間作對土壤水熱?溫室氣體排放及作物的影響綜述

楊沛文 柴紅敏 劉小夢 李昱儒 張又天 張鎮(zhèn)企 陳可瑩 李陸生

摘要 為了因地制宜地選擇種植模式，充分利用水土資源、保護糧食安全、減少農(nóng)田溫室氣體排放和促進我國綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，歸納了國內(nèi)外關于間作系統(tǒng)的耗水量、土壤蒸發(fā)、土壤溫度、溫室氣體排放、間作種間關系的影響因素及其對作物的影響。結(jié)果表明，間作模式的耗水量主要受環(huán)境因素與作物類型的影響，并且可以通過整合單作常用的水分調(diào)節(jié)措施減少耗水量，提高水分利用效率；間作具有雙向調(diào)節(jié)土壤溫度的功能；合理的間作模式可以改變田間小氣候和土壤中微生物的生存環(huán)境，從而降低CO2、N2O的排放，增加CH4的吸收量；間作可以使水、肥在時空尺度上得到充分吸收，達到增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)的目的。

關鍵詞 間作；土壤水熱；溫室氣體；種間關系；生長發(fā)育

中圖分類號 S344.2? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）13-0008-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.002

Review on the Effects of Intercropping on Soil Moisture and Heat， Greenhouse Gas Emissions and Crops

YANG Pei-wen， CHAI Hong-min， LIU Xiao-meng et al

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou， Henan 450046）

Abstract The aims of this study are to select planting mode according to local conditions， make full use of water and soil resources， protect food security， reduce greenhouse gas emissions from farmland and promote sustainable development of green agriculture in China. The effects of intercropping on water consumption， soil evaporation， soil temperature， greenhouse gas emissions， factors affecting interspecific relationship of intercropping system and their effects on crops were reviewed both at home and abroad. The results show that the water consumption of intercropping mode is mainly affected by environmental factors and crop types. Water consumption can be reduced and water use efficiency can be improved by referring to common water regulation measures in monoculture. Intercropping has the function of bidirectional regulation of soil temperature ， and can change the field microclimate and the living environment of microorganisms in the soil， thus reducing the emission of CO2， N2O and CH4. Intercropping can make water and fertilizer be fully absorbed in space-time scale to increase yield and improve quality.

Key words Intercropping;Soil moisture and temperature;Greenhouse gas;Interspecific relationship;Growth and development

作者簡介 楊沛文（1998—），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)水資源高效利用。

通信作者，講師，博士，從事水土資源高效利用研究。

收稿日期 2022-12-23

當前，水資源短缺情況加劇、耕地面積日益縮減，使我國糧食安全問題面臨嚴峻挑戰(zhàn)，并且隨著人口的增長以及對飼料、纖維和生物燃料的需求增加，預計到 2050 年糧食需求量會翻一番［1］，供需關系不平衡使糧食安全問題更突出。溫室效應也是當今重大的環(huán)境問題，會造成糧食減產(chǎn)和極端天氣頻繁等自然災害，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的溫室氣體排放在近十年增加了10.1%［2］，并占全球溫室氣體總量的14.0%［3］。因此，面臨資源與環(huán)境的多重挑戰(zhàn)，需要選擇一種高產(chǎn)高效且生態(tài)友好的農(nóng)業(yè)發(fā)展方式來挖掘農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，保障糧食安全，帶動我國農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

