全 文 ：枣麦间作系统中光能在作物群体内分布的数值模拟*
张继祥1* * 魏钦平1 刘克长1 陆佩玲2
( 1 山东农业大学园艺学院,泰安 271018; 2北京林业大学, 北京 100083)
摘要 应用农业气象学原理和方法, 依据实测资料,分析了枣麦间作系统中枣树带遮荫宽度及阴影内的
相对光照度的时空变化规律, 以及遮荫区、非遮荫区内小麦群体的光能垂直分布特点;应用数理方法, 模拟
了遮荫区及非遮荫区内小麦群体光能垂直分布曲线.结果表明, 南北走向的枣树带每天早、晚其遮荫区域
较宽, 相对光照度较大;中午前后, 遮荫区域宽度较窄, 相对光照度较小. 尽管遮荫区与非遮荫区内小麦群
体的光能垂直分布有明显的差异, 但二者间都符合高斯曲线的递减规律.
关键词 遮荫宽度 相对光照强度 叶面积密度函数 消光系数
文章编号 1001- 9332( 2003) 06- 0945- 04 中图分类号 Q948, S16 文献标识码 A
Digital modeling of light distribution within the crop canopy in jujubewheat interplanting system. ZHANG
Jixiang1, WEI Q inping1, LIU Kechang1 , LU Peiling2 ( 1Depar tment of Horticultur e, Shandong Agricultural
Univer sity , Taian 271018, China; 2Beij ing For estry University , Beij ing 100083, China ) . Chin. J . A pp l .
Ecol . , 2003, 14( 6) : 945~ 948.
On the basis of field observation and w ith the principles and methods of agricultural meteorology, the daily var ia
tions of t he shadow w idth of jujube tree belts and the relativ e light intensity were analyzed in the jujube wheat
interplanting system, and the character istics of vertical distribution o f the light within the wheat canopy inside
and outside the shadow w ere studied. The sunshine ver tical distribution curves in the wheat canopy inside and
outside the shadow were simulated by mathematical methods. The results showed that the shadow area of the
southnorth planting jujube tree belts w as fairly w ider, but the relative light illuminance was larger in early morn
ing and late afternoon than at about noon. A lthough the sunshine vertical distribution in the w heat canopy inside
and outside the shadow w as obviously differ ent, they both observ ed the decreasing law for Gauss Curve.
Key words Shadow w idt h, Relative light illuminance, Leaf area densit y function, L ight w akening coefficient.
* 山东省自然科学基金项目( 973052)和中国科学院禹城综合试验站
资助项目.
* * 通讯联系人.
2001- 02- 09收稿, 2001- 06- 12接受.
1 引 言
农林复合经营是平原地区农业和林业持续发展
的必然趋势.其具有物种组成丰富、空间结构合理、
整体功能强的生态优势和为人类提供粮食、林果、燃
料及其它林副产品的社会经济优势,并保障了农林
自然资源的持续生产力. 农林间作系统内光能分布
和利用是否合理,将直接影响系统的生产效益和稳
定性.研究系统内的物种配置和空间结构,提高农林
系统的整体生产力, 具有重要的理论和实践意义. 枣
麦间作是华北平原有代表性的农林栽培系统之一.
关于枣麦间作系统的模式、效益、结构及光能分布已
有一定的研究报道[ 1, 4, 5, 7, 8] . 本文在前人研究的基
础上, 对枣麦间作系统中光能在小麦群体内的传播
规律进行了进一步的探讨.
2 研究地区与研究方法
21 枣麦间作系统概况
试验地点设在山东省德州地区乐陵市朱集乡( 37. 72N,
117. 20E) . 该地区属温带季风气候, 年平均气温为 12. 1 ,
降水量 630 mm,无霜期 220 d以上, 日照时数 2 685 h 以上,
全年> 10 积温在 4 290 以上.枣树种系金丝小枣,树龄
在 30~ 50年之间,平均树高 4. 6 m, 枝下高 1. 2 m, 平均冠幅
4. 7 m, 枣树带南北走向,株距5 m,行距 7~ 60 m 不等, 以 10
~ 40 m 为主. 小麦品种为鲁麦 15 号, 平均株高 75 cm. 试验
区内小麦的播期、密度、管理水平、土壤条件基本一致. 试验
区面积约 10 hm2.
