果农间作系统林下太阳辐射时空分布及其对间作作物的影响

The interspecific relationship is a key issue in theoretical researches and production practices in agroforestry system, it determines the functions and benefits of agroforestry system. However, some questions and problems in the current studies of the interspecific relationship, relatively lower precision of spatial and temporal distribution simulation of solar radiation under canopy, unclarified and unquantified effects of solar radiation under canopy on crops, severely restrict the researches and regulations of interspecific relationship coupling of water, nutrients, light and other factors together. Against the key scientific issue in this field, spatial and temporal distribution of solar radiation under canopy and its influences on crops in agroforestry systems, this study takes typical economic trees-crops intercropping systems in the Loess Plateau, apple trees-soybean intercropping system and apple trees-peanut intercropping system, as research objects, and will focus on analyzing the spatial and temporal dynamic of scope and intensity of canopy shade through simulating canopy projection of apple tree and its movement trajectory, calculating the solar radiation intensity under canopy; clarifying and quantifying the influences of solar radiation under canopy on crops by establishing mathematic relation between crops' productivity and solar radiation and other microclimatic factors based on monitoring form and structure of canopy, solar radiation and other microclimatic factors and crops' growth and productivity. The results will provide theoretical supports for designing and optimizing the spatial configuration and structure, scientifically regulating the interspecific relationship, and sustainable management of economic trees-crops intercropping systems.

种间关系决定着农林复合系统的功能与效益，是农林复合系统理论研究和生产实践中所关注的焦点。但目前基于光环境的种间关系研究中，存在林下太阳辐射时空分布模拟精度低、林下太阳辐射对作物的影响不能厘清和量化等问题，严重制约着农林复合系统中水、肥、光等多因子耦合的种间关系研究与调控。本研究针对农林复合系统林下太阳辐射时空分布及其对作物的影响这一关键科学问题，以黄土高原典型的苹果×大豆、苹果×花生2种果农间作系统为研究对象，在监测果树树冠形体及结构特征、太阳辐射及其他小气候、作物生长及生产力的基础上，通过模拟果树树冠投影及其移动轨迹、计算林下太阳辐射强度，解析果农间作系统果树树冠遮荫范围和遮荫强度的时空动态变化规律；通过建立作物生产力与林下太阳辐射及其他小气候因子的关系，厘清并量化果农间作系统林下太阳辐射对作物的影响，为黄土高原果农间作系统空间配置与结构优化、种间关系科学调控及可持续经营提供理论支撑。

农林复合系统种间关系决定着农林复合系统的功能与效益，是农林复合系统理论研究和生产实践中所关注的焦点。而对于基于光照环境的果农间作系统种间关系研究中，目前仍存在树木遮荫的空间分布与时间动态缺乏系统模拟分析、光照对作物的影响未能实现准确厘清和量化等关键科学问题，严重制约着果农间作系统中基于水、肥、光等多因子耦合的种间关系研究，并成为果农间作系统种间关系调控的技术瓶颈。本文针对以上关键科学问题，以晋西黄土区具有代表性的苹果（Malus pumila）×大豆（Glycine max）间作系统和苹果（Malus pumila）×花生（Arachis hypogaea）为研究对象，在监测树冠冠形及结构特征、太阳辐射及其他小气候因子、花生和大豆生长及生产力的基础上，根据投影几何理论，建立单株苹果树树冠投影模型，推导树冠投影及其移动轨迹，解析苹果树遮荫范围的时空分布规律；根据冠层辐射传输原理，建立树下光合有效辐射传输模型，计算树下光合有效辐射强度，解析苹果树遮荫强度的时空分布规律；并建立大豆生长及生产力与太阳辐射及其他小气候因子的数学关系，计算林下太阳辐射对作物生长及生产力影响的贡献率，厘清并量化果农间作系统中林下太阳辐射时空分布对间作作物影响。研究结果表明：1）在苹果树遮荫范围时空分布方面，利用投影几何原理，建立了单株苹果树树冠的投影边界模型F(x", y")=0，将该边界模型分为卵圆形函数、卵圆形方程和圆形方程构成的分段函数、圆形函数三种情况。在消除半影效应对投影的影响并利用残差分析剔除异常值后，单株苹果树树冠投影模型表现出较好的模拟效果；2）在苹果树遮荫强度时空分布方面，建立了树下直射光合有效辐射传输模型和树下散射光合有效辐射传输模型，在剔除光斑影响后，模型在苹果树下光合有效辐射的模拟计算中表现出较好的模拟效果；3）光合有效辐射是影响花生和大豆产量的最大因子，其中光合有效辐射对花生产量的贡献率达53.48%，空气相对湿度贡献率为30.07%，大气温度贡献率为16.45%；光合有效辐射对大豆产量的贡献率高达60.9%；而大气温度对大豆产量的贡献率仅为10.4%。本研究为黄土高原果农间作系统空间配置与结构优化、种间关系科学调控及可持续经营提供理论支撑。