旱地农业生产可持续面临着全球气候变化显著性影响和高环境代价双方面威胁。改进传统单一作物种植体系能够在应对气候变化时提高粮食作物生产稳定性，增加土地利用效率和降低环境成本等方面有巨大潜力。将豆科作物纳入主粮作物种植体系，充分发挥豆科生物固氮在减少氮肥投入、降低环境负面效应的作用，实行禾豆间作是我国将来实现集约生态农业的重要路径之一。利用间套作物种间竞争和促进生态原理，探索旱地禾豆间作模式，在增加粮食产量的同时降低氮肥环境足迹，具有重要现实意义。然而，在旱地中，深入到通过精细化施氮制度管理与水分管理并行，关注根土界面对地上的响应信息，进而揭示禾豆间作体系氮素高效利用的地下研究十分薄弱，这使得旱地禾豆间作氮素互补利用的生物学潜力远未挖掘出来。为此，本研究在我国黄土高原地区，针对以玉米为主要作物的旱作玉米/大豆间作体系，于2017年（干旱年）、2018年（湿润年），两年对间作作物组分氮肥优化减施（玉米施氮180 kg ha^-1即N180，大豆施氮40 kg ha^-1即N40）并采取玉米覆膜调控，旨在明确旱作玉米农田氮肥减施时利用禾豆间作优势可达到的作物体系氮素稳产（增产）增效作用及N₂O减排的潜力；并从种间互作影响玉米氮素利用及其来源、根系及水分时空分布、土壤微环境及微生物代谢限制特征等多方位综合求证，以揭示旱作玉米/大豆间作体系氮素增效调控的根土响应机制。研究获得以下结论和主要结果：

（1）明确了覆膜玉米N180和大豆N40的间作体系可兼顾经济产量、氮肥生产效率和氮肥环境效益。玉米覆膜与不覆膜间作模式下减氮20%（N180）后玉米均不减产，均具有较高间作产量优势（土地当量比和数量），其氮肥偏生产力相比单作显著平均提高23.9%。玉米覆膜对间作产量优势（数量）可显著提升185%，对间作籽粒总产量可显著提升16.38%。相比玉米单作（N225），玉米/大豆间作（玉米N180，大豆N40）节氮92 kg ha^-1时其氮肥偏生产力可显著提高33.3%。在玉米覆膜间作（玉米N180+大豆N40）与玉米覆膜单作（N180）的N₂O排放强度基本一致情况下，玉米覆膜间作可显著减少13.15% N₂O排放。

（2）利用¹⁵N肥料示踪稀释法和¹⁵N自然丰度法探明了间作玉米减氮20%其产量不降低主要原因。间作显著提高玉米植株吸氮量而增加产量，促进植株吸收的肥料氮更多用于籽粒产量形成，显著提高玉米氮肥生理利用效率，且在间作玉米N180下明显优于间作玉米N225下。此外，玉米覆膜N180间作体系氮素增效的贡献来源是玉米对肥料氮吸收增强和大豆固氮量及其转移量提高，而玉米不覆膜N180间作体系氮素增效的贡献来源仅是玉米对肥料氮吸收增强：相比单作覆膜玉米N180，间作覆膜玉米N180可显著提高16.12%对肥料氮吸收利用并吸收利用20.65 kg ha^-1大豆氮转移，显著降低14.8%土壤氮来源利用。

（3）揭示了间作产量优势的种间水分利用调节作用机制。覆膜和不覆膜玉米间作模式均有较高水分生产力且节水的间作优势。覆膜促进间作水分利用效率的间作优势（数量）显著提高77.9%。玉米大豆间作水分高效利用源于土壤水分在作物组分时间生态位上存在竞争、互补，关键在玉米、大豆的花期和灌浆期，可提供大豆、玉米籽粒产量形成的更加有利土壤水分环境。在间作体系中，干旱年份，花期覆膜玉米存在对大豆水分过度竞争利用行为，大豆灌浆期水分不能得到及时补充，导致大豆灌浆受水分不足影响，大豆籽粒产量相对间作玉米不覆膜时降低；两年中，水分利用中覆膜优势大部分与间作优势重合，玉米覆膜可调节种间水分，其重要作用是，为作物后期储水，并促进作物体系优先消耗耕层土壤水分。