間作是提高農(nóng)田生產(chǎn)能力、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境成本、推動我國綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。其最早可追溯到西漢時期，在《祀勝之書》中出現(xiàn)了有關瓜豆間作的記載。20世紀60年代，間作在我國得到了廣泛推廣，有糧飼間作、農(nóng)林間作、林果間作、糧菜間作等多種類型，尤其玉米和豆科植物間作最為普遍［4］。間作的主要優(yōu)勢包括可以充分吸收利用土壤中的多余水分與養(yǎng)分［5］，可以通過影響溫室氣體排放的關鍵因子來減少土壤溫室氣體的排放［6］，可以充分利用光能、時間和空間資源來提高生產(chǎn)力［7］。所以發(fā)展間作對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益、節(jié)約土地資源和保障糧食生產(chǎn)等具有重大現(xiàn)實意義。雖然國內(nèi)外學者對間作條件下的土壤、作物與生態(tài)環(huán)境影響等方面做了較多研究，但缺乏系統(tǒng)的歸納應用于指導實踐。因此，該研究綜述間作系統(tǒng)的土壤水熱、土壤溫室氣體排放以及作物生長發(fā)育特點，旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中選擇合適的耕作方式，充分利用水土資源、降低溫室氣體排放、增加作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)，為我國綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 間作系統(tǒng)的土壤水熱狀況

1.1 間作系統(tǒng)的耗水量

間作系統(tǒng)的耗水量主要受環(huán)境條件和作物類型的影響［8］。間作條帶之間由于水分競爭，會存在大量水分運移［9］，為了滿足間作系統(tǒng)的高產(chǎn)，就需要足夠的水分支撐，所以在水資源充足地區(qū)發(fā)展間作具有巨大潛力。了解間作系統(tǒng)耗水規(guī)律，將供水與作物耗水規(guī)律相結(jié)合可以有效降低間作群體耗水量，從而使水資源短缺地區(qū)的間作得以發(fā)展。當前對間作耗水量的研究主要集中在空間布局、灌溉制度、施肥制度、耕作方式和覆蓋措施等方面［10］。

減少耗水量的基礎是合理的作物搭配與適當?shù)墓喔仁┓?。從空間布局上看，徐鵬等［11］指出，間作耗水量隨著棉花行數(shù)的增加和株距的減少顯著增大，因為間作棉花可以充分利用土壤貯水，間作系統(tǒng)的耗水量比單作加權平均高9.5%。Wang等［12］認為在小麥/玉米間作系統(tǒng)中，耗水量隨著玉米種植密度的增加而減少，并指出玉米根長密度的增加，地下相互作用的增強，使得土壤蒸發(fā)降低，減少了無效耗水量；從灌溉制度上看，牛伊寧等［13］研究指出，玉米/豌豆間作系統(tǒng)降低10%灌水水平并沒有對耗水量產(chǎn)生顯著影響，適當降低灌水水平可以在不影響產(chǎn)量的情況下減少無效耗水量；從施肥制度上看，李倩倩等［14］通過小麥/玉米間作試驗發(fā)現(xiàn)，氮肥的使用會顯著增加作物的耗水量，李含婷等［15］指出減氮25.0%施肥可以減少玉米/綠肥間作系統(tǒng)的整體耗水，這些研究表明可以通過施肥調(diào)節(jié)間作耗水量。也有研究認為間作系統(tǒng)的耗水量受氮肥影響不顯著［16］。

通過優(yōu)化耕作方法和覆蓋也可以減少耗水量。例如，在小麥/玉米間作中，小麥留茬收割并壓倒覆蓋與不留茬相比，耗水量減少了0.8%～6.3%［17］。壟作交替灌溉可使高、低灌溉水平的耗水量分別比傳統(tǒng)灌溉降低5.3%、3.0%［18］。研究表明，通過整合單作中常用的水分調(diào)節(jié)措施，可以有效減少間作的耗水量。

1.2 間作系統(tǒng)的土壤蒸發(fā)

土壤蒸發(fā)作為無效耗水量在農(nóng)田總耗水中所占的比重較大。間作模式對土壤蒸發(fā)的影響較為復雜，其可以通過種間競爭和互補對土壤蒸發(fā)和土壤水分消耗的空間梯度產(chǎn)生影響。

