禾本-豆科间作水分高效利用研究进展

高梦钒, 王鑫鑫, 陈任强, 高惠嫣, 柴春岭, 刘宏权

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节水灌溉
节水灌溉 ›› 2024 ›› (6) : 77-86. DOI: 10.12396/jsgg.2023505
水肥高效利用

禾本-豆科间作水分高效利用研究进展

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Research Progress of Water Efficient Use in Graminus-legume Intercropping

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摘要

禾本-豆科间作具有提高作物的水分利用效率，优化土壤水分分布，促进作物生长等优点。基于禾本-豆科间作下的光能利用、氮素利用、耗水量、水分利用效率、种间关系，综述了禾本-豆科间作水分利用的特点和机理。通过与土壤改良、不同灌溉方式，智能检测技术相结合，分析了目前禾本-豆科间作模式下水分利用的不足之处。结果表明，目前禾本-豆科间作水分利用效率方面的研究主要侧重于作物搭配、空间布局和耕作方式，可与灌溉管理和土壤改良结合，利用智能检测设备，实时精准的对作物、土壤和环境等因素进行监测，以便进一步了解作物生态生理过程，水分迁移规律以及不同种间的竞争和互补性的协同作用，以便形成禾本-豆科间作水分高效利用管理模式。

Abstract

Intercropping with legume has the advantages of improving water use efficiency of crops, optimizing soil water distribution, and promoting crop growth. Based on light energy use, nitrogen use, water consumption, water use efficiency and interspecific relationship under gramineous-legume intercropping, the characteristics and mechanism of water use under gramineous-legume intercropping were reviewed in this paper. By combining with soil improvement, different irrigation methods and intelligent detection technology, the paper analyzed the deficiency of water use under the current cropping pattern of gramineous-legume. The results showed that current studies on water use efficiency of gramineous-legume intercropping mainly focused on crop collocation, spatial layout and tillage methods, which could be combined with irrigation management and soil improvement. Intelligent detection equipment could be used to monitor crop, soil and environment factors in real time and accurately, so as to further understand the ecological and physiological processes of crops. Water migration rule and the synergistic effect of competition and complementarity between different species were used to form the water efficient management model of gramineous-legume intercropping.

关键词

间作 / 耗水量 / 水分利用效率 / 水分高效利用 / 灌溉管理

Key words

intercropping / water consumption / water use efficiency / water efficient use / irrigation management

基金

国家现代农业产业技术体系-食用豆(CARS-08-G-22)
河北省省属高校基本科研业务费研究项目(KY2022103)
河北省节水灌溉装备产业技术研究院基金(SC2018005)
河北省重点研发项目(22327001D)

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高梦钒 , 王鑫鑫 , 陈任强 , 高惠嫣 , 柴春岭 , 刘宏权. 禾本-豆科间作水分高效利用研究进展[J].节水灌溉, 2024(6): 77-86 https://doi.org/10.12396/jsgg.2023505
GAO Meng-fan , WANG Xin-xin , CHEN Ren-qiang , GAO Hui-yan , CHAI Chun-ling , LIU Hong-quan. Research Progress of Water Efficient Use in Graminus-legume Intercropping[J].Water Saving Irrigation, 2024(6): 77-86 https://doi.org/10.12396/jsgg.2023505

