植物在吸收CO₂进行光合作用的同时, 通过蒸腾作用释放一定量的水分。通常把光合强度与蒸腾强度之比叫做水分利用效率(Water Use Efficiency, 即WUE) (北京农业大学, 1984; 高伟刚, 1986)。WUE越高说明消耗单位重量的水分所生产的干物质越多, 用水越经济。这在干旱地区更有意义。因此, 如何提高水分利用效率一直是微气象学、栽培学研究的重要内容之一。已经有一部分文献讨论了防护林和风障对水分利用效率的影响(曹新孙, 1983; N.J.罗森保, 1982; Brownk et al., 1971), 一般认为林带可以提高水分利用效率。但这些文献多是一些理论分析, 缺乏令人信服的数据。为此, 我们在河南省博爱县进行了观测研究, 以期为进一步研究农林复合系统的增产机制和优化模式提供依据。

1 试验地概况

本试验在河南省博爱县孝敬乡留村进行。它位于河南省西北部太行山南侧的平原上。年平均温度14 ℃, 年平均降雨量597.1 mm, 年平均太阳辐射495.33 KJ/cm²。观测点设在村东北一个面积约为6 hm²的小型林网式农林复合系统内, 主要树种为毛白杨(Populus tomentosa Carr.)、旱柳(Salix matsudana Koidz.)、白榆(Ulmus pumila L.)其规格见表 1。

对照点设在距观测点3 km的开阔地中, 可保证周围1 km的空旷区。林网内和对照点土壤均为潮垆土, 质地中壤。

2 材料和方法

供试小麦品种为豫麦2号, 于1994-10-01在林网内和对照点的试验小区和大田同时播种, 统一播量, 并制定了统一的田间管理措施, 专人负责管理。为了减少林网和对照点以及林网内不同位置土壤的差异性对小麦生长的影响, 我们在麦播前, 对林网内外的试验小区进行了换土。换土小区的规格是80 cm×80 cm, 周围设50 cm的保护行, 每点3次重复。具体做法是, 前茬(玉米)收获后, 立即把林网内和对照点试验小区的土按要求取出, 再填入取自同一块土地并经过充分混合的土壤, 雨后(或灌水后)再覆土一次, 使其尽量和原来的耕作面保持一致, 并在小区四周打桩标记。

播种后, 定期观测记载林网内外小麦的物候期和个体、群体发育情况(范濂等, 1984)。从5月初小麦开花开始, 选择典型天气, 采用LI-1600型稳态气孔计测定小麦的蒸腾强度, 采用特制叶室和采样器田间采样, 室内利用FQW型红外线CO₂分析仪测定小麦光合强度(中国农科院作物所生理室, 1981)。由于仪器较少, 只能在林网防护效能中心点(距南林带5倍树高处, 简称S5H处)和对照点各设一个观测点。在测定光合作用和蒸腾作用的同时, 用天空辐射表测定地面1.5 m高处的太阳辐射; 用阿斯曼和风速表测定植株2/3高处和距地面1.5 m、2 m高处的空气温度、湿度和风速; 用曲管地温表测定0 cm、5 cm, 10 cm, 和15 cm深度的土壤温度; 用烘干法测定0~20 cm土层的土壤湿度。

3 结果与分析 3.1 林网对小麦蒸腾速率的影响

我们对不同天气状况下林网内外小麦的蒸腾速率进行了多次观测, 结果发现林网对蒸腾速率的影响十分复杂。总的趋势是可以降低小麦的蒸腾速率, 但有时也不明显, 有时甚至会增加。表 2是林网对日平均蒸腾速率的影响, 从平均值来看林网减少了小麦的叶面蒸腾, 平均减少0.25 μg.cm².s。这和土壤的水分供应状况有关, 5月10日和16日水分状况较好, 林网内外蒸腾速率的差异较小, 而5月24日、29日气温较高, 土壤水分状况差, 林网内外蒸腾速率的差异较大(如表 2)。

从林网内外小麦蒸腾速率的日变化来看, 一般都是早上06时最小, 以后逐渐增加, 13~15时左右达到最大, 然后下降。不同生育期林网内外小麦蒸腾速率的日变化也不同, 灌浆初期, 一般蒸腾速率最大值出现在12~14时(如5月10日), 而后灌浆后期, 蒸腾速率的最大值出现在13~15时, 这是由于后期干热的气候造成的。林网改变了小麦蒸腾速率的日变型, 一般林网内蒸腾速率的最大值较林外晚1~2 h。林网内外蒸腾速率的差值是正午以前较小, 正午以后较大(如图 1)。

