塑料地膜残留导致的土壤结构退化及生产成本上升，使得干旱区农业亟需绿色无膜栽培技术。本研究以无膜覆盖的棉花-孜然间作系统为对象，探究间作孜然密度对土壤覆盖度、光合固碳能力及产量的调控效应。2023–2024年田间试验设置棉花单作（CK）与3个间作孜然播种密度处理：2.5（D1）、3.85（D2）、5.2（D3）kg·hm-2。共生期内，单作棉花（CK）株高较各间作处理显著提高7.4–24.8%，气孔导度（Gs, stomatal conductance）提高18.8–31.2%，蒸腾速率（Tr, transpiration rate）提高14.3–32.5%；但间作系统内，低孜然密度（D1）棉花植株总碳含量较D2、D3处理高18.5–29.2%。相反，D2/D3处理棉花净光合速率（Pn, net photosynthetic rate）显著更高，且D3处理孜然产量较D1提高28.6–43.1%。非共生期，间作棉花茎粗较CK提高4.4–10.7%，覆盖度提高4.9–12.9%，胞间CO2浓度（Ci, intercellular CO2concentration）提高1.9–16.7%；其中D2处理棉花表现最优，覆盖度、Ci及籽棉产量分别较D1、D3提高4.9–5.1%、4.6–16.7%、3.1–7.3%。相关性分析证实气体交换参数（Ci、Tr、Gs）、棉花碳含量与孜然产量呈正相关。在无膜深埋滴灌条件下，3.85 kg·hm-2（D2）为适宜孜然密度，可平衡种间竞争与促进作用：通过提升苗期覆盖度与开花期光合能力，使棉花植株总碳含量提高9.5–15.2%，同时籽棉与孜然产量分别提高4.1–7.3%和33.5–43.1%，为干旱区可持续无膜棉花生产兼顾生产力提升与碳汇功能提供了最优策略。
1. Introduction
棉花（Gossypium hirsutumL.）是全球纺织业核心原料，新疆棉花种植面积达3671.9万亩（约235万公顷），总产量568.6万吨，连续7年稳定在500万吨以上，占全国总产量85%以上、全球总产量1/5。从传统露地栽培到膜下滴灌技术的推广，新疆棉花单产实现翻番，确立了其在全球棉花产业的核心地位。但近年地膜污染加剧与栽培成本上升，使得绿色高效栽培技术研发成为棉花产业可持续发展的关键。回归露地栽培是实现该目标的重要路径，而通过调整间作关系构建单位面积双收的可持续生产模式是有效途径之一。间作通过时空资源优化配置，为棉田绿色高效生产提供了新思路：优化共生期种植密度可提升土壤覆盖度，合理密植能显著降低农业碳排放，豆科-牧草间作密度优化可增加土地覆盖度与单位面积生产力。筛选与棉花生长特性高度适配的间作作物至关重要，仅当间作作物与棉花在生育期、环境需求上匹配良好，才能避免高密度配置引发的种间竞争激化，实现真正的资源互补与效率提升。在众多潜在棉花间作作物中，孜然（Cuminum cyminumL.）适配性尤为突出：其生育期极短（65–70天），株型矮小（株高30–40 cm），冠层匍匐生长，不遮挡棉花中上部叶片的光捕获，还可通过地面覆盖减少土壤蒸发，契合无膜棉田保墒需求；其为浅根草本植物，根系主要分布于0–20 cm土层，与扎根60–80 cm的棉花根系差异显著，可利用浅层速效养分与深层土壤水、矿质元素，实现土壤资源立体高效利用，大幅降低种间水肥竞争。因此，提升棉花-孜然间作系统生产力对完善绿色高效栽培体系具有重要意义。光合固碳效率是衡量间作系统合理性的核心指标，是作物碳积累与产量形成的物质基础。适宜密度可提升作物群体覆盖度，减少漏光浪费，同时避免高密度导致的郁闭。气孔作为气体交换核心通道，既为光合作用提供CO2，又通过蒸腾作用维持水分平衡；胞间CO2浓度作为光合碳同化关键参数，直接调控暗反应阶段羧化速率，影响光合产物合成效率。