间作较单作具有提高产量和水分利用效率等优点,但受资源缺水的影响,间作应用面临巨大挑战,间作水分高效利用理论与技术研究势在必行。种间互作是间作优势产生的重要生态学基础,但已有研究或侧重于地下互作或侧重于地上互作,对地上与地下协同互作效应研究较少,使得生产实践中缺乏通过地下与地上组织协同优化提高间作产量和水分利用效率的理论依据。2015-2017年,本研究以小麦间作玉米为研究对象,通过根系分隔技术创造间作作物不同地下作用强度,设置不同玉米种植密度形成不同地上作用强度,探讨地上部与地下互作提高水分利用效率的机理。主要结论如下:(1)地上地下互作促进密植效应发挥,提高间作籽粒产量和水分利用效率。地上地下完全互作较部分地下互作和无地下互作处理间作优势提高10.1%和23.0%,其中地上地下完全互作对籽粒产量的贡献率为23.7%,密度增加使其增加7.3%。间作完全地下互作处理水分利用效率较部分地下互作处理和无地下互作处理水分利用效率分别提高11.6%和24.6%,玉米密度增加促使完全地下互作水分利用效率提高12.0%。(2)间作地上地下互作显著降低间作耗水量、棵间蒸发量以及关键生育时期蒸散比,优化了阶段耗水比例。完全地下互作处理与部分地下互作处理耗水量无显著差异,较无地下互作处理总耗水量平均减少6.9%,完全地下互作在拔节至吐丝以及灌浆至收获期蒸散比显著降低37.1%和16.1%,而且随玉米密度的增加而降低。地上地下完全互作较部分地下互作处理以及无地下互作处理增加了拔节至大喇叭口期的耗水比例,而降低了拔节前和灌浆后的耗水比例,使全生育期耗水合理分配,促进水分有效利用。(3)间作地上地下完全互作促使地上部密植效应发挥,优化了间作共生期和玉米独立生长期的带间土壤含水量差异,增加带间水分运移量,促进土壤水分在时间和空间上的互补利用,为间作水分高效利用奠定了基础。小麦玉米带间水分运移量在共生期完全地下互作较部分地下互作无显著差异,在玉米独立生长期完全地下互作水分运移量较部分地下互作增加28.4%,增加密度促进其增加47.4%。(4)间作在小麦开花期根系生长量显著低于单作,地上地下互作强度越大,有利于降低间作与单作之间的差异,在小麦收获后,间作根系量显著大于单作,地上地下完全互作和增加玉米密度促使根系量提高幅度较大,增强了根系恢复效应。小麦花期,地上地下完全互作较单作小麦总根重密度(TRWD)、总根长密度(TRLD)以及总根表面积密度(TRSAD)分别低25.2%、31.8%和36.9%,较单作玉米分别降低26.4%、20.9%和32.7%;玉米灌浆期,间作中上述三种根系参数较单作增加,其中完全地下互作增加比例最大,较单作玉米分别增加43.9%、35.6%和8.8%,随玉米密度增加完全地下互作TRWD和TRLD分别增加26.8%和10.0%。小麦收获后,完全地下互作处理根系恢复生长最强,表现为RWD、RLD以及RSAD的恢复生长增强,其中RLD的恢复效应随玉米密度的增加而增加。(5)间作地上地下完全互作延长了小麦、玉米光合时间,降低其蒸腾速率,促使密植效应发挥提高叶片水分利用效率。小麦灌浆期,完全地下互作处理较无地下互作处理小麦、玉米光合速率分别提高23.9%和19.4%,而且较部分地下互作处理和无地下互作处理小麦叶片水分利用效分别增加10.3%和26.6%,玉米叶片水分利用效率增加17.9%和23.6%,随着玉米密度的增加叶片水分利用效率增加。(6)完全地下互作显著增加了小麦拔节和灌浆期干物质积累量;在小麦收获前,地下互作对玉米干物质积累无显著影响,小麦收获后,间作玉米恢复生长加快,完全地下互作有利于增加干物质量。完全地下互作增强了小麦玉米共生期种间竞争力以及小麦收后玉米的恢复效应,随密度增加而增强。因此,完全地下互作强化了间作共生期竞争力,并且强化了麦收后玉米的恢复效应,使带间土壤水分得到充分利用,促使间作水分利用效率提高。