面对降水的不稳定性和日益加剧的干旱,在水资源日益短缺的条件下,寻求减少灌溉用水的栽培方法是全球气候变化背景下农业可持续发展的关键。半湿润易旱区被定义为年降水量为500-600 mm,干旱指数为1.3-1.6（年蒸散量比年降水量）的区域,面积超过15.3万km2,约占我国耕地面积的16.1%。冬小麦-夏玉米一年两熟作为半湿润易旱区主要的种植制度,降水量不能满足冬小麦-夏玉米一年两熟的需求,尤其是小麦季降水不能满足生育期水分需求,导致灌溉水消耗多,并且水分利用效率低。垄沟集雨种植作为一种典型的集雨种植系统被广泛运用于半干旱地区,但在以灌溉为主的半湿润易旱区,垄沟集雨种植能否代替灌溉或减少灌溉量来达到节水的目的尚不可知。此外,在该模式下,由于垄的设计导致作物种植面积的减少使得作物产量提升空间受到一定的限制,改变垄沟比会引起土壤微地形异质性的变化进而对产量形成产生一定的影响。基于此,本研究于2015-2020年在半湿润易旱区（陕西杨凌）的冬小麦-夏玉米复种系统条件下,设置:1)两种种植模式,即传统种植（CF）和垄沟集雨种植（RF）,结合三种补灌梯度（冬小麦生育期补灌0、75和150 mm）,和2)在垄沟集雨种植模式下设置了三个沟垄比处理,即沟:垄=40:40 cm（RF40）、沟:垄=60:40 cm（RF60）和沟:垄=80:40 cm（RF80）,结合三种补灌梯度（冬小麦生育期补灌0、75和150 mm）两项大田试验,分析了在不同降水年型下（干旱年、平水年和丰水年）集雨限量补灌和不同沟垄比对土壤水热、作物生长生理、产量形成、农田环境、资源利用效率和经济效益的影响。主要的研究结果如下:（1）集雨限量补灌和沟垄比对土壤水热条件的影响RF较CF主要增加了冬小麦和夏玉米拔节前0-80 cm 土层的土壤水分（冬小麦季RF较CF增加8.5%,夏玉米季RF较CF增加5.2%）和表层土壤温度（冬小麦季增加0.7℃,夏玉米季增加0.6℃）。其中,沟占比越小集水效果越好,RF40处理的冬小麦和夏玉米0-80 cm 土层的土壤水分高于RF60和RF80,分别较其高7.0%和8.0%。另外,冬小麦季RF60的土壤温度最高,而夏玉米季则以RF80的土壤温度最高。补灌主要增加了冬小麦花后0-80 cm 土层的土壤含水量,补灌75 mm和补灌150 mm分别较不补灌增加11.3%和8.3%。并且补灌也增加了夏玉米播前底墒,但补灌对土壤温度几乎无影响。（2）集雨限量补灌和沟垄比对小麦玉米的生长生理和产量的影响不同降水年型下,垄沟集雨显著改善了冬小麦-夏玉米的生长生理状况,如叶面积指数（LAI）、干物质积累、灌浆、光合特性、抗氧化酶活性和丙二醛（MDA）。RF和补灌增加了冬小麦和夏玉米生育期的LAI、干物质积累和光合作用。RF增加了冬小麦的强势粒和弱势粒的灌浆速率以及夏玉米季的灌浆速率,但缩短了冬小麦和夏玉米的有效灌浆期（T0.99）,其分别较CF缩短了 2.8天和10.0天;然而补灌延长了冬小麦-夏玉米的有效灌浆期,其中补灌0 mm、75 mm和150 mm的T0.99平均分别为45.1天、48.7天和48.2天。在三个降水年型下（干旱年、平水年和丰水年）,冬小麦和夏玉米季RF的抗氧化酶活性均低于CF,但补灌增加了抗氧化酶活性并降低了 MDA含量。