王沛娟 樊文霞 李燕芳 李田甜 吴全忠 翟云龙 万素梅 陈国栋

(塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔市 843300)

新疆南疆地区因光热资源丰富、昼夜温差大、降雨稀少等独特的自然资源禀赋[1]，使得红枣和棉花成为新疆发展战略中的特色农产品[2]。随着各级政府将特色农果业打造为新疆的优势产业和支柱产业，种植红枣成为南疆农民增收致富的重要手段[3-4]。而棉花是新疆地区最具优势的经济作物之一，高品质、高产量的棉花产业是新疆经济社会稳定的基础[5-6]。近年来，随着林果种植面积的不断增加，造成了农果争地矛盾。为解决这一矛盾，特色农果复合种植模式得到飞速发展[7]。农果间作系统是建立在生态学基础上的一种复合种植模式[8]。合理的间作模式可有效提高光热[9]和水土资源[10]的利用效率、增加经济产值[11]、避免间作复合系统中不同物种间争水争肥的矛盾，实现农业资源的高效可持续利用[12]。但农果间作复合系统中，果树与粮食作物[13]、果树与经济作物(棉花)[14]也存在资源的相互竞争。因此，科学组配合理的农果间作群体尤为必要。

光合作用是植物生长发育及产量形成的基础，也是作物产量和品质构成的决定性因素[15]。为解决农果生产争光问题，郭佳欢等[16]对枣麦间作系统中冬小麦的冠层光分布进行了研究，结果表明，单作冬小麦冠层的饱和光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)比间作处理高56.1%，枣树遮阴造成的冠层PAR时空窗损失会导致间作冬小麦不同程度减产。蔡倩等[17]研究表明作物生育旺盛期，间作模式能够促进仁用杏叶片的光合作用并提高水分利用。党科等[18]对糜子-绿豆间作研究显示，施氮处理下间作绿豆叶片的平均净光合速率(net photosynthesis rate,Pn)、蒸腾速率(transpiration rate,Tr)比不施氮分别增加10.5%～24.5%、15.2%～29.5%；不同施氮量显著增加了间作绿豆的干物质积累和产量，有效提高了绿豆的光合特性和产量。范元芳等[19]对玉米-大豆带状间作研究表明，间作大豆净光合速率显著低于净作大豆。苏康妮等[20]对核桃-玉米间作研究表明，间作园内玉米距离核桃树越近，玉米株高、产量等受到的抑制越强；间作园的净光合速率峰值显著低于单作园。前人关于农果间作总体是对不同作物品种的光合特性以及遮阴程度进行研究，而对不同田间配置中间作作物光合特性机理的研究缺乏大量理论支撑，难以准确反映农果复合系统中作物对光热资源利用的规律特性。基于此，本研究以南疆枣棉间作种植模式为研究对象，探讨间距对间作棉花光合特性和产量的影响，旨在明确间距调控棉花光合特性及群体产量的作用机理，为南疆地区农果种植结构优化及高效利用光资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年在新疆阿拉尔市塔里木大学园艺试验站(40°32′34″N，81°18′07″E，海拔1 015 m)进行。研究区位于塔里木河上游、塔克拉玛干沙漠西北边缘，属暖温带大陆性干旱荒漠气候，光热资源丰富，年均太阳辐射为559.4～612.1 kJ·cm-2，日照时数约为2 996 h，日照率66%，≥10℃的积温在4 000℃以上，无霜期180～224 d，年均气温10.8℃。降雨稀少，年均降水量40.1～82.5 mm，年均蒸发量1 976.6～2 558.9 mm， 地下水埋深在3 m以下。地表蒸发强烈，空气十分干燥，主风向为东北风，是典型的灌溉农区。土壤类型为沙壤土，土壤pH值7.90、有机质含量11.20 g·kg-1、 全氮含量1.51 g·kg-1、速效磷含量58.70 mg·kg-1、速效钾含量107.34 mg·kg-1。

供试枣园于2012年酸枣种植建园，2014年嫁接灰枣，2019年进行枣园修整。枣树株行距配置为3 m×1 m，南北行向，枣园树高为1.0～1.5 m，树冠直径为0.7～0.9 m。棉花品种：2019年为新陆中38号，来源于新疆巴音郭楞蒙古自治州农业科学研究所选育的8316×中99后代973株系的自然变异单株；2020年为新陆中82号，来源于新疆塔里木河种业股份有限公司、新疆劲丰合农业科技有限公司选育的A27X52-2。

