《Agriculture》：Effects of Strip Configurations on Canopy Photosynthetic Performance and Resource Use Efficiency of Winter-Seeded Spring Wheat Relay Intercropped with Sunflower in the Hetao Irrigation District
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摘要：内蒙古河套灌区传统的春小麦-向日葵间作体系受到播期限制、资源利用效率相对较低以及带型配置欠佳等因素的制约。本研究基于春小麦冬播技术，建立了冬播春小麦与向日葵间作的周年双熟制度，旨在评估不同带型配置下作物的光合性能、籽粒产量、资源利用效率及经济效益，并筛选
摘要：内蒙古河套灌区传统的春小麦-向日葵间作体系受到播期限制、资源利用效率相对较低以及带型配置欠佳等因素的制约。本研究基于春小麦冬播技术，建立了冬播春小麦与向日葵间作的周年双熟制度，旨在评估不同带型配置下作物的光合性能、籽粒产量、资源利用效率及经济效益，并筛选适宜的带型配置。研究人员于2023年至2025年开展了一项为期两年的田间定位试验，将四种冬播春小麦/向日葵间作处理（W9S2、W9S4、W18S2和W18S4）与单作冬播春小麦及单作向日葵进行对比。间作提高了两种作物在关键生育期的叶面积指数（LAI）、SPAD值及净光合速率（Pn），同时提升了籽粒产量和资源利用效率。在各带型配置中，W18S2表现最佳，其两年平均小麦和向日葵籽粒产量分别较相应单作处理提高13.2%和32.2%。所有间作处理的土地当量比（LER）和氮素吸收当量比（NER）均大于1，其中W18S2处理的值最高。此外，W18S2的光能利用效率（LUE）、水分利用效率（WUE）和氮素偏生产力（NPFP）均高于单作处理及其他间作带型配置。W18S2的两年平均净利润分别较单作小麦和单作向日葵提高46.8%和8.0%。总体而言，W18S2的优异表现与其更有利的冠层结构和光合性能、更高的干物质积累量以及籽粒产量、资源利用效率和经济效益的协同提升有关。这些发现为河套灌区冬播春小麦与向日葵间作的高产高效栽培提供了参考。
**河套灌区冬播春小麦与向日葵间作带型配置优化的系统研究解读**
**一、研究背景与科学问题**
在全球气候变化加剧、人口持续增长及人均耕地面积不断减少的多重压力下，保障粮食安全已成为21世纪人类面临的严峻挑战之一。随着土地、水分和养分等农业资源日益紧张，优化种植制度以提高土地生产力和资源利用效率对于农业的可持续发展至关重要。间作和套作通过不同作物在时间和空间上的合理配置，能够增强光、热、水、养分等资源的互补利用，因而被视作提高土地生产力和资源利用效率的重要可持续农作措施。然而，间作体系的表现高度依赖于作物组合、物候相容性以及空间带型配置。因此，如何平衡种间竞争与资源互补性仍是优化间作体系的关键难题。河套灌区位于内蒙古巴彦淖尔市，是中国春小麦和向日葵的重要产区，具有无霜期较短、土壤盐碱化等特点。传统单作春小麦收获后，部分土地和光热资源仍未被充分利用，春小麦-向日葵套作已成为当地提高复种指数和土地利用的重要种植方式。然而，传统春播小麦-向日葵套作体系中，早春不利的土壤条件可能延迟小麦播种和出苗，延长小麦与向日葵的共生期，加剧对光、水、养分的竞争。此外，现有带型配置多以适应机械化田间作业为主要设计目标，而带幅宽度和行距排列对冠层结构、种间资源互补性及作物竞争的影响尚未得到系统关注。研究人员前期研究发现，将春小麦播种提前至土壤封冻前，可使种子在冬季保持休眠状态，并在翌年春季温度与土壤水分适宜时萌发。这种冬播技术能够更好地利用早春热量和土壤水资源，使小麦出苗和后续发育提前，成熟期缩短约7–10天，为缩短小麦与向日葵共生期提供了时间基础。在此基础上，本研究将冬播春小麦与向日葵套作整合，建立了周年双熟制度，并系统评估不同带型配置下的光合性能、干物质积累、籽粒产量、土地利用、光能利用、水分利用、氮素利用及经济效益，以期筛选综合表现优越的带型配置，为河套灌区生长季受限条件下麦葵套作体系资源利用效率的提升提供理论依据和技术指导。
