中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (5): 965-979.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.05.011
收稿日期:
2023-08-17
接受日期:
2023-11-15
出版日期:
2024-03-01
发布日期:
2024-03-06
通信作者:
联系方式:
兖攀,E-mail:494594365@qq.com。
基金资助:
YAN Pan(), WANG ZhenDong, DENG YongHui, CHEN QiLing(
), ZHENG QiangQing
Received:
2023-08-17
Accepted:
2023-11-15
Published:
2024-03-01
Online:
2024-03-06
摘要:
【目的】调查库尔勒香梨5种树形的冠层结构,分析不同树形冠层内的光照分布差异,建立光截获量日变化模型,计算光能截获率,明确库尔勒香梨冠层结构的调控方法和目标参数,为高光效树形培育提供参考依据。【方法】以不同树形的库尔勒香梨为试材,测定冠层结构参数和不同部位的光合有效辐射(photosynthetic effective radiation,PAR),基于象限思维构建三维空间,绘制光分布图,建立光能截获评价指标体系,计算光截获量和光能截获率,通过相关性分析和主成分分析,明确影响光能截获的主要冠层结构和调控方法。【结果】(1)大圆柱形的地径、平均枝粗较大,存在枝干比失调的主枝。圆柱形冠层上下的分枝数和枝粗更加均匀。窄圆柱形的分枝数、枝总长、平均枝长显著低于圆柱形。矮圆柱形的树高显著降低,其余参数与窄圆柱形相似。细长纺锤形的地径、平均枝长、平均枝粗、平均枝角、平均枝间距显著低于圆柱形,但短枝占比显著增加。(2)离主干距离和高度是影响冠层光截获量(light interception,LI)的主要因素,离主干100 cm处的平均光截获量(average light interception,ALI)显著提高,达到572 μmol·m-2·s-1,约为内膛的2倍,220 cm以下的光照条件均较差。南、北、东南、西南侧为高光区,西、东、东北、西北侧为低光区,ALI日变化可以大致分为5个时段。(3)树形变窄、变矮,可显著增加内膛ALI,显著增加各层或部分层次的ALI,显著增加所有或部分方位的ALI,显著增加部分时段的ALI。(4)细长纺锤形的单日累积光截获量(cumulative light interception,CLI)为22.2 mol·m-2,群体CLI为3 712 mol/667 m2,光能截获率(light interception rate,LIR)为35.6%,显著高于其他树形,其低光区占比(proportion of low light area,PLL)为50.9%,显著低于其他树形。(5)与光能截获率显著正相关的冠层结构参数有5个,显著负相关的冠层结构参数有15个。【结论】短枝占比是影响库尔勒香梨光能截获率的最主要参数,枝长是影响低光区占比的最主要参数。控制树高和冠幅可以提高光能截获率和光照分布的均匀度。细长纺锤形的冠层光分布更加均匀,光能截获率最高,可保持较多的分枝数和较大的短枝占比,降低平均枝长,改善冠层光照水平。
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表1
不同树形库尔勒香梨的枝类组成"
树形 Canopy shapes | 地径 Diameter (cm) | 树高 Height (m) | 分枝数 Number of branches (No.) | 长枝占比 Proportion of long branches (%) | 中枝占比 Proportion of middle branches (%) | 短枝占比 Proportion of short branches (%) |
---|---|---|---|---|---|---|
大圆柱形 LC | 10.7±0.1a | 3.0±0.1bc | 26±5bc | 32±19a | 39±7bc | 29±14b |
圆柱形 C | 7.8±0.7b | 3.2±0.1b | 33±2b | 22±8ab | 44±16bc | 34±8b |
窄圆柱形 NC | 8.8±0.6b | 3.2±0.1b | 23±3c | 7±3b | 63±5a | 30±6b |
矮圆柱形 SC | 8.5±1.5b | 2.8±0.0c | 20±3c | 12±7b | 55±9ab | 34±15b |
细长纺锤形 SS | 5.7±0.2c | 3.7±0.2a | 65±7a | 8±6b | 31±6c | 61±8a |
表2
不同树形库尔勒香梨的主枝参数"
树形 Canopy shape | 枝总长 Total length of branches (m) | 平均枝长 Average branch length (cm) | 平均枝粗 Average diameter (cm) | 枝角 Branch angle (°) | 平均枝间距 Average distance of branches (cm) |