1.2 试验设计

试验设3种不同间作处理(图1)，分别在距离枣树两边1.4 m处种植2行棉花(M1)，棉花行距20 cm；距离枣树两边1.0 m处种植4行棉花(M2)，棉花行距配置为(20+60+20 cm)；距离枣树两边0.5 m处种植6行棉花(M3)，棉花行距配置为(20+70+20+70+20 cm)。棉花株距为11.5 cm，人工点播，并设置单作棉花为对照(CK)，单作棉花采用行距为66+10 cm的一模六行传统机采棉种植模式，共组成4个处理，每个处理设3次重复，共计12个小区，单作CK小区面积为120 m2，间作棉花小区面积为80 m2，随机区组排列。越冬前进行灌溉，各小区灌水量、施肥量保持一致，试验地其他田间管理措施保持一致，适时进行人工除草。

图1 枣棉间作田间分布示意图Fig.1 Schematic diagram of field distribution of jujube cotton intercropping

田间肥料施用和灌溉方式：试验在单作棉花和间作系统中设传统田间滴灌带灌溉，采用两行棉花一条滴灌带排列方式，田间灌水与施肥统一进行，两年试验各生育阶段的施肥量和灌水时间相同，所用肥料为复合肥料(表1)。

表1 田间肥料施用和灌水时间Table 1 Fertilizer application and irrigation in the field

1.3 测定指标与方法

1.3.1 光合有效辐射的测定 使用SQ-420球状光量子传感器(美国Apogee公司)于正午固定在距枣树1.45 m的棉花植株上方10 cm处进行测定，各测点重复3次。2019和2020年PAR均于棉花苗期、蕾期、花铃期、吐絮期主要生育阶段进行测定。

1.3.2 光合指标的测定 两年试验均于棉花主要生育阶段使用Li-6400 XT便携式光合仪(北京力高泰科技有限公司)于12：00—14：00测定，各处理选取5株有代表性植株，选择棉花功能叶测定其光合指标，包括叶片净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(net intercell nar CO2concentration， Ci)、气孔导度(stomatal conductance,Gs)、蒸腾速率(Tr)，并计算水分利用效率(Pn/Tr)。

1.3.3 产量测定 于棉花吐絮期进行实收测产和考种。依据种植面积进行测产：棉花在间作系统内使用土地占比2/3，实收测产面积为80 m2；枣树占比为1/3，测产面积为40 m2。为使单作棉花与间作棉花产量具有可比性，将各处理小区实收产量折算为单位面积(1 m2)产量进行比较分析。

1.4 灰色关联度分析

以4种种植模式作为评价对象，选取苗期、蕾期、花铃期、吐絮期叶片Pn、Gs、Ci、Tr、水分利用效率(water use efficiency,WUE)和产量作为评价指标，建立参考数据列和比较数据列[21]。

1.4.1 无量纲化处理 为了消除各指标量纲带来的影响，需要对数据进行无量纲化处理，以每个评价指标的最大值Xj作为参考值，由各指标实测的最优值组成“理想种植模式”，根据公式(1)进行无量钢化处理。

(1)

式中，Rij为第i个样品指标j的值；Xj为j指标的最大值。

1.4.2 计算关联度系数 对各指标数据无量钢化处理后，按照公式(2)计算关联度系数。

(2)

式中，ζi(j)为关联度系数；miniminjΔi(j)为原始数值与参考值Xj无纲量化处理后绝对差值的最小值；maximaxjΔi(j)为原始数值和参考值Xj无纲量化处理后绝对差值的最大值；ρ为分辨系数，一般取0.5进行计算。

1.4.3 计算灰色关联度 将熵权法确定的各指标权重代入评价指标关联度系数中进行加权，求出加权关联度、等权关联度，即为灰色关联度。

(3)

式中，ri为等权关联度，将ζi(j)求平均值，得到不同种植模式棉花的等权关联度；ri*为加权关联度系数；ωi(j)为指标权重系数。

1.5 数据分析

使用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0和DPS 7.05统计软件进行数据处理和统计分析，用最小显著极差法(P<0.05)进行显著性检验，使用OriginPro软件作图。

