商洛山地林药复合生态系统小气候效应研究

王凤娟，秦绍龙，张鸿雁，刘 娜

(1.商洛学院，陕西商洛 726000；2.资源植物利用与健康产品研究科技创新团队，陕西商洛 726000；3.商洛市气象局，陕西商洛 726000)

气候是影响农林生物生长发育的主要生态环境因素，特别是小气候效应，是生物生存的环境基础，直接影响生物的生长发育进程。在农林(药)复合系统中，由于树木与其下作物、中药材的生物学特性不同，其生长发育所需环境也不相同，特别是树木会改变原来的环境并产生新的小气候效应，进而对树下植物的生长发育产生影响[1]。光照是植物生长的基础能源，也是植物生长发育必不可少的因子[2-3]，它不仅直接影响植物的生理过程，也间接调控着局部的温度、湿度、风速及CO2浓度等，进而影响植物的生产。在林药复合系统中，经济苗木位于上层，中药材位于下层，上层的树木会遮挡光照，减少树下的光照强度和照射时间，阻碍下层作物受光，影响其生长发育，同时又可遮风挡雨，调节局部小气候。因此，研究商洛山地农林(药)复合系统的小气候效应，对于科学合理构建不同模式的林农、林药复合系统，提高地方农民收入具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计试验样地设在陕西省商洛市洛南县景村镇育林村，不同林农、林药复合系统面积达5.5 hm2。笔者选取由核桃和丹参、桔梗、黄芩组成的林药复合系统为研究对象，不同复合系统中核桃树的生长差异明显(表1)。试验田中核桃株行距为5 m×3 m和3 m×3 m 2种种植模式，分别为W5×3、W3×3，树下两侧距离植株各50 cm分别种植丹参、桔梗和黄芩，行株距分别为15 cm×30 cm、20 cm×30 cm和10 cm×20 cm。

表1 试验区不同林药复合系统中核桃的生长特征

1.2 指标测定在丹参、桔梗和黄芩的苗期、开花期和生长减缓期，利用Li-6400和Kestrel-4500监测大田(CK)和不同复合系统的小气候，监测指标主要包括光合有效辐射强度(PAR)、大气温度(T)、大气相对湿度(RH)、风速(WS)和大气CO2浓度(Ca)[2-3]。

1.3 数据分析试验数据和图表采用 Microsoft Excel 2007 进行处理，方差分析及其他统计分析均采用SPSS 18.0进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同生长期林药复合系统内光合有效辐射(PAR)的变化在中药材的苗期、花期和生长减缓期，各系统的PAR从单作(CK)、间作系统中W5×3模式到W3×3模式逐渐减弱(图1)。与CK相似，W5×3模式的PAR日变化趋势为“单峰型”，最大值出现在13：00。整个生长季各模式PAR的平均值表现为CK[1 228.5 μmol/(m2·s)]>W5×3[1 089.9 μmol/m2·s)]>W3×3[711.0 μmol/(m2·s)]，与CK相比，W5×3和W3×3模式的PAR分别降低了11.3%和42.1%。这表明树木种植密度和生长状况对树下PAR及其分布有明显影响。

图1 不同生长期各复合模式光合有效辐射强度(PAR)的变化

2.2 不同生长期林药复合系统内大气温度(T)的变化从图2可见，各模式T的变化情况与PAR相似，即不同模式的T日变化情况均表现为“单峰型”曲线，但CK的T高于复合模式。整个生长季各模式平均T表现为CK(32.36 ℃)>W5×3(31.14 ℃)>W3×3(30.25 ℃)。与CK相比，W5×3和W3×3模式的T分别降低了1.22和2.11 ℃，方差分析显示结果显著(P<0.05)。可见，复合模式可有效降低气温。

图2 不同生长期各复合模式大气温度(T)的变化

2.3 不同生长期林药复合系统内大气相对湿度(RH)的变化从图3可见，除苗期W3×3复合模式RH日变化表现不规则外，整个生长期其他种植模式的RH日变化趋势均表现为“V”型，最低值均发生在15：00。整个生长季不同模式RH的变化表现为W3×3(54.47%)>W3×3(51.45%)>CK(47.36%)。W5×3和W3×3模式RH比CK提高了4.09和7.11百分点。方差分析结果表明，各模式间差异显著(P<0.05)。可见，复合系统可以增加RH。

图3 不同生长期各复合模式大气相对湿度(RH)的变化

2.4 不同生长期林药复合系统内风速(WS)的变化从图4可见，从苗期到生长减缓期复合系统内的WS均低于CK。W3×3模式的WS低于W5×3模式，整个生长季不同模式WS大小表现为CK(0.95 m/s)>W5×3(0.57 m/s)>W3×3(0.43 m/s)。W5×3和W3×3模式WS与CK相比降低了40.0%和54.7%。可见，复合系统可以显著降低WS，有效缓解风害。

图4 不同生长期各复合模式风速(WS)的变化

2.5 不同生长期林药复合系统内大气CO2浓度(Ca)的变化由图5可知，各生长期内不同模式下Ca日变化均表现为“V”型，且CK的Ca大于复合模式。整个生长期不同模式Ca变化表现为CK(382.7 μmol/mol)>W5×3(366.8 μmol/mol)>W3×3(361.66 μmol/mol)。与CK相比，W5×3和W3×3模式Ca分别减小了15.90和21.04 μmol/mol，出现这种结果的原因可能和复合系统通风不利等有关。

图5 不同生长期各复合模式大气CO2浓度(Ca)的变化

3 讨论与结论

生态环境因子对植物的生长有重要的影响，农林(药)复合系统改变了套种植物原有的生长环境，特别是对光照强度及其分布的影响直接关系到作物的最终生产力。该研究中，因为不同模式核桃树生长状况的差异，各复合模式中不同果树对林下作物的遮阴范围不同。与单作模式相比，复合模式能降低光合有效辐射强度(PAR)11.3%～42.1%，对树下套种作物的生长发育产生影响，这对于喜阴作物(部分中药材)的生长是有利的[4-6]。大气温度(T)是影响植物生长发育的重要环境因子之一[7]，通常情况下较高的气温有利于植物进行光合作用，但是过高的温度会使植物细胞原生质的理化性质发生改变[8]，破坏细胞器的原有结构，阻碍光合作用甚至致使其死亡[9]。该研究中林药复合系统与单作模式相比可降低T 1.22～2.11 ℃，可以减缓中午高温对中药材生长发育的有害影响。此外，相对于单作模式，核桃-中药材复合模式可有效提升大气相对湿度(RH)4.09～7.11百分点，降低风速(WS)40.0%～54.7%，降低大气CO2浓度(Ca)15.90～21.04 μmol/mol。在较干旱的商洛山区，较高的大气湿度可以局部缓解气候干旱带来的不利影响[10]，有利于树下套种中药材生长发育，降低风速可以减轻风害造成的不利影响，这造就了秦岭“中药材之乡”的美誉[11]。

农林(药)复合系统的立体布局改变了原来相对单一扁平的种植结构，新的立体结构产生新的小气候效应，光能、水分、养分等资源在生物间进行重新分配及二次平衡，形成了新的稳定平衡的生态系统，从而保障不同植物正常生长发育。