---|---|---|---|---|---|
大圆柱形 LC | 20.3±3.2ab | 78±17ab | 2.1±0.2b | 65±7b | 9.6±2.0a |
圆柱形 C | 27.3±1.9a | 82±1a | 1.8±0.1c | 67±4ab | 8.8±1.1a |
窄圆柱形 NC | 13.9±1.7bc | 60±3b | 2.3±0.1a | 75±4a | 10.8±0.9a |
矮圆柱形 SC | 12.2±1.8c | 61±11b | 2.3±0.1a | 73±3ab | 10.8±1.2a |
细长纺锤形 SS | 27.5±7.9a | 42±8c | 1.2±0.1d | 49±7c | 4.9±0.8b |
表3
不同树形库尔勒香梨的主枝垂直分布特征"
树形 Canopy shape | 分枝数 Branch number (No.) | 平均枝长 Average branch length (cm) | 平均枝粗 Average branch diameter (cm) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
下层 Lower | 中层 Middle | 上层 Upper | 下层 Lower | 中层 Middle | 上层 Upper | 下层 Lower | 中层 Middle | 上层 Upper | |
大圆柱形 LC | 6±2b | 13±2ab | 7±1c | 95±30a | 72±16ab | 78±22a | 2.8±0.6a | 1.8±0.2b | 2.0±0.2ab |
圆柱形 C | 5±1b | 12±2bc | 16±2b | 89±26ab | 88±1a | 76±10a | 2.1±0.1b | 1.9±0.1ab | 1.6±0.1b |
窄圆柱形 NC | 6±2b | 8±1c | 9±1c | 68±7ab | 61±3b | 54±6ab | 2.4±0.2ab | 2.2±0.1ab | 2.3±0.2a |
矮圆柱形 SC | 7±0b | 8±2c | 6±3c | 69±8ab | 64±19b | 51±6b | 2.4±0.3ab | 2.3±0.5a | 2.2±0.5a |
细长纺锤形 SS | 13±2a | 18±5a | 33±2a | 53±21ab | 53±12b | 33±13b | 1.3±0.2c | 1.2±0.3c | 1.1±0.1c |
表4
不同树形库尔勒香梨的光照分布特征"
因素 Factor | 平均光截获量 ALI (μmol·m-2·s-1) | ||||
---|---|---|---|---|---|
圆柱形C | 窄圆柱形NC | 矮圆柱形SC | 细长纺锤形SS | ||
树形 Canopy shape | 375±25C | 430±27B | 413±25BC | 514±31A | |
高度 Height (cm) | 70 | 137±11Cd | 132±12Cd | 171±14Bc | 276±19Ac |
120 | 151±12Ccd | 177±13Cd | 227±15Bc | 348±22Ac | |
170 | 253±18Dcd | 301±21Cc | 417±25Ab | 352±23Bc | |
220 | 282±20Dc | 364±25Cc | 485±28Bb | 541±32Ab | |
270 | 450±28Cb | 641±36Bb | 763±42Aa | 642±40Bb | |
320 | 973±55Aa | 966±53Aa | —— | 925±54Aa | |
离主干距离 Distance from trunk (cm) | 0 | 237±17Cb | 346±21Ab | 286±18Bb | 360±23Ac |
50 | 315±21Cb | 377±25Bb | 339±22BCb | 485±30Ab | |
100 | 572±34Ba | 568±34Ba | 613±35Ba | 698±42Aa | |
方位 Direction | 东北 Northeast | 326±22Cbc | 377±23Babc | 493±27Aab | 487±29Abc |
东 East | 195±14Cc | 366±22Abc | 262±19Bc | 369±23Acd | |
东南 Southeast | 471±28Bab | 455±28Bab | 470±29Bab | 645±38Aab | |
南 South | 566±33Ba | 544±32Ba | 563±32Ba | 755±44Aa | |
西南 Southwest | 414±27Cab | 463±29BCab | 494±27Bab | 602±36Aab | |
西 West | 170±13Cc | 286±21ABc | 269±17Bc | 319±22Ad | |
西北 Northwest | 376±24BCb | 468±30Aab | 363±22Cbc | 414±27Bcd | |
