随着耕地面积逐年下降和人口不断增长,对提高单位面积上作物产量的要求越来越迫切。农田间作具有充分利用自然资源和较大幅度增加作物产量的特点,在农业生产上占有重要地位。为探索农田小麦/玉米间作系统生产力与养分光热资源利用,2012年和2013年,在内蒙古河套灌区沙濠渠试验站开展了两年大田试验研究,设置单作小麦、单作玉米、小麦/玉米间作三种种植模式,以及高氮、低氮、不施氮三种供肥水平,3次试验重复,共计27个试验小区。旨在通过对两种作物的生长发育、生物量积累、产量、光合生态生理特性的研究,探求挖掘小麦/玉米间作潜力的可行性及其机理,为优化小麦/玉米间作配置提供理论基础;研究作物群体对养分光热资源的捕获及利用,为实现小麦/玉米间作体系持续适度高产高效提供科学和理论依据。通过两年的田间试验研究,初步取得以下研究进展:(1)阐明了小麦/玉米间作对作物生长发育的影响。间作对小麦的生长具有促进作用。边行的株高和叶面积、叶面积指数、干物质积累显著比内行和单作行高。间作条件下,玉米的营养生长受到强烈抑制。间作玉米的农艺性状、叶面积指数比单作玉米显著减少或降低。采取指数线性生长模型定量模拟玉米的生长过程,结果表明,间作玉米的生长相对于单作玉米延缓2.39~8.24天。间作提高了小麦穗部所占的干物质分配比例,同时降低了营养器官所占的干物质分配比例。对于玉米,间作降低了玉米的营养器官(茎、叶)所占的干物质分配比例。(2)阐明了小麦/玉米间作对产量的影响并评价了间作模式的土地生产优势。间作小麦的产量显著高于单作小麦(10.1%~21.2%)。间作中边行效应明显,无内行效应。边行小麦的有效小穗数和穗粒数显著高于内行和单作行。而对于千粒重,间作小麦的不同行有低于单作小麦的趋势,从一定程度上说明千粒重不是导致间作小麦增产的重要原因。单作玉米的穗行数、穗粒数、穗粗都显著高于间作玉米。小麦/玉米间作系统表现出较强的土地生产优势,LER位于1.01~1.19。随着施肥水平的提高,LER逐渐增大。(3)阐明了小麦/玉米间作对氮素吸收及利用的影响。间作小麦的籽粒含氮浓度、籽粒吸氮量、植株吸氮量都显著高于单作小麦。间作玉米的籽粒含氮浓度、氮素收获指数显著高于单作玉米。在小麦玉米共生期,小麦对氮素的竞争能力始终强于玉米(crwm=1.41~3.77),且随施氮量减少竞争加剧。在养分充足的情况下,间作玉米的干物质积累和养分吸收得到恢复,间作玉米最终的干物质积累量和植株吸氮量都超过了单作玉米。间作对小麦各组织器官氮素分配比例无显著性影响。而间作降低了玉米中氮素向营养器官(茎、叶)的分配比例,提高了氮素向籽粒中转移的比例(3.3%~25.2%)。在植株水平上,间作提高了玉米的氮素利用效率,而降低了小麦的氮素利用效率;其中,间作小麦的氮素生理利用效率为26.42~30.12kgkg-1,间作玉米的氮素生理效率为52.70~61.66kgkg-1。系统水平上,氮吸收当量比(ner)明显高于土地当量比ler(3~16%),间作相对单作没有提高氮素的利用效率。(4)明晰了小麦/玉米间作对作物光合生理生态特性的影响。在拔节期和灌浆期边行小麦相对内行和单作行表现出较强的光合优势,具有较高的净光合速率pn(15.44~19.23umolm-2s-1;10.55~12.78umolm-2s-1)和蒸腾速率tr(4.03~5.66molm-2s-1;5.70~5.81molm-2s-1);在麦玉共生期,由于遮阴,间作玉米的光合性能弱于单作玉米,净光合速率pn和蒸腾速率tr都低于单作玉米,小麦收获之后玉米光合性能得到一定程度的恢复。施氮增加了小麦的最大荧光fm、可变荧光fv,对psⅡ的潜在活性(fv/fo)有改善,但对小麦灌浆期psⅡ原初光能转换效率fv/fm无影响;在共生期,间作玉米psⅡ反应中心结构和功能受到不同程度的抑制,fm、fv降低,原初光能转化效率减小,psⅡ的潜在活性降低。小麦收获之后间作玉米的psⅡ反应中心结构和功能只维持了一段时间的恢复和改善,且只有在施氮条件下fv/fm、fv/fo间作玉米高于单作玉米。间作种植显著提高了小麦的相对叶绿素含量,而降低了玉米的相对叶绿素含量。(5)阐明了小麦/玉米间作对光热资源捕获及利用的影响。在共生前期间作玉米接收的太阳辐射明显减少,透光率平均比单作玉米降低3.9%~6.3%,而间作小麦接收的太阳辐射增加。在共生后期间作玉米逐渐摆脱弱光照的胁迫状况,透光率比单作玉米平均升高19.3%,而间作小麦仍接收了较多的太阳辐射。在共生前期,单作玉米的土壤表层温度都高于间作玉米带(2.42~2.63℃d-1);在共生后期,邻近小麦收获,单作玉米与间作玉米带之间的温度差距不断减少;小麦收获之后,间作玉米带的温度逐渐高于单作玉米,平均每天高2.14~2.37℃。单作小麦的光能利用率在孕穗开花期达到最高值;单作玉米的光能利用率分别在拔节期和灌浆中期达到两个高峰值;间作模式的光能利用率随生育期也呈现出双峰曲线变化,在小麦孕穗开花期(0.69~1.04%)和玉米灌浆中期(0.55~0.89%)取得最高值。就平均值而言,间作模式的光能利用率(0.44~0.70%)低于单作玉米,而高于单作小麦。小麦/玉米间作模式全年的热量资源利用接纳系数(1.38;1.50)显著高于单作小麦和单作玉米,麦/玉间作模式对热量资源的利用程度明显比单作模式高。(6)探讨了挖掘小麦/玉米间作潜力的可行性及其机理。综合上述研究成果,小麦/玉米间作具有较高的土地生产优势,然而在提高氮素利用效率方面没有优势,整体上间作降低了氮素的利用效率,因此进一步提高小麦/玉米间作的氮素利用效率仍具有挑战性。小麦/玉米间作能提高全生育期的光能利用率和热量利用率,然而光热的时空分布对小麦和玉米的生长发育产生了不同的影响:小麦获得了较多的光和热,生长得到促进;而玉米尽管在小麦收获之后表现出一定的恢复效应,但是由于在共生期受长时间的低热量和低光照胁迫,总体上仍然表现出受抑制的状态,生长发育显著延迟。因此在共生期,可通过培育高光效玉米品种,以及采取起垄、覆膜等农艺措施,可减少间作玉米生长发育的制约因素,从而增大小麦/玉米的间作潜力。