灌木状白蜡(Fraxinus chinensis, 又称白蜡条) —农作物间作系统是豫东沙区重要的农林复合经营形式, 有数百年的经营历史, 仅宁陵县就有1500 hm²。它把多年生的灌木状白蜡和1年生的作物结合起来, 不但可以充分利用自然资源, 生产大量的条子、白蜡杆等小型用材, 而且还可以改善农田生态系统的结构, 提高其多样性与稳定性(王广钦等, 1987a; 1987b;1990;Wang Guangqin et al., 1991)。因此, 把条农间作当作一个完整的人工生态系统, 研究其物质的固定、消耗、分配、循环规律, 对于进一步研究条农复合系统的结构与功能和条农间作的优化模式有着重要的意义。

1 调查地区概况

调查地区位于豫东宁陵县城郊徐大庄, 北纬34°28′, 东经115°20′。年平均气温14.5℃, 年平均降雨量720 mm, 土壤为沙壤土, 地下水位3~4 m。白蜡条为25 a的壮龄条墩, 株距1.0 m, 带距4 m、8 m、12 m、22 m不等。主要间作物有小麦、花生、玉米、大豆等, 其中小麦和花生是本区最有代表性的作物, 因此白蜡条+小麦+花生就是最主要的间作模式。

2 材料和方法 2.1 白蜡条生物量的测定

在广泛踏查的基础上以条行走向、条带宽度、株行距, 设置了20块标准地。每块标准地长20 m。由于白蜡条为墩状灌木, 因此标准地调查以墩为单位, 分别调查每墩的白蜡标、条数量、基径(条是1年生的, 一般每年刈割利用1次, 杆是由条培养的多年生的, 一般每墩3~5根, 每3年砍1根), 然后求出每块标准地的平均数, 再根据平均数找出标准墩, 共选标准墩20个。将各标准墩连根挖出, 每墩分别记载所有白蜡杆、条的长度、基径、湿重、叶重、年龄和根重, 然后按杆、条、根、叶分别取样称重, 在105℃的温度下烘至恒重, 推算全墩生物量(木村允, 1981)。

2.2 农作物生物量调查

农作物调查用样方收获法在即将收获的季节进行(木村允, 1981)。方法是在条农行间距条行不同距离处均匀设置样方, 样方0.5 m×0.5 m, 每块标准地设置5个样方, 共计100个样方。将样方内所有作物分根、茎、叶、果(穗)收获, 称其鲜重, 并按根、茎、叶、果(穗)取样称重, 烘干后推算样方生物量。

2.3 凋落物的收集

在行距为22 m条农间作标准地中, 在条行间设置自制的凋落物收集器2个(樊巍, 1991), 两条林带间垂直于林带分别距两林带0.5 m、1.5 m、3.5 m、5.5 m、7.5 m、9.5 m处各设置收集器1个共14个, 从4~11月份, 每一个月收集一次, 然后加权推算出系统单位面积的凋落物干重。

2.4 营养元素的测定

氮、磷、钾的测定采用常规化学分析方法, 钙、镁、锰的测定采用原子吸收仪测定。

3 结果与分析 3.1 条农间和系统的生物量

(1) 白蜡条生物量数学模型的建立  对于乔木存在着相对生长关系, 一般表示为W=AD^B或W=A (D²H) ^B (刘玉萃, 1981; 木村允, 1981; 杨修, 1986), 其中:W为全株树或各器官的干重, D为胸径, H为树高, A、B均为待定系数。那么, 对于灌木是否存在这一相对关系呢?我们用每墩杆(条)的平均基径(D₀)、平均长度(H)建立全墩重、杆重、条重、叶重和根系重的相对关系, 如表 1。从表中可看出D₀、D₀²H与单株全重及各器官生物量的相对关系均达到极显著水平, 说明这两种生长关系都适用于灌木。其中W=AD₀^B优于W=A (D₀²H) ^B。就条墩各器官生物量回归方程的相关程度来看, 以杆的相关关系最好, 根系最差, 这主要是在挖根时不能做到完全、彻底。(2)白蜡条的生物量  根据标准墩生物量, 可以求得白蜡条单墩平均生物量, 如表 2。从表中可以看出, 在白蜡条单株生物量结构中, 杆重占的比例最大, 小条生物量所占比重最小, 仅为1.71%。根系在条墩生物量中占第2位, 达39.43%, 这是因为白蜡条的根系是从掩条以来20多年积累起来的, 因此所占的比例更大些。根据白蜡条生物量的回归方程及标准地调查资料, 可求得单位面积的白蜡条生物量及分配, 如表 3。(3)农作物生物量及其变化规律  调查地区主要是小麦—花生套种, 1年2熟, 所以农作物的生物量调查有小麦、花生2种。条农间作小麦生物产量分配见表 4。从表中可以看出在小麦生物量构成中, 籽粒和茎叶所占的比例最大, 穗轴比例最小。对于不同带距的条农间作, 各器官所占的比例也不相同。随着条带距的减小, 减少了光照, 影响了小麦的生长和发育, 使籽粒产量降低, 相对的营养器官比例增大, 这说明条农间作带距不能过小。

