禾豆间作具有特殊的氮素利用特征,能够提高单位面积产量和资源利用效率,对农业可持续生产具有重要意义。然而,氮肥利用率低是以施用氮肥追求高产的现代农业中出现的普遍问题,也是禾豆间作规模化应用的主要瓶颈,如何提高氮肥利用率是禾豆间作生产实践中亟待解决的重要问题。农田植株和土壤中的碳氮协同变化很大程度上决定着作物生长和氮素利用状况,而碳氮比作为衡量碳氮协同的重要指标,常常用来判断植物生长过程中对养分的利用情况和土壤养分水平的高低。在间作模式中,以种植密度为调控手段对植株和土壤中碳氮协同变化及其对复合群体产量和氮肥利用的耦合效应尚不明晰,探明这一机理对通过优化禾豆间作农田管理措施提高氮肥利用率具有重要指导意义。本试验在地方习惯施氮水平下,以玉米种植密度为调控手段,对玉米间作豌豆体系中植株和土壤碳氮协同变化规律,及其对复合群体产量及氮肥利用的耦合效应进行了研究,以期为通过密度调控提高禾豆间作提高氮素利用效率提供理论和实践依据。得出的主要结论如下:1、间作玉米、豌豆较相应单作具有碳、氮累积优势,玉米密植可以提高间作群体的碳氮累积总量、影响作物茎叶中的碳、氮运转及碳氮比。玉米间作豌豆碳当量比达到1.09-1.22;间作群体在高密度处理中,玉米种植密度为60,000株/hm2时,获得最大碳累积量,达到8244.8-8895.9 kg/hm2;间作玉米和间作豌豆叶片碳运转量和运转率均随玉米种植密度的增大而提高。玉米间作豌豆氮素累积总量分别较单作玉米和单作豌豆高4.7-28.5%和11.1-59.5%,其氮素当量比为1.08-1.35;玉米间作豌豆在中、高密度处理(玉米种植密度为52,500株/hm2和60,000株/hm2)中获得最高氮素累积量,分别为290.7-312.0kg/hm2和313.5-317.2 kg/hm2,较低密度处理分别高1.1-11.9%和1.7-20.1%;间作较单作促进了玉米茎鞘、叶片营养器官中累积的氮素向外部的转移,同时玉米种植密度的增大提高了间作玉米茎鞘、叶片的氮素运转量和运转率。间作作物群体碳氮比较单作玉米低了19.0-29.1%,较单作豌豆高了25.7-65.2%,间作群体的碳氮比随玉米种植密度的增大而提高;就间作组成作物而言,整个生育期玉米和豌豆植株总体碳氮比在各处理中差异不显著,但是间作相对于单作提高了玉米和豌豆茎、叶中的碳氮比,而玉米种植密度的增大降低了成熟期间作玉米和间作豌豆茎、叶中的碳氮比。2、间作和不同玉米密度对土壤有机碳和全氮含量影响不显著,但玉米间作豌豆较单作玉米提高了土壤硝、氨形态氮素水平,降低了土壤硝氨比和有机碳与硝氨形态氮素的比值;增大玉米种植密度促进了复合群体对土壤硝、氨形态氮素的吸收,提高了土壤有机碳与硝、氨形态氮素的比值。间作土壤硝态氮和氨态氮含量在0-20cm土层中分别较单作玉米高16.5-40.6%和13.8-86.2%,在20-40cm土层中分别高17.4-39.7%和33.5-86.5%;随玉米种植密度的增大,玉米收获时土壤硝态氮和氨态氮含量均有降低趋势。豌豆收获前间作玉米带土壤硝态氮含量高于豌豆带,豌豆收获时豌豆带与玉米带硝态氮比值为0.83-0.96,豌豆收获后豌豆带硝态氮含量逐渐高于玉米带,至玉米收获时豌豆带与玉米带硝态氮比值为1.10-1.31,并且随着玉米种植密度的增大豌豆带与玉米带硝态氮比值在增大,而整个生育期间作豌豆带土壤氨态氮含量均高于间作玉米带,豌豆带与玉米带不同时期土壤硝态氮和氨态氮含量差异提供了种间氮素互补利用的养分基础。豌豆的加入降低了间作土壤硝氨比,豌豆收获时间作土壤硝氨比较相对应单作玉米在0-20cm和20-40cm土层中分别低18.9-24.4%和23.4-27.0%,玉米收获时分别低14.1-23.0%和16.5-26.0%。3、玉米间作豌豆种植模式较组分作物单作具有显著的产量和氮素利用优势,玉米种植密度的增大提高和促进了间作复合群体产量和氮素利用。玉米间作豌豆基于籽粒产量的土地当量比(LER)均大于1,以高密度处理玉米间作豌豆最高,其LER趋于1.27-1.30之间;间作玉米产量占间作总产量的75.4-86.1%,是间作籽粒总产量的主要贡献者;玉米种植密度的增大提高了间作总产量和间作玉米籽粒产量,而降低了间作豌豆籽粒产量。玉米间作豌豆氮肥利用率较单作玉米提高了14.7-55.5%,增大玉米种植密度能进一步提高玉米间作豌豆氮肥利用率。4、玉米和豌豆茎、叶碳氮比可用于衡量碳氮协同变化及其对间作玉米和豌豆产量形成的耦合效应,同时玉米间作豌豆作物群体籽粒产量和氮肥利用率与0-20cm土壤有机碳与硝、氨形态氮素的比值关系紧密。开花期适宜的茎鞘、叶片碳氮比有利于获得较高的间作玉米籽粒产量,而成熟期较低的茎鞘、叶片碳氮比有利于间作玉米籽粒产量的形成和获得较高的氮素收获指数;开花期适宜的茎鞘、叶片碳氮比和成熟期较低的茎鞘、叶片碳氮比有利于间作玉米籽粒产量的形成和获得较高的氮素收获指数;开花期间作豌豆较低的茎、叶碳氮比、成熟期较高的茎部碳氮比和适宜的叶片碳氮比往往能获得较高的豌豆籽粒产量和氮素收获指数。豌豆开花期、玉米拔节期/豌豆鼓粒期较高的土壤有机碳与硝、氨形态氮素的比值是由作物群体对土壤氮素较大的吸收强度引起的,复合群体因此可获得较高的籽粒产量和氮肥利用率;豌豆收获时,间作玉米即将进入快速生长阶段和抽雄吐丝期,该时期适宜的土壤有机碳与硝、氨态氮的比值为间作对玉米的补偿效应和玉米后期产量的形成营造了良好的环境,最终获得较高的氮肥利用率;作物生长阶段对土壤硝、氨形态氮素的充分吸收提高了成熟期土壤有机碳与硝氨形态氮素的比值,所以成熟期较高的土壤碳氮比往往伴随着较高的间作产量和氮肥利用率。