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我国北方旱作农业区在保障国家粮食安全中起着重要作用,但该区农业生产面临严重水资源短缺问题,同时存在肥料的不合理施用导致的水肥利用效率偏低。垄沟集雨种植方式是广泛应用于西北旱作农业区的栽培技术,可有效提高作物水分利用效率,但其高效用水的根系吸水机制尚不清楚。明确垄沟集雨种植农田的根水时空分布特征,定量分析蒸发和蒸腾消耗特征,是明确水分高效利用机制的关键,对优化垄沟比和制定合理的施肥方案,保证旱作农业的水肥高效利用和可持续发展具有重要意义。本研究于2018年和2019年在西北典型半干旱农业区,设置3种种植方式（RF40:集雨种植垄沟比为60:40;RF60:集雨种植垄沟比为60:60;FP:对照传统平作）和4个施肥水平(H:高肥N 285+P2O5 140 kg ha-1;M:中肥N 230+P2O5 115 kg ha-1;L:低肥N 175+P2O5 90 kg ha-1和N:无肥)的春玉米大田试验,基于稳定氢氧同位素技术,应用Isosource模型、水量平衡和同位素质量守恒原理,对垄沟集雨种植春玉米农田的土壤水分时空分布与根系吸水特征以及农田蒸腾和蒸发耗水结构进行了研究,并分析了不同垄沟比和施肥量调控的土壤水分、春玉米干物质和养分积累与分配、产量和水肥利用效率,取得的主要结果如下:1.垄沟集雨种植方式下春玉米田土壤水分的时空异质性及根系响应特征（1）垄沟集雨种植方式改变了植株两侧土壤含水量的对称分布,显著提高了沟中浅层土壤含水量,并促进了沟中浅层土壤中的根系生长,刺激了垄下根系向深层土壤中扩展。在RF60种植方式下,拔节期0-40 cm土层中沟中的根长密度（RLD）、根表面积（RSA）和根干重（RDW）较垄下高出56.5%、62.0%和24.3%;抽雄吐丝期高出43.2%、56.9%和16.9%。RF40和RF60较FP改善了土壤水分状况,提高了各土层RLD、RSA和RDW,提高幅度随土层的加深逐渐降低,其中,在拔节期显著提高0-20 cm土层中RLD为27.7%和25.6%,20-40 cm土层中为29.0%和15.2%;在抽雄吐丝期和灌浆期,显著提高0-20 cm、20-40 cm和40-60 cm土层中RLD为8.8%-34.6%。（2）垄沟集雨种植不同根区根系吸水状况有所差异。在RF60种植方式下,拔节期垄下、垄沟交界和沟中三个根区的吸水来源均为0-20 cm土层;抽雄吐丝期均为0-20 cm和20-40 cm土层;灌浆期垄下和垄沟交界根系吸水的主要来源为40-60 cm土层,其平均贡献率分别为69.3%和65.7%,沟中根系吸水的主要来源于40-60 cm和20-40cm土层,其平均贡献率分别为38.8%和42.0%。较浅土层对垄下根系吸水的贡献低于其它根区,沟中玉米根系从较浅土层中吸收了更多的水分。土壤水对玉米根系吸水的贡献与根系分布比例之间存在显著正相关关系。（3）集雨种植方式与FP根系分布的差异,引起春玉米根系吸水的不同。在拔节期和抽雄吐丝期,各种植方式的主要吸水土层相同,分别为0-20 cm和20-40 cm土层。在灌浆期,RF40和RF60的玉米根系的主要吸水土层为40-60 cm,该土层的平均贡献率分别为77.4%和70.8%;而在FP中,玉米根系的主要吸水土层为60-80 cm,平均贡献率为78.5%。两年中玉米拔节期和抽雄吐丝期,三种种植方式的主要吸水土层深度相同,而灌浆期FP处理从更深的土壤吸收水分。2.垄沟集雨种植方式下春玉米农田蒸散发结构特征（1）种植方式显著影响土壤水分状况,土壤含水量（SWC）在不同生育时期各土层差异不同。