北 North | 479±29Aab | 482±31Aab | 387±24Babc | 521±33Abc | |
时间 Time | 10:00 | 303±26Bb | 319±25Bb | 382±28Ab | 413±33Ab |
12:00 | 510±29Ca | 497±27Ca | 603±26Ba | 739±40Aa | |
14:00 | 507±29Ca | 580±34Ba | 533±28BCa | 832±43Aa | |
16:00 | 602±32Ba | 616±34Ba | 591±32Ba | 716±40Aa | |
18:00 | 253±21Cb | 487±32Aa | 304±27Bb | 275±24BCc | |
20:00 | 72±8BCc | 83±9Bc | 62±8Cc | 109±9Ad |
表5
不同树形库尔勒香梨ALI日变化模型、CLI、LIR、PLL和群体CLI"
树形 Canopy shape | 平均光截获量 Average light interception (t) | R2 | 累积光截获量 Cumulative light interception (mol·m-2) | 光能截获率 Light interception rate (%) | 低光区占比 Proportion of low light area (%) | 群体CLI Group CLI (mol/667 m2) |
---|---|---|---|---|---|---|
圆柱形 C | ALI=-2398.857+419.021t-14.839t2 | 0.901 | 16.2±1.1c | 24.3±0.5c | 69.4±1.2a | 2709±182c |
窄圆柱形 NC | ALI=-2897.143+486.532t-16.777t2 | 0.951 | 18.6±1.2b | 29.0±0.4b | 60.1±1.6c | 3108±192b |
矮圆柱形 SC | ALI=-2102.286+395.277t-14.397t2 | 0.924 | 18.2±1.1bc | 23.6±0.5c | 63.7±1.3b | 3032±184bc |
细长纺锤形 SS | ALI=-3214.286+572.279t-20.518t2 | 0.902 | 22.2±1.3a | 35.6±0.2a | 50.9±2.2d | 3712±225a |
图4
冠层结构与光能截获的相关性 D:地径;H:树高;N:分枝数;PL:长枝占比;PM:中枝占比;PS:短枝占比;TL:枝总长;L:平均枝长;AD:平均枝粗;A:枝角;ADI:平均枝间距;NL:下层枝数;NM:中层枝数;NU:上层枝数;LL:下层平均枝长;LM:中层平均枝长;LU:上层平均枝长;DL:下层平均枝粗;DM:中层平均枝粗;DU:上层平均枝粗;AL:下层平均枝角;AM:中层平均枝角;AU:上层平均枝角;DIL:下层平均枝间距;DIM:中层平均枝间距;DIU:上层平均枝间距;ALI:平均光截获量;CLI:累积光截获量;LIR:光能截获率;PLL:低光区占比。下同。**代表在0.01水平(双侧)上显著相关,*代表在0.05水平(双侧)上显著相关"
表6
冠层结构优化方法"
冠层结构参数 Canopy structure parameters | 常数 Constant | 系数 Coefficient | R2 | 最优解 Optimal solution | 大圆柱形LC | 圆柱形C | 窄圆柱形NC | 矮圆柱形SC | 细长纺锤形SS | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
参数 Parameters | 调控 Regulation | 参数 Parameters | 调控 Regulation | 参数 Parameters | 调控 Regulation | 参数 Parameters | 调控 Regulation | 参数 Parameters | 调控 Regulation | |||||
树高Height (H) | -14.845 | 13.060 | 0.644 | 3.4 | 3 | + | 3.2 | + | 3.2 | + | 2.8 | + | 3.7 | - |
分枝数Number of branches | 18.710 | 0.243 | 0.641 | 46 | 26 | + | 33 | + | 23 | + | 20 | + | 65 | - |
长枝占比Proportion of long branches | 30.600 | -0.232 | 0.330 | 3 | 32 | - | 22 | - | 7 | ◯ | 12 | ◯ | 8 | ◯ |
中枝占比Proportion of middle branches | 31.162 | -0.093 | 0.064 | 12 | 39 | ◯ | 44 | ◯ | 63 | - | 55 | - | 31 | ◯ |
短枝占比Proportion of short branches | 18.033 | 0.235 | 0.493 | 51 | 29 | + | 34 | + | 30 | + | 34 | + | 61 | - |