（4）阐明了干湿交替年份下间作玉米增产背后根系形态适宜策略。干旱年份中，相比单作玉米（不覆膜），间作玉米以更加纤细瘦小的根系系统形态支撑间作玉米增产19.67%；湿润年份中，间作玉米以庞大且富余的根系系统形态支撑间作玉米增产14.26%；覆膜可改善干旱年间作玉米根系限制性生长，抑制湿润年间作玉米根系过度生长，增加种间根系重叠，强化种间根系互作，增强根冠协同作用，形成有利于平衡土壤资源利用与经济产量消耗的根系形态系统，进而获得更高间作玉米产量，增幅达84%。

（5）阐明了间作增加玉米氮素吸收背后根、水、氮时空偶联关系。间作可降低玉米根系生长对土壤1 m剖面水分敏感性，增强玉米根系生长对土壤1 m剖面矿质氮敏感性，同时降低土壤1 m剖面矿质氮受土壤1 m剖面水分的影响。间作施氮下可根据水分环境适应性改变单作施氮下玉米花期和蜡熟期根长密度分布、水分、土壤矿质氮素三者在土壤1 m剖面空间匹配态势，覆膜发挥优化调节作用。间作施氮有效降低单作施氮玉米花后根长衰减率，而覆膜在干旱年加速衰减，在湿润年减缓衰减。因而，花后，间作显著提高施氮下玉米植株吸氮量；干旱年覆膜不利于间作玉米花后玉米氮素吸收。

（6）揭示了间作土壤环境、微生物对N₂O排放影响的共联机制。干湿两年中，间作玉米、大豆生长区相对各自单作，均减少N₂O排放；其中，间作玉米边行区为间作玉米减排重要贡献区域来源，玉米花前为间作玉米减排主要贡献阶段，大豆玉米间作共生期间对间作大豆区减排均有贡献可能。种间互作增强玉米对氮肥吸收并吸收利用大豆固定氮产物，减少硝化作用氮源，是间作N₂O减排的主要和直接原因。此外，土壤表层0-10 cm温度是间作N₂O减排的关键环境诱导因子：种间互作改变作物组分土壤温度，土壤温度与水分负互作，影响土壤微生物量和碳氮底物周转，改变根区土壤碳氮磷化学计量，影响作物根区土壤微生物碳磷相对限制特征，驱动硝化反硝化土壤微生物行为过程和强度，进而影响土壤N₂O产生。相比大豆单作，间作大豆根区土壤微生物以较高碳限制为主和较高磷限制为辅，碳磷限制协同降低硝化微生物AOB功能基因丰度，碳限制降低硝化微生物AOA功能基因丰度和提高反硝化微生物nosZ基因丰度（增强N₂O还原为N₂能力），降低间作大豆区N₂O产生。相比玉米单作，间作玉米根区土壤微生物以更高的磷限制为主，显著降低土壤硝化微生物功能基因AOA、AOB丰度和反硝化微生物功能基因nirS丰度，降低硝化反硝化作用，进而减少间作玉米区N₂O产生。

综上可见，本研究优化间作组分施氮与玉米覆膜，可较好发挥玉米大豆种间促进作用优势，提高大豆固氮并转移供给玉米20.65 kg N ha^-1，实现玉米减氮20%不减产，可维持较高间作产量优势。相比单作，覆膜玉米与大豆间作通过种间互作改变土壤表层温度，影响养分周转，改变土壤微生物碳磷限制特征，驱动硝化反硝化微生物行为，可实现间作作物组分水平N₂O减排，在维持覆膜玉米/大豆间作与覆膜玉米单作N₂O排放强度一致情况下，促进覆膜玉米旱地农田N₂O减排。此外，明确了玉米覆膜在种间水分调节、氮素利用、根系生长等对间作产量优势及来源的作用，结果均表明玉米覆膜不降低玉米大豆间作土地当量比，可极大提高间作籽粒实际收获量，但其对旱作玉米大豆间作产量优势发挥的促进作用仍有可提高空间。