0 引 言

农业对国内生产总值做出了重大贡献。在水资源短缺的背景下，如何实现农业生产的可持续发展是我国农业面临的主要问题。根据国家公布的水资源数据，我国2012-2021年年平均用水总量6 036.5亿m3，年平均农业用水量3 771.1 亿m3，农业用水量占用水总量的61.2%~63.7%。发达国家，在20世纪四五十年代便开始重视节水灌溉，通过大田喷灌、滴灌化、科学化、自动化，实现了灌溉水的利用系数达到0.7~0.8，而我国农田灌溉水利用系数2022年仅达到0.572[1]。因此，我国农业水分高效利用的问题上存在起步晚、技术薄弱、效率低的特点，未充分将节水灌溉和水资源管理技术和农业灌溉相结合，导致目前农业水分利用效率还处于较低水平。
禾本-豆科间作可以在有限的土地资源内实现物种的多样性，可以充分利用水、肥、光、气、热资源[2-4]。加速自然动态资源的流动，这有助于确保基础农业生态系统的可持续性[5, 6]。研究表明，禾本-豆科间作模式中水分高效利用的优势源于物种间水分需求的差异。Rem等[7]研究表明，玉米（Zea mays L.）-大豆（Glycine max L.）间作的水分当量比在0.84~1.68之间，证明了间作对WUE有影响。李恩慧等[8]对小麦（Triticum aestivum L.）-苜蓿（Medicago sativa L.）间作系统WUE研究表明，间作系统的WUE较小麦单作和苜蓿单作分别提高了17.0%和62.4%。宫香伟等[9]发现，糜子（Panicum miliaceum L.）-绿豆（Vigna radiate L.）间作优化了土壤含水量的分布，降低了糜子的土壤含水量，提高了糜子的WUE，间作处理较单作WUE增加了11.5%~30.1%。
虽然已有诸多研究从作物种类、条带空间布局、播种时间和密度、种间互补或竞争等方面对禾本-豆科间作水分利用进行了分析，为指导禾本-豆科间作水分高效利用理论体系奠定了坚实的基础。但是，如何根据作物需水特性，合理设计灌溉水量和灌溉时间，以提高作物需水与供水的协调性，从而最大限度的发挥禾本-豆科间作的制度优势，需要对禾本-豆科间作模式水分调控问题进行深入探讨，从而形成高效的水分调控管理模式。本文从禾本-豆科间作水分利用特征、水分利用机制、水分管理策略以及展望四个方面进行综述，为禾本-豆科间作水分高效利用技术的发展提供理论依据。

1 水分利用特征

1.1 耗水量

间作可以改变土壤水分分布，这取决于土壤水分的保持和消耗之间的平衡。当作物协同利用水资源时，作物的种间竞争/互补作用提高了WUE [10]。相反，当两种作物同时争夺水资源时，耗水量将上升，导致土壤保水能力下降，干旱威胁增强[11]。在禾本-豆科间作模式中，豆科作物通过增加冠层密度，减少蒸发减少土壤水分的流失，且两种作物具有明显的需水时空差异，削弱了两种作物同时对水资源的竞争[12]。
合理的条带空间布局和作物种类可以降低耗水量。研究表明，玉米-大豆间作2∶1、2∶2、2∶3（玉米和大豆行比）的耗水量分别比单作增加0.9%、5.2%、8.2%。随着大豆播幅增加，水分利用优势随之增大[13]。RAHMAN等[14]玉米-大豆间作适当调整行距是实现水分分布均匀的有效耕作方式，其中，行距40~50 cm的种植模式对土壤水分的影响最大。在高粱（Sorghum bicolor L.）-大豆间作行比2∶4（两行高粱和四行大豆）和2∶2（两行高粱和两行大豆）的空间布局均比单作有较高的水分利用优势，其中2∶4模式改善土壤水分环境效果最显著，提高了农田水分生产力[15]。玉米-豌豆（Pisum sativum L.）间作，行比4∶4（四行玉米和四行豌豆），玉米行距30 cm，豌豆20 cm的种植制度相比于单作耗水量减少了12.5%~19.8%，行比2∶4（两行玉米和四行豌豆）比单作耗水量减少了10.2%~13.7%[16]。玉米条带对豌豆的土壤水分补充潜力在豌豆独生期和玉米与豌豆共生期均存在[17]。间作生育期较长，整个生育期内土壤蒸发量大于单作，但间作土壤日蒸发量小于单作，表明间作在提高作物水分有效性方面比单作有优势[18]。如高粱-豇豆（Vigna unguiculata L.）间作，在半干旱地区的低水分条件下，能够有效抵抗低水势对作物的胁迫，虽然耗水量略微增加了5.6%，但是能更有效的利用水分的同时保证产量稳定[19]。
施氮并不能直接影响作物在生育期内的耗水量，而是通过优化作物的品质和产量从而提高WUE。滕圆圆等[20]研究发现，氮肥后移对玉米-豌豆间作中两种作物全生育总耗水量影响不显著，但是可以提高间作豌豆籽粒产量从而提高WUE。玉米‐大豆间作模式2∶2、4∶4、6∶63种不同带宽条件下，导致玉米和大豆两种作物的土壤水分空间分布不同，从而影响产量导致WUE的变化[21-24]。