間作系統(tǒng)的土壤蒸發(fā)與單作相比，受到配對作物、種植空間與時間等多種因素的影響，明確影響間作土壤蒸發(fā)的關鍵因子，對減少無效耗水有重要的指導作用。柴強等［19］研究表明，間套作生育期較長，對于整個生育期土壤的總蒸發(fā)量大于單作，但是間作系統(tǒng)的日平均土壤蒸發(fā)量較低。劉浩等［20］指出，棵間土壤蒸發(fā)主要受表層土壤含水率和葉面積指數(shù)的影響，在返青前小麥/玉米間作和單作土壤蒸發(fā)差距不大，而返青后間作的土壤蒸發(fā)顯著高于單作，因為單作小麥冠層覆蓋率高，而間作的預留行裸漏導致無效的水分消耗。高陽等［21］通過玉米/大豆間作試驗指出玉米條帶對地面的覆蓋度小于大豆，玉米∶大豆2∶3帶型的土壤蒸發(fā)量大于1∶3帶型。

多年來，研究者提出了各種減少間作無效農(nóng)田用水量的策略，通過優(yōu)化灌溉水平、施肥方式、覆蓋和耕作措施來減少土壤蒸發(fā)。交替灌溉可通過減少地表土壤含水率來減少土壤水分蒸發(fā)［18］，氮肥后移有利于間作玉米在豌豆收獲后的生長發(fā)育，增加地表覆蓋度可使間作系統(tǒng)的土壤蒸發(fā)減少15%～30%［16］，免耕和鋪設地膜增加了土壤與大氣之間水熱交換的物理阻隔，阻斷了交換途徑從而降低土壤蒸發(fā)［22］。

1.3 間作系統(tǒng)的土壤溫度

土壤溫度是植物生長的關鍵因素，也是評估間作功能的重要參數(shù)。適宜的土壤溫度有助于土壤和大氣之間的氣體交換，增強土壤中的微生物和根系的活性，并且可以降低溫室氣體的排放［23］。土壤溫度的變化不僅取決于大氣溫度的波動，還受到種植制度的影響。間作系統(tǒng)復雜的邊界條件會影響其土壤溫度的變化。

間作可以抑制土壤溫度的升高，在一些炎熱的月份，間作葉面積指數(shù)較大的作物可以有效緩解高溫脅迫對作物造成的損害。Ai等［24］進行了3年棗/棉間作試驗，結(jié)果表明，與單作棗樹相比，間作使棗樹與棉花6月以后的土壤溫度均下降。Nyawade等［25］研究認為，間作增加了地表覆蓋率和土壤水分含量，提高了植物攔截輻射的能力，并顯著降低了0～30 cm土層的土壤溫度。紫云英/油菜間作［26］和核桃/小麥間作［27］等也得到了間作在高溫時段可以降低土壤溫度的結(jié)論。

間作也可以抑制土壤溫度的降低，起到保溫作用。Olasantan［28］研究得出，在間作系統(tǒng)中，低位作物阻礙了夜間土壤溫度向高水平作物的消散。王來等［27］研究得出，核桃與小麥間作模式推遲了11月份土壤溫度的下降，并指出是由于落葉覆蓋地面起到了保溫的作用，這種情況對冬小麥的生長有利。

間作具有雙向動態(tài)調(diào)節(jié)土壤溫度的功能，因此間作的土壤溫度穩(wěn)定性顯著高于單作。采取不同的間作模式，可以通過改變作物的冠層結(jié)構(gòu)與生長情況使作物根系處于適宜的溫度，促進作物生長。

2 間作對溫室氣體排放的影響

2.1 間作對CO2排放的影響

部分研究表明，間作可以降低CO2排放。從排放量上看，章瑩等［29］指出，減量施氮處理下，甘蔗∶大豆1∶2間作CO2排放量較甘蔗單作顯著降低35.58%。 Wu等［30］通過小麥/板藍根間作試驗發(fā)現(xiàn)，間作處理的小麥生育期總CO2排放通量與小麥單作相比降低了29.3%。Qin 等［31］通過3年的小麥/玉米間作和豌豆/玉米間作試驗表明，2種間作模式的平均碳排放量分別比玉米單作降低32.0%和38.0%。從排放速率上看，曹永慶等［32］同時對3塊試驗田進行山稻/油茶間作試驗發(fā)現(xiàn)，間作山稻使土壤呼吸速率比單作油茶分別降低54.6%、20.5%和13.8%，土壤呼吸受到抑制的關鍵原因是土壤含水率的下降。趙財?shù)龋?3］測算對比了河西綠洲灌區(qū)不同種植模式下的土壤呼吸速率，指出不同間作模式下的土壤呼吸速率均小于單作玉米，其中小麥/玉米間作系統(tǒng)的土壤呼吸速率比玉米單作和小麥單作分別降低20.9%和26.3%。

