间作对土壤水热•温室气体排放及作物的影响综述

摘要 为了因地制宜地选择种植模式，充分利用水土资源、保护粮食安全、减少农田温室气体排放和促进我国绿色农业可持续发展，归纳了国内外关于间作系统的耗水量、土壤蒸发、土壤温度、温室气体排放、间作种间关系的影响因素及其对作物的影响。结果表明，间作模式的耗水量主要受环境因素与作物类型的影响，并且可以通过整合单作常用的水分调节措施减少耗水量，提高水分利用效率；间作具有双向调节土壤温度的功能；合理的间作模式可以改变田间小气候和土壤中微生物的生存环境，从而降低CO2、N2O的排放，增加CH4的吸收量；间作可以使水、肥在时空尺度上得到充分吸收，达到增加产量、改善品质的目的。

关键词 间作；土壤水热；温室气体；种间关系；生长发育

中图分类号 S344.2  文献标识码 A  文章编号 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

作者简介 杨沛文（1998—），男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向：农业水资源高效利用。

通信作者，讲师，博士，从事水土资源高效利用研究。

收稿日期 2022-12-23

当前，水资源短缺情况加剧、耕地面积日益缩减，使我国粮食安全问题面临严峻挑战，并且随着人口的增长以及对饲料、纤维和生物燃料的需求增加，预计到 2050 年粮食需求量会翻一番［1］，供需关系不平衡使粮食安全问题更突出。温室效应也是当今重大的环境问题，会造成粮食减产和极端天气频繁等自然灾害，农业系统的温室气体排放在近十年增加了10.1%［2］，并占全球温室气体总量的14.0%［3］。因此，面临资源与环境的多重挑战，需要选择一种高产高效且生态友好的农业发展方式来挖掘农业生产潜力，保障粮食安全，带动我国农业的绿色可持续发展。

间作是提高农田生产能力、降低农业生产环境成本、推动我国绿色农业可持续发展的重要手段。其最早可追溯到西汉时期，在《祀胜之书》中出现了有关瓜豆间作的记载。20世纪60年代，间作在我国得到了广泛推广，有粮饲间作、农林间作、林果间作、粮菜间作等多种类型，尤其玉米和豆科植物间作最为普遍［4］。间作的主要优势包括可以充分吸收利用土壤中的多余水分与养分［5］，可以通过影响温室气体排放的关键因子来减少土壤温室气体的排放［6］，可以充分利用光能、时间和空间资源来提高生产力［7］。所以发展间作对提高农业生产的经济效益、社会效益、环境效益、节约土地资源和保障粮食生产等具有重大现实意义。虽然国内外学者对间作条件下的土壤、作物与生态环境影响等方面做了较多研究，但缺乏系统的归纳应用于指导实践。因此，该研究综述间作系统的土壤水热、土壤温室气体排放以及作物生长发育特点，旨在为农业生产过程中选择合适的耕作方式，充分利用水土资源、降低温室气体排放、增加作物产量和改善作物品质，为我国绿色农业可持续发展提供参考。

1 间作系统的土壤水热状况

1.1 间作系统的耗水量

间作系统的耗水量主要受环境条件和作物类型的影响［8］。间作条带之间由于水分竞争，会存在大量水分运移［9］，为了满足间作系统的高产，就需要足够的水分支撑，所以在水资源充足地区发展间作具有巨大潜力。了解间作系统耗水规律，将供水与作物耗水规律相结合可以有效降低间作群体耗水量，从而使水资源短缺地区的间作得以发展。当前对间作耗水量的研究主要集中在空间布局、灌溉制度、施肥制度、耕作方式和覆盖措施等方面［10］。

减少耗水量的基础是合理的作物搭配与适当的灌溉施肥。从空间布局上看，徐鹏等［11］指出，间作耗水量随着棉花行数的增加和株距的减少显著增大，因为间作棉花可以充分利用土壤贮水，间作系统的耗水量比单作加权平均高9.5%。Wang等［12］认为在小麦/玉米间作系统中，耗水量随着玉米种植密度的增加而减少，并指出玉米根长密度的增加，地下相互作用的增强，使得土壤蒸发降低，减少了无效耗水量；从灌溉制度上看，牛伊宁等［13］研究指出，玉米/豌豆间作系统降低10%灌水水平并没有对耗水量产生显著影响，适当降低灌水水平可以在不影响产量的情况下减少无效耗水量；从施肥制度上看，李倩倩等［14］通过小麦/玉米间作试验发现，氮肥的使用会显著增加作物的耗水量，李含婷等［15］指出减氮25.0%施肥可以减少玉米/绿肥间作系统的整体耗水，这些研究表明可以通过施肥调节间作耗水量。也有研究认为间作系统的耗水量受氮肥影响不显著［16］。