2 2 研究方法
根据农业气象学原理及方法计算了小麦灌浆期间枣树
带阴影宽度.选择有代表性的栽培模式, 即枣树带行距分别
为 10、20、30 和40 m 4 种类型, 应用美国产L I1776 太阳监测
器及 L I191SB 量子杆状感应器于晴天 8~ 18 h 每隔 2 h 分别
测量枣树带阴影内外小麦冠层顶部及小麦群体内不同层次
( 20 cm 为一层)的光照强度.每种栽培模式内在枣树带阴影
区、非阴影区选 3 个观测点.为消除时间误差, 每次均采用往
返观测法, 共观测 5 d. 同时还测量了小麦群体的密度、叶面
积系数以及叶面积的垂直分布.
在进行小麦群体光分布数值模拟过程中, 引用透光率及
应 用 生 态 学 报 2003 年 6 月 第 14 卷 第 6 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jun. 2003, 14( 6)945~ 948
相对叶面积密度函数的概念[ 2, 3] . 透光率为小麦群体内各高
度上的光照强度与小麦冠层顶部的光照强度的比值. 它表征
了小麦群体的光能垂直分布状况.相对叶面积密度函数表征
了小麦群体内叶面积的垂直分布,其定义为:
F ( Z) / F =z1 f ( z ) dz (1)
式中, F ( Z)为单株小麦累积叶面积(由小麦顶部至计量相对
高度 Z) , F 为整株小麦总叶面积, f ( z )是相对叶面积密度
函数. 这是从概率密度函数的概念引用而来, 与概率函数极
为相似.当 Z= H 时(在小麦顶部,相对高度为 1) , f ( 1) = 0;
当 Z= 0(在植株基部至地面)时, f ( 0) = 0,且有:
10 f ( z ) = 1 (2)
函数 f ( z )的曲线可应用田间实测资料及数值模拟而得到.
3 结果与分析
31 枣树带阴影宽度及阴影区相对光强时空变化
晴天条件下,枣麦间作系统中,枣树带对小麦的
遮荫主要发生在早晨和傍晚, 中午前后遮荫较轻, 且
早晨(或傍晚)林带阴影宽度随时间变化非常迅速,
中午前后阴影宽度变化较小[ 11] . 5月下旬为例,早晨
600林带阴影宽度为 15. 8 m, 700为 8. 4 m, 1 h内
阴影宽度减小了7. 4 m;而上午 1000的阴影宽度为
2. 1 m, 1100为 1. 0 m, 1 h内仅减少 1. 1 m(表 1) .
表 1 枣树带遮荫宽度及相对光照度的变化规律
Table 1 Variations of the field widths shaded by the jujube tree bel t and
the relative sunshine intensities( 1988. 5)
项目
Item
时间 T ime ( h)
6 7 8 9 10 11 12
遮荫宽度 15. 8 8. 4 5. 3 3. 5 2. 1 1. 0 0. 0
Shadow width (m)
相对光照度 87. 5 60. 4 45. 8 39. 1 33. 7 31. 2 -
Relative sunshine int ensity ( % )
由于枣树带的遮荫、遮荫区与非遮荫区小麦顶
部的光照强度有明显差异. 我们定义小麦顶部的光
强( Q)与非遮荫区的光强( Q )之比为遮荫区的相
对光照度( %) . 相对光照度越小,表明遮荫区与非遮
荫区的光强差异越大,即遮荫区的光强相对较小. 在
枣麦间作系统内,每天早晨(或傍晚)枣树带阴影区
内相对光照度较大. 如 600阴影内小麦顶部的相对
光照度为 87. 5%, 出现了阴影不阴的现象; 中午
前后,阴影区内小麦顶部的相对光照度较小, 900
以后,阴影区内的相对光照度均低于 40% (表 1) ; 下
午也有类似的情况. 由此可见,早晨和傍晚枣树带的
阴影较宽,遮荫面积较大;中午前后,阴影较窄,遮荫
面积较小.
