2019, Vol. 27
2. 西安理工大学水利水电学院 西安 710048;
3. 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室 西安 710048;
4. 云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所 保山 678025
2. Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China;
3. State Key Laboratory of Eco-hydraulic in Northwest Arid Region of China, Xi'an 710048, China;
4. Tropical and Subtropical Economic Crops In-stitute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Baoshan 678025, China
2017年云南省咖啡种植面积为1.11×105 hm2, 咖啡豆产量达1.65×108 kg, 其中小粒咖啡(Coffea arabica L.)种植最为广泛[1]。云南干热河谷区是小粒咖啡的主产区, 该区域光热资源丰富, 气候炎热少雨, 季节性干旱明显, 光照强烈且平均日照时间长[2-3]。目前, 当地小粒咖啡以自然光照下靠天降雨或漫灌为主, 水、光匹配不合理限制了小粒咖啡的高效生产。亏缺灌溉是根据作物对干旱产生适应性反应, 通过人为主动施加一定程度的水分胁迫, 以调控作物生长动态, 促进生殖生长, 控制营养生长, 调节光合产物向不同组织器官的转化分配, 提高了作物的抗旱能力, 是一种有效的节水灌溉新技术[4-6]。适度的水分亏缺可改善咖啡树的营养状况, 提高株高、茎粗及新梢的生长速率[7-8], 而过度水分亏缺抑制小粒咖啡生长, 降低光合速率、根系活力及根系密度[9-11]。光照是作物生长发育必不可缺的能量来源, 作物通过光合和生物化学的改变来调控对光的适应, 从而进化出完全不同的需光类群[12]。小粒咖啡起源于非洲埃塞俄比亚热带雨林下层, 适宜在温凉、湿润的荫蔽或半荫蔽环境中生长[13]。有研究表明, 适度荫蔽栽培增强小粒咖啡生理活性, 增加生物量累积, 降低叶表温度, 增加比表面积, 而不影响横向节点生长[14-15]。也有研究表明, 荫蔽栽培降低咖啡的叶面积和叶片厚度, 而增加枝条长度[16]。作物的冠层结构是指作物群体地上部分总的绿色覆盖层, 包括作物的主茎、枝条、叶片和果实等器官的大小、形状、方位以及在冠层中的位置分布情况[17]。冠层结构的变化对作物的通风、透光有决定性的影响, 可直接或间接地反映该作物在特定环境下的适应性。聚类分析是根据研究对象特征对研究对象进行分类的一种多元分析技术。孙丰磊等[18]通过最近邻元素法(RI)聚类分析, 将28份抗旱性不同的棉花(Gossypium spp.)品种分成4大类。Patras等[19]通过层次聚类分析, 将6种蔬菜和8种水果分成4大类。本研究采用香蕉(Musa nana Lour)与小粒咖啡间作, 高位作物香蕉的荫蔽必将改变低位作物小粒咖啡的微生长环境[20-21], 而不同水、光模式下小粒咖啡的冠层结构如何变化还不清楚。为此, 本研究在香蕉为小粒咖啡提供不同荫蔽栽培模式下, 研究亏缺灌溉对小粒咖啡生长和冠层结构的影响, 通过系统聚类法对小粒咖啡冠层结构参数进行聚类分析, 以期提出香蕉为小粒咖啡提供荫蔽环境时的优选灌水模式, 为小粒咖啡农业供水和荫蔽栽培管理提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况及试验材料试验于2016年3月—2017年5月在云南省保山市潞江坝(25°4′N, 99°11′E, 海拔799 m)进行。试验期内降雨量为840.6 mm, 日均最高气温和最低气温分别为32.3℃和10.4℃, 土壤为老冲积层上发育形成的红褐色砂壤土, 有机质20.2 g∙kg-1, 碱解氮106 mg∙kg-1, 有效磷12.6 mg∙kg-1, 速效钾56 mg∙kg-1。选择长势一致的5年生小粒咖啡(‘Caturra’)为供试材料, 株高171~179 cm, 茎粗22.27~24.34 mm, 株行距为1.5 m×2 m (3 333株∙hm-2), 小粒咖啡的种植方向为南北朝向。选择速生易控、树冠荫蔽性好、与咖啡共生性强的香蕉树(‘威廉斯8818’)作为荫蔽树种。2016年3月9日在试验区种植长势一致的香蕉苗, 株高50~55 cm, 叶片数5~6片。2016年7月5日, 试验区内所有香蕉的株高达1.8~2.1 m, 冠幅达1.6~2 m, 同年12月27日, 香蕉株高达6~6.8 m, 冠幅达4.5~6 m。
