平原农区农林间作是平原混农林业的重要形式, 它具有改善农田小气候、增加作物产量的作用, 也是平原农区林业存在和发展的动力(袁玉欣, 1994;1996;王广钦等, 1983);能促进平原农、林业可持续发展。但是, 从农业生产角度看, 农林间作不仅地下根系间的竞争会造成农作物减产(Singh et al., 1989), 林木遮荫也是造成农林矛盾的重要原因。林木对农作物的遮荫作用被称之为“光胁地” (吴力立等, 1994)。大多数的研究是描述现实林分的树冠阴影移动规律、测定某处作物的受光量或受光时间等(王汉杰, 1991;李树人等, 1994)。田间农作物的受遮荫程度和产量, 取决于平均单株林木的遮荫面积和单位面积林木的遮荫面积。林木遮荫面积的计算, 要考虑林木在田间的排列形式、排列方向和单位面积林木的株数, 但更重要的是树冠形状。所以, 研究林木遮荫均从树冠形状研究开始。为计算上的方便, 许多研究者均把林木树冠规定为能够用数学方程描述的规则形状, 如圆锥形、椭圆形、半椭圆形、圆球形、半圆球形等(袁玉欣等, 1998;Qusada, 1989; Satterlund, 1983)。本研究历时7 a (1991~1997), 研究了毛白杨(Populus tomentosa Carr.)在华北平原农区的间作系统林木遮荫面积和遮荫程度的变化情况。

1 研究地区基本情况

研究选择在河北省毛白杨栽培面积较大的2个县进行。大名县位于河北省的南部, 处于东经114°43′~115°28′, 北纬36°03′~36°30′; 定州市位于河北省的中部, 处于东经114°48′~115°15′, 北纬38°14′~38°40′。2县均属暖温带半湿润大陆性季风气候, 其气象条件如表 1。

间作地设置在河流的故道、沙荒地和次耕地, 土壤的理化性质和养分状况较差。大名县试验区是在南李庄乡的西村, 1985年种植, 测定时为中龄林, 林木株行距为4 m×30 m。试验地总面积33 hm²。定州市试验区是在高蓬乡的钮店, 1991年定植, 测定时为幼林, 株行距分别为3 m×2 m×18 m, 面积分别为50 hm²。以上间作地块林木的行向均为南北走向。

2 研究方法

林木生长指标的测定:采用常规的测定方法, 在每年的秋季林木生长停止时, 对毛白杨的树高、胸径、冠幅、枝下高进行测定。林木阴影和全光下光照强度测定:选择晴朗的天气分别在幼林和成林, 用棒状照度计在林木阴影的顶部、中部和底部测定光照强度, 同时测定全光下的光照强度。

林木遮荫面积的计算采用笔者推导的计算公式(袁玉欣, 1998), 散生状林木遮荫面积计算公式是:

(1)

(2)

式中, S、S_t分别是平均单株毛白杨的遮荫面积和单位面积林木遮荫面积; l、d分别是毛白杨的冠长和冠幅; h是太阳高度角; N是单位面积林木株数。林木行内郁闭后时, 采用公式:

(3)

式中, T_s是林木株距, 即林木行内郁闭后, 平均单株遮荫面积近似成矩形, 同时矩形的一个边变为林木的株距; A是太阳方位角; 其它同上。如果林木行间充分郁闭, 在中午时分的遮荫面积为:

(4)

3 结果分析 3.1 幼林遮荫面积计算

幼林林木在间作的最初几年基本呈现散生状态, 遮荫面积的计算采用式(1);以后随林木冠幅的不断增加, 株间进入郁闭状态, 遮荫面积的变化主要是由冠长引起的, 用式(3)计算。式(1)中林木的遮荫面积的计算不仅与有关测树因子有关, 而且也是时间的函数, 包括季节变化和一天中不同时刻的变化。林木全年的平均遮荫面积应是生长季每天每一时刻遮荫面积的平均, 这就需要对(1)式进行微分计算。然而, 这样的计算十分复杂并且工作量较大, 所以, 可从一年中4~8月选择几个典型日期进行遮荫情况计算。林木遮荫与林木的生长有关, 其测树因子生长情况见表 2。

从表 2可以看出, 由于林木栽植采用了2 m和18 m两种行距交替进行的方式, 这样在间作的最初两年林木基本为散生状态, 以后林木的小行间(指2 m的小行距)和株间逐渐郁闭。这样, 在计算时, 就应把郁闭的部分看成一个整体, 其冠长不变, 但其单株平均冠幅变成:

(5)

由于林木生长指标的测定是在每年生长结束后进行的, 考虑到树冠是一个逐步生长的过程, 这样在计算树冠指标的平均值时采用:

(6)

由此计算的结果超过林木的株距或林木的小行距就把郁闭的部分看成一个整体计算其面积。依据(1)、(3)、(5)和(6)式, 对表 2中的毛白杨平均单株进行不同间作年份、季节和一天中不同时刻的遮荫面积计算。计算时应选择叶面积较大的时期即农历的谷雨到处暑才有意义, 计算结果见表 3。

