小麦-棉花两熟种植显著提高了土地的复种指数和产出,缓解了粮棉争地矛盾,是当前我国长江流域棉区和黄河流域棉区主要的种植制度。研究不同麦棉种植模式下棉花生长发育和产量品质形成规律,以及对温光、氮素资源利用效率和棉田土壤理化性质及可持续生产力的影响,探索与现阶段农民生产模式相匹配的两熟高产稳产高效新型栽培理论和技术将为农作物增产增效提供强有力的科技支撑。本研究以生育期不同的两个棉花品种泗杂3号(中晚熟品种)和中棉所50(早熟品种)为材料,于2011/2012和2012/2013生长季在江苏省南京市南京农业大学牌楼试验站(118050’E,32°02’N)和江苏省大丰市大丰稻麦原种场(33°20"N,120°46"E)进行小麦-棉花两熟种植模式试验(单作棉、麦棉套作、麦后移栽棉和麦后直播棉)。研究内容包括以下几部分：1、系统研究不同种植模式下棉花的生长物候环境、农田小气候特征、棉株生长发育、器官建成动态和生物量累积分配,探讨种植模式影响棉花产量形成的生理生态机制；2、通过田间试验测定棉株冠层结构、光能截获分布和生育期累积积温状况、研究种植模式对温光资源截获利用的影响；3、系统研究不同种植模式下棉花的氮素累积吸收动态,揭示种植模式对棉花氮素资源利用和周年氮素平衡的影响；4、通过对棉田土壤理化性质的研究,揭示不同种植模式棉田土壤养分供应特征,为棉田合理施肥提供借鉴。主要研究结果如下：1.“源”“库”降低限制了两熟种植模式下棉花产量的形成大田试验和盆栽试验的结果表明,两熟种植模式下棉花产量低于单作棉。对产量构成因子进行分析,发现造成两熟种植模式下棉花产量降低的首要因素是铃数减少,其次是铃重的降低。本研究发现,两熟种植模式下生育期后延导致棉花的源强和库容均降低,是限制棉花产量提高的生理生态学瓶颈。套作棉苗期受小麦遮阴影响、麦后移栽棉由于移栽迟苗期过长、麦后直播棉由于播期较晚、生长发育时间较短造成两熟种植棉花源强较单作棉均有下降。同时,两熟种植模式下棉花生殖生长推迟减弱造成铃数减少,库容降低。套作棉、麦后移栽棉的产量低主要由源强受限引起,麦后直播棉的产量低主要由库容受限造成。相比中晚熟品种泗杂3号,早熟品种中棉所50由于生育期较短缓解了生育发育的延迟,因而在两熟连作种植系统中具有产量优势。2.生育期物候环境差异影响了棉花的温光资源利用效率麦棉两熟种植模式显著影响了棉花生长的物候环境,具有显著差异的是蕾期和花铃期的温度,以及花铃期棉株冠层内的小气候。物候环境的差异显著影响了棉花的温光资源利用。本研究发现,棉花较高的辐射利用效率(RUE)与冠层内部适宜的光能分布正相关。两熟种植棉花的冠层结构较单作棉有所改善,冠层内光的穿透性增加,提高了棉株的光合能力,RUE比单作棉增加。中晚熟品种泗杂3号单作棉和套作棉RUE较高,而早熟品种中棉所50在麦后移栽棉和麦后直播棉中的RUE较高。分析发现限制两熟种植棉花产量提高的主要因子是IPAR较低,而不是RUE。棉花生育期间GDD和TPE差异显著,两熟种植模式下棉花的TPE显著低于单作棉。研究表明,提高两熟种植模式的生产力和资源利用重点应是提高辐射资源的截获。相比中晚熟品种泗杂3号,早熟品种中棉所50在两熟连作种植系统中具有较高的温光资源利用效率。3.两熟种植模式下棉花氮素利用效率降低棉株氮素积累符合Logistic生长模型,积累特征值受施氮量和种植模式的影响。两熟种植模式下棉花氮素快速积累期缩短、积累速率降低,导致氮素积累量(128-223 kg hm-2)较单作棉降低(161-241 kg hm-2)、两熟种植降低了棉株氮素积累分配到生殖器官中的比例,以麦后直播棉影响最大。两熟种植模式下棉花氮素利用效率低于单作棉,尤其是麦后直播棉,主要由生产力较低对氮素的吸收较小造成。麦棉种植模式影响了周年的氮素平衡,两熟种植周年氮素盈余(371-606 kg hm-2)显著高于单作棉(255-318 kg hm-2)。与单作棉相比,麦棉两熟种植模式更多的氮通过氮挥发或其它形式损失掉。研究表明,前茬小麦季氮肥残留不容忽视,棉花季施肥应考虑前茬作物的氮肥残留效应。4.两熟种植提高了棉田土壤养分麦棉种植模式对棉田土壤物理性质影响较小,仅对土壤温度影响显著。两熟种植棉田花铃期的日平均温度和日最高温度均较单作棉有所升高。种植模式显著影响了棉田不同生育时期0-20 cm和20-40 cm土壤养分含量,两熟种植模式下棉田吐絮期土壤的有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量均较单作棉有所升高,以麦后直播棉增幅最大,而对全磷和pH则无显著影响。这一方面由于前茬作物的秸秆、根系和落叶等是补充土壤有机质和养分的重要来源,另一方面两熟种植模式下棉花生长发育缓慢、生物产量较低,养分吸收弱于单作棉,土壤中的肥料残留导致养分含量升高。本研究结果表明,在长江流域棉区麦棉套作周年生产力不高、资源利用效率较低,不适合当前生产实际。麦后移栽棉周年生产力最高,同时具有较高的资源利用效率,是当前长江流域棉区较为适宜的种植模式。麦后直播棉产量不具有明显优势,同时品质也低于其余种植模式,但资源利用效率较高,从可持续发展角度是最佳模式。本研究发现,早熟品种在麦后移栽棉和麦后直播棉中拥有较高的产量和资源利用效率。生产实践中采用合适的栽培管理措施可提高两熟种植模式下棉花的产量、品质和资源利用效率。