**二、主要技术方法**
本研究在内蒙古巴彦淖尔市临河农场（40.50° N，107.26° E）开展，试验期为2023–2025年，共两个生长季。试验采用随机完全区组设计，设4个冬播春小麦/向日葵套作带型处理（W9S2、W9S4、W18S2、W18S4）及单作冬播春小麦（W）和单作向日葵（S）两个对照，每处理3次重复。主要测定方法包括：采用植物冠层分析仪（SS1 Sun Scan）测定冠层光合有效辐射（PAR）以计算光截获率；使用SPAD-502便携式叶绿素计测定叶片SPAD值；采用Li-6400XT便携式光合系统在受控叶室条件下测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）；通过土壤水分平衡法计算水分消耗和水分利用效率（WUE）；采用凯氏定氮法测定植株氮含量并计算氮素吸收量（NU）和氮素偏生产力（NPFP）；通过土地当量比（LER）、氮素吸收当量比（NER）和竞争率（Aws）评估间作优势和种间竞争关系；利用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析带型配置、冠层与光合特性、干物质积累、产量和资源利用效率、间作优势及经济效益之间的路径关系。统计分析采用IBM SPSS Statistics 27.0进行方差分析和Duncan多重比较（p < 0.05）。
**三、研究结果**
**3.1 不同带型配置下套作小麦和向日葵叶面积指数的变化**
方差分析结果显示，各生长季内小麦LAI呈单峰曲线变化，从拔节至开花期为快速生长期，开花期达到最大值。套作小麦全生育期LAI均显著高于单作小麦（p < 0.05），开花期LAI较单作显著提高16.9–26.2%（2023/2024）和10.4–26.0%（2024/2025）。W18S2处理在整个小麦生育期维持最高LAI。向日葵LAI同样呈单峰变化，灌浆期达到峰值。套作向日葵全生育期LAI显著高于单作向日葵（p < 0.05），两年平均而言W18S2处理的向日葵LAI分别较W9S2、W9S4和W18S4高13.5%、15.8%和10.7%。
**3.2 不同带型配置下套作小麦和向日葵冠层光截获的变化**
各生长季内小麦冠层整体光截获率先升后降，开花期达到峰值。所有套作处理小麦冠层光截获率均显著高于单作小麦（p < 0.05），整体冠层截获排序为W18S2 > W18S4 > W9S2 > W9S4 > W。带型配置对冠层光截获的调控主要体现在中、下层冠层，18行小麦处理的中层冠层截获率显著高于9行处理，而下层截获率显著低于9行处理。向日葵冠层光截获率呈单峰变化，开花期最高，上层冠层截获占整体60%以上。各处理向日葵上、中层及整体冠层截获率排序为W18S4 > W9S4 > W18S2 > W9S2 > S，下层冠层截获率则为W18S2 > W9S2 > W18S4 > W9S4 > S。
**3.3 不同带型配置下套作小麦和向日葵叶片SPAD值的变化**
带型配置显著影响各生长季内小麦旗叶和向日葵主茎第三叶的SPAD值。套作小麦全生育期SPAD值均显著高于单作小麦（p < 0.05），开花期较单作提高2.1–5.4%，成熟期提高7.9–21.0%。W18S2在所有生育阶段维持最高的小麦旗叶SPAD值，且从灌浆至成熟期SPAD降幅平均比其他套作处理低4.1–12.4%。套作向日葵全生育期SPAD值显著高于单作向日葵（p < 0.05），开花期提高3.0–9.6%，成熟期提高14.8–29.2%。各带型处理向日葵SPAD值排序为W18S2 > W18S4 > W9S4 > W9S2，W18S2处理开花期SPAD显著高于其他套作处理，且生育后期SPAD下降幅度最小。