1.2 WUE

禾本‐豆科作物在生长模式、地上冠层、根系及其对水和养分的需求时间不同，促使了两种作物对可用资源（阳光、水分和土壤养分）的有效利用[25, 26]。因此，根据作物需水量的特点，合理设计灌溉量和灌溉时间，以提高作物需水量与供水的协调性是禾本-豆科间作提高WUE的关键[27, 28]。CHIMONYO等[19]通过对不同灌溉方式下高粱-豇豆间作WUE的研究，在低水分条件下，可以促进水的有效性，保证了高梁正常的生长发育，将高粱的WUE提高了54.6%。牛伊宁等[29]在甘肃武威市进行的不同供水水平玉米-豌豆间作试验表明，当地习惯灌水水平减少10%灌水量处理下，间作玉米和豌豆比单作WUE分别提高了22.9%和18.0%，有效减少了灌水量。CHAPAGAIN等[30]通过对麦豆间作系统的WUE研究表明，与单作相比，麦豆间作模式对小麦的WUE有所提高。麦豆1∶1种植比2∶2具有更高的WUE。RAZA等[31]对玉米和大豆行比为2∶2和2∶3的种植模式分析表明，大豆收获后，对玉米的水分具有补偿作用。Fan等[17]将3种玉米密度的玉米-豌豆条带间作与单作进行比较发现，玉米种植密度在6 万株/hm2处理下，玉米-豌豆间作的WUE最大，比单作玉米的WUE高14%。且玉米密度在一定范围内，WUE会随密度增加而增加。SUN等[32]通过多年玉米-苜蓿不同种植模式的间作试验发现，玉米苜蓿行比为3∶5和3∶3处理下，土壤相对含水量均高于单作，但3∶5处理下的WUE和净收益均高于3∶3处理。
因此，通过优化耕作、施肥和灌溉措施，可以促进禾本-豆科间作对土壤水分的利用，充分发挥水氮耦合效应，从而提高水肥利用率。然而，当作物布局或品种组合不合理时，间作可能不具有提高WUE的优势。合理的间作制度可以实现高产和水分利用。如何将单作常用的节水措施与间作相结合，提高间作系统的WUE，从而提高农业生产的可持续性，是未来研究的重点。

2 水分高效利用机制

2.1 种间关系

禾本-豆科间作的种间竞争和互补作用是共存的。种间竞争和互补即两种作物之间的竞争应低于单一物种的种内竞争，且对资源利用的竞争应大于种间竞争。这种竞争和促进作用是由于禾本-豆科间作系统通过引入两种或两种以上不同种的作物在有限的农业生态系统中增加了多样性。由于两种作物在空间和时间上对资源需求特征不同，这便增加了多种作物间的种间竞争和互补效应，从而促进了对资源的高效利用。在时间尺度的种间关系方面，如果豆类在禾本科作物之前播种，则会对晚收的禾本作物的生长产生强烈的恢复作用，从而提高物种的互补性和总生产力[25, 26]。实现了两种作物对资源有效利用，促进作物地上部分的生长，达到群体产量优于单作的效果[33, 34]。从空间尺度来看，禾本-豆科间作两种作物高低搭配的冠层结构比单一种植的冠层结构具有更好的光照表面积且利于空气流通，实现对光能的分层利用。从作物间根系分布来看，禾本-豆科间作系统两种作物的根系生长均有不同程度的增加，GONG等[35]通过谷子（Setaria italica）-绿豆间作试验发现，在共同生长期，两种作物根系向中间行间横向扩展，上层（0~50 cm）和靠近植株的根系长度密度、表面积密度和体积密度增加。REN等[36]试验表明，在玉米-大豆间作系统不同空间布局对根系分布的影响不同，其中2行玉米2行大豆的空间布局更有利于提高大豆和玉米的根长密度。而且，间作植物的根系互作可以促进产生类黄酮类物质，从而影响植物间相互作用的类型和强度[37, 38]。
禾本-豆科间作对水分高效利用的优势是由作物本身的生理特性以及作物间的竞争和互补效应在时空的动态关系决定的。因此，分析种间竞争和互补作用，量化种间关系和水分生产力之间的关系是形成水分高效利用技术体系的重要理论基础。

