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随着全球人口快速增长与耕地面积日益减少的供需矛盾问题日益突出,如何利用有限的耕地面积生产出足够的粮食是一项重大的挑战。农田系统可利用的光资源是有限的,有限的光资源下如何通过提高光截获和光能利用来提高农田系统的产出,成为亟待解决的问题。基于此,本研究于2013-2015年在山东省菏泽市进行,以玉米-大豆带状间作为研究对象,并以传统套作、玉米净作、大豆净作处理为对照,使用光瞬时传输模型和两种光截获模型,研究了玉米-大豆带状间作系统下光分布、光截获和光能利用率的变化。同时,利用Beta模型和积温法则研究了间作大豆植株生长的变化,并分析了作物生长与光环境、光截获的相互关系。主要研究结果如下:1.间作下光的时空分布调控了作物的生长。本研究应用瞬时光传输模型(instantaneous light transmission model,ILTM)估算间作系统每个点的光强,使用模拟值与实测数据进行对照来提高结果的可信性,同时研究了大豆冠层顶部光环境对大豆生长的调控作用。相比净作,带状间作大豆冠层顶部的光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)降低 48%,株高增高 50%,茎粗减小20%,比叶面积增加30%,叶面积减小30%,单株干物重减小25%,产量降低30%;直行间作大豆冠层顶部PAR降低67%,株高增高50%,茎粗减小30%,比叶面积增加40%,叶面积减小45%,单株干物重减小48%,产量降低52%。另外,弱光环境使大豆节元出现的热需求量增多,器官生长时间延长。本研究所采用的瞬时光传输模型可以为结构功能模型的发展提供支持,进而应用在作物对光温响应的研究中。2.不同间作系统作物的光截获量(light interception,LI)差异很大。本研究采用HHLA(horizontally homogeneous leaf area)模型计算直行间作模式中(玉米大豆行比为1:1)的作物光截获量,采用ERCRT(extended row crop radiation transmission)模型计算带状间作模式(玉米大豆行比为2:2)不同行距配置中的光截获量。结果表明,带状间作大豆的光截获量相当于净作的35%,玉米的光截获量相当于净作的75%;直行间作大豆的光截获量相当于净作的25%,玉米的光截获量相当于净作的85%。带状间作玉米带间距每增加0.2 m,大豆全生育期的光截获量增加32 MJm-2,玉米全生育期的光截获量减少36 MJm-2。另外,大豆形态可塑性不利于大豆的光截获量的积累,生产中应考虑形态可塑性较小的大豆品种。3.光被作物截获后,作物光能利用率(light use efficiency,LUE)决定了作物的干物质积累量,而收获指数分配决定了产量。结果表明,间作下玉米的光能利用率相当于净作的1.16倍;间作大豆的光能利用率相当于净作的1.5倍。可以应用光截获和光能利用率进行模拟实验得到作物的干物质积累动态,此方法也可以应用于生产中进行配置的筛选。收获指数(harvest index,HI)是干物质转运到籽粒的关键参数,间作大豆的HI相当于净作的90%。在产量构成三要素中,大豆单株籽粒数是限制大豆产量的关键因素。4.玉米大豆带状间作中,不同配置种间光竞争的差异引起了作物产量和LER的变化。间作系统内大豆和玉米的光竞争表现为此消彼长,玉米带间距每增加10 cm,玉米的光截获率减少1.5%,大豆光截获率增加1.5%。在玉米带间距从1.3 m扩大到1.8 m时,大豆的竞争劣势迅速被缓解,竞争系数(competitive ratio,CR)由0.28增加到0.81,偏LER从0.39增加到0.53。玉米行从0.4 m降低到0.2 m时,玉米竞争优势迅速由1.94降至1.25,玉米的偏LER从0.93下降到0.81。玉米行距0.4 m(玉米带间距1.6 m,玉豆行距0.6 m)的配置LER为1.42,经济优势指数为1338 dollarha-1,均为各处理中最高,是本研究的推荐配置。综合上述结果,与传统的间作(玉米大豆行比1:1)相比,带状间作(玉米大豆行比2:2)在光分布、光截获、光能利用、大豆生长、作物种间竞争和土地当量比方面均优于传统的间作(玉米大豆行比1:1)。带状间作处理中,玉米行距0.4 m(玉米带间距1.6 m,玉豆行距0.6 m)的配置具有最高的系统光截获量、光能利用率,最协调的玉米大豆种间竞争关系,并达到了最高的土地当量比和经济优势指数,是本研究的推荐配置。