通过优化耕作方法和覆盖也可以减少耗水量。例如，在小麦/玉米间作中，小麦留茬收割并压倒覆盖与不留茬相比，耗水量减少了0.8%～6.3%［17］。垄作交替灌溉可使高、低灌溉水平的耗水量分别比传统灌溉降低5.3%、3.0%［18］。研究表明，通过整合单作中常用的水分调节措施，可以有效减少间作的耗水量。

1.2 间作系统的土壤蒸发

土壤蒸发作为无效耗水量在农田总耗水中所占的比重较大。间作模式对土壤蒸发的影响较为复杂，其可以通过种间竞争和互补对土壤蒸发和土壤水分消耗的空间梯度产生影响。

间作系统的土壤蒸发与单作相比，受到配对作物、种植空间与时间等多种因素的影响，明确影响间作土壤蒸发的关键因子，对减少无效耗水有重要的指导作用。柴强等［19］研究表明，间套作生育期较长，对于整个生育期土壤的总蒸发量大于单作，但是间作系统的日平均土壤蒸发量较低。刘浩等［20］指出，棵间土壤蒸发主要受表层土壤含水率和叶面积指数的影响，在返青前小麦/玉米间作和单作土壤蒸发差距不大，而返青后间作的土壤蒸发显著高于单作，因为单作小麦冠层覆盖率高，而间作的预留行裸漏导致无效的水分消耗。高阳等［21］通过玉米/大豆间作试验指出玉米条带对地面的覆盖度小于大豆，玉米∶大豆2∶3带型的土壤蒸发量大于1∶3带型。

多年来，研究者提出了各种减少间作无效农田用水量的策略，通过优化灌溉水平、施肥方式、覆盖和耕作措施来减少土壤蒸发。交替灌溉可通过减少地表土壤含水率来减少土壤水分蒸发［18］，氮肥后移有利于间作玉米在豌豆收获后的生长发育，增加地表覆盖度可使间作系统的土壤蒸发减少15%～30%［16］，免耕和铺设地膜增加了土壤与大气之间水热交换的物理阻隔，阻断了交换途径从而降低土壤蒸发［22］。

1.3 间作系统的土壤温度

土壤温度是植物生长的关键因素，也是评估间作功能的重要参数。适宜的土壤温度有助于土壤和大气之间的气体交换，增强土壤中的微生物和根系的活性，并且可以降低温室气体的排放［23］。土壤温度的变化不仅取决于大气温度的波动，还受到种植制度的影响。间作系统复杂的边界条件会影响其土壤温度的变化。

间作可以抑制土壤温度的升高，在一些炎热的月份，间作叶面积指数较大的作物可以有效缓解高温胁迫对作物造成的损害。Ai等［24］进行了3年枣/棉间作试验，结果表明，与单作枣树相比，间作使枣树与棉花6月以后的土壤温度均下降。Nyawade等［25］研究认为，间作增加了地表覆盖率和土壤水分含量，提高了植物拦截辐射的能力，并显著降低了0～30 cm土层的土壤温度。紫云英/油菜间作［26］和核桃/小麦间作［27］等也得到了间作在高温时段可以降低土壤温度的结论。

间作也可以抑制土壤温度的降低，起到保温作用。Olasantan［28］研究得出，在间作系统中，低位作物阻碍了夜间土壤温度向高水平作物的消散。王来等［27］研究得出，核桃与小麦间作模式推迟了11月份土壤温度的下降，并指出是由于落叶覆盖地面起到了保温的作用，这种情况对冬小麦的生长有利。

间作具有双向动态调节土壤温度的功能，因此间作的土壤温度稳定性显著高于单作。采取不同的间作模式，可以通过改变作物的冠层结构与生长情况使作物根系处于适宜的温度，促进作物生长。

2 间作对温室气体排放的影响

2.1 间作对CO2排放的影响

部分研究表明，间作可以降低CO2排放。从排放量上看，章莹等［29］指出，减量施氮处理下，甘蔗∶大豆1∶2间作CO2排放量较甘蔗单作显著降低35.58%。 Wu等［30］通过小麦/板蓝根间作试验发现，间作处理的小麦生育期总CO2排放通量与小麦单作相比降低了29.3%。Qin 等［31］通过3年的小麦/玉米间作和豌豆/玉米间作试验表明，2种间作模式的平均碳排放量分别比玉米单作降低32.0%和38.0%。从排放速率上看，曹永庆等［32］同时对3块试验田进行山稻/油茶间作试验发现，间作山稻使土壤呼吸速率比单作油茶分别降低54.6%、20.5%和13.8%，土壤呼吸受到抑制的关键原因是土壤含水率的下降。赵财等［33］测算对比了河西绿洲灌区不同种植模式下的土壤呼吸速率，指出不同间作模式下的土壤呼吸速率均小于单作玉米，其中小麦/玉米间作系统的土壤呼吸速率比玉米单作和小麦单作分别降低20.9%和26.3%。