32 小麦群体内的光能垂直分布
太阳光进入小麦群体中, 受到小麦茎叶的削弱,
一部分被反射,一部分被吸收,一部分从茎叶之间空
隙通过直接到达地面. 光能在小麦群体内的削弱程
度与小麦本身的生物学特性(生育期、密度、叶面积
系数、叶面积铅直分布及叶片张角、方位等)、光能种
类(直射光或散射光)、光质及太阳方位等有关. 根据
实测资料,研究了枣麦间作系统中枣树带遮荫区(以
散射光为主)及非遮荫区(既包括散射光, 也包括直
射光)内小麦群体内的光分布特点.图 1为遮荫区及
非遮荫区内小麦群体不同时刻及日平均透光率的垂
直分布.从日平均值看,在遮荫区及非遮荫区中小麦
群体的透光率均从顶部向下递减,且上部( 60 cm 以
上)递减缓慢,中部( 40~ 60 cm )递减迅速(曲线明显
倾斜) ,再向下递减速度又趋缓慢. 尽管遮荫区内光
照比非遮荫区内弱, 但遮荫区小麦群体内的光分布
相对均匀.在非遮荫区,小麦群体内的光能铅直分布
日变化比较明显. 如在高度 40 cm 处, 800~ 1100
透光率增加了 30%左右; 而在遮荫区, 3 h内同高度
上的透光率仅增加了10% . 在遮荫区及非遮荫区
图 1 小麦群体内透光率的垂直分布
Fig. 1 Vert ical dist ribut ion of t ransmissivity in the w heat colony.
a:阴影内的透光率 Transmissivity inside the shadow; b:阴影外的透光
率 Transmissivity outside the shadow. .上午 8 时 800 in morning;
.日平均 Daily mean value; .上午 11时 1100 in morning.
946 应 用 生 态 学 报 14卷
中,小麦群体光能铅直分布的这些差异性主要取决
于辐射方式的差异. 在枣树带遮荫区,光能以散射光
为主,无明显的方向性. 因此, 小麦群体各层次的透
光率日变化较小; 而在非遮荫区, 光能既包括直射
光,也有散射光. 直射光具有明显的方向性, 其方向
决定于太阳的方位. 对南北行向的农田,中午前后植
被的透光率较大.因此,非遮荫区中小麦群体的光能
铅直分布具有明显的日变化.
33 小麦群体内光能铅直分布模式
根据遮荫区及非遮荫区麦田内光能垂直分布及
植被叶面积的实测资料, 建立小麦群体内光能铅直
分布的模式,以了解光能分布与作物群体结构的关
系.图 2为枣麦间作系统中小麦群体的平均相对叶
面积密度函数 f ( z )的曲线. 由此可见, f ( z )可近似
地用两条直线拟合,其交点就是曲线中最大值出现
部位, 约为株高的 2/ 3 处, 即小麦群体的活动面高
度[ 6, 9~ 11] .所以:
f ( z )= 2a(H - Z) 当 H z 2/ 3H
f ( z )= az 当 2/ 3H > z 0 ( 3)
式中, a为系数.
相对叶面积密度函数反映了小麦群体的铅直分
布规律.若在某高度 z 处, f ( z )越大,表明在高度 z
上叶片分布越密集, 叶面积也越大.
图 2 枣麦间作系统中小麦相对叶面积 f ( z )曲线
Fig. 2 Relat ive leaf area density function curve of the w heat in the sys
t em of w heatjujube interplant ing.
假设光能在群体内的削弱全部是由于叶片的吸
收作用和反射作用引起的. 在小麦群体中取一体积
元 dz ,它所包含的叶面积应为 ndF ( z ) , 那么, 光能
通过体积元 dz 时,由于受叶片的消光作用而削弱,
其削弱量为:
dQ = QandF ( z ) ( 4)
式中, n 为小麦种植密度(株m- 2) , 为消光系数.