不同沟垄比下随着沟宽的增加,小麦季的LAI、干物质积累速率和干物质积累量、光合作用均降低,但夏玉米季却相反,LAI、干物质积累速率和干物质积累量和光合速率随沟垄比的增大而增大;此外,改变沟垄比对冬小麦和夏玉米渐增期、快增期和缓增期的影响较小,但RF40主要通过提高冬小麦渐增期的灌浆速率来增加产量,RF80主要通过延长夏玉米季快增期和缓增期的灌浆时间来增加产量。改变沟垄比对冬小麦季和夏玉米季的抗氧化酶无显著影响。RF由于减少了小麦的有效种植面积,从而减少了穗数,但增加了穗粒数,导致产量比CF低10.9%。RF的产量仅在干旱年高于CF,而在平水年和丰水年低于CF;补灌增加了小麦穗数,从而增加了产量,其中补灌75 mm的产量较不补灌产量增加13.6%,但补灌量75 mm和150 mm间无显著差异。对夏玉米而言,RF较CF增加了夏玉米的穗粒数和百粒重,从而增加其产量,但其产量与CF间无显著影响;补灌对夏玉米的产量和穗粒数无显著影响,但较不补灌显著增加了其百粒重,其中补灌75 mm较不补灌的百粒重增加1.5%,且与补灌150 mm间无显著差异。（3）集雨限量补灌和沟垄比对温室气体排放和氨挥发的影响RF较CF增加了冬小麦和夏玉米季农田氨挥发,N2O和CO2的排放,但降低了 CH4的吸收。RF较CF显著增加了冬小麦和夏玉米季的氨挥发累计排放量（其分别较CF增加了 18.1%和21.4%）,N2O的累计排放量（其分别较CF增加了 75.8%和27.7%）和CO2的累计排放量（其分别较CF增加了 25.4%和18.9%）,并显著降低了 CH4的累计吸收量（其分别较CF降低了 48.7%和35.9%）。补灌75 mm和补灌150 mm也增加了NH3挥发和温室气体排放,但二者间无显著差异。其中丰水年的NH3挥发和温室气体排放高于平水年。在集雨种植模式下,改变垄沟比对NH3挥发和温室气体排放的影响无显著差异,但均以RF40和RF80高于RF60。冬小麦和夏玉米RF的GWP分别增加28.5%和24.2%,但其GHGI却降低。此外,当补灌量＜75 mm时,能够降低温室气体排放强度。不同垄沟比下,通过对平水年和丰水年不同沟宽与GHGI进行回归分析发现,冬小麦-夏玉米的GHGI呈倒“U”型增加,并且当垄宽为40 cm,沟宽为80 cm时,其温室气体排放强度相对较低。（4）集雨限量补灌和沟垄比对资源利用效率和经济效益的影响RF较CF增加了冬小麦和夏玉米的水分生产力（WP）但却降低了热资源利用率（TUE）。冬小麦和夏玉米季RF的WP较CF分别高18.3%和12.7%;RF的TUE较CF分别低17.7%和9.9%。在干旱年和平水年RF较CF分别增加了冬小麦和夏玉米的净利润,分别增加了 281元和1113元ha-1。此外,75 mm的补灌量的冬小麦-夏玉米水分生产力、热资源利用率和经济效益相对较高。集雨种植模式下,通过将不同沟宽与冬小麦和夏玉米水分生产力和热资源利用率进行回归分析发现,在丰水年和平水年沟宽为80时其资源利用效率较高。综合考虑,在半湿润易旱区,干旱年份RF与补灌75 mm相结合相对来说能够缓解干旱胁迫、提高冬小麦-夏玉米产量、资源利用效率、净利润和温室气体排放;但在平水年和丰水年通过调整集雨种植模式下的垄沟宽发现,当垄宽为40 cm,沟宽为80 cm时产量效益、生态效益和环境效益相对较好。