2 结果与分析

2.1 棉花主要生育时期调查结果

对两年棉花生育期的调查结果表明(表2)，由于种植棉花试验品种的不同，2019和2020年棉花各生育阶段的生长时间也不同。总体上，2019年棉花从出苗到吐絮的生长发育时间较2020年短。2019年所选品种新陆中38的吐絮期较2020年新陆中82的吐絮期短15 d。

表2 棉花生育时期调查表Table 2 Survey of cotton growth period /d

2.2 间作棉花冠层上方光合有效辐射(PAR)的变化

由图2可知，随着棉花生育进程的推进，各处理两年冠层光合有效辐射均呈现先增加后降低的变化趋势，花铃期达到最大值。2019年苗期与2020年苗期和吐絮期各间作处理冠层PAR强度均无显著差异。2019年和2020年花铃期间作M3处理PAR强度较M1、M2处理分别低3.9%、7.3%和10.0%、9.5%，这是因为在间作系统中枣树对棉花造成了遮荫。2019年M1处理在蕾期的PAR强度显著高于其他间作处理，较单作CK低8.0%；2020年蕾期各处理间均无显著差异。在棉花主要生育阶段，对照(CK)光合有效辐射强度总体高于间作处理，说明间作复合系统枣树对棉花有一定的遮光作用。综上所述，随着枣树、棉花的生长发育，枣树遮阴对棉花光合有效辐射强度有一定的影响。

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. The same as following.图2 不同处理棉花冠层上方光合有效辐射变化Fig.2 Changes of photosynthetically active radiation above the cotton canopy under different treatments

2.3 间作对棉花光合特性的影响

2.3.1 对棉花净光合速率的影响 棉花不同生长发育阶段各处理间净光合速率(Pn)差异程度表现不一(图3)。2019年各生育时期间作系统净光合速率均大于单作(CK)，M3处理棉花的Pn值最大。2020年苗期、花铃期、吐絮期间作处理Pn均大于对照(CK)，而蕾期低于对照(CK)。两年试验表明，花铃期、吐絮期各处理间Pn变化趋势相似，而苗期与蕾期各处理之间存在差异。2020年苗期M1处理的Pn分别较CK和M2处理高73.12%和43.24%；蕾期CK则较M1、M2、M3处理分别高19.53%、22.06%、3.92%。两年试验研究表明，间作总体上提高了棉花的Pn，且M3处理的Pn总体上高于其他处理，这可能是因为枣树棉花间作有利于诱导棉叶对光能的吸收，增强固碳羧化能力，从而提高棉花的光能利用率。

2.3.2 间作对棉花蒸腾速率的影响 不同时期棉花蒸腾速率(Tr)变化特征差异明显(图4)。2019年苗期各处理Tr均无明显差异；蕾期间作处理棉叶的Tr均高于对照(CK)，且M1处理的Tr最大；花铃期各处理间Tr由大到小的顺序为M2>M1>CK>M3；吐絮期对照(CK)Tr最大，较M1、M2、M3处理分别高49.56%、79.58%、85.91%。2020年花铃期M1、M3处理Tr大于对照(CK)，其他生育阶段对照(CK)的Tr均大于间作处理，蕾期和吐絮期最为明显。综上所述，间作总体降低了棉花蒸腾速率，2019年各处理的Tr与2020年相比表现出较大的差异，可能是因为棉花试验品种不同，影响了叶片蒸腾速率。可见，棉花叶片蒸腾速率的变化不仅受种植模式影响，也因品种而异。

图3 不同时期棉花净光合速率变化Fig.3 Changes of cotton net photosynthetic rate in different periods