2.2 光能利用

禾本-豆科作物间作模式充分利用两种作物高矮不一，受光照面积不同的特点改善了田间微气候[39]，使得禾本-豆科间作相比单一作物种植具有大的光比表面积的三维光学系统，可以增加侧光的截留。这种多层次的作物群体可以最大限度地利用太阳辐射，实现作物对分层光能的利用[40]。而且，禾本科作物具有明显的边行优势。相比单一种植，边行禾本科作物具有更大的光照面积，从而有利于禾本科作物产量的提高[41]。玉米-大豆间作中有效光合辐射的增加可将靠近穗部的玉米叶片的光合速率和光合辐射利用效率分别提高1.08倍和1.09倍[42]。王飞等[43]通过玉米-花生（Arachis hypogaea L.）间作试验发现，间作可以提高间作玉米净光合速率、叶面积指数和光合势，增加穗粒数和粒重，来促进干物质积累和产量的提高。其原因是CO2羧化固定能力随光强增强而逐渐增强的适应过程，主要表现在叶绿素含量增加，CO2羧化速率，再生电子传递速率的提高[44]。因此，玉米地上部分的干物质积累量明显高于单作。其中，灌浆期玉米干物质积累量影响最为显著，相较于单作增加了51.3%~52.6%[45]。Feng等[46]研究发现，玉米-大豆间作系统提高了叶片的叶绿素含量和叶面积，延缓了玉米叶片衰老过程，提高了玉米叶片光合速率，从而调节了玉米产量。氮肥、磷肥施用量和耕作方式对和作物生理特性影响较大[47, 48]。
对于豆科作物，由于与禾本科作物的株高差异显著，禾本科作物对豆科作物的荫蔽程度会影响豆科作物的光合作用。研究发现，禾本作物随生育期的推进，豆科作物受到荫蔽程度随之加重，豆科产量相比于单作会显著减少[49]。例如，Liu等[50, 51]研究表明，在大豆开花期，与单作相比，间作大豆冠层顶部的光合有效辐射比减少了17%~21%，从而导致产量有所减少，但是节间长度、株高和叶面积增加。这些形态的变化表明，间作模式能够提高大豆的光利用效率,却无法补偿大豆产量的减少。因此，为了缓解禾本作物对豆科作物的荫蔽作用，适当的增加两种作物间的行距，有助于豆科作物对荫蔽胁迫的恢复[52]。

3 水分高效利用管理策略

3.1 耕作制度

集雨耕作旨在通过收集和利用降水来改善农田生产的水资源利用效率和降低作物的欠收风险。已有研究表明，垄作是一种适合禾本-豆科间作模式的集雨耕作模式。与传统耕作相比，垄作可以增加土壤的透气性，改善根系的气体交换和氧气供应，有利于作物生长。其次，垄作有利于土壤保水，在雨水丰富时减少地表径流和土壤侵蚀，减少养分的流失和浪费[53]。然而，这种方式也有一定的局限性。在干旱地区，收集的雨水由于蒸发量大被迅速蒸发，可能需要更频繁的灌溉以保证作物的需水量。另外，与传统耕作相比，垄作需要投入额外的人工和机械成本[54]。这种集雨耕作模式和禾本-豆科间作模式是互补的，因为集雨耕作有助于收集水分，在前文中也说明了禾本-豆科间作有助于减少蒸发造成的损失。TESFUHUNEY等[55, 56]玉米-豆科作物间作试验表明，垄作相比于传统耕作模式，能更有效地将雨水转化为作物的生物量和产量。无论单作和间作，均比传统模式WUE明显提高。垄作间作比垄作单作水分利用优势增加5%~8%。Saidia等[57]研究表明，在玉米-豌豆间作模式下，降雨后垄作比平坦耕作在0~30 cm土壤中保持了更多的水分，比单作玉米增产了0.3 t/hm2。
然而，目前对于集雨耕作在禾本-豆科间作中的研究较少，尤其是在干旱和半干旱地区，由于降水的时空差异明显，集雨耕作可以最大程度地利用雨水资源。通过收集和储存雨水，弥补水资源短缺而导致的问题。垄作相比其他集雨系统，目前在禾本-豆科间作系统中的应用相对较多。但是，垄的规格对作物生产力的影响以及在间作系统中垄作对土壤影响的机制目前尚不清晰。需要增加对此类耕作模式的研究，为提高水分利用提供科学依据。