3.2 林网对小麦光合强度的影响

观测表明, 林网内小麦旗叶的光合强度略高于林外, 日平均光合速率多次观测值平均提高1.08 mg CO₂/dm².h, 如表 3。

林网对小麦光合强度的日变化也有一定的影响。小麦光合强度的日变化有2种, 一种是灌浆初期, 水分条件较好, 林网内外小麦光合强度的最高点都出现在上午11时, 所谓光合作用的“午休”现象不明显, 而且林网内外小麦光合强度的差别很小(如图 2-a)。第二种是灌浆后期, 由于空气温度高, 湿度低, 植株水分供应紧张, 特别是在正午时间, 这就使林网内外小麦的光合作用存在着明显的“午休”现象, 即光合强度在正午12~13时出现一个低谷, 这时林网内小麦仍保持较强的光合能力, 这说明林网可以有效地缓解小麦光合作用的“午休”现象。(如图 2-b)。

3.3 林网内外小麦水分利用效率的日变化

图 3是林网内外小麦水分利用效率的日变化, 其中a代表水分条件较好的灌浆前期, b代表后期。从图上可以看出, 不论是林网内还是林网外, 前期还是后期, 一天中小麦的水分利用效率最高点都出现在上午10~12时, 最低点都出现在下午14~16时。和小麦光合作用一样, 也存在着一定的“午休”现象。这是由于正午以后光合强度较低而蒸腾强度较高的缘故, 林网有利于减缓这一现象, 特别是在小麦生育后期, 一天中林网内小麦的水分利用率都略高于林网外, 但林网内外的差异随着时间的不同而不同, 一般在上午开始时(8~9时), 林网内外水分利用效率差别不大, 甚至林外略高于林内, 而在正午前后(10~17时)林网内小麦水分利用效率则明显高于林外, 而且在后期(图 b)更为明显, 这显然是后期林网可以更有效地促进小麦光合作用的缘故。

3.4 林网对小麦日平均水分利用效率的影响

表 4是林网内外小麦日平均水分利用效率多次观测的平均值, 从表中可以看出林网可以高小麦的日平均水分利用效率。5天的观测值平均提高6.33 %, 仅有1天略有降低。从表 4还可以看出, 林网内外小麦日平均水分利用率的差值是水分条件较差的生长后期大于水分条件较好的生长前期。

3.5 影响林网内外小麦水分利用效率的因子分析

影响小麦水分利用效率的因子很多, 大概可以分成两部分:一是环境因子, 包括空气温度、湿度、太阳辐射、风速、土壤含水量等; 二是小麦本身的生理状况, 包括气孔、水分供应、叶温、光合强度、蒸腾强度等。这些因子又相互影响, 错综复杂。如生理因子归根结底也受环境因子制约, 对于农林复合系统来说, 这些因子中, 有些可以使水分利用效率提高, 如降低风速, 降低气温, 提高空气湿度。但有些因子又可以使蒸腾增加, 从而降低水分利用效率。如林网可以减小气孔阻抗, 这一因子的变化既可以增加光合, 又可以增大蒸腾。为了综合分析影响小麦水分利用效率的因子, 我们对几天来的观测资料进行了主成份分析, 参加主成份分析的因子有:气孔阻抗(R_S)、叶温(T_L)、光合速率(P)、蒸腾速率(E)、太阳辐射强度(Q)、空气温度(T_a)、空气饱和差(d)、和风速(V)共8个因子, 其结果见表 5。

从表 5可以看出, 对第1主成份影响最大的是空气温度、叶温和饱和差, 也即是温湿因子; 对第2主成份影响最大的是光合强度; 对第3主成份影响最大的是气孔阻抗, 这些反映了生理状况, 前3个主成份的累计贡献率达89.08 %, 基本可以反映出绝大部分信息。

由此可以基本看出, 在影响小麦水分利用效率的诸多因子中, 以空气温度、叶温和空气饱和差为最重要, 其次是光合强度和气孔阻抗。对所观测的资料进行回归分析, 表明水分利用效率和叶温呈负相关(r=-0.800), 和光合强度呈正相关(r=-0.914)。

4 小结

林网可以提高小麦的水分利用效率, 其日平均水分利用效率的多次平均值林内较林外提高6.33 %。

林网内外小麦水分利用效率有明显的日变化和“午休”现象, 林网可以有效地减缓这一现象。

林网内外小麦的水分利用效率也随小麦的生育期和水分供应状况而变化, 在灌浆前期和水分供应良好的情况下, 水分利用效率较高, 后期则较低。而且林网对小麦水分利用效率的影响也随着这一变化而变化, 对后期的影响大于前期。

应用主成份分析的方法对影响林网内外小麦水分利用效率的因子进行了综合分析, 结果表明对第1主成份贡献最大的是空气温度、叶温和饱和差, 对第2和第3主成份影响最大的是光合强度和气孔阻抗。回归分析结果表明小麦水分利用效率和叶温呈负相关, 和光合强度呈正相关。