1.2 试验设计本试验设3个灌水水平和4个荫蔽栽培模式。采用完全组合设计, 共12个处理, 每处理4个重复。3个灌水水平分别为充分灌水(FI)、轻度亏缺灌水(DIL)和重度亏缺灌水(DIS), DIL和DIS的灌水量分别为FI的75%和50%。充分灌水定额根据该地区小粒咖啡逐月需水量资料[22]并结合降水量来确定, 其值为小粒咖啡耗水量减去有效降雨量, 灌水周期约为7 d, 遇到降雨顺延。采用地表滴灌, 滴头设在距树基部两侧0.4 m处, 间距与树距相同, 滴头流量2 L∙h-1, 工作压力0.1 MPa, 水表计量控制灌水。试验期间FI、DIL和DIS的灌水量分别为588 mm、441 mm和294 mm。4个荫蔽栽培模式分别为:无荫蔽(S0), 单作咖啡为对照; 轻度荫蔽(SL), 4行咖啡间作1行香蕉, 香蕉株行距为4.5 m×8 m, 278株∙hm-2; 中度荫蔽(SM), 3行咖啡间作1行香蕉, 香蕉株行距为4.5 m×6 m, 370株∙hm-2; 重度荫蔽(SS), 2行咖啡间作1行香蕉, 香蕉株行距为4.5 m×4 m, 556株∙hm-2。香蕉为小粒咖啡提供荫蔽栽培时, 各试验区宽为10.5 m(8株咖啡间作3株香蕉)。各灌水水平下S0、SL、SM和SS的试验区面积分别为: 7.5 m×4 m=30 m2、10.5 m×16 m=168 m2、10.5 m×12 m=126 m2和10.5 m×8 m=84 m2, 总面积为1 224 m2。分别于2016年5月12日和8月26日施入等量复合肥(N:P2O5:K2O为15:15:15) 500 g∙株-1。施肥方式为环形施肥:在距小粒咖啡树干40 cm处, 挖宽5 cm、深15 cm的环形施肥槽, 均匀施肥后覆土。
1.3 测定项目及方法分别于2016年3月11日(试验开始)和2017年5月4日(盛花期)测定小粒咖啡树的生长指标, 两次测定值之差作为试验期内的增量。其中株高、冠幅和新梢长度用毫米刻度尺测定, 茎粗用数显游标卡尺测定。
于2017年5月8日下午(阴天, 盛花期)使用植物冠层分析仪[Win SCANOPY 2016a, 索尼高分辨率专业数码相机(24.3 MEGAPIXELS), 180°鱼眼镜头]获取冠层结构数据。以咖啡树主干和两株咖啡树正中间作为冠层结构的拍摄点, 拍摄高度设为0.5 m, 保持镜头水平, 每个拍摄点拍摄5张照片, 从中选取1~2张清晰的照片, 共1 200张, 使用植物冠层分析仪自带的数据处理软件(XL Scanopy)对照片进行分析, 取每株咖啡树周围5个拍摄点的平均值进行分析, 分析参数包括:叶面积指数(leaf area index, LAI)、开度(opening, Op)、林隙分数(gap fraction, GF)、平均叶倾角(mean leaf dip angle, MLDA)、直接定点因子(direct fixed-point factor, DFPF)、间接定点因子(indirect fixed-point factor, IFPF)、总定点因子(total fixed-point factor, TFPF)、冠下直接辐射(direct radiation of the crown, DRC)和冠下间接辐射(indirect radiation of the crown, IRC)。
透光率(transmittance, Tr)和消光系数(extinction coefficient, EC)[23]计算公式为:
| $ {\rm{Tr}} = ({\rm{DRC}} + {\rm{IRC}})/{\rm{TRC}} $ | (1) |
| $ {\rm{EC}} = - {\rm{LA}}{{\rm{I}}^{ - 1}} \times \ln {\rm{Tr}} $ | (2) |
式中: DRC为冠下直接辐射, IRC为冠下间接辐射, TRC为冠上总辐射(total radiation on the crown), LAI为叶面积指数。
1.4 SPSS中聚类分析的基本原理及分析步骤1) 判断聚类分析的方法, 通常小样本数据选用系统聚类法(分层聚类), 大样本数据选用快速聚类法(K-均值聚类), 本研究采用系统聚类法。
2) 建立评价对象与评价指标的数据矩阵R:本研究有3×4(灌水水平×荫蔽栽培模式)个评价对象, 11个评价指标(Op、GF、LAI、MLDA、DFPF、IFPF、TFPF、DRC、IRC、Tr和EC)。