3.2 灌溉管理

3.2.1 调亏/交替灌溉

禾本-豆科间作中两种作物在生育期内的需水量不同，传统的畦灌方式往往无法同时为两种作物提供不同的需水量。而且，在水量过量下会导致肥料淋失、深层渗漏，而灌溉不足可能对作物生长产生胁迫，从而影响作物正常生长导致产量下降。许多学者研究发现，调亏灌溉和交替灌溉是保证禾本-豆科间作模式下水分高效利用的有效手段。
研究表明，交替灌溉下会降低小麦-蚕豆（Cicia faba L.）间作系统中小麦和蚕豆的蒸腾速率和气孔导度。与传统灌溉相比，交替灌溉降低了作物的地上部生物量，小麦和蚕豆的根管比分别增加了14.5%和18.2%[58]。王茂鉴等[59]对通过不同灌溉方式对河西灌区禾本-豆科间作的水分利用影响发现，玉米-拉巴豆（Croton barorum L.）在前期轻度亏水情况下，饲草品质较充分灌水有所提高，且WUE和灌水相对生产率相比于充分灌水分别提高22.1%~28.1%，48.3%~45.5%。Assadi等[60]研究发现，在半干旱区水分胁迫下，大麦（Hordeum vulgare L.）-鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）间作中如果鹰嘴豆晚播，可以降低大麦和鹰嘴豆对资源的竞争，同时提高WUE，保证每一种作物在不同时间占用和利用不同生态位的资源。
调亏灌溉和交替灌溉均可以有效的节约水资源，提高作物在生长过程中的WUE。而且，交替灌溉可以减少土壤中盐分及其他化学物质的积累，降低土壤盐碱化的风险。然而，为了更好地、因地制宜地进行灌溉管理，应在禾本-豆科间作模式下尝试更多关于调亏/交替灌溉的试验的同时，应充分考虑经济，环境和农业可持续性发展因素。

3.2.2 滴灌

滴灌是通过管道和安装在末端管道上的灌水器，以小流量将作物生长所需的水分和养分均匀、准确地输送到作物根部附近土壤中的一种灌溉方法。滴灌系统可根据作物需水量对灌溉水量及时适当地调节，从而有效地减少灌溉用水损失。同时，可以缓解作物生态位之间的重叠，缓解间作系统中物种间的水分竞争。前人研究比较了滴灌和传统漫灌对间作系统土壤水分利用的影响，结果表明滴灌可以显著提高间作系统WUE，在一定程度上缓解间作系统内对水分的竞争，提高作物的产量和品质。DAI等[61]采用滴灌和膜下滴灌，相比于传统灌溉方式提高了52.1%~115.5%的经济效益，而且膜下滴灌的优势最为明显。尽管滴灌技术的优势反复被许多研究人员证明，但是在间作系统中要比单一物种种植模式下复杂的多，因为受到两种作物WUE的不同以及根系是否重叠的影响，这也取决于作物的种类及特定的生育期以及土壤水分分布、土壤温度。土壤水分的有效性是影响作物间根系混合程度的关键因素。当土壤水分充分时，根系充分生长，根系竞争活跃；在水分胁迫下，根系聚集在有限的区域内；在严重的水分胁迫下，根系可能根本不混合。ZHANG等[62]研究表明，间作中两种作物根系的重叠，即种间互作界面，主要发生在两种作物边界之间的位置。并且，间作对两种作物的根系生长有不同程度的促进作用，GONG等[35]通过谷子-绿豆间作试验发现，与单作相比，在间作条件下，两种作物根系生长和分布均增加，在共生长期向中间行间横向扩展，导致上层（0~50 cm）和靠近植株的根系长度密度、表面积密度和体积密度增加。在玉米-大豆间作模式中，大豆根系主要聚集在地表以下16~22 cm的土层，玉米根系有向大豆生长处延申的趋势[63, 64]。在玉米-大豆间作系统中，干旱条件下，间作玉米地膜覆盖可以保持土壤水分，从而对根系生长的产生影响；在湿润条件下，地膜覆盖对过度生长的根系有抑制作用；在种间重叠区，覆膜可显著增加根长或根质量，从而促进种间根系相互作用[65]。
综上所述，禾本-豆科间作系统中根系和土壤温度的时空分布非常复杂和难以预测是滴灌在应用中遇到的主要难题，导致目前滴灌在禾本-豆科间作模式中的应用研究较少。目前，滴灌在生产经济作物，小麦、玉米、水稻[66-68]。以及在小麦-玉米间作中均有应用[61, 69]。在禾本-豆科间作系统中土壤水分的时空分布受两种作物耗水量的不同以及根系是否重叠的影响，这取决于作物的种类及生育期的差异。土壤温度的时空分布不仅受到土壤含水率的影响，还受到两种作物对土壤表面遮荫的影响。综合这些因素，如土壤水分、土壤温度、种间竞争和互补，都会影响作物的根系时空分布。因此，分析滴灌方式下不同作物搭配的土壤水分和根系生长情况，评价不同作物组合对土壤温度分布的影响以及比较不同滴灌方式下禾本-豆科间作根系时空分布、土壤水分分布、土壤温度是必要的。