密植可提升棉花盛蕾期功能叶净光合速率与气孔导度，增强固碳能力，为高产生长提供光合物质；研究证实作物蒸腾通过驱动根系吸水与光合产物运输，显著调控产量构成。因此，探索低投入、高光合固碳效率的棉田可持续栽培新模式具有重要现实意义。现有研究表明，提升棉花密度可使干物质积累与产量呈显著正相关，但孜然密度通过调控棉花光合作用影响土壤覆盖度的机制尚不明确，不同孜然密度调控棉花光合固碳的具体路径、以及平衡固碳与产量的最优孜然密度仍待厘清，制约了新疆棉区无膜棉花-孜然间作技术的精准密度管控与大面积应用。基于此，研究人员提出科学假设：无膜深埋滴灌条件下，优化棉花-孜然间作系统孜然密度，可提升土壤覆盖度，弱化初期抑制作用，促进孜然收获后棉花恢复与补偿生长，增强棉花光合固碳能力，保障甚至提升作物产量，实现同地双收。本研究聚焦三个核心问题：（1）不同孜然密度对棉花生长及棉田覆盖度的影响；（2）通过孜然密度调控棉花光合固碳能力的可行性；（3）确定平衡固碳与产量的最优孜然密度，为干旱区棉花绿色高效栽培提供理论基础与技术路径。
2. Materials and methods
2.1. Overview of the experiment
试验于2023–2024年在农业农村部作物高效用水石河子实验观测站（45°38'N, 86°09'E）开展。试验地土壤为砂壤土，0–40 cm耕层有机质含量8.06 g·kg-1（容重1.52 g·cm-3），pH 8.30，电导率510 μS·cm-1，速效钾166 mg·kg-1，速效磷29 mg·kg-1，全氮1.8 g·kg-1，前茬为棉花。棉花生育期（4月25日–10月24日）2023、2024年平均日最高温30.1°C、最低温14.9°C，年降水量分别为41.5 mm、89.9 mm。供试棉花品种为新陆早74号，生育期120天；孜然品种为君然3号，均由石河子农业科学研究院提供。
2.2. Experimental design and plan
试验采用随机完全区组设计（RCBD），4次重复，小区面积45.6 m2（7.6 m×6 m）。按试验田土壤肥力梯度划分区组，每个区组包含全部4个处理：CK（棉花单作）；D1（2.5 kg·hm-2）、D2（3.85 kg·hm-2）、D3（5.2 kg·hm-2）为不同密度孜然与棉花间作，以消除土壤异质性干扰。土壤稳定后，沿南北方向按1.52 m间距（滴灌带水平间距）开沟，沟深15 cm、宽3–4 cm，沟底铺设滴灌管。2023年5月10日、2024年4月28日播种棉花，距滴灌带38 cm行播，行距76 cm、株距5 cm，单作与间作棉花密度统一为225,000株·hm-2。孜然每带种2行，距滴灌带20 cm，行距40 cm。施肥管理统一：基肥为播种前施尿素150 kg·hm-2、磷酸二铵300 kg·hm-2、硫酸钾150 kg·hm-2；滴灌追肥3次：现蕾期施尿素100 kg·hm-2、初花期100 kg·hm-2、盛花期100 kg·hm-2。总灌溉量3477 m3·hm-2，分9次灌溉，间隔12–15天，每次灌水量约386 m3·hm-2。病虫害防控统一：生育期喷施3次农药，出苗后30天用吡虫啉225 g·hm-2防棉蚜，45天用阿维菌素150 mL·hm-2防红蜘蛛，60天用氯虫苯甲酰胺120 g·hm-2防棉铃虫；2023年7月14日、2024年7月11日喷施增效剂120 g·hm-2+助剂79.5 mL·hm-2（1:1.5）完成化学封顶，无其他化学调控。棉花收获期为2023年10月18日、2024年10月11日，孜然收获期为2023年7月14日、2024年7月12日。试验全程无旱涝、缺肥胁迫，杂草与病虫害防控一致，避免试验误差。
2.3. Determination methods