也有研究表明，間作并不會降低CO2的排放。常規(guī)施氮處理下甘蔗∶大豆1∶1間作模式與1∶2間作模式CO2排放總量較甘蔗單作CO2排放量均顯著增加［29］。簡忠領等［34］研究不同行距條件下玉米與白三葉草間作，認為土壤呼吸速率主要受行距的影響，受間作影響不顯著。孟平等［35］對石榴/玉米間作試驗發(fā)現(xiàn)，間作系統(tǒng)整個生育期的土壤呼吸速率平均值為3.0 μmol/（m2·s），高于綠豆單作系統(tǒng)的平均值2.8 μmol/（m2·s）。玉米/豇豆間作試驗［36］和玉米/蠶豆間作試驗［37］也得到了間作使CO2排放量增加的結(jié)論。

綜上，間作對土壤CO2的調(diào)控作用受作物種類、種植間距、施肥方式和試驗時長的差異影響較大。對于間作是否具有減少CO2排放效果還存在爭議。由于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定需要較長的時間，對農(nóng)田CO2排放監(jiān)控超過10年才能得出準確結(jié)論。

2.2 間作對N2O排放的影響

農(nóng)田土壤N2O排放量約占大氣N2O排放總量的70.0%～90.0%［38］。氮肥的使用為土壤提供了充足的氮源，使N2O的排放量顯著增加［39］。間作系統(tǒng)中，豆科植物的固氮作用可以為植物提供氮元素，所以研究者多研究包含豆科植物的間作系統(tǒng)對N2O排放的影響。

間作豆科植物可以降低N2O的排放。Huang等［40］通過2年的間作試驗得出，玉米與豆類間作可以有效降低N2O的排放量，其中玉米與大豆間作的減排幅度最大，2010與2011年玉米/大豆間作的N2O排放量與玉米單作相比分別減少了25.5%與48.8%，并指出是由于間作使土壤含水量降低進而抑制了土壤N2O的排放。陳津賽等［41］研究發(fā)現(xiàn)，間作系統(tǒng)提高了土壤中的氮素吸收量，降低了土壤中微生物可利用的無機氮的含量，玉米/大豆間作的N2O排放量分別比單作玉米和單作大豆降低了36.7%和49.0%。

但也有研究表明，間作并不會降低N2O的排放。Vachon［42］研究表明，玉米∶大豆1∶2和2∶3間作與單作系統(tǒng)土壤N2O累積排放量差異不顯著。劉輝娟［43］指出，在整個生育期玉米/大豆間作的N2O排放量始終高于玉米單作，并且隨著施氮量的增加，N2O排放量隨之增大。甘蔗/大豆間作［29］和玉米/蠶豆間作試驗［37］也得到了間作使N2O排放速率加快的結(jié)論，對比分析后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生此結(jié)果的原因可能與取樣方式方法、施肥方式、土壤性質(zhì)、種植品種、種植比例以及不同地區(qū)氣候不同有關。

由此可見，N2O減排的主要原因是間作引起環(huán)境因子發(fā)生變化或者氮肥使用量的減少；增排的主要原因是間作環(huán)境在短時間內(nèi)加快了土壤氮礦化速率。從長遠來看，間作是否具有N2O增排效應還需對農(nóng)田土壤長期監(jiān)控。

2.3 間作對CH4排放的影響

CH4的增溫效果比CO2高28倍，在過去200年間，CH4的濃度持續(xù)增加［44］。甲烷的產(chǎn)生需要厭氧環(huán)境，因此旱作農(nóng)田的CH4通常表現(xiàn)為吸收，研究表明每年旱地透氣土壤可以吸收30 t CH4［45］。增加旱作農(nóng)田的吸收量，對環(huán)境保護有重要意義。