3.2.3 智能灌溉

在传统的农田灌溉模式下，生产者往往不会考虑作物生理条件、土壤特征以及天气环境的变化。这导致了作物实际接受灌溉水量与实际灌溉量之间的矛盾，过量的灌溉会导致肥料淋失、深层渗漏、地表积水和径流，而灌溉不足则可能导致作物受到干旱胁迫，从而影响作物的产量和品质[70]。因此，精准、高效、智能的现代化灌溉模式是提高农业用水效率的关键。智能灌溉其主要是利用现代传感器技术、信息系统以及自动控制系统，实现检测土壤水分、作物需水量和气象条件，通过考虑农业生产系统中的动态因素，使得生产者可以根据现实情况优化灌溉制度，从而在生产过程中减少资源的浪费，且保证作物的产量[71]。
SHARIFNASAB等[72]利用基于智能控制的滴灌系统对玉米进行灌溉管理。结果表明，智能灌溉条件下，作物成熟期明显提前，且用水量节约了35%。SHI等[73]通过数值模拟，建立了作物生长与土壤水分输送耦合模型，用于玉米滴灌技术。该模型可以提供有关土壤水分和作物生长的动态信息，从而降低用水成本。为优化WUE，YANG等[74]在间作中利用中子探针，实时观测土壤水分含量，从而随时调整优化灌溉制度。LOZOYA等[75]使用FDR传感器来测量田间土壤体积含水量。这些传感器被放置在作物根部，其体积含水率范围为0%~50%。Yadav等[76]使用了电容土壤水分传感器和数据记录器。利用上田容量和下土壤有效水阈值编制灌溉计划。结果表明，与传统的灌溉调度方法相比，这些方法均提高了WUE。虽然智能灌溉系统有诸多好处，同时也存在一定的弊端。比如，智能检测灌溉系统通常需要使用传感器、控制器、数据分析等高科技设备和技术。这导致系统的建设和维护成本较高，并对用户的技术能力有一定要求[77]。对于一些农民或使用者而言，系统的操作和维护可能较为困难。以及灌溉系统的效果依赖于传感器的准确性和可靠性。然而，现实中，传感器的数据可能会受到环境因素、设备故障等影响，导致数据的误差和不稳定性。如果系统依赖于不准确或不可靠的传感器数据做出决策，可能会对灌溉效果产生负面影响[78]。JAAFAR等[79]调查研究表明，在发展中国家，90%的农民认可智能灌溉管理模式，同意并愿意使用免费的智能程序来帮助管理和安排作物的灌溉。因此，通过资金支持，合理宣传、技术培训，让大部分农户利用智能设备的方法对发展高效农田灌溉是可行的。
因此，为确保禾本-豆科间作模式下水分的高效利用，应当加强与智能灌溉管理技术的结合，开发适合禾本-豆科间作模式下的作物、水分及外部环境等因素的检测系统和设备，为节约用水量，保证作物生长生产提供技术保障。