图4 不同时期棉花蒸腾速率变化Fig.4 Changes of cotton transpiration rate in different periods

图5 不同时期棉花气孔导度变化Fig.5 Changes of cotton stomatal conductance in different periods

2.3.3 间作对棉花气孔导度的影响 棉花气孔导度(Gs)变化特征表明(图5)，不同处理苗期、蕾期Gs均有较大差异，而花铃期和吐絮期Gs变化趋势基本保持一致。2019年苗期CK的气孔导度最大，较M1、M2、M3处理分别高11.95%、5.19%、20.23%，且间作M2处理高于M1和M3处理；蕾期M1处理Gs最大，M2处理最小。2020年苗期间作处理棉叶的Gs均高于对照(CK)，由大到小的顺序为M3>M2>M1>CK；蕾期则表现为CK最大，较M1、M2、M3处理分别高43.75%、38.8%、23.73%，Gs最大值出现在M3间作模式处理中。2019年M3处理气孔导度在苗期、花铃期和吐絮期均低于CK，2020年M3处理气孔导度在蕾期和吐絮期均低于CK，主要是因为棉花试验品种不同，且随枣树的生长发育，间作系统棉花植株受到的遮阴也会对其造成影响。

2.3.4 间作对棉花胞间二氧化碳浓度的影响 胞间CO2浓度是指内环境中的二氧化碳浓度，为棉花光合作用的反应物之一。棉花胞间CO2浓度(Ci)变化特征表明(图6)，2020年棉花Ci均低于2019年。2019年苗期、蕾期、吐絮期CK处理的Ci高于间作处理，花铃期M3处理Ci最小。2020年花铃期CK处理的Ci低于M3处理，蕾期与吐絮期则是CK高于各间作处理。两年试验表明，从苗期到吐絮期各处理Ci变化趋势为先升高后降低再升高，变化规律基本保持一致。总体而言，与单作相比，间作系统降低了棉花胞间CO2浓度。

图6 不同时期棉花胞间CO2浓度变化Fig.6 Changes of CO2 concentration among cotton cells in different periods

2.3.5 间作对棉花水分利用效率的影响 作物产量与其光合作用和水分利用效率(WUE)相关，对棉花不同处理整个生育期的WUE进行分析(图7)，结果表明，2019年蕾期和2020年蕾期、花铃期各处理间的水分利用效率均无显著差异。2019年苗期M2处理的水分利用率显著高于CK，与M1、M3处理无显著差异；花铃期M3处理显著高于M2处理，与单作CK、M1处理无显著差异；吐絮期CK、M1和M2处理的水分利用率较M3处理分别低67.06%、52.47%和39.61%。2020年苗期M3处理的WUE显著高于M2、CK处理，与M1处理无显著差异；吐絮期M3处理的WUE最大，与M2处理无显著差异，单作处理CK较M3、M2分别低71.95%、36.37%。总体而言，2019年全生育期M3处理WUE总均值分别较CK、M1、M2处理高52.8%、36.0%、30.2%，2020年则分别高50.4%、9.9%、9.0%。

图7 间作对棉花水分利用效率的影响Fig.7 Effects of intercropping on cotton water use efficiency

2.4 间作对作物产量的影响

为使单作与间作具有可比性，对各处理所收获的棉花产量进行单位面积折算分析，结果表明(图8)，各间作处理单位面积内的棉花产量均达到了显著水平(P<0.05)，间作M3处理产量最高。2019年对照(CK)棉花单位面积产量显著高于间作M1、M2处理，间作M3处理相比CK显著高16.4%。2020年M2处理与CK无显著差异，CK相较M1处理增产64.6%，M3处理较CK增产20.2%。综合两年结果，间作M3处理单位面积内棉花平均产量分别较CK、M1、M2高18.2%、85.9%和37.0%。

图8 间作对棉花产量的影响Fig.8 Effect of intercropping on cotton yield

2.5 枣棉间作系统光合与产量灰色关联度评价

对各指标按照变异系数法的原则进行赋值，计算两年试验不同种植模式产量和各指标所占权重及变异系数(表3)。将表3数据与各间作处理关联度系数代入公式(2)，即利用公式(3)可得到2019和2020年不同间作处理各时期光合特性与产量的等权关联度(ri)、加权关联度(ri*)，将其从大到小进行排序，结果见表4。根据灰色关联度评价的规则可知，关联度越高说明越接近理想状态，更具有间作优势。由表4可知，除2019年吐絮期、2020年蕾期和吐絮期外，其他各生育阶段M3处理等权关联序位次均为第一；CK在2020年蕾期加权关联序为第一，M3处理的加权关联序在两年苗期、花铃期和吐絮期均为第一。综上，2019和2020年枣棉间作系统光合与产量灰色关联度分析表明，M3处理能更好地提高资源利用率，突显间作优势。