間作可以促進土壤對CH4的吸收。尚小廈等［45］通過冬小麥/板藍根間作試驗得出，同等施肥條件下板藍根/冬小麥間作比冬小麥單作CH4吸收量高34.0%，并推測是由于板藍根的根系釋放出的物質(zhì)改變了土壤環(huán)境，對CH4的吸收產(chǎn)生影響。冬小麥與大蒜間作試驗也得出了間作使土壤CH4吸收量增加的結(jié)論，并推測是由于間作模式改變了土壤中有關CH4菌群的活性［46］。也有研究表明，間作不利于CH4的吸收，沈亞文［6］進行了3年的玉米/大豆間作試驗，發(fā)現(xiàn)間作CH4吸收速率均低于玉米和大豆單作。

施肥可以對間作系統(tǒng)CH4的排放起調(diào)控作用。施肥不利于土壤對CH4的吸收，一方面是因為產(chǎn)CH4基質(zhì)增加從而生產(chǎn)出更多的CH4，另一方面土壤中氮素的增加抑制土壤對CH4的氧化［45］，可以在不影響總產(chǎn)量的前提下通過減少施肥量，來減少溫室氣體的排放［29］。也有研究表明施肥對CH4吸收沒有明顯影響［6］。

合理的間作模式和施肥制度可以通過調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，影響微生物的活性，增加CH4的吸收量。

3 間作種間關系的影響因素及其對作物的影響

3.1 間作種間關系的影響因素

間作條件下，種間促進和競爭同時對作物生長產(chǎn)生影響。物種間的促進作用可以通過提高土壤微生物的數(shù)量和酶的活性等來體現(xiàn)［47］；競爭作用是由于有限資源的非比例共享或不同物種之間的相互影響使作物的生長受到抑制［48］。間作種間關系的影響因素包括作物組合、空間布局與環(huán)境因素。

配對作物的選擇是影響間作種間關系的首要因素。不同的作物具有不同的生物學特性，充分利用作物的特征以使間作系統(tǒng)的互補效應大于競爭。禾本科作物與豆科作物間作是一種典型的種植模式，豆科作物根系的固氮作用可以增加土壤肥力，同時禾本科作物根系分泌物可以促進豆科作物根系有關結(jié)瘤固氮基因的表達，提升豆科作物固氮作用［49］。深根系與淺根系作物搭配可以使土壤中的水分、養(yǎng)分得到高效利用，高稈作物與矮稈作物搭配可以在空間上使光能得到充分利用，生育期不同的作物搭配可以在時間上達到資源高效利用的目的。配對作物的選擇有時可能與資源本身并不相關，麥/棉間作系統(tǒng)中小麥帶為棉花提供了類似“防風帶”的屏障，很大程度地保障了棉農(nóng)的收益［50］。所以，應在充分了解不同作物生長特性的基礎上，因地制宜地發(fā)展間作模式，靈活利用不同形式的互補作用，以充分發(fā)揮間作的優(yōu)勢。

適宜的空間布局是使間作模式的產(chǎn)量達到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的基礎。間作作物的空間布局包括配對作物的種植比例、株行距和共生期的長短。因間作的資源利用率高于單作，所以相同條件下間作的適宜的種植密度通常大于單作［51］。隨著種植密度的增大，配對作物之間的種間關系也會隨之改變［52］。過高的種植密度會加劇種內(nèi)競爭，不利于作物生長；過低的種植密度會造成資源的浪費，達不到間作的目的。

種間競爭的對象通常為水分、養(yǎng)分和光照等環(huán)境因子。作物所需資源是否充足往往影響著種間競爭的強弱［53］，在競爭條件下其會優(yōu)先發(fā)育獲取限制性資源的器官，如玉米與其他作物間作會使玉米的根長、根體積、根表面積增加，以顯著提高玉米吸收水分、養(yǎng)分的能力［54］。對限制性資源的競爭可以通過外部資源投入的方式來減弱，補充灌溉、氮肥后移等措施均已得到驗證［16，18］。滴灌與其他灌溉措施相比具有高度可控性，精確控制不同作物在不同發(fā)育階段的水分來調(diào)控作物生長，把滴灌引入間作模式可以達到調(diào)節(jié)種間關系的目的。