3.3 氮肥利用

豆科作物可以利用地下部分种间互作影响根际养分，并通过间作有效促进养分获取，刺激自身的固氮作用，为共作作物提供大量的氮，从而增加土壤氮含量[80]。SHAO等[81]试验表明，玉米-苜蓿间作通过根系接触和种间竞争的形态变化显著提高了作物总产量和氮素的吸收，两种作物通过根系接触改变了根系形态，促进系统氮含量、固定和转移，提高了氮素利用率。其次，由于正效应因子的互作强度得到提高，弱化了负效应因子的互作强度，这使得间作系统的优势作用更加明显[82]。这种优势体现在玉米根部分泌的物质促进了大豆对N2的固定，并改变根系土壤中的根际pH值来增加氮的有效性，从而改善了氮的吸收，减少了土壤中氮的损失[83]。FU等[84]研究发现，与单作相比，大豆籽粒对氮、磷、钾的吸收量分别提高了24.4%、9.6%和22.4%，且土壤全氮、速效磷和土壤有机质含量明显高于单作[85]。这影响了作物生长对养分的捕获、分解和再循环的效率。同时，间作系统中作物物种之间的功能互补性提高了生产力以及土壤中碳和氮的储量[86-88]。而对于氮肥施用量，在玉米‐豌豆间作模式下，豌豆的产量与相互竞争有正相关性，而玉米的产量与玉米的生长动力指数呈正相关。通过降低氮肥率扩大排列比可以优化相互作用来提高玉米-豌豆间作的系统生产率[89, 90]。
而且，优化氮肥施用量可以改善玉米‐豌豆间作模式的产量以及种间竞争的协调，从而提高系统生产率。当氮肥施用量为135 kg/hm2时，可以最有效地发挥玉米豌豆的间作效应[91, 92]。在高粱‐绿豆间作系统中，施氮量为60 kg/hm2情况下，最大程度优化了间作作物的产量、LER、干物质积累[93]。在这种模式下，不仅减少了氮肥的施入量，土壤无机氮水平降低的同时导致了土壤系统微环境的改变，从而显著降低了土壤一氧化二氮（N2O）的产生和排放[94, 95]。LUO等[96]研究观察到，减少40%的氮输入并结合间作大豆可以保持甘蔗产量和土壤可持续利用，甘蔗与大豆间作在减少化肥投入的同时保持了作物生产力。另有研究发现，氮肥施用量较少的玉米‐大豆间作系统的可持续性仍低于玉米单作，这主要是由于劳动力投入大，能量输出较低，需要发展农艺操作和农业技术，提高间作系统的资源配置和利用效率[97]。
因此，禾本-豆科间作模式在特定的空间布局和氮肥施用量条件下，相比传统的单一作物种植模式，其可以减少化肥的施用，提高禾本科作物对氮的吸收，促进豆科根瘤固氮。然而，目前对于禾本-豆科作物间作系统中具体的氮素分配和利用机制，尤其是氮素利用和WUE之间的潜在关系还不清楚，有待进一步研究。