表3 间作系统不同时期棉花光合指标与产量权重Table 3 Cotton photosynthetic indicators and yield weights in different periods of the intercropping system

表3(续)

表4 间作系统中不同时期棉花光合特性与产量关联度Table 4 Correction characteristics and yield correlation between different periods in different periods in the system

3 讨论

光照是作物光合作用及产量形成的能量来源[22]。在农果间作复合系统中，不合理的光照分布会影响间作作物有机质的积累。前人研究表明，不同密度棉花冠层上方的光合有效辐射均随生育进程的推进，总体呈先上升后下降的变化趋势[23]。本研究也发现了同样的趋势：间作处理棉花冠层上方的光合有效辐射均低于单作，这是因为在间作体系中棉花作为低位作物，受到了高位作物枣树的遮蔽，太阳光从枣树间投射到棉花冠层上方。王雅梅等[24]在玉米-大豆间作复合系统研究中发现，大豆作为低位作物，受到高位作物玉米的遮蔽，单作处理的PAR显著高于各间作处理，这与本研究结果一致。

光资源是植物生长发育的基本条件[25-26]。良好的间作群体结构有利于提高作物光能利用率和水分利用效率[27]。已有研究表明，间作较单作可显著提高作物的净光合速率[28]。满本菊等[29]对燕麦-马铃薯间作的研究结果表明，间作总体上提高了燕麦旗叶的净光合速率。宫香伟等[30]通过对糜子-绿豆间作模式的研究表明，相对于单作糜子，间作增加了开花期糜子的净光合速率。王钰云等[31]研究表明，谷子花生间作降低了谷子叶片的胞间CO2浓度。本试验两年研究结果表明，枣棉间作复合系统M3处理总体提高了棉花的净光合速率，与单作CK相比，枣棉间作模式降低了棉花的蒸腾速率、胞间CO2浓度。总体而言，间作提高了棉花的净光合速率，降低了胞间CO2浓度、蒸腾速率，与前人研究结果相似。

水分利用效率是反映植物水分利用特性的重要参数，与作物生育时期密切相关[32]。本研究结果显示，间作M3处理较M2处理对水分利用效率的影响最大，这与徐鹏等[33]的研究结果一致。本研究还表明，间作有利于提高苗期、吐絮期水分利用效率，但在蕾期和花铃期均未达到显著水平(P>0.05),与李发永等[34]的研究结果一致。此外，叶片尺度的水分利用效率具有较强的时效性，其结果只能代表特定时间内部分叶片的行为，仅用来说明植物的光合生理性能和对环境条件变化的敏感度，目前仍需对其进行大量研究，为作物对水分利用效率提供大量理论支撑。

棉花产量的形成与光照密切相关。朱元刚等[35]对玉米间作模式进行研究发现，间作主要通过改变光合物质的积累来提高生产力，间作群体的经济产值显著高于单作处理，因此，合理的间作模式在农业生产实践中具有很好的应用价值。前人研究表明，小麦产量受到光强的影响，重度遮光导致产量减少，轻度遮光则无显著影响[36]。赵奇等[37]采用灰色关联分析对蔗糖浸种缓解玉米幼苗铜胁迫进行了研究，通过选择株高、根长及各种酶活性等强关联的指标，提高了玉米抗性育种的选择效率。本研究对2019和2020年棉花单作及枣棉间作共4种模式下各生育时期的叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、水分利用效率、产量共6个指标进行灰色关联度分析，分析两年间作试验结果认为，光合特性总体表现较好的处理为M3，其平均产量也相对高于其他处理，说明在棉花生长发育的关键时期，光合作用的强度直接影响其产量高低。

4 结论

在枣树和棉花间作种植模式中，枣树在棉花生长发育过程中造成一定程度的遮阴。两年研究结果表明，枣棉间作模式下，M3处理的净光合速率最大，棉花产量最高，在灰色关联分析中等权关联序和加权关联序位次总体上最高。因此认为本研究枣棉间作中最合理的种植模式是M3处理，该种植模式能够充分利用土地资源，提高复合系统的光能利用率。但随着枣树逐年不断的生长发育，对作物的影响也会体现出不同差异，因而具体最佳适宜种植模式还需在下一步工作中通过大量的间作种植模式试验进行研究。