渭北黄土区农林复合系统生理生态特性及生产力研究

论文摘要

针对渭北黄土区生态环境脆弱、经济落后以及农林复合系统持续性、多样性、高效性和稳定性的特点,以渭北黄土区具有代表性的核桃、李子与玉米、大豆、绿豆和辣椒复合系统为研究对象,对不同复合模式中林下作物的生理生态特性、生物学性状和生产力进行观测,分析了不同农林复合系统对光能分布、农作物生长、生产的影响,为合理设计、管理、调控该地区果农复合模式和进一步探索农林复合系统的增产机制提供了理论依据。本研究取得的主要结论有:（1）与单作系统相比,整个生长季各复合系统可以降低大气温度1.55-2.65℃;减低风速39.2%-53.6%;降低土壤温度2.02-3.4℃;提高大气相对湿度3.49-5.13%;减少光合有效辐射10.1-42.8%和降低大气CO2浓度16.1-20.32μmol·mol-1。且行株距小的复合模式较行株距大的复合模式的小气候效应更加明显。（2）从距核桃、李子2.5m到1m,各处理光合有效辐射强度和作物光合速率均呈现出逐渐减弱的趋势,且行株距为3m×3m复合模式的光合有效辐射强度及作物光合速率明显低于行株距为5m×3m复合模式。随着遮荫程度的提高,玉米的叶绿素相对含量逐渐降低,而大豆、绿豆和辣椒的叶绿素相对含量却逐渐升高。这表明大豆、绿豆和辣椒可通过提高叶绿素含量来增强对遮荫环境的适应能力。光合有效辐射强度和大气CO2浓度是影响复合系统玉米、大豆、绿豆和辣椒光合速率的主要环境因子。农林复合降低了林下的光合有效辐射强度,但却使林下作物避免了“午休”现象的出现。这也是农林复合系统在光能协同利用上具有可调节性的一个重要方面。整个生育期不同处理各作物的水分利用效率平均值表现为绿豆（6.25 mmolCO2mol-1H2O ） >大豆（ 4.63 mmolCO2mol-1H2O）>玉米（3.87 mmolCO2mol-1H2O）>辣椒（3.48 mmolCO2mol-1H2O）。与单作相比,不同处理大豆和绿豆的平均水分利用效率均分别提高了78.6%和82.8%。从单作到距树行1米,各处理大豆、绿豆和辣椒光系统Ⅱ（ PSⅡ）最大光能转换效率（ Fv / Fm ）、PSⅡ电子传递量子效率（ФPSⅡ）以及光化学猝灭系数（ qP）均有不同程度的升高,但它们的非光化学猝灭系数（ qN P）却逐渐降低。而玉米光系统Ⅱ（ PSⅡ）最大光能转换效率（ Fv / Fm ）的变化趋势与它们相反。说明随着遮荫程度的提高,大豆、绿豆和辣椒光反应中心PSⅡ的光化学效率和潜在活性逐渐上升。随着距离树行越来越近、光合有效辐射强度逐渐减弱,大豆、绿豆和辣椒的光补偿点和光饱和点逐渐降低,但它们的表观量子效率却逐渐升高。而玉米的表观量子效率变化趋势与大豆等相反,这说明大豆、绿豆和辣椒能适应弱光环境,在较低的光照条件下仍然能够利用弱光,从而保证叶片进行正常的光合作用。（3）整个生育期各复合系统0-80cm的平均土壤含水量均低于单作。从距核桃、李子2.5m到1m,各处理的土壤含水量逐渐减小。与单作相比,各处理玉米整个生育期平均土壤含水量减小了1.91-11.49%;大豆整个生育期平均土壤含水量减小了0.5-13.24%;绿豆和辣椒整个生育期平均土壤含水量分别减小了0.5-10.17%与0.6-9.68%。且行株距为3m×3m复合模式的平均土壤含水量明显低于行株距为5m×3m复合模式。但部分复合系统0-20cm的土壤含水量略高于单作,这或许是由于核桃、李子的“提水作用”引起土壤水分再分配的结果。（4）不同生育期各复合系统中不同处理四种作物的株高、叶面积、叶面积指数和叶重均低于单作。且从距核桃、李子2.5m到1m,两种复合系统各处理不同作物的株高、叶面积、叶面积指数和叶重均逐渐减小。行株距为3m×3m复合模式的平均株高、叶面积、叶面积指数和叶重明显低于行株距为5m×3m复合模式的。与单作相比,各处理玉米成熟期的株高减小了4.8-37.6%,大豆成熟期的株高减小了6.6-47.3%,绿豆和辣椒成熟期的株高分别减小了8.2-47.2%与4.6-31.6%;各处理玉米整个生育期的平均叶面积减小了13.7-56%,大豆整个生育期的平均叶面积减小了15.9-66.6%,绿豆和辣椒整个生育期的平均叶面积分别减小了15.3-63.6%与6.2-32.2%;各处理玉米整个生育期的平均叶面积指数减小了2.5-35.1%,大豆整个生育期的平均叶面积指数减小了2-36.3%,绿豆和辣椒整个生育期的平均叶面积指数分别减小了3.6-47.8%与3.2-40.7%;各处理玉米成熟期的叶重减小了8.4-55.2%,大豆成熟期的叶重减小了23.6-66.1%,绿豆和辣椒成熟期的叶重分别减小了26.1-54.4%与9.1-48.9%。