2.3.1. Plant height：播种后各生育期，每处理随机选取3个1 m×1 m样方内10株代表性植株，用钢尺测量株高（地面至生长最高点），取平均值作为样方株高，3个样方均值作为该测定时期株高。2.3.2. Plant cover：植被覆盖度定义为单位地表垂直投影植被占比，采用数字图像处理技术测定：在1 m×1 m样方上方1.5 m拍摄正射影像，划定样区统计总像素，基于HSV色彩分离裸土像素，计算植被覆盖像素数，最终换算为棉花、孜然覆盖度。2.3.3. Gas exchange parameters：用LI-6800便携式光合仪测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr），选择晴好天气11:00–14:00测定各小区5片代表性棉花功能叶，环境条件为光合光子通量密度1800 μmol·m−2·s−1、气室CO2浓度400 μmol·mol–1，全生育期测定4次。2.3.4. Carbon fixation in cotton plants：棉花现蕾期、初花期、盛花期、吐絮期，每小区取4株样品，分根、叶、茎、铃4个器官，装入牛皮纸袋105°C杀青30 min后80°C烘至恒重，粉碎过100目筛，用重铬酸钾容量法测定各器官碳含量。2.3.5. Yields of cotton and cumin：棉花收获期（9月下旬–10月上旬）每处理设3个生物学重复，随机选2.28 m×1.45 m（3.306 m2）样方，人工收获全部棉花，45°C烘至恒重，记录籽棉干重，换算为单位面积产量（kg·hm-2）。孜然收获期（7月中旬）每处理设3个生物学重复，随机选1.05 m×1.0 m（1.05 m2）样方，全部收获后自然风干7天，40°C烘至恒重，人工脱粒，记录孜然籽干重，换算为单位面积产量。2.3.6. Fibre quality：收获后籽棉统一处理后，取15–25 g纤维样品送农业农村部棉花品质监督检验测试中心，用HVI900（美国）纤维检测仪分析品质。
2.4. Data processing
用Microsoft Excel 2021与SPSS 18.0进行数据处理与方差分析，Duncan多重比较法检验差异显著性（P < 0.05），Origin 2021绘图。
3. Results
3.1. Plant height
共生期（播种后30–60天），棉花与孜然株高差异显著：播种后50天，CK处理棉花株高较间作孜然高135.7–162.6%，较间作棉花高7.4–24.8%。棉花快速生长期（50–60天），CK、D1、D2、D3处理株高增长率分别为79.5–81.8%、53.7–116.8%、69.2–83.2%、63.9–73.8%，D2平均增长率78.6%与CK（80.7%）无显著差异（P>0.05），仅增长率波动略大，与孜然密度导致的微环境差异相关，未显著影响棉花整体生长节律。非共生期（播种后90–150天），棉花株高趋于稳定；播种后150天，D2处理株高较D1、D3高4.4–14.1%，且显著高于D3（P < 0.05），与CK无显著差异（P > 0.05）。
3.2. Vegetation coverage
共生期总覆盖度随播种后天数与孜然密度升高而增加：播种后50天，D2处理孜然覆盖度22.6%，棉花覆盖度显著低于CK（分别为33.1–40.3%、21.9–38.1%、31.3–36.5%）；孜然收获前，D2处理棉花最大覆盖度41.2%，较CK高4.9–5.1%，且显著高于D1、D3。孜然收获后（非共生期），棉花覆盖度持续上升：播种后90天，D2处理覆盖度较CK、D1、D3高4.9–12.9%；2024年播种后50天，D1处理棉花覆盖度较CK低32.8%，D1、D2、D3分别较CK低34.8%、30.8%、11.2%，表明高密度孜然（D3）后期枯萎较慢，但不影响棉花覆盖度恢复。