从表 3可以看出: (1)一天中林木的遮荫面积以中午为中点上、下午对称, 并以12时为最小; (2)不同季节林木的遮荫面积以夏至为中点前后对称, 并以夏至中午12时为全年的极小值。为直观反映毛白杨不同时刻和不同季节的平均单株遮荫面积的变化情况, 作图 1。

从图 1中可以清楚地看出, 林木遮荫面积不同季节的变化和1 d中不同时刻的变化。同时还可以看出, 供试整个间作期林木的遮荫可明显分两个阶段, 1~3 a林木的树冠可以无任何限制地生长, 其遮荫的面积可以散生林木计算, 4~7 a林木的株间和小行距已经呈郁闭状, 其平均单株遮荫面积可以林木郁闭后的公式计算, 同时由于采用合理的大小行距配置, 所以林木平均单株遮荫面积的增长过程缓慢。图中林木遮荫面积(Y)的增长与间作年限(x)的关系比较密切, 可用下式表示:

(7)

利用表 3, 可以计算出单株所占面积林木的遮荫指数(SI), 其计算公式是:

(8)

式中, Tsa是林木遮荫面积; La是单株所占面积。由式(8)计算的结果见表 4。

表 4中说明, 在间作进行到第5 a时, 林木的遮荫指数已经超过50%, 说明遮荫已经很严重了。这种间作模式是采用大小行距配置形式, 对农林长期间作比较有利, 否则在单位面积株数相同的情况下, 采用一般的株行距配置, 林木的遮荫指数会更大。在林木的遮荫范围内, 林木的遮荫程度也与树冠阴影处的透光率有关, 见表 5。

表 5为上午每间隔1 h毛白杨幼林阴影部分的相对光照强度变化过程, 下午的情况基本与上午是对称的。

利用表 4、表 5可以估计出幼林不同间作年限的遮荫程度。需要说明的是, 林木阴影部分的相对光照强是和间作年限成反比, 利用某一年中某一天的测定数据计算间作各年的林木遮荫程度精度是不很高, 但可以用其来表示一种大致的趋势, 其计算公式是:

(9)

式中, SD是遮荫程度; Rr是林木阴影中相对光照强度。利用式(9)计算结果见表 6。

从表 6中看出, 林木的遮荫程度随间作年限的推移而逐步提高, 到间作第4 a时林木的遮荫程度已超过10%。有研究说明, 在没有地下根系竞争的条件下, 遮荫程度到达25%并不影响小麦的产量(Qusada, 1989)。表中说明, 甚至在间作第7 a遮荫程度也未达到20%, 想来对作物产量当无太大的影响。然而作物产量分析结果, 在该模式下农作物的产量在第5 a就开始有明显的下降(袁玉欣等, 1996)。分析产生这种矛盾的主要原因, 一是计算时利用的阴影中光照强度数据是间作第3 a的数据, 使间作第4 a以后计算的遮荫程度偏小; 二是随间作林木的生长, 根系对农作物的生长已经有不同程度的负作用, 造成农作物产量受到影响。所以, 间作条件下造成农作物产量下降的遮荫强度会比25%遮荫强度低。从试验结果看, 15%的遮荫程度是可以接受的最高遮荫上限。

2.2 成林遮荫面积计算

成林与幼林的计算过程相似, 所不同的是成林的行内早已郁闭, 故可用式(3)计算。林木生长情况见表 7。

利用表 7可计算出不同年份的林木平均单株遮荫面积, 见表 8。

从表 8可以看出, 不同季节和一天中不同时刻平均单株阴影面积的变化规律与幼林是相同的, 所不同的是成林的绝对值较大。

图 2中表示间作第10 a和间作第14 a不同季节和一天中不同时刻, 林木平均单株阴影面积变化用以反映间作年限与林木平均单株遮荫面积的关系。

成林树冠阴影的透光率与幼林相比是有区别的, 见表 9。

利用表 8和表 9中有关林木阴影的相对光照强度材料, 可以计算出林木的遮荫指数和遮荫程度, 见表 10。

表 10中可以看出, 在该间作模式条件下, 从间作第10 a起以后多年的遮荫指数已超过50%, 并且呈现逐年增大的趋势, 同样遮荫程度也高于20%, 并且也呈现逐年增大的趋势, 在这样的遮荫情况下, 农作物的因光照强度不足而减产, 加上杨树成林比较强大的根系系统与农作物竞争水肥, 作物减产几乎是肯定的。事实上, 从作物产量分析得知在间作进行到第10 a时, 间作系统中的作物产量确是逐年下降的, 且产量低于对照(袁玉欣等, 1996)。与表 4和表 6相比, 同样是50%遮荫指数, 成林的实际遮荫程度要高得多, 一是说明成林的树冠比幼林浓密, 二是说明用遮荫程度来描述林木遮荫更符合实际情况。

3 结论

通过计算, 幼林(3 m×2 m×18 m) 1~7 a的平均遮荫面积指数为1.3%~67.8%, 遮荫程度为0.3%~16.5%。

中龄林—成林(4 m×30 m) 10~14 a的平均遮荫面积指数是51.3%~76.0%, 而遮荫程度为22.8%~28.1%。

参照间作产量测定结果, 利用遮荫程度作为描述林木对作物的遮荫, 比用遮荫指数更符合实际, 同时提出林木田间的15%的遮荫程度是可以接受的对作物的遮荫上限。