（5）从距核桃、李子2.5m到1m,两种复合系统各处理不同作物的生物量及产量逐渐减小。且行株距为3m×3m复合模式的平均生物量和产量明显低于行株距为5m×3m复合模式。与单作相比,各处理玉米成熟期的生物量减小了22-62.3%,大豆成熟期的生物量减小了1.6-47.2%,绿豆和辣椒成熟期的生物量分别减小了12.6-40.9%与21.2-56.7%;各处理玉米产量减小了24.8-65.3%,大豆产量减小了13.3-50.2%,绿豆和辣椒的产量分别减小了26.3-62.7%与37-67.4%。相关性分析结果表明,光能竞争是导致复合系统玉米、大豆、绿豆和辣椒生产力下降的主要原因（P<0.05）;0-40cm土壤含水量分别与玉米、大豆、绿豆和辣椒的株高、生物量及产量正相关（P<0.05）。说明土壤水分含量是影响作物生产力的主要因素之一。（6）通过对试区不同农林复合模式的研究,从改善生态环境、提高土地利用效率以及增加系统经济效益的综合效应角度看,行株距为5m×3m复合系统中的核桃大豆组合、核桃绿豆组合和李子大豆组合是最适合试区的3种果农复合模式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 农林复合系统概述
• 1.1.1 农林复合系统的概念
• 1.1.2 农林复合系统的历史与现状
• 1.1.3 农林复合系统的分类
• 1.1.4 农林复合系统的结构功能
• 1.2 植物光合生理生态研究概述
• 1.2.1 当前光合生理生态研究动向
• 1.2.2 胁迫环境下植物光合生理生态的研究概况
• 1.2.3 叶绿素荧光在光合作用研究中的应用
• 1.3 研究目的及意义
• 1.3.1 研究目的和意义
• 1.3.2 研究方法与技术路线
• 第二章 材料与方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验方法
• 第三章 农林复合系统的小气候效应研究
• 3.1 结果与分析
• 3.1.1 农林复合系统内生态因子的变化情况
• 3.2 讨论
• 3.3 小结
• 第四章 林下作物对复合系统小气候的光合响应
• 4.1 结果与分析
• 4.1.1 不同复合模式中四种作物光合有效辐射的日变化
• 4.1.2 不同复合模式中四种作物光合速率的日变化
• 4.1.3 不同复合模式中四种作物气孔导度的日变化
• 2 浓度的日变化'>4.1.4 不同复合模式中四种作物细胞间CO₂浓度的日变化
• 4.1.5 不同复合模式中四种作物光合速率与复合系统小气候因子数量关系分析
• 4.2 讨论
• 4.3 小结
• 第五章 农林复合系统4 种作物的光合蒸腾特性
• 5.1 结果与分析
• 5.1.1 不同复合系统对四种作物叶绿素相对含量的影响
• 5.1.2 不同复合系统对四种作物光合速率的影响
• 5.1.3 不同复合系统对四种作物蒸腾速率及水分利用效率的影响
• 5.1.4 不同物侯期农林复合系统内土壤含水量的变化
• 5.1.5 不同复合系统各处理4 种作物光合荧光参数的变化
• 5.2 讨论
• 5.3 小结
• 第六章 光能竞争对农林复合系统林下作物生物学性状及生产力的影响
• 6.1 结果与分析
• 6.1.1 复合系统不同处理对四种作物株高的影响
• 6.1.2 复合系统不同处理对四种作物叶面积的影响
• 6.1.3 复合系统不同处理对四种作物叶面积指数的影响
• 6.1.4 复合系统不同处理对四种作物叶重的影响
• 6.1.5 复合系统不同处理对四种作物生物量的影响
• 6.1.6 复合系统不同处理对四种作物产量的影响
• 6.2 讨论
• 6.3 小结
• 第七章 渭北黄土区农林复合系统综合效应研究
• 7.1 复合系统的生态效应分析
• 7.2 复合系统的土地利用效率分析
• 7.3 复合系统的经济效益分析
• 7.4 讨论
• 7.5 小结
• 第八章 主要结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.1.1 农林复合系统小气候效应研究
• 8.1.2 农林复合对林下作物光合生理特性的影响
• 8.1.3 农林复合对土壤含水量的影响
• 8.1.4 农林复合对林下作物生物学性状和生产力的影响
• 8.1.5 农林复合系统的综合效益
• 8.2 创新点与亟待进一步研究的问题
• 8.2.1 创新点
• 8.2.2 亟待进一步研究的问题
• 8.3 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介