近年来,由于农业水资源短缺形势日益严峻,发展节水农业成为促进水资源有效利用及农业可持续发展的重要战略方向。沟垄覆膜集雨种植技术是旱区发展起来的在提高降水利用效率与改善土地生产力方面效果显著的一种种植方式。为使集雨种植技术适用于灌溉农田,并充分发挥其增产节水效果,进而缓解当前农业水资源高耗低效的局面,本研究通过在宁南典型半干旱区2012-2015年度连续3个试验年份的定位试验,对不同集雨限量补灌模式下田间土壤水分效应、作物生长发育状况及增产增效机制进行探索,主要研究结果如下:1、集雨限量补灌对土壤水分特征的影响(1)集雨限量补灌模式有良好的蓄水保墒作用。在3年试验期内,集雨补灌处理冬小麦生育前期(苗期-拔节期)0-200 cm土层土壤平均含水量均较相同补灌方式下的畦灌处理有所提高,0-40 cm土层土壤水分提升效果更为显著,3个试验年份平均提高6.37%。(2)集雨限量补灌能调整土壤贮水利用的土层分布。在3年试验期内,集雨限量补灌模式能改善冬小麦大部分生育阶段上层土壤水分存蓄状况,苗期到抽穗期0-40 cm土层土壤贮水量较畦灌处理平均增加6.88%,与此同时提高了冬小麦对中下层土壤贮水的利用能力,与畦灌模式相比,三个试验年份全生育期40-120 cm土层土壤贮水消耗量平均提高22.28%,120-200 cm土层平均提高25.52%。2、集雨限量补灌对冬小麦耗水特性的影响(1)集雨限量补灌能增加冬小麦耗水构成中土壤贮水消耗量的比例。3个试验年份各集雨限量补灌处理生育期补灌量占总耗水量的比例均小于相应畦灌处理,贮水消耗量及其占总耗水量比例却有所增加,贮水消耗量平均增加27.11%,贮水消耗量所占比例平均提高8.07%。相同种植方式下,各试验年份集雨补灌处理总耗水量及补灌量所占比例均随着生育期补灌量的增加而增加,贮水消耗量所占比例表现规律则与之相反;在两个平水年,补灌量相同时,生育前期补灌处理生育期贮水消耗量及其所占比例均较后期补灌处理有所提高,各指标平均增幅分别为10.37%、6.02%。(2)集雨限量补灌可改善冬小麦生育期耗水状况。在3年试验期内,尚未进行补灌之前,集雨种植处理在冬小麦播种-返青期阶段耗水量、耗水强度及耗水模系数均较相应畦灌处理有所降低,阶段耗水量3个试验年份平均降低12.05%,耗水强度及耗水模系数则分别平均降低12.3%、9.34%,在平水年降幅更为显著;补灌开始后,生育期仅补灌一次的集雨处理(R1及R3)均增加了各耗水特性在小麦需水旺盛期的分配比例,3个试验年份返青-成熟期阶段耗水量较畦灌处理平均增加5.45%、耗水强度及耗水模系数分别平均增加5.46%、5.69%。相同种植方式下,集雨补灌处理间返青-成熟期各耗水特征值大小变化规律均表现为:生育期两次补灌处理>生育期一次补灌处理>全生育期不补灌处理;补灌量相同时,在平水年小麦生长前期补灌的处理(r1)各耗水特征值均较生长后期补灌的处理(r3)有所增加。3、集雨限量补灌对冬小麦生长发育的影响(1)集雨限量补灌能促进冬小麦株高的增加。在3年试验期内,各集雨种植处理在返青到成熟期各个生育阶段较畦灌均能不同程度地增加冬小麦株高,在拔节-抽穗期表现最为显著,3个试验年份增加幅度为9.11-35.96%。相同种植方式下,各年份成熟期集雨处理间株高大小变化规律均表现为小麦前后期均补灌处理(r2)>前期补灌处理(r1)>后期补灌处理(r3)>不补灌处理(r0);补灌量相同时,3个试验年份前期补灌处理较后期补灌处理的株高平均增加3.78%,返青-拔节期补灌更有利于冬小麦的生长。