| $ R = {\left( {{r_{ij}}} \right)_{m \times n}} $ | (3) |
式中:rij表示原始数据第i个评价对象中第j个评价指标, m=12, n=11。
3) 对矩阵R进行聚类:分析—分类—系统聚类: (a)统计量选择“合并进程表”; (b)聚类方法选择“组间联结”, 度量标准的区间选择“平方Euclidean距离”; (c)聚类成员中选择“方案范围”, 最小聚类数设置为2, 最大聚类数设置为5。
1.5 数据处理采用Excel 2013软件进行数据统计分析和作图, 用IBM SPSS Statistics 19软件进行聚类分析和方差分析(ANOVA), 多重比较采用Duncan法(α=0.05)。
2 结果与分析 2.1 荫蔽栽培与亏缺灌溉对小粒咖啡生长的影响灌水水平和荫蔽栽培模式对小粒咖啡株高增量、茎粗增量、冠幅增量和新梢长度的影响显著, 两者的交互作用对株高增量和茎粗增量的影响显著(表 1)。相同荫蔽栽培模式下, 与FI相比, DIL的株高增量和新梢长度分别减少13.62%和8.82%, DIS的株高增量、茎粗增量、冠幅增量和新梢长度分别减少23.94%、9.96%、7.12%和13.96%。相同灌水水平下, 与S0相比, 其余荫蔽栽培模式的株高增量、茎粗增量、冠幅增量和新梢长度分别增加18.33%~33.65%、6.43%~15.47%、5.38%~12.60%和8.82%~24.69%。与FIS0处理相比, 除DISS0和DISSL处理的株高增量分别减少18.06%和5.01%, DILS0和DISSM处理变化不显著外, 其余处理增加5.85%~43.32%;除FISM、FISS和DILSS处理的茎粗增量分别增加7.87%、11.91%和8.07%, DISS0、DISS0和DISSL处理分别减少5.60%、14.52%和6.93%外, 其余处理变化不显著。
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表 1 荫蔽栽培与亏缺灌溉对小粒咖啡生长的影响 Table 1 Effects of shade cultivation and deficit irrigation on growth of Coffea arabica L. |
除灌水水平对小粒咖啡冠层冠下间接辐射影响不显著外, 灌水水平和荫蔽栽培模式对小粒咖啡其余冠层结构参数影响显著(表 2)。相同荫蔽栽培模式下, 与FI相比, DIL的直接定点因子、间接定点因子和总定点因子分别增加12.80%、9.53%和5.66%; DIS的叶面积指数减少9.55%, 开度、林隙分数、平均叶倾角、直接定点因子、间接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射和冠下间接辐射分别增加8.49%、11.01%、9.20%、34.51%、20.82%、34.97%、19.32%和6.24%。相同灌水水平下, 与S0相比, 其余荫蔽栽培模式的叶面积指数增加5.18%~22.85%, 开度、林隙分数、平均叶倾角、直接定点因子、间接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射和冠下间接辐射分别减少4.42%~15.50%、4.85%~16.49%、5.50%~15.07%、4.85%~38.29%、16.60%~27.24%、13.78%~41.44%、11.20%~34.28%和4.03%~12.90%。与FIS0处理相比, 除DILS0、DISS0和DISSL处理的总定点因子分别增加6.52%、32.88%和21.04%外, 其余处理减少8.70%~42.41%。
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表 2 荫蔽栽培与亏缺灌溉对小粒咖啡冠层结构参数的影响 Table 2 Effects of shade cultivation and deficit irrigation on indicators of major indicators of Coffea arabica L. canopy |
冠下总辐射是指同时到达冠层下方的太阳直接辐射和间接辐射之和, 冠下总辐射与冠上总辐射的比值即为冠层的透光率。冠层消光系数是指光在冠层内被吸收消耗而降低的程度, 即冠层内单位叶面积上所形成的阴影面积, 可衡量叶面积的遮荫程度。透过率只是粗略反映太阳辐射在作物冠层中的传输状况, 而消光系数反映冠层中枝叶本身的受光状况[24]。由图 1可知, 灌水水平和荫蔽栽培模式对小粒咖啡冠层透光率和消光系数影响显著。相同荫蔽栽培模式下, 与FI相比, DIS的透光率和消光系数分别增加17.57%和4.16%。相同灌水水平下, 与S0相比, 其余荫蔽栽培模式的透光率减少10.36%~31.78%, SS的消光系数减少6.92%。
