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全球气候变化下中国粮食安全面临着严峻的考验,提高作物产量和资源利用效率是适应气候变化的主要途径。预防和减缓由于气候变化引起的干旱和低温冷害(尤其是春季)对农业生产的影响是目前我国北方旱作农业亟需解决的科学问题。本研究分别于2009-2014年在北方雨养农业区具有代表性的吉林长春、内蒙古赤峰和武川三个地点开展了不同种植模式作物生产力和资源利用效率试验研究。试验处理有玉米双垄沟全覆膜MF、半覆膜MHF、不覆膜MNF,单垄沟覆膜种植MSF,垄上种植MR,平作MS,玉米/蚕豆间作2M2B,2行向日葵/2行马铃薯间作2S2P,4行向日葵/4行马铃薯间作4S4P。研究以解决增温、节水和培肥地力为出发点,探索充分利用作物生长季内光、温、热、水等气候资源和提高作物生产力的途径。主要结论如下：(1)沟垄和覆膜种植较平作种植显著提高了玉米籽粒产量,以双垄沟全覆膜提高的幅度最大。向日葵／马铃薯和玉米/蚕豆间作显著提高了土地生产力。(2)双垄沟覆膜种植提高玉米叶面积指数,提前使玉米冠层叶面积指数达到峰值,并维持较长时间。双垄沟种植降低了玉米冠层的消光系数,提高了玉米的光能利用效率,其中以双垄沟覆膜种植提高的幅度最大。(3)垄沟覆膜和不覆膜种植均显著缩短了玉米的生育期,其中以双垄沟全覆膜缩短的幅度最大,其次依次是双垄沟半覆膜和单垄沟覆膜种植。沟垄和地膜覆盖均能提高地温,缩短生育期使玉米从播种到成熟所需的积温显著减少。双垄沟全覆膜较不覆膜玉米根系10cm土壤温度全生育期平均每天提高了2.0℃,尤其在玉米未出苗时,沟垄覆膜种植提高的幅度较大,有利于保证玉米出苗。(4)双垄沟全覆膜和半覆膜玉米0-60cm土层最大耗水时期比双垄沟不覆膜和平作提前了10d左右。由于减少了土壤蒸发等,双垄沟全覆膜玉米0-60cm土层总耗水量显著下降。双垄沟全覆膜处理的玉米水分利用效率最大,其次是双垄沟半覆膜和单垄沟覆膜种植。向日葵/马铃薯间作提高了系统的水分利用效率,对系统的氮利用效率没有影响。在间作系统中,高杆作物占显著优势,处于水分和氮素吸收和利用的优势地位,矮杆作物处于劣势地位。本研究结果为北方旱作农业生产提供了理论基础和适应气候变化提供了技术支撑。