根据式( 1) , 上式可写为:
dQ= QanFf ( z ) dz (5)
再根据式(2)、(3) ,分别给出小麦群体上下两层
的光能削弱量表达式:
dQ= - 2Qa1 nFa (H - z ) d( H - Z )
H z 2/ 3H
dQ= Qa2nFazDz 2/ 3H z 0 (6)
式中, 1、2 分别为小麦群体上、下两层的削光系
数.于是, 在小麦群体上层( H z 2/ 3 H )任一高
度上的光强,通过积分式(6)中第 1式得到:
Q 1z= QH e- a1nFa( H - z ) 2
或
Q 1z= QH e- b1( H- z )
2 H z 2/ 3 H (7)
式中, QH 为株顶部的光照强度, b1= 1nFa .
同理,对于下层(2/ 3 H z 0) , 积分式( 6)中
第 2式得到:
Q 2z= Q2/ 3He- 1/ 2a2 nFa[ (2/ 3H )2- z 2]
2/ 3 H z 0 (8)
式中, Q 2/ 3H为小麦 2/ 3株高处的光照强度,又由式
(5)得:
Q 2/ 3H = QHe- b1( H / 3)2 (9)
将式(8)代入式(6) ,得:
Q 2z= QH e- ( b 1+ 4b 2) (H / 3)2 eb 2 z2
当 2/ 3 H > z 0 (10)
式中, b 2= 1/ 22nFa. 归纳式( 6)及式(9) ,光能在麦
田内铅直分布的普遍式为:
Q 1z= QH e- b1( H - z) 2 当 H z 2/ 3 H
Q2z= QHe- ( b1+ 4b 2)(H / 3)2 eb 2z2
当2/ 3 H > z 0 (11)
根据 1998年 5 月间枣麦间作系统中麦田实测
资料,分别对遮荫区及非遮荫区内小麦群体的光能
铅直分布(日平均)进行了曲线拟合.
遮荫区内:
Q 1z= QH e- 11. 572( H - z) 2 当 H z 2/ 3 H
n = 25, R 2= 0. 925
Q 2z= 0. 153QH e1. 4336z 2 当 2/ 3 H > z 0(12)
n = 25, R 2= 0. 904
非遮荫区内:
Q 1z= QH e- 4. 9613( H - z) 2 当 H z 2/ 3 H
n = 25, R 2= 0. 932
9476 期 张继祥等:枣麦间作系统中光能在作物群体内分布的数值模拟
Q2z = 0. 1633QHe2. 8365z 2 当 2/ 3 H > z 0
(13)
n = 25, R 2= 0. 916
上述结果表明,在麦田中光能的铅直分布一般
可分为两段,上段在 2/ 3 株高以上,下段在2/ 3株高
以下, 且光能在麦田中的铅直分布遵循高斯曲线由
上而下递减的规律. 在枣麦间作系统中,在枣树带遮
荫区内及遮荫区外, 由于光的种类和性质的差异, 小
麦群体内光能铅直分布规律有明显的不同.
4 结 论
41 在枣麦复合栽培系统中,林带的遮荫胁地是影
响农作物生长发育和产量形成的主要因素之一. 在
晴天天气条件下,林带遮荫区域的时空变化规律决
定于地理纬度、季节、林带树冠高度、行向、行距等因
素.在现有枣麦间作系统中,由于枣树相对矮小, 疏
透度较大,且枣树春季萌发展叶较晚,林带遮荫不是
限制系统内小麦生长发育的主要因素.
42 在林带遮荫区及非遮荫区内,光能的传播方式
(太阳直接辐射和散射辐射)及辐射光谱均发生了明
显变化.在遮荫区内, 光能以散射辐射为主. 尽管其
相对光照度较小,但小麦群体内光能分布相对较均
匀,有利于光能利用率的提高.在非遮荫区内, 以直
接辐射为主,小麦群体内光能分布的时空变化较大.
43 在遮荫区及非遮荫区,小麦群体内光能分布均
遵循高斯曲线模式的递减规律.但是,从分布函数分
析,二者的分布系数差异较大.这反映了系统中小麦
群体内光能铅直分布规律的差异性.
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作者简介 张继祥, 男, 1961 年生, 在职博士生 , 教授, 从事果树生理生态方面的研究, 发表论文 30 余篇 . T el: 0538
8242550, Email: jx zh@ sdau. edu. cn
948 应 用 生 态 学 报 14卷