(2)不同集雨限量补灌处理对冬小麦不同生育阶段的干物质积累影响各异。在返青-抽穗期,各集雨限量补灌处理公顷干物质积累量均高于相应畦灌处理,3个试验年份依次增加4.66-15.87%、4.24-12.09%、11.44-29.88%;抽穗之后,生育期仅补灌一次的集雨种植处理(r1及r3)较相应畦灌处理的增加优势逐渐降低,生育期补灌两次的集雨处理(r2)抽穗-成熟期公顷干物质积累量则在3个试验年份均小于相应畦灌处理。相同种植方式下,前期补灌的集雨处理较后期补灌的集雨处理3个试验年份干物质积累量平均增加8.53%,返青-拔节期补灌更有利于群体干物质积累量的增加。(3)集雨限量补灌可促进花后同化物向籽粒的输入,并提高其贡献率。相同补灌方式下,各集雨限量补灌处理花后同化物输入籽粒量及其对籽粒的贡献率均高于畦灌处理,3个试验年份花后同化物输入量依次增加6.21%、6.11%、9.52%,对籽粒的贡献率则依次增加3.78%、6.02%、6.01%。相同种植方式下,集雨限量补灌处理花后同化物输入籽粒量较不补灌处理有不同程度提高;补灌量相同时,前期补灌处理在平水年(2012-2013年度及2013-2014年度)花后同化物输入籽粒量较后期补灌处理平均显著增加16.92%,花后同化物对籽粒贡献率平均增加8.02%。4、集雨限量补灌对冬小麦经济产量及经济效益的影响(1)集雨限量补灌有助于冬小麦的增产。3年试验条件下,不补灌的集雨种植处理(r0)及与前期补灌的集雨种植处理(r1)经济产量均较相应的畦灌处理有所提高,两处理平均增产幅度在3个试验年份依次为4.81%、5.51%、5.60%,由于集雨处理实际种植面积的减小,在公顷穗数较畦灌处理平均降低6.07%的情况下,产量构成因素中的穗粒数和千粒重却平均提高了5.06%、6.81%,有效弥补了穗数不足造成的经济产量损失。在2012-2013年度及2014-2015年度小麦生育后期降水相对较多的情况下,后期限量补灌的集雨处理(r3)经济产量较相应的畦灌处理平均增加了6.54%,其增产原因同样是穗粒数和千粒重增加,千粒重增加作用更为显著,两年平均增加9.78%。相同种植方式下,集雨种植不同补灌处理间经济产量关系表现为:前后期均补灌处理(R2)>前期补灌处理(R1)>后期补灌处理(R3)>生育期不补灌处理(R0);补灌量相同时,由于公顷穗数及穗粒数的优势,3个试验年份前期补灌处理较后期补灌处理平均增产7.62%。(2)集雨限量补灌有助于冬小麦的增收。除前后期均补灌的集雨处理与相应畦灌处理差异不大外,其余集雨补灌处理3个试验年份收获后平均每公顷总收入及净收益均较相应的畦灌处理有不同程度的提高,每公顷总收入平均提高780.15元,每公顷净收益平均提高948.76元。相同种植方式下,集雨限量补灌处理每公顷平均总收入及净收益高于不补灌处理;补灌量及总投入相同时,前期补灌处理3个试验年份净收益较后期补灌处理显著增加16.72%,集雨种植方式结合冬小麦生长前期限量补灌更有利于经济效益的提高。5、集雨限量补灌对冬小麦水分利用效率的影响集雨限量补灌对冬小麦水分利用效率有积极影响。各集雨限量补灌处理灌溉水利用效率及生育期总水分利用效率均高于相应畦灌处理,3个试验年份灌溉水利用效率提高90.21-114.78%,水分利用效率提高0.37-10.23%,在生育期降水量较少的2013-2014年度表现更突出;相同种植方式下,补灌量相同时,前期补灌的集雨种植处理(R1)3个试验年份降水利用效率较后期补灌的集雨处理(R3)平均增加7.68%,灌溉水利用效率平均增加7.44%,水分利用效率平均增加4.36%。