3.3. Gas exchange parameters
棉花净光合速率（Pn）随生育进程推进呈下降趋势。棉花-孜然共生期，初花期Pn随间作孜然密度升高而增加；非共生期（花铃期），最优孜然密度（D2）处理棉花Pn较单作（CK）显著提高6.2%–9.5%，而D1、D3处理Pn仍较CK低8.7%–15.8%、3.1%–12.6%；盛花期D2处理Pn较CK、D1、D3分别高5.4%、3.7%、2.1%。棉花胞间CO2浓度（Ci）：2023年CK处理初花期与吐絮期Ci高于间作处理，D3处理Ci最大值较CK、D1、D3分别高4.6–6.6%、1.9–5.4%、6.6–16.7%；2023–2024年试验显示，棉花Ci从初花期到吐絮期呈先升后降趋势，总体而言间作系统Ci低于单作。气孔导度（Gs）：不同处理棉花Gs在花期与吐絮期变化差异显著，但盛铃期Gs变化趋势一致；与D1、D2、D3相比，CK处理初花期Gs最高，分别高18.8–18.9%、21.7–31.2%、19.6–21.6%；D2处理Gs最高，CK最低；D2处理初花期与铃期Gs与CK接近。蒸腾速率（Tr）：2023年初花期与吐絮期，单作棉花（CK）Tr高于其他处理；D2处理盛铃期Tr最高，较CK、D3高0.1–0.3%、0.1–0.2%；CK的Tr最高，分别较D1、D2、D3高25.7–27.6%、14.3–22.0%、14.3–32.5%；两年试验的花铃期，间作棉花Tr均高于CK，尤其在花期与吐絮期。
3.4. Carbon content in cotton plants
棉花各器官碳含量随生育进程推进呈先升后降趋势。两年数据表明，共生期D2处理棉花总碳含量较CK、D1、D3高14.6–49.3%；共生期D2处理棉铃器官碳含量较CK、D1、D3高0.7–61.2%，表明共生期高密度孜然间作利于提升棉花生殖器官碳积累，为后期产量形成奠定物质基础。非共生期，盛花期D2、CK处理棉铃碳含量分别较D1、D3高21.4%–71.3%、13.9%–39.6%；吐絮期分别高8.9%–30.8%、3.4%–28.9%。
3.5. Fibre quality
两年试验期间，与CK相比，D3处理纤维上半部平均长度最低，降低0.9–1.9%；2024年D2处理断裂比强度较CK、D3分别高1.8%、2.7%。各处理整齐度无显著差异。CK、D1、D2处理马克隆值两年范围为3.7–4.2，属A级棉；仅处理与年份的交互作用对马克隆值有显著影响，其余指标均无显著处理效应。两年试验中，不同孜然密度处理的上半部平均长度（29.8–32.2 mm）、整齐度（83.6–84.5%）、断裂比强度（31.9–35.8 cN·tex-1）、伸长率（6.7–6.8%）与CK无显著差异；仅D3（高密度孜然）上半部平均长度略低（较D2低0.3–0.6%），但无统计学意义。
3.6. Yield
不同孜然密度显著影响籽棉产量与孜然产量：2024年D2处理籽棉产量最高，较CK、D1、D3分别高7.3%、0.7%、7.3%；两年间D2处理籽棉产量较CK、D1、D3提高3.1–7.3%，表明孜然密度过低时棉花产量随密度升高而增加，超过阈值后则下降。各间作处理孜然产量两年间均呈先升后降趋势，D2处理产量最高，较D1、D3分别高33.5–43.1%、28.6–43.1%。
3.7. Correlation analysis