**3.4 不同带型配置下套作小麦和向日葵叶片光合参数的变化**
各生长季内小麦旗叶净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）均呈单峰曲线变化，开花期达到峰值。从抽穗至灌浆期，套作小麦的Pn、Gs和Tr均显著高于单作小麦（p < 0.05）。两年平均而言，套作小麦灌浆期Pn较单作高10.5–25.4%。各带型处理小麦旗叶Pn总体排序为W18S2 > W18S4 > W9S4 > W9S2，W18S2具有最高的Pn、Gs和Tr值。向日葵叶片光合参数同样呈单峰变化，开花期最大。从现蕾至灌浆期，套作向日葵的Pn、Gs和Tr均显著高于单作向日葵（p < 0.05）。在相同小麦带幅下，两行向日葵套作处理的叶片光合参数明显高于四行处理，总体排序为W18S2 > W18S4 > W9S2 > W9S4，W18S2处理从现蕾至灌浆期维持最高的叶片光合参数。
**3.5 不同带型配置下套作小麦和向日葵地上部干物质积累的差异**
各生长季内带型配置显著影响套作小麦的地上部干物质积累。小麦干物质积累从拔节后迅速增加，成熟期达到最大值。抽穗后套作小麦干物质积累量显著高于单作小麦（p < 0.05），成熟期套作小麦较单作高4.9–17.8%。W18S2处理在成熟期获得最大小麦干物质积累量，两年分别较单作小麦显著提高15.8%和19.7%。向日葵干物质在现蕾后急剧增加，成熟期达到最大值。从现蕾至成熟期，套作向日葵的干物质积累量显著高于单作向日葵（p < 0.05）。除苗期外，W18S2处理在各带型配置中获得最高的向日葵干物质积累量，成熟期显著高于其他套作处理。
**3.6 不同带型配置下套作小麦和向日葵籽粒产量的差异**
两个生长季内带型配置显著影响小麦和向日葵籽粒产量。套作小麦在两个生长季的籽粒产量均显著高于单作小麦（p < 0.05），2023/2024季较单作提高1.9–8.7%，2024/2025季提高6.7–17.7%。各带型处理小麦产量排序为W18S2 > W18S4 > W9S2 > W9S4，W18S2处理在两个生长季均获得最高小麦产量，显著高于其他套作处理（p < 0.05）。套作向日葵的籽粒产量在两个生长季均显著高于单作向日葵（p < 0.05），W18S2处理在两个生长季均获得最高向日葵产量，2023/2024季较W9S2、W9S4和W18S4分别显著提高26.4%、27.7%和13.3%，2024/2025季分别提高7.2%、12.3%和9.2%。
**3.7 不同带型配置下小麦套作向日葵土地当量比和氮素吸收当量比的差异**
各带型处理间的土地当量比（LER）和氮素吸收当量比（NER）存在显著差异（p < 0.05）。所有套作处理的LER值为1.05–1.22，NER值为1.06–1.22，均大于1，表明套作相对于单作具有农艺和资源利用优势。W18S2处理获得最大值，其LER为1.18（2023/2024）和1.22（2024/2025），NER为1.20（2023/2024）和1.22（2024/2025），表明W18S2具有最强的间作优势。
**3.8 不同带型配置下冬播春小麦套作向日葵资源利用效率的差异**
在光能利用效率（LUE）方面，两个生长季内所有套作处理的小麦LUE均显著高于单作小麦（p < 0.05），排序为W18S2 > W18S4 > W9S2 > W9S4。套作向日葵的LUE也显著高于单作向日葵，两年分别提高5.7–34.3%和14.7–29.4%，W18S2在两个生长季均获得最大向日葵LUE。在水分利用效率（WUE）方面，单作小麦和单作向日葵表现出最高的全生育期总耗水量。套作处理的WUE显著高于单作（p < 0.05），W18S2处理具有最高的小麦WUE和向日葵WUE。