间套作系统是一种集约化种植模式，可作为农业应对耕地减少、土地退化和气候变化的策略，愈加受到广泛关注。半干旱半湿润区，雨养和补充性灌溉下间套作系统的水分消耗和生产力亟待进一步研究。本研究采用大田试验与理论分析相结合的方法，基于小麦/玉米套作系统根系特征(根系生长和根系分布)、水分消耗特征(土壤水分、蒸发蒸腾、水分运移、植物茎流)和水分消耗评估，以期阐明半干旱半湿润地区间套作系统在雨养和补充性灌溉条件下生产力和耗水优势的内在机理。基于耗水时间一致性，兼顾生态效益，对间套作系统耗水评价指标进行优化，使其能更客观精确地评价间套作系统的耗水特性，更适用于休耕等农业新形势。主要结论如下：
　　(1)明晰了雨养和补充性灌溉条件下根系的生长分布特征及水分竞争关系。雨养条件下，套作小麦根系生长和空间分布均被促进，总根长显著增加，根系呈明显不对称分布，保证了小麦可以获得更多的水分；套作玉米根系分布在水平和垂直方向上均被抑制，且在小麦收获后无显著恢复，其水分利用范围和能力严重受限。补充性灌溉条件下，套作小麦根系侧向分布不明显；小麦收获后，玉米根系恢复生长被促进，总根长显著增加，根系在水平方向明显增加，提高了玉米水分吸收能力。小麦比玉米更具有竞争力，是由于其根系具有更高的可塑性，雨养条件下这种差异尤为明显。
　　(2)探明了小麦/玉米套作系统内作物蒸腾优势和劣势的内在原因。不同水分条件下套作小麦均具有蒸腾优势，而套作玉米仅在补充性灌溉条件下具有蒸腾优势。雨养条件下，套作小麦边行和内行相比单作小麦均具有显著茎流优势，且这种优势主要源自于边行：湿润期，套作小麦边行和内行日茎流值比单作小麦分别提高38-45%和2-7%；干旱期，套作小麦边行和内行日茎流值比单作小麦分别提高56-140%和17-20%。套作小麦具有更强的抵御干旱能力。补充性灌溉条件下，套作玉米蒸腾优势源于小麦收获后玉米茎流的显著增加，在玉米主要生育期内，不同位置茎流值大小为：套作玉米边行>套作玉米内行>单作玉米。小麦收获前，相同水分处理条件下，不同种植模式土壤蒸发无显著差异。小麦收获后，套作小麦条带土壤蒸发显著小于单作小麦；套作玉米条带土壤蒸发显著大于单作玉米。
　　(3)阐明了小麦/玉米套作系统内的水分运移和分配规律。小麦条带和玉米条带间存在大量水分运移，其运移方向随生育期变化。不同水分条件下，小麦收获前，水分由玉米条带向小麦条带运移；小麦收获后水分由小麦条带向玉米条带运移。与雨养处理相比，灌水减少了小麦收获前玉米条带向小麦条带的运移量，增加了小麦收获后小麦条带向玉米条带的水分运移量。小麦冠层截留占蒸发量比例为11%-22%，玉米冠层截留占比为11%-26%。除2015年灌水处理外，不同种植模式下小麦冠层截留无显著差异；雨养条件下套作玉米冠层截留显著低于单作玉米，灌水条件下二者差异不显著。与单作相比，套作小麦和玉米的耗水量在生育期显著增加：套作小麦耗水增加是由于蒸发和蒸腾量增加，单作和套作小麦的T/ET比值无显著差异；套作玉米耗水增加是因为蒸发增加，套作玉米的E/ET的比值显著增加。
　　(4)明确了套作系统产量优势、土地利用优势和耗水优势。雨养条件下，套作小麦相对于单作小麦产量增幅大于灌溉处理。与单作玉米相比，套作玉米在雨养条件下减产6%，在补充性灌溉条件下增产7%。不同水分条件下，套作系统土地当量比均大于1，表现为土地利用优势。基于Morris等提出的ΔWU和ΔWUE指标，考虑了单作系统非生育期耗水，使指标兼顾生态效益。基于优化后的评价指标，小麦/玉米套作系统的水分利用效率增加且总耗水减少。
　　本研究表明，在构建间套作系统时要充分考虑其地下部分根系生长特征及其对水分的竞争利用。小麦根系具有更高可塑性，吸水能力强，保证了其产量和茎流优势，使其具有更强的抵御干旱能力。玉米仅在补充性灌溉时，具有根系生长、茎流和产量优势。相对于单作，间套作系统的具有产量、土地利用和水分利用优势，这对于雨养农业地区意义重大。这对于进一步构建和优化间套作系统，评估间套作系统区域适宜性和加强间套作系统田间水分管理极其重要。间套作系统作为一个休耕措施具有保水和增产优势，并具有增加生态和经济效益潜力。