117x)]-17 682.3 (r= 0.994 708)。

农林复合系统内的光照条件取决于林冠的透光率。图9是利用拟合方程推算出距林带不同距离处的透光率，与实测值相符。当距离和树高比(X)为0.1时，系统内的透光率为43.03%，遮荫幅度为56.96%，说明由于受林带遮光的影响,近林带区1.5 m四周的光照强度明显减弱，透光性较差，遮荫很严重，影响玉米的生长发育；当距离和树高比(X)为0.5时，系统内的透光率为75.20%， 测点处受遮荫率为24.80%，玉米生长期受林带遮光影响明显减小；当距离和树高比(X)为1时，系统测点处的透光率为92.92%，受遮荫率仅为7.08%，随着距离和树高比的增大，系统内的透光率逐渐增大，有足够的光照, 保证作物少减产。这表明，从林带基部远离林带系统内透光率逐渐增大，到林网中间处，透光率达到最大，离林带越距离近的测点受遮荫影响较大。综合分析，距离林带15 m为受遮荫范围。

图9 玉米生长季测点位置与透光率的关系Fig.9 Relation of measured point positions in maizegrowth periods and light transmittance

3 结论与讨论

光因子是作物生产的基本能源[17]。农田林网中的光照条件与透光率有关，林带对农田的遮荫程度受林龄、林冠结构、距林带距离等因子的影响[18]。2010～2012年对杨树林网系统内玉米生长期光量分布和透光率进行了监测。

（1）在玉米生长的各个时期，随着距林带距离的增加，光合有效辐射量在15 m内变化幅度较大，15 m外随着距离的增加光合有效辐射量缓慢增加至对照点处数值；这表明林网对距离林带近的光合有效辐射有影响，对中心区域基本没有影响。

（2）3 a林网系统内玉米透光率显示，2012年与2010年相比各点透光率分别降低9.88%、8.57%、12.02%、2.23%、0.87%，这说明随着林带树龄增加，树体增高，林冠截留了大量的光合辐射，进而导致透光率下降。

（3）利用2010～2012年3 a数据对杨树林网系统内不同距离范围内玉米透光性的研究结果显示，当距离和树高比(X)为0.1、.05、1时，系统内的透光率分别为43.03%、75.20%、92.92%，受遮荫率则分别为56.97%、24.80%、7.08%；随着距离和树高比的增大，系统内的透光率逐渐增大。这表明，从林带基部远离林带系统内透光率逐渐增大，到林网中间处，透光率达到最大，离林带越距离近的测点受遮荫影响较大。综合分析，距离林带15 m为受遮荫范围。

2010～2012年整个玉米生长期内，系统内1.5 m、7.5 m观测点处光合有效辐射量和透光率受林木的遮荫影响较大，其它各测点处受遮荫影响较小，并且林木的遮荫程度随林龄的增加而逐步提高。综合分析显示，林带遮光对玉米生长发育期的光照强度影响范围在15 m内，也就是大约一倍树高范围内。这与各地对中型林网胁地效应的研究结果一致，即林网负效益的主要影响范围约为 一倍树高[19]。

农田林网内林带的存在，使附近农田光照、风速、空气、温度、湿度和土壤温度等生态因子均发生变化，因此光合有效辐射量的变化仅是影响作物生长的一个较为重要的部分，本实验对影响作物生长的光合有效辐射量进行了研究，还需要综合其他因子进行进一步研究。实验中对林带对农田内的光分布和透光性影响进行了研究，并建立了光量分布与距离和树高比的拟合方程，得出了大致的遮荫范围，由于林带对农田的遮荫程度受很多因素的影响，而实验中没有将叶面积指数、冠幅、树高等作为影响因子加入方程。林带遮阴影响了作物截获的光量，而数学模型的建立可以准确的预测系统内各点的遮阴和各点光量分布情况，因此为了充分利用光能资源, 提高光能利用率，建立数学模型对农林复合系统的研究乃是今后发展的方向。

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Characteristics of light intensity in different age poplar forest network system

DUAN Wei1, WANG Bao-ping1, MENG Wei1, QΙAO Jie1, WANG Wei-wei1, YANG Hai-qing2, CUΙ Ling-jun1, SU Ling-yan3
(1. Non-timber Forestry Research and Development Centre of CAF, Zhengzhou 450003, Henan, China; 2. Henan Academy of Forestry, Zhengzhou 450003, Henan, China; 3. Forestry Bureau of Changge City, Henan Province, Changge 461500, Henan, China)

Based on the main factors of photosynthetic active radiation measured in the farmland shelter forest network from 2010 to 2012, the photosynthetic effective radiation and light transmittance in different stages of maize growth periods were analyzed. The results show that with the increase of the distance from maize to tree, the photosynthetic active radiation (PAR) presented the increasing tendency. The light intensity distribution and the light transmittance changed relative greatly in the range of 15 meters treemaize distance, and when beyond 15 meters tree-maize distance the two indexes’ increasing amplitude slowed down and reached the position of control point; compared the 2012 to 2010, the light transmittance decreased by 9.88%, 8.57%, 12.02%, 2.23% and 0.87%, respectively. The light transmittance values of different tree-maize distance in the poplar forest network system were measured from 2010 to 2012. The results show that when the distance and tree height (X) were 0.1, 0.5, 1.0, the light transmittance was respectively 43.03%, 75.20% and 92.92%, and shading rate was 56.97%, 24.80% and 7.08% respectively. Ιn the system, the photosynthetic effective radiation and light transmittance at the observation points of 1.5 meters and 7.5 meters were greatly affected by shading degree, and the other observation points were less affected. The shading degree was gradually improved with the increase of forest age. Comprehensive analysis showed that the sphere of inf l uence on light intensity of maize growth period was in range of 15 meters in farmland shelter forest network system.

farmland shelter forest network; maize growth periods; forest shelter network; light amount; transmittance

S792.11

A

1673-923X(2013)12-0113-06

2013-09-10

国家科技支撑项目子课题“豫东平原土地集约型农田防护林系统调控技术”

段 伟（1975-），男，河南禹州人，工程师，主要从事农林复合生态方面的研究； E-mail：Fortune1618@163.com

王保平（1965-），男，河南新野人，研究员，主要从事森林培育及农林复合生态方面的研究；E-mail：bpingwang@163.com

[本文编校：文凤鸣]