2023年共生期，播种后50天棉花株高与花期棉花茎粗显著相关；30、40、60天棉花覆盖度与孜然覆盖度呈显著正相关，且与初花期棉花叶、铃碳含量正相关；初花期Ci、Tr、Gs与棉花茎叶碳含量、孜然产量正相关；播种后30天棉花覆盖度与30、40、60天孜然覆盖度、初花期Tr值正相关；初花期Pn与Tr值在30、40、60天显著相关。非共生期，2023年播种后120天棉花株高与盛花期棉花根、花蕾、棉铃碳含量显著正相关；盛铃期与吐絮期Pn与盛花期、吐絮期孜然产量及吐絮期Ci、Tr、Gs正相关；盛花期Pn与吐絮期Pn显著正相关，盛铃期Ci与吐絮期Tr显著正相关。2024年盛花期Pn与吐絮期Pn显著正相关，盛铃期Ci与吐絮期Tr显著正相关；棉花产量与Pn、花期Ci、Tr、Gs显著正相关。
4. Discussion
地膜覆盖通过提升水分利用效率推动了干旱区棉花增产，但其长期环境代价——土壤结构退化、微塑料污染、投入成本攀升——日益不可持续。本研究表明，优化孜然间作密度可有效解决无膜棉田的核心挑战：苗期地表覆盖不足、土壤蒸发高、资源利用效率低。3.85 kg·hm-2（D2）的中等孜然密度实现了种间竞争与促进的最优平衡，显著提升了系统生产力、土地利用效率与光合固碳能力，本节将阐释其作用机制及对干旱区可持续农业的更广泛意义。
4.1. Response of plant morphology to the intercropping density
植株形态性状是间作系统资源分配策略与种间互作强度的直接表征。棉花-孜然共生期（出苗后30–60天），间作棉花株高较单作（CK）受显著抑制，且抑制强度随孜然密度线性升高，这与间作系统中已证实的“优先效应”一致：早熟伴生作物优先抢占0–20 cm土层地上光资源与地下速效养分，迫使主作物减少对垂直生长的资源分配。但D2处理表现出独特恢复模式：共生期末，D2棉花株高增长速率（78.6%）与CK（80.7%）无统计学差异（P > 0.05），而高密度D3处理增长率仍显著更低（63.9–73.8%）。这种差异恢复源于D2处理的空间资源配置优化：中等孜然密度形成了有效连续地面覆盖（出苗后50天覆盖度22.6%），减少了土壤蒸发与杂草胁迫，同时未过度遮挡棉花中下部叶片；低密D1未能形成完整覆盖，裸土面积高32.8–34.8%，光能漏失严重；高密D3则导致棉花幼苗过度遮阴，生长抑制持续时间更长。孜然收获后，间作棉花表现出强补偿生长，D2响应最显著：播种后90天冠层覆盖度较CK高4.9–12.9%，快速填充孜然腾出的生态位，这种补偿生长是间作系统在早期生长受抑后仍能维持或超过单作生产力的关键适应机制。基于两年田间结果，研究人员提出“适度竞争–强补偿”动态机制解释无膜棉-孜然系统最优密度的生产力优势：共生期（适度竞争）：D2的中等孜然密度引发轻度、可控的种间光与表层养分竞争，这种轻度竞争作为生物刺激，促使棉花发育更健壮的根系、优化冠层结构，为后期生长做准备，既避免了低密度（D1）伴随的资源浪费与杂草压力，也避免了高密度（D3）导致的不可逆生长抑制；非共生期（强补偿）：孜然收获后种间竞争完全消除，触发棉花快速、旺盛的补偿生长，前期发育的根系与优化的冠层使其高效利用释放的光、水、养分资源，表现为茎秆加速增粗、冠层覆盖度提升、光合能力增强，完全抵消共生期的早期生长抑制。这种动态平衡保障了整个生育期农业资源的充分利用，使系统生产力高于单作与极端密度间作，也为其他类似作物组合优化间作配置提供了理论框架。
4.2. An optimal density of cumin increases the ability of a plant to fix carbon through photosynthesis