3.2 間作對作物生長發(fā)育的影響

植株高度、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累動態(tài)可以直觀反映作物的生長發(fā)育情況。玉米與大豆間作時，玉米的植株高度、葉面積指數(shù)和干物質(zhì)積累量會得到增加，大豆的生長遭到抑制，增加大豆和玉米行距或者帶距有利于促進這兩種作物的生長發(fā)育［55］。艾鵬睿等［56］通過棗/棉間作試驗發(fā)現(xiàn)，盆栽和大田間作條件下棉花的株高和葉面積指數(shù)在不同生育期均大于單作棉花。

作物生長速度也是生長發(fā)育的一項重要指標，柏文戀等［57］通過對小麥/蠶豆間作研究發(fā)現(xiàn)，在小麥生長中后期，間作降低了小麥種內(nèi)競爭壓力，顯著提高了小麥的生長速度。玉米與大豆間作時增加行距或帶距可以使作物獲得更大的生存空間，獲取更多的光熱資源，有利于縮短作物的生育期［58］。

作物的生長發(fā)育情況要考慮地上和地下兩部分。劉麗娟等［59］對玉米/木薯間作研究發(fā)現(xiàn)，木薯地上部分會由于受到遮陰而長高長細，地下部分木薯的根系不僅會促進玉米根系的生長，還使木薯根系氮磷鉀的含量間作高于單作，可能是玉米根系呈上窄下寬分布，木薯根系呈上寬下窄分布使玉米和木薯根系構(gòu)型形成互補，提高了養(yǎng)分利用效率，也可能是玉米與木薯根系之間的酶或微生物促進了養(yǎng)分的吸收。Jiao等［60］對玉米和花生間作研究發(fā)現(xiàn)，根系隔離開之后間作的產(chǎn)量和生物量優(yōu)勢分別降低了82.0%和67.0%，這表明玉米/花生間作系統(tǒng)的地下相互作用比地上相互作用更有利于間作作物的生長發(fā)育。在其他間作系統(tǒng)中也觀察到相同的結(jié)果［61-62］。然而，在玉米/大豆套作系統(tǒng)中，地上相互作用比地下相互作用對作物生長發(fā)育的影響更大［63］?？赡苁腔ㄉ?玉米間作比玉米/大豆間作有更長的共存期，根系形態(tài)和時空分布不同。也可能是限制作物生長的主導因素不同，水肥充足時，地上競爭會占主導地位。

綜上，作物生長發(fā)育因作物種類組合而異，并進一步受到土壤養(yǎng)分、種植間距等的影響。對間作系統(tǒng)進行優(yōu)化，就必須充分了解地上和地下的相互作用在作物生長發(fā)育中的影響。

3.3 間作對作物品質(zhì)的影響

合理的間作模式可以提高作物的品質(zhì)。方旭飛等［64］通過不同耕作模式下的玉米/大豆間作試驗發(fā)現(xiàn)，間作可以提高玉米的粗蛋白和粗淀粉的含量，降低玉米的含水量和粗灰分含量，從而使玉米品質(zhì)得到提高，其中地膜覆蓋條件下玉米/大豆間作提高玉米品質(zhì)的作用最明顯。張向前等［65］通過對玉米與大豆、花生豆科植物間作研究發(fā)現(xiàn)，間作可以提高土壤中微生物的數(shù)量和酶的活性，無論施肥與不施肥間作均可以提高玉米籽粒蛋白質(zhì)、賴氨酸和淀粉的含量。李美等［66］對不同比例玉米花生間作研究認為，間作時玉米的蛋白質(zhì)和脂肪含量高于單作；花生由于受到遮陰作用影響其碳水化合物的積累，導致蛋白質(zhì)含量高于單作，脂肪含量低于單作，調(diào)整間作比例可以使花生受到的不利影響減少。鞏雪峰等［67］對茶樹和松樹間作發(fā)現(xiàn)，間作改善了茶園小氣候，提高了土壤養(yǎng)分，茶葉的品質(zhì)與單作茶園茶葉相比有明顯提高。陳映彤等［68］指出辣椒/紫蘇間作改變了群體結(jié)構(gòu)的水、熱、光以及土壤環(huán)境，從而顯著提高了辣椒果實中的可溶性蛋白質(zhì)、糖和VC的含量。劉天學等［69］對不同基因型玉米間作研究發(fā)現(xiàn)，不同的基因型玉米組合間作可以改善群體結(jié)構(gòu)和利用雜交優(yōu)勢，達到提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)的目的。