3.4 土壤改良

通过改良土壤质量和结构，提高土壤保水措施一直是将土壤肥力和水土保持结合起来提高土壤生产力的重要研究方向。近年来，研究人员通常利用有机肥料和生物肥料的施用、利用覆盖作物和作物残留物的覆盖以及土壤改良剂等措施改善土壤的生态结构和质量，减缓水分入渗、减少水分流失，提高土壤的保水能力或减少土壤水分的蒸散损失。
生物炭是一种广泛应用的土壤改良剂，在改善土壤质量、提高农业生产资源效率、减少环境污染方面具有积极作用[98, 99]。HAN等[100]通过对全球63项研究的数据集进行提取分析表明，添加生物炭使作物产量提高了14.6%，WUE提高了14.0%。其主要是利用自身的多孔结构增强了对水的吸收能力，从而改良土壤的保水能力，进而影响WUE。WANG等[101]研究表明，在玉米-大豆间作模式下，随着生物炭和氮肥的增加，产量和WUE呈现先增加后降低的趋势，在合适的范围内，可以减少氮肥的投入且提高了产量和WUE。LUAN等[102]玉米-花生间作不同生物炭用量试验表明，在15 t/hm2用量下，土壤水分含量增量为15.5%，且显著提高了土壤的有效积温。然而，尽管生物炭具有较高的孔隙率，但其持水和吸收能力随着疏水性的增加而下降[103]。影响生物炭添加效果的关键因素有土壤有机质、土壤全氮、土壤容重以及生物炭本身的碳含量、比表面积和原料的木质素含量[104]。因此，为了有效地发挥其有效的功能，应综合考虑不同试验条件、生物炭和土壤性质。
有机肥具有有机质含量高、养分全面、肥效时间长等优点。在土壤中施用有机肥，如动物粪便和作物秸秆等，可以提高土壤有机质含量、优化土壤物理、化学和生物性质，在实现农业可持续发展方面具有巨大潜力。RAMIA等[105]在燕麦（Avena sativa L.）-豌豆间作中利用马粪和植物残体作为有机肥料研究发现，施用有机肥可以提高豌豆的光合速率、固氮量以及豌豆和燕麦的产量。LIN等[106]化肥和有机肥1∶1混合施用可以明显提高大豆籽粒和玉米籽粒的蛋白质含量，总体提高了两种作物的产量。SUÁREZ等[107]研究结果表明，在施用有机肥的条件下，可以通过玉米和豆科作物间作获得更高的产量。
豆科作物作为一种覆盖作物，具有固氮养地的作用，是可持续耕作方式的核心和关键组成部分，豆科作物的覆盖能够保护土壤免受雨水的影响，减少径流、风和水的侵蚀以及减少土壤沉积物的流失，与没有种植豆科作物的土壤相比，种植豆科作物可以减少20%~80%的氮淋溶和NO3-离子浓度，从而间接改善了土壤质量[108-111]。在豆科作物融入系统后，它们可以利用大气中的N2用于自我生长，并有助于稳定土壤氮循环，并缓解目前对氮肥日益增长的依赖[112, 113]。
综上所述，土壤改良和保水措施的研究已经取得了一些进展，并为提高农田的水资源利用效率、保护土壤资源、实现可持续农业发展提供了理论和实践基础。然而，对于在禾本-豆科间作模式下，通过土壤改良提高WUE仍然需要进一步深入研究和创新，例如不同有机肥料和不同作物、有机肥和化肥之间搭配组合产生的不同效益等，以提高土壤改良和保水措施的效果和可持续性。

4 结 语

传统的种植方式单一，管理模式、生产技术落后，抵御自然灾害能力差，生态系统功效低。与间作相比，单一的种植系统中，会使用大量的氮肥以获得更高的产量，但是50%以上的氮肥施入后并没有被农作物吸收，最终导致土壤和水的污染。禾本‐豆科间作充分发挥了作物间的互补性，使得豆科作物可以有效发挥结瘤固氮作用，系统内作物可以综合利用各种养分资源。因此，间作对农业生产有着实际有效的改良效果，是一种很有前景的代替传统农业种植模式的方法。未来研究需重点关注以下内容。
（1）在以往关于种间竞争、互补和作物水分高效利用的研究中，许多结果都是基于作物生理成熟时的生产力。然而，关于种间竞争和互补性的动态，以及与地上、地下因子、作物和水环境、时间和空间尺度的竞争、互补性的种间生态过程及其对WUE的协同效应的研究，目前还缺乏相关的研究资料。
（2）现代高效水分管理技术与作物水分生理机制相结合的研究报道较少，通过种间关系调控提高间作WUE的理论和技术存在不足。要提高作物产量和品质，保持经济作物产业的可持续发展，关键在于以高效、环保的方式提高作物产量。因此，科学合理的水肥管理是解决这些实际问题的有效手段，也是实现农业可持续发展的迫切需要。近年来，为缓解干旱和半干旱地区的水资源短缺问题，水肥管理对作物产量和品质的影响已经成为研究的热点，了解水肥响应及潜在的生理机制是优化节水灌溉制度的基础[114]。目前关于水肥管理对经济作物产量和品质的研究主要集中在单一作物对水分和养分胁迫响应上，应结合产量、品质和环境等因素综合考虑指导农业生产[115]。
（3）在禾本-豆科间作制度中，如何有效解决资源利用和环境效益之间的矛盾尚不清楚[116]。因此，定量研究水分、养分对产量的影响，综合评价生理机制、产量效应和经济效益之间的关系，优化区域水资源配置和灌溉战略决策，提出在禾本-豆科间作条件下的节水灌溉用水管理框架是保证水资源利用，改善农业可持续发展的关键。

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