光合固碳是所有作物干物质积累与产量形成的核心生理过程。D2处理显著提升了棉花花铃期关键生育阶段的光合性能，直接促成了更高的碳积累与产量，这种提升源于两个协同生理机制：优化的气孔调控与增强的冠层CO2周转。D2处理棉花维持了适中的气孔导度（Gs），在光合作用CO2摄入与蒸腾失水间实现了最优平衡：单作棉花（CK）初花期Gs与蒸腾速率（Tr）过高，导致不必要的水分消耗与轻度水分胁迫；D3处理棉花因遮阴导致气孔开度降低，限制了CO2进入与光合速率。D2处理避免了两种极端，在盛花期维持了所有处理中最高的胞间CO2浓度（Ci）与净光合速率（Pn）。此外，D2的分层冠层结构——由高秆棉花与矮秆孜然的生态位分化形成——增加了作物群落内的空气流通，加速了冠层CO2补给，维持了全天较高的光合速率。除提升总固碳量外，孜然密度还显著改变了棉花碳分配模式：D2处理促进光合产物优先向生殖器官（棉铃）而非营养器官（根、茎）分配，盛铃期D2处理棉铃碳含量较D1、D3高21.4–71.3%，而根碳含量相对较低，这与已有研究中“最优间作密度通过减少无效营养生长，将更多光合产物导向产量形成器官”的结论一致。总固碳能力提升与生殖分配靶向优化的结合，直接支撑了D2处理更高的籽棉产量。
4.3. Responses of yield formation and fibre quality to the intercropping density
本研究最核心的发现是，中等孜然密度（D2）实现了棉花与孜然产量的同步提升，两年试验土地当量比（LER）达1.32–1.38，意味着1公顷D2间作土地的产出相当于1.32–1.38公顷单作土地，较棉花单作土地利用效率提升32–38%；所有间作处理LER均大于1，证实了棉花-孜然间作系统的固有生产力优势。这种系统生产力优势源于棉花与孜然的时空资源利用互补：孜然生育期短（65–70天）、根系浅（0–20 cm），利用前期资源与表层土壤养分；棉花生育期长（120天）、根系深（60–80 cm），利用后期资源与深层土壤养分，这种生态位分化最小化了直接种间竞争，最大化了全生育期整体资源捕获。重要的是，产量提升未以牺牲棉花纤维品质为代价：所有纤维品质参数（长度、整齐度、强度、马克隆值、伸长率）均处于纺织用A级范围，间作与单作无显著差异，这种品质稳定性归因于孜然在棉花纤维发育关键阶段前已收获，保障了纤维形成期光合产物的充足供应。从经济角度看，D2处理净收益最高：孜然生产的附加收入远高于小幅增加的投入成本（较CK高6.8–8.5%，主要为孜然种子与播种人工），这种高投入产出比使该技术对小农户具有经济吸引力，是其能在干旱农区大规模推广的关键因素。本研究仍存在局限：试验仅在石河子单点开展，需在南疆（阿克苏、喀什、和田）及其他全球干旱棉区的多点试验验证最优孜然密度的区域适用性；仅测试了两个作物品种，未来需筛选更多棉花与孜然品种，明确最大化种间互补与系统生产力的最优品种组合；仅为两年短期试验，需长期定位研究探究该系统对土壤理化性质、微生物群落结构、土壤固碳能力的多年累积效应。技术推广时需结合当地气候与土壤条件调整孜然密度：年降水量>200 mm或土壤肥力较好的区域，可适当提高孜然密度（4.0–4.5 kg·hm-2）以最大化土地利用效率；更干旱区域（年降水量<150 mm）则推荐较低密度（3.0–3.5 kg·hm-2）以避免过度种间水分竞争。经区域适配后，该技术有望在干旱棉区广泛推广，支撑农业系统向更可持续、更具韧性的方向转型。值得注意的是，本研究未设置覆膜对照处理，无法直接对比无膜间作系统与传统覆膜棉花系统的生产力、水分利用效率与环境效益，未来研究需补充该关键对照，为该技术作为覆膜替代方案的潜力提供直接实证。
5. Conclusions
地膜覆盖广泛应用于干旱棉区以提升水分利用效率，但会导致持续的土壤污染，威胁生态可持续性。无膜栽培结合深埋滴灌是生态友好替代方案，却面临棉田单作覆盖度低、土壤蒸腾高、资源利用效率低的挑战。本研究旨在明确无膜深埋滴灌条件下，平衡棉花光合固碳能力、碳分配效率与系统产量效益的最优孜然间作密度，为生态友好棉花生产的同地双收提供可行技术方案。结果表明：无膜深埋滴灌条件下，3.85 kg·hm