綜上，通過調(diào)控耕作方式、作物品種、種植間距和水肥等因素，可以改變系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境和土壤環(huán)境，提高作物品質(zhì)。

3.4 間作對作物產(chǎn)量的影響

間作可以提高作物產(chǎn)量已被大量研究證實。例如，Li等［62］在玉米/豌豆間作研究中發(fā)現(xiàn)，玉米和豌豆的產(chǎn)量與相應單作相比均增加。間作模式下蠶豆是優(yōu)勢競爭者，具有產(chǎn)量優(yōu)勢，蠶豆收獲后玉米獲得了較長的恢復生長時間，并且蠶豆的根留在土壤中會使土壤中氮含量增加，使玉米增產(chǎn)。

蔡倩等［7］對不同種植比例的玉米/大豆間作研究認為，玉米與大豆間作比例為2∶2、4∶4和6∶6時，間作系統(tǒng)中玉米均表現(xiàn)出產(chǎn)量優(yōu)勢，大豆均表現(xiàn)出產(chǎn)量劣勢，玉米與豆科植物間作時，豆科植物產(chǎn)量降低主要是由于玉米對大豆產(chǎn)生遮光效應，可以通過選擇耐陰的大豆品種，或者調(diào)節(jié)玉米/大豆條帶間作系統(tǒng)中的冠層結(jié)構(gòu)和莖稈特性來減少產(chǎn)量損失［70］。玉米/紫花苜蓿間作［71］和玉米/花生間作［72］也得到了間作會犧牲部分弱勢作物的產(chǎn)量，來獲得總產(chǎn)量優(yōu)勢的結(jié)論。

也有研究發(fā)現(xiàn)，間作并沒有明顯產(chǎn)量優(yōu)勢。楊歡等［73］對玉米/花生間作研究得出土地當量比（LER）為0.89～1.13，主要原因是種間競爭不平衡，并且共生期較長，花生長期處于蔭蔽狀態(tài)下，雖然間作增加了養(yǎng)分吸收量但降低了利用效率。

綜上，間作產(chǎn)量受多種因素影響，并且對配對作物產(chǎn)量的影響結(jié)果不一致，在大部分情況下間作仍具有總產(chǎn)量優(yōu)勢?？梢酝ㄟ^施肥、改變種植比例和間距和優(yōu)化灌溉制度等使間作產(chǎn)量優(yōu)勢更加明顯。

3.5 間作對作物水分利用效率的影響

間作系統(tǒng)中，當其中一種作物處在生長旺期時，可以從另一條帶吸收水分，利用兩種作物的生態(tài)位的差異，可以提高水分利用效率［74］。

劉斌等［75］指出，甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)的水分效率比甜瓜單作和向日葵單作都有明顯提高，高頻少量灌水有利于提高間作系統(tǒng)的水分利用效率。李倩倩等［14］指出，小麥/玉米間作種植水分利用效率大于小麥和玉米單作，并且氮肥的使用提高了水分利用效率優(yōu)勢，一方面氮肥可以影響作物生長，增加地表覆蓋面積，減少無效水分的消耗；另一方面合理添加氮肥可以通過增加產(chǎn)量，使水分利用效率提高。施肥對水分利用效率的影響與施用時期也有較大關系，滕園園等［16］對玉米和豌豆間作研究指出，氮肥后移可以使玉米在豌豆收獲后迅速生長，提高間作系統(tǒng)冠層覆蓋度，降低無效的水分消耗，提高水分利用率。水肥量要控制在合理范圍，施肥量過高會造成徒長，籽粒灌漿減少［76］；水肥量過低，會不利于作物的生長發(fā)育［71］，降低水分利用效率。