在播前和拔节期,RF40和RF60较FP均显著提高各土层SWC,但RF40和RF60间无显著差异。拔节后到灌浆前期为作物需水关键期,作物大量耗水,在抽雄吐丝期和灌浆期各处理的SWC无显著差异。（2）通过稳定同位素技术对蒸发量（E）和蒸腾量（T）的量化分析表明,春玉米生育期内T随生育期的推进呈先升高后降低的趋势,最大T出现在拔节期-抽雄吐丝期,其次是抽雄吐丝期-灌浆期。在播种期-拔节期,水分主要以E的形式消耗。RF40和RF60较FP均显著提高了生育期内T占蒸散发（ET）的比例（T/ET）。整个生育时期中,RF40和RF60较FP提高T/ET幅度为30.9%和26.3%。2018年,RF40处理的T和T/ET与RF60处理无显著差异,在2019年,RF40处理显著高于RF60处理。3.垄沟集雨种植春玉米水肥高效的垄沟比与施肥调控效应（1）集雨种植方式显著提高了春玉米各生育时期的干物质积累量和各器官中氮和磷的积累量,且籽粒的提高幅度最大,RF40显著高于RF60,高出约3.8%-6.8%,在无肥水平下RF40较RF60优势更明显,提高幅度高达18.0%。各施肥处理集雨种植方式下春玉米各生育时期干物质积累量的提高幅度低于FP处理。垄沟集雨种植和施肥均显著提高了干物质和氮磷养分在籽粒中的分配比例,提高幅度随着施肥水平的提高而减小。种植方式和施肥的交互作用对氮和磷积累量均有显著影响。（2）RF40和RF60两种垄沟比处理均显著提高了玉米的穗粒数、百粒重、籽粒产量和生物产量,其中两种垄沟比籽粒产量和生物产量分别平均提高63.5%和48.6%。随着施肥量的增加,种植方式间的差异逐渐减小。高肥水平下春玉米的籽粒产量和生物产量提高幅度最大,较不施肥平均提高6.5倍和4.6倍。集雨种植垄沟比对籽粒产量和收获指数的影响两年表现不同,2018年RF40和RF60间无显著差异,2019年RF40显著高于RF60。由于2019年春玉米灌浆期低温多雨的天气,导致其籽粒产量和收获指数较2018年大幅度下降。（3）集雨种植不同垄沟比均显著提高了春玉米的水分利用效率（WUE）、降雨利用效率（PUE）、氮肥和磷肥的偏生产力（PFP）和肥料农学效率（AE）。两种垄沟比平均WUE提高62.1%,PUE提高63.2%,氮肥PFP和AE提高56.4%和51.6%,磷肥PFP和AE提高55.6%和50.4%。2018年RF40和RF60间无显著差异,而2019年各施肥水平下RF40均显著高于RF60,平均提高WUE为24.3%,PUE为23.5%,氮肥PFP为14.7%,氮肥AE为9.8%,磷肥PFP为14.8%和磷肥AE为9.4%。（4）随着施肥水平的提高春玉米的WUE和PUE均不断提高。各种植方式下,PFP和AE均随施肥水平的提高呈现先增加后降低的趋势,且在M施肥水平下肥料利用效率最高。M施肥水平较H施肥水平提高氮肥PFP和AE分别为7.7%和5.0%,提高磷肥PFP和AE分别为5.8%和3.2%;M施肥水平较L施肥水平提高氮肥PFP和AE分别为4.9%和13.1%,提高磷肥PFP和AE分别为7.9%和16.4%。基于稳定同位素技术对根水耦合特征和农田蒸散发结构特征研究发现,在垄沟集雨种植方式下,玉米根系主要从沟中浅层土壤吸收水分,从垄下深层土壤吸收水分,且吸水深度浅于传统平作,与覆盖协同减少了土壤蒸发量,并通过根水协同增加了植物蒸腾量,最终提高了玉米的水分利用效率。通过优化垄沟比和施肥量,可提高垄沟集雨种植方式下春玉米的产量和水肥利用效率。综合分析,RF40在中肥水平下肥料利用效率最高,并有助于稳定维持春玉米田的高产和高效用水。通过研究推荐RF40垄沟比下N230+P2O5115kg ha-1为半干旱地区适宜的春玉米水肥高效利用的栽培管理措施。