渭北旱塬位于我国黄土高原的南部,属于半湿润易旱区,是陕西省冬小麦、春玉米等粮食作物的主要栽培地区,被称为“陕西省第二粮仓”,在确保我国粮食安全方面发挥着关键作用。但该地区降雨稀少且时空分布不均、地下水位深,水资源极度缺乏,大田作物无灌溉条件,属于典型的旱地农作区。同时,该地区耕层土壤疏松、黏粒少,有机质含量较低(多数地区不足1%)。渭北旱塬作为粮食主产区,长期的作物连作与不合理的栽培管理导致土壤养分消耗严重,已经造成了土壤理化及生物学特性变劣,且随着作物连作年限增加、栽培强度的加大及人口数量的增长而愈加恶化。因此,水资源匮乏、土壤瘠薄、水肥利用效低及耕作方式落后已成为制约渭北旱塬粮食作物生产及可持续发展的关键因素。本研究以陕西渭北富平现代农业综合试验站为依托,以冬小麦为供试作物,开展了连续4年(2014年9月-2018年6月)的定位试验,进行探究不同保护性耕作及优化施肥措施对冬小麦生产力及土壤质量水平的影响,旨在为创新旱地土壤地力恢复与提升模式提供新思路新方案。本试验包括不施肥、传统栽培、秸秆覆盖、地膜覆盖、裸露垄沟、垄沟覆盖、绿肥轮作、增施钾肥、低量有机肥和高量有机肥,共10个处理。测定了不同处理下冬小麦土壤水分利用与生产力状况,分析了冬小麦连续种植4年后不同处理对土壤肥力因子的影响;同时,结合灰色关联分析法进行评价不同处理对土壤肥力水平的综合影响。通过4年大田试验得到如下结果:(1)垄沟覆盖与地膜覆盖大幅度提高了土壤贮水量,前者主要集中在0-70 cm土层,后者集中在0-40 cm土层,其次为秸秆覆盖(0-40 cm土层),且三者均提高了相应土层的电导率;但地膜覆盖降低了130-150 cm土层贮水量与电导率。垄沟覆盖与地膜覆盖较传统栽培提高了冬小麦生育期内表层地温(增幅分别为0.2-1.4℃和0.1-1.1℃),而秸秆覆盖降低了表层地温(0.2-1.1℃)。垄沟覆盖、地膜覆盖和秸秆覆盖较传统栽培均提高了冬小麦产量及水分利用效率,产量增幅分别为37.7%-59.8%、33.1%-44.3%和17.2%-24.0%,水分利用效率增幅分别为35.3%-45.8%、29.3%-35.9%和18.0%-17.2%;同时,随着栽培年限的增加,施用有机肥相对提高了冬小麦产量及水分利用效率。其他处理冬小麦土壤水分利用及产量较传统栽培差异较少或无显著差异。(2)垄沟覆盖与秸秆覆盖较传统栽培明显增加了0-40 cm土层有机碳(6.3%和5.2%)及速效养分含量(速效氮增幅为40.2%和23.4%、速效磷增幅为53.5%和24.5%及速效钾增幅为23.1%和18.9%),同时垄沟覆盖提高了耕层土壤全量氮磷含量及40-60 cm土层速效养分含量;其他处理与传统栽培之间差异不明显。垄沟覆盖、地膜覆盖及秸秆覆盖较传统栽培均提高了冬小麦对氮磷钾的吸收,其增幅表现为垄沟覆盖>地膜覆盖>秸秆覆盖,而其他处理与传统栽培之间差异较小或无差异。(3)垄沟覆盖、秸秆覆盖与施用有机肥处理较传统栽培明显提高了0-40 cm土层活性有机碳组分含量(轻组有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳和溶解性有机碳);其中,垄沟覆盖增幅明显高于秸秆覆盖及施用有机肥处理,且增加了40-60 cm土层活性有机碳组分含量。同时,垄沟覆盖与秸秆覆盖土壤可矿化碳储存量显著(p<0.05)高于传统栽培,其次为施用有机肥处理,总体呈现垄沟覆盖>秸秆覆盖>低量有机肥>高量有机肥>绿肥轮作,而地膜覆盖显著(p<0.05)降低了土壤可矿化碳储量;其他处理土壤可矿化碳储存量变化与传统栽培较为一致。不同保护性耕作及优化施肥措施未对土壤有机碳结构产生影响,以含有C-H、C-O及O-H的官能团为主。(4)垄沟覆盖、秸秆覆盖与高量有机肥处理较传统栽培均提高了>0.25 mm粒径的土壤团聚体稳定性、平均重量直径及水稳性团聚体中的碳分布,且以垄沟覆盖增幅最高;地膜覆盖则降低了>0.25 mm粒径团聚体稳定性及水稳性团聚体中碳分布。同时,垄沟覆盖、秸秆覆盖与高量有机肥处理均明显提高了0-40 cm土层微生物数量及呼吸强度与酶活性,且垄沟覆盖明显改善了40-60 cm土层生物学状况。低量有机肥处理中水稳性团聚体稳定性及碳分布较高量有机肥处理低,且仅对土壤0-40 cm脲酶和磷酸酶活性影响较大。土壤团聚体稳定性、微生物活性及酶活性表现为垄沟覆盖>秸秆覆盖≈高量有机肥>低量有机肥,其他处理较传统栽培变化不明显。(5)通过灰色关联分析法得出土壤肥力水平的综合排序为垄沟覆盖>秸秆覆盖>高量有机肥>低量有机肥>绿肥轮作>地膜覆盖>增施钾肥>裸露垄沟>传统栽培>不施肥,即筛选垄沟覆盖栽培是本试验中最优处理。同时,通过聚类分析将土壤肥力水平进行了排序,系统聚类图将试验处理分为四个等级:第一等级为垄沟覆盖栽培和秸秆覆盖;第二等级为施用有机肥和绿肥轮作;第三等级为地膜覆盖、增施钾肥、裸露垄沟和传统栽培;第四等级为不施肥。本研究通过4年的定位试验得到以下结论:垄沟覆盖栽培明显地改善了土壤水分、温度及电导率,提高了渭北旱地冬小麦产量及水分利用效率。同时,垄沟覆盖栽培有效地改善了土壤理化性质及生物学特性,改良了更深层的土壤质量水平。因此,垄沟覆盖栽培对提高渭北旱地土壤肥力及冬小麦生产力具有显著效果,可在当地农业生产过程中进行推广应用。