種植比例和間距直接影響水分的分布與利用。王照霞等［77］對4種帶型結(jié)構(gòu)的玉米豌豆間作研究發(fā)現(xiàn)，3∶3帶型間作的水分利用效率最高且高于玉米和碗豆單作，是因為3∶3帶型和2∶2帶型中玉米所占比例高于3∶6帶型和2∶4帶型，玉米的高產(chǎn)量有利于提高水分利用效率；3∶3帶型與2∶2帶型相比具有較少的共生區(qū)，降低了豌豆與玉米的競爭。Rahman等［78］指出，不同帶寬和不同寬窄行間距，可以影響間作系統(tǒng)的冠層覆蓋度和葉面積指數(shù)，從而影響土壤蒸發(fā)、土壤含水量和水分利用效率。

間作系統(tǒng)作物根系生長發(fā)育會對水分利用效率產(chǎn)生影響。張恩和等［79］對小麥/蠶豆間作研究表明，小麥與蠶豆根系生長的峰值時間不同，可以通過作物需水關鍵期的錯位，使水肥得到充分的利用，從而提高水分利用效率。劉麗娟等［59］對玉米/木薯間作根系構(gòu)型研究指出，玉米上窄下寬與木薯上寬下窄的根系形成互補，土壤上層的水分交替形成水分虧空帶，再由土壤水勢和根系提水作用使水分得到及時補充，使得間作水分利用效率高于單作。

綜上，間作有利于調(diào)配土壤中的水分，滿足不同作物各個生理階段的需求，實現(xiàn)土壤水資源高效利用。提高間作作物的水分利用效率需要對作物種類、種植比例、種植間距和水肥調(diào)控進行合理配置。

4 展望

在日益加劇的水資源短缺、溫室效應和糧食安全問題的背景下，間作因其高產(chǎn)高效、綠色、環(huán)保的特點在全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有廣闊的發(fā)展前景。然而，目前有關間作的研究仍存在許多不足，主要表現(xiàn)為土壤水熱資源的時空變化及作物響應的機理不明確；部分有關溫室氣體排放研究的試驗時間過短，不足以反映真實結(jié)果；有關間作的試驗多采用田間采樣和實驗室測定等方法，缺乏模型研究；間作模式與農(nóng)業(yè)機械化不協(xié)調(diào)。

為了最大限度發(fā)揮間作的優(yōu)勢，進一步推動間作的研究與應用，建議：①研究間作條件下各種作物的土壤水分時空動態(tài)，明確水分運移與種間競爭互補的關系，從水分供給方面提供調(diào)節(jié)種間關系的理論依據(jù)。②研究間作模式中的根系分布情況，從土壤水分與作物根系互作的角度探究根系時空分布與水分利用效率的關系。③進行長期的間作模式下土壤溫室氣體監(jiān)測。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定需要較長時間，試驗時間過短不足以反映準確的結(jié)論。④研究間作模式中土壤微生物的種類與數(shù)量變化，從土壤微生物的角度研究間作模式對土壤溫室氣體排放的影響。⑤建立間作作物生長模型。因間作系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復雜、異質(zhì)性強的特點，模型有助于理解其中復雜的相互關系，并且可以定量化間作產(chǎn)量優(yōu)勢和資源利用優(yōu)勢。⑥開展與間作模式配套的農(nóng)機研究。順應時代發(fā)展方向，處理好間作空間配置參數(shù)與農(nóng)業(yè)高產(chǎn)機械化的矛盾，讓間作模式發(fā)揮出更強大的生產(chǎn)力。

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