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图 1 荫蔽栽培与亏缺灌溉对小粒咖啡冠层透光率和消光系数的影响 Fig. 1 Effects of shade cultivation and deficit irrigation on light transmittance and extinction coefficient of Coffea arabica L. canopy FI、DIL和DIS分别表示充分灌水、轻度亏缺灌水和重度亏缺灌水, S0、SL、SM和SS分别表示无荫蔽栽培、轻度荫蔽栽培、中度荫蔽栽培和重度荫蔽栽培。不同小写字母表示P < 0.05水平下差异显著。FI, DIL and DIS mean full irrigation, light deficit irrigation and severe deficit irrigation, respectively. S0, SL, SM and SS mean no shade cultivation, light shade cultivation, moderate shade cultivation and severe shade cultivation, respectively. Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. |
小粒咖啡冠层结构指标Pearson相关分析结果(表 3)表明, 叶面积指数分别与开度、林隙分数、平均叶倾角、直接定点因子、间接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下间接辐射、冠下总辐射、透光率和消光系数之间均呈显著负相关关系; 开度、林隙分数、平均叶倾角、直接定点因子、间接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下间接辐射、透光率和消光系数相互之间均呈显著正相关关系。
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表 3 小粒咖啡冠层结构参数的相关分析 Table 3 Correlation coefficient matrix of major indicators of Coffea arabica L. canopy |
由小粒咖啡冠层结构参数聚类分析结果(图 2)可知, 当类间距离为5时, 试验处理被分为3大类, 其中FISS、DILSS和FISM处理为第1类, FISL、DILSL、DILSM、DISSS、FIS0和DISSM处理为第2类, DILS0、DISSL和DISS0处理为第3类。第1类平均灌水量最多, 平均荫蔽度最大; 第2类平均灌水量较多, 平均荫蔽度较大; 第3类平均灌水量最少, 平均荫蔽度最小; 当类间距离为3时, 第2类还分为两小类, 其中FISL、DILSL、DILSM和DISSS处理为一类, FIS0和DISSM处理为另一类, 第3类也分为两小类, 其中DILS0和DISSL处理为一类, DISS0处理为另一类。
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图 2 小粒咖啡冠层结构参数的聚类分析谱系 Fig. 2 Cluster dendrogram of eleven indicators of Coffea arabica L. canopy FI、DIL和DIS分别表示充分灌水、轻度亏缺灌水和重度亏缺灌水, S0、SL、SM和SS分别表示无荫蔽栽培、轻度荫蔽栽培、中度荫蔽栽培和重度荫蔽栽培。FI, DIL and DIS mean full irrigation, light deficit irrigation and severe deficit irrigation, respectively. S0, SL, SM and SS mean no shade cultivation, light shade cultivation, moderate shade cultivation and severe shade cultivation, respectively. |