表 5是花生生物量的构成, 其中茎叶所占的比重最大, 果实(带壳)占27.3%。(4)条农间作系统总的生物量构成表 6是整个条农间作系统总生物量的构成, 从表中可以看出, 随着带距的减小, 白蜡条株数增加, 其生物量比例增大, 而农作物所占总生物量的比例减少, 就整个条农复合系统而言, 其生物现存量达30.9837~60.4399t/hm², 是随着白蜡条带间距减小而增加的。

3.2 条农复合系统的生产力

条农间作生态系统的生产力是指单位时间面积上的生物产量, 它是光合作用每年生产的有机质, 除去呼吸消耗所剩部分, 用“t·hm^-2·a^-1”表示。它是由白蜡条净生产量和作物净生产量两部分组成。(1)白蜡条净生产量的计算  白蜡条是一种特殊的栽培方式, 其地下部分的根桩已达多年。地上部分的白蜡杆也是1~3年不等。所以对白蜡条的估算应分器官进行, 对多年生的根桩、杆应取年平均值, 对当年生的小条和叶取当年的生物量, 白蜡条的凋落物很少, 通过凋落物收集器的测定为0.4327t/hm²。将其按不同密度加权处理后加上, 则白蜡条净生产力如表 7。(2)条农间作生态系统的生产力  由于所调查的农作物是一年生作物, 因此生产力的估算把不同作物的生物量相加即可求出条农间作生态系统的生产力。如表 8所示。从表中可以看出, 条农间作生态系统的生产力可达20.7428~25.1380 t·hm^-2·a^-1。不同带距条农间作生产力变化规律和生物量变化规律是基本一致的。这和华北平原地区部分人工林和农林复合系统比较, 还是比较高的(杨修, 1986; 樊巍, 1991; 徐孝庆, 1987), 说明这一人工栽培群落有较高的生产潜力。

3.3 条农间作系统营养元素的分配与循环

(1) 条农间作系统营养元素的分配  表 9是条农间作系统不同组分, 不同器官的营养元素含量, 从表中可以看出, 以花生、小麦的营养元素含量为最高, 以白蜡条枝干元素含量为最低。(2)条农间作和单一作物营养元素循环  根据系统的生物量、生产力和凋落量各组分营养元素的含量, 计算出行距为22 m的白蜡+小麦+花生间作系统营养元素的存留量、年吸收量和年归还量及营养元素的循环率, 如表 10。

从表中可以看出, 条农间作生态系统6种元素的循环率比单一农作物高20%, N高12.5%, P高32.75%, K高34.36%, Ca高23.4%, Mg高26.80%, Mn高8.60%。从而增加了营养元素利用率。

但值得注意的是, 不论条农间作还是单一种植农作物, 其营养元素的循环率太低, 特别是N、P、K。这主要是由于人们收获了包括桔秆在内的产品, 使营养元素的归还太少。因此, 必须使桔杆还田, 增施有机肥料, 这样才能保持生态系统中的营养元素平衡。

4 结论

所调查的条墩年龄为25 a, 株距为1 m的白蜡条生物现存量为30.9837~60.4399 t/hm², 年净生产力为20.7482~25.1380 t·hm^-2·a^-1。远高于一般的人工林和农田生态系统, 这说明这一农林复合系统有着较高的生产潜力。

对白蜡条相对生长关系分析表明, 各器官生物量与D、D²H关系密切, 可以用来估算灌木白蜡条的生物量。

条农间作不同行距小麦生长量的构成表明, 随着条行距离的缩小, 生物量减少而且茎叶等营养器官比例增大, 而籽粒产量降低, 这说明条农间作行距不宜过小, 以20 m为宜。

条农间作可以提高营养元素的循环率, 6种营养元素的总循环率较单一作物系统提高20%, 从而增加了营养元素的利用率。但值得注意的是, 不论条农间作还是单一种植农作物其营养元素的循环率都太低, 这主要是由于人们收获了白蜡杆(条)和作物秸杆在内的产品, 使营养元素的归还太少, 因此, 必须增施肥料, 这样才能保持生态系统营养元素的平衡。