在相同向日葵带幅下，18行小麦套作处理的耗水量显著低于9行处理而WUE显著更高；在相同小麦带幅下，两行向日葵套作处理较四行处理消耗更少水分且WUE显著更高。在氮素吸收和偏生产力方面，套作小麦的氮素吸收量（NU）较单作小麦高18.4–53.0%（两年平均），小麦NPFP较单作高5.4–14.6%。套作向日葵的NU较单作高17.3–40.9%，NPFP较单作高11.0–32.2%。由于各处理单位作物面积的施氮量一致，NPFP的差异主要反映了籽粒产量的差异。W18S2处理获得最高的小麦和向日葵NPFP。
**3.9 不同带型配置下小麦套作向日葵经济效益的差异**
W18S2套作体系在两个生长季均获得最高净利润，2023/2024季达31,084.7 CNY·ha?1，2024/2025季达24,754.0 CNY·ha?1。与单作小麦和单作向日葵相比，W18S2的净利润在2023/2024季分别提高36.8%和5.5%，在2024/2025季分别提高56.7%和10.4%，差异均达显著水平（p < 0.05）。
**3.10 路径分析**
偏最小二乘路径模型（PLS-PM）的结果表明，优化的带型配置通过调节两种作物的冠层结构改善了冠层光环境，增强了叶片光合性能，从而促进干物质积累，提高籽粒产量和资源利用效率，最终显著改善系统的间作优势和综合经济效益。小麦产量和资源利用效率对间作优势产生直接显著的正向效应，并对经济效益产生直接正向效应。向日葵产量和资源利用效率对间作优势和经济效益均产生直接显著的正向影响。
**四、讨论**
在冠层结构和光合生理方面，与单作相比，间作显著提高了两种作物的群体LAI，其中W18S2处理表现最优。这一结果与小麦/玉米和玉米/豆科套作体系的研究一致。W18S2的优越LAI可从两方面解释：其一，18行小麦带幅可能较9行带幅减少小麦群体内的种内竞争，同时边行小麦根系可能延伸到相邻向日葵带中获取更多水分和养分；其二，两行向日葵带中的所有植株均为边行，可在带两侧捕获更多直射光和反射光，充分发挥边行优势。间作还显著提高了小麦抽穗至灌浆期和向日葵现蕾至灌浆期的SPAD值和净光合速率，这可能与间作优化了冠层内垂直光分布、提高了群体冠层整体光截获有关，有助于维持较高的叶绿素含量并延缓叶片衰老。LAI、冠层光截获、SPAD值和叶片光合参数对带型配置表现出协同响应，W18S2的产量优势可能反映了冠层结构、光截获、叶片生理活性和光合性能的协同改善。PLS-PM分析显示光合特性对干物质积累具有显著正向驱动作用，表明间作优化光环境可同时增强光合作用和干物质积累，有利于产量形成。在资源利用效率和经济效益方面，W18S2处理中小麦相对于向日葵的竞争率（Aws）在两个生长季均为正（0.19和0.26），表明该带型下小麦具有竞争优势。所有套作处理的LER为1.05–1.22，表明相对单作具有5–22%的土地利用优势。间作同时提高了NER，实现了光能和氮素利用效率的协同提升。W18S2带型的两年平均净利润高于相应单作体系及其他套作处理，但该带型的机械作业性能尚未在本研究中直接评估，有待进一步田间验证。
**五、结论**
冬播春小麦与向日葵套作能够提高两种作物的群体叶面积指数，优化冠层内光分布以提高冠层总光截获，增强叶片光合性能并延缓叶片衰老，进而促进干物质积累并显著提高两种作物的籽粒产量。本试验中所有套作处理的土地当量比（LER）和氮素吸收当量比（NER）均大于1，表明具有明显的间作优势。在所有带型配置中，W18S2处理（18行小麦套作2行向日葵）表现出最佳综合性能，所有处理中其籽粒产量、资源利用效率和经济效益最高。两个生长季平均而言，其净利润较单作小麦和单作向日葵分别提高46.8%和8.0%。因此，W18S2可能是河套灌区冬播春小麦套作向日葵较有前景的带型配置。然而，在大规模推广应用之前，仍需开展涉及不同小麦和向日葵品种的多点多年试验。