水分和光照是影响作物光合作用的重要原料, 水分亏缺程度的加剧或光照强度的不足均会导致作物光合能力下降, 致使同化产物降低, 不利于作物的生长发育。本研究发现, 小粒咖啡的株高增量、茎粗增量、冠幅增量及新梢长度均随灌水量和荫蔽度的增大而增大, 表明亏缺灌水抑制咖啡树的营养生长, 一定程度的荫蔽栽培条件能增强咖啡树的生理活性, 提高相对生长率, 这与前人的研究结果一致[13, 16, 25-26]。
光能是作物转化利用的对象, 高效的光能利用是决定作物高产的必然因素。光照到达地面需要穿过作物冠层, 因此作物冠层结构的空间分布、大小、方位及其动态变化决定冠层内光环境的分布[27-28], 从而改变光能的利用。作物的叶面积指数决定其生产力, 与光合作用及蒸腾作用密切相关[29]。本研究发现, 小粒咖啡冠层的叶面积指数与其余冠层结构参数呈显著负相关关系, 随灌水量和荫蔽度的增大, 叶面积指数逐渐增大, 意味着单位面积上叶片面积逐渐增加, 叶片的覆盖率增加, 小粒咖啡冠层对光的截获能力增大, 使得透过叶片进入冠层内的光照减少, 透光率减小, 冠层开度、总定点因子、冠下总辐射也随之减小, 这也印证了提高灌水量和荫蔽度能促进小粒咖啡的生长。开度是林隙分数经过补偿计算剔除冠层阻隔的影响得出的实际冠层林隙分数, 开度和林隙分数均能很好地反映冠层的透光率[24, 29-30]。本研究发现, 小粒咖啡冠层的开度和林隙分数与叶面积指数以外的其余冠层结构参数呈显著正相关关系, 且开度和林隙分数随灌水量和荫蔽度的增大而逐渐减小, 即随着灌水量和荫蔽度的增大, 小粒咖啡冠层开度和林隙分数减小, 冠层对光的截获能力增大, 光照透过冠层到达下方的辐射量减小, 透光率减小, 总定点因子和冠下总辐射减小, 造成单位面积上的叶面积增大, 使得叶面积指数上升。总定点因子与冠下总辐射呈显著的正相关关系, 说明冠层下方的太阳辐射能主要来自于直射光[29]。有研究表明, 叶倾角适当减小, 可使光照更多地透射到作物冠层的下部, 有利于作物对有限光能的截获, 从而提高光能利用[31]。本研究发现, 平均叶倾角随灌水量和荫蔽度的增大而逐渐减小, 表明提高灌水量和荫蔽度可提高小粒咖啡的光能利用效率。消光系数能够很好地评价作物的叶幕结构, 反映作物冠层内单位叶面积截取光的相对量, 是衡量光截获效率的重要指标[32]。本研究发现, 消光系数随着灌水量和荫蔽度的增大逐渐减小, 表明重度荫蔽栽培下充分灌水降低小粒咖啡冠层对光照辐射的削弱能力最明显。在不同荫蔽栽培模式下, 香蕉必定会与小粒咖啡进行不同的水肥竞争, 不同的水肥条件对小粒咖啡生长和冠层结构的影响亟待研究。
聚类分析是通过计算多维空间或模式空间中所有研究对象之间的相关性, 将关系更接近的研究对象合并为同一群体, 进行群体之间的组成区分[33-34]。本研究发现, 当类间距离为3时, 可将试验因素分为5大类, 其中FISS、DILSS和FISM处理为第1类, FISL、DILSL、DILSM和DISSS处理为第2类, FIS0和DISSM处理为第3类, DILS0和DISSL处理为第4类, DISS0处理为第5类。第1类至第5类的平均灌水量和荫蔽度逐渐减小, 结合表 1可知, 小粒咖啡的株高增量、茎粗增量、冠幅增量和新梢长度由第1类至第5类逐渐减小。本研究表明重度荫蔽栽培下充分灌水、重度荫蔽栽培下轻度亏缺灌水、中度荫蔽栽培下充分灌水均较大程度地促进小粒咖啡生长, 可作为小粒咖啡与香蕉间作时的较佳组合模式, 但这些组合下的经济产量、水光利用是否最大还不清楚, 还需进一步研究。
4 结论1) 小粒咖啡的株高增量、茎粗增量、冠幅增量、新梢长度和冠层叶面积指数均随灌水量和荫蔽度的增大而增大, 冠层开度、林隙分数、平均叶倾角、直接定点因子、间接定点因子、总定点因子、冠下直接辐射、冠下间接辐射、透光率和消光系数均随灌水量和荫蔽度的增大而减小。
2) 除叶面积指数与其余冠层结构参数之间呈显著负相关关系外, 小粒咖啡其余冠层结构参数之间呈显著正相关关系。
3) 小粒咖啡冠层结构参数的聚类分析表明, 当类间距离为5时, 可将试验因素分为3大类, 其中FISS、DILSS和FISM处理为第1类, FISL、DILSL、DILSM、DISSS、FIS0和DISSM处理为第2类, DILS0、DISSL和DISS0处理为第3类。当类间距离为3时, 第2类还分为两小类, 其中FISL、DILSL、DILSM和DISSS处理为一类, FIS0和DISSM处理为另一类, 第3类也分为两小类, 其中DILS0和DISSL处理为一类, DISS0处理为另一类。从促进生长的角度考虑, FISS、DILSS和FISM处理可作为干热区小粒咖啡灌水处理和香蕉荫蔽栽培模式的优选组合。
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