枝总长Total length of branches | 22.602 | 0.210 | 0.093 | 35.2 | 20.3 | + | 27.3 | ◯ | 13.9 | + | 12.2 | + | 27.5 | ◯ |
平均枝长Average branch length | 41.731 | -0.231 | 0.589 | 51 | 78 | - | 82 | - | 60 | ◯ | 61 | ◯ | 42 | + |
平均枝粗 Average diameter | 41.560 | -7.656 | 0.440 | 1.5 | 2.1 | - | 1.8 | ◯ | 2.3 | - | 2.3 | - | 1.2 | + |
枝角 Branch angle | 46.142 | -0.293 | 0.353 | 55 | 65 | - | 67 | - | 75 | - | 73 | - | 49 | + |
平均枝间距 Average distance of branches | 39.394 | -1.394 | 0.448 | 6.7 | 9.6 | - | 8.8 | - | 10.8 | - | 10.8 | - | 4.9 | + |
下层枝数 Branch number of lower | 18.132 | 1.159 | 0.560 | 10 | 6 | ◯ | 5 | ◯ | 6 | ◯ | 7 | ◯ | 13 | - |
中层枝数 Branch number of middle | 20.147 | 0.566 | 0.238 | 17 | 13 | + | 12 | + | 7 | + | 8 | + | 18 | - |
上层枝数 Branch number of upper | 21.122 | 0.404 | 0.702 | 22 | 7 | + | 16 | ◯ | 9 | + | 6 | + | 33 | - |
下层平均枝长 Branch length of lower | 36.664 | -0.131 | 0.351 | 51 | 95 | - | 89 | - | 68 | - | 69 | - | 53 | + |
中层平均枝长 Branch length of middle | 38.581 | -0.173 | 0.288 | 50 | 72 | - | 88 | - | 61 | - | 64 | - | 53 | ◯ |
上层平均枝长 Branch length of upper | 37.569 | -0.184 | 0.523 | 41 | 78 | - | 76 | - | 54 | - | 51 | - | 33 | + |
下层平均枝粗 Branch diameter of lower | 42.228 | -6.922 | 0.596 | 1.8 | 2.8 | - | 2.1 | - | 2.4 | - | 2.4 | - | 1.3 | + |
中层平均枝粗 Branch diameter of middle | 38.681 | -6.243 | 0.304 | 1.4 | 1.8 | - | 1.9 | - | 2.2 | - | 2.3 | - | 1.2 | + |
上层平均枝粗 Branch diameter of upper | 36.817 | -5.392 | 0.283 | 1.3 | 2 | - | 1.6 | - | 2.3 | - | 2.2 | - | 1.1 | + |
下层平均枝角 Branch angle of lower | 48.578 | -0.293 | 0.488 | 63 | 78 | - | 79 | - | 78 | - | 79 | - | 55 | + |
中层平均枝角 Branch angle of middle | 40.139 | -0.196 | 0.208 | 52 | 62 | - | 74 | - | 77 | - | 74 | - | 51 | ◯ |
上层平均枝角 Branch angle of upper | 34.508 | -0.131 | 0.110 | 34 | 56 | - | 59 | - | 70 | - | 64 | - | 45 | - |
下层平均枝间距 Branch distance of lower | 35.765 | -1.069 | 0.395 | 5 | 11 | - | 9 | - | 8 | - | 8 | - | 5 | ◯ |
中层平均枝间距 Branch distance of middle | 34.434 | -0.829 | 0.191 | 5 | 8 | - | 9 | - | 11 | - | 12 | - | 6 | ◯ |
上层平均枝间距 Branch distance of upper | 35.612 | -0.847 | 0.406 | 7 | 12 | - | 9 | - | 12 | - | 13 | - | 5 | + |
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