土壤侵蚀退化加之区域降雨量低而不稳制约着黄土旱塬雨养农业生产。如何进行土壤改良进而提高耕地生产力水平是黄土旱塬区域农业生产面临的现实问题。在半干旱区域,保护性耕作被认为是抑制土壤退化,提高降雨利用的关键举措,但长期单一保护性耕作往往会引起土壤紧实,养分层化等问题,限制了耕地生产力水平。轮耕将不同的耕作方式轮换使用,能有效克服单一耕作方式的弊端。目前对轮耕技术的分析多基于短期试验结果,但土壤的改良以及耕地生产力的提升是一个长期而缓慢的过程,不同耕作方式组成的轮耕组合可能存在短期优势和逐渐积累优势,现有的研究仍然缺乏对轮耕技术长期定位效应的分析。长期定位轮耕土壤改良效应如何?其环境效应和生态效应是否具有优势?耕地生产力水平能否提升?这些不仅是基础农业生产问题,也是耕作制度的延伸与创新,更是黄土旱塬区域小农经济和农户精准脱贫战略实施的重大需求。因此本文以课题组长期秸秆还田定位耕作试验（2007-2019）为基础,以冬小麦-休耕-春玉米（轮作周期Cycle）系统为研究对象,以传统翻耕（CC）为对照,对三种施肥模式:农户常规施肥模式(CF:N=255 kg·ha^-1,P=180 kg·ha^-1)、区域推荐平衡施肥模式(BF:N=150 kg·ha^-1,P=120 kg·ha^-1,K=90 kg·ha^-1)和减量施肥模式(DF:N=75kg·ha^-1,P=60 kg·ha^-1,K=45 kg·ha^-1)下,五种耕作方式:连续免耕（NN）、连续深松（SS）、免耕和深松轮耕（NS）、深松和翻耕轮耕（SC）、翻耕和免耕轮耕（CN）措施下土壤水分、土壤结构改良、土壤主要养分积累、耕地生产力提升进行了长期定位效应分析。且于2017-2019年对麦玉轮作周期内农田温室气体排放进行了测定,于2018年6月小麦收获后农田土壤微生物特征,进行了多样性与宏基因组测序。进一步评价长期定位耕作的环境效应,与养分提升的微生物机制,为黄土旱塬耕作制度进一步发展与创新提供基础依据。本研究主要研究结果如下:1. 随着定位时间的增加,耕作对土壤水分的影响逐渐加强,周期内应用连续免耕处理有利于周期末期土壤蓄水量的提高。在Cycle 1、Cycle 2和Cycle 3,NS显著提升休闲期蓄墒率,较CC分别提高蓄墒率绝对值3.4%、7.1%、5.0%。随着定位耕作时间的增加,在Cycle 4,CN与NS蓄墒率无显著差异,并且显著高于CC,在Cycle 5与Cycle 6,CN蓄墒率显著高于NS并且较CC分别显著提升蓄墒率绝对值8.6%、7.4%。在作物关键生育时期,三种施肥下均以NN处理灌浆初期土壤蓄水量最高,其次为NS和CN。对周期内水分利用效率分析表明,在Cycle 1与Cycle 2施肥与耕作显著影响水分利用效率,并且施肥的影响大于耕作。随着定位时间的增加,施肥对水分利用效率的影响逐渐减弱,耕作对水分利用效率的影响逐渐加强,并且在Cycle 5与Cycle 6,CN表现出优势。在Cycle 6,CN与BF组合与CN与DF组合水分利用效率一致,并且较CF与CC组合显著提高水分利用效率绝对值1.2%。2. 本研究中三种施肥下六种耕作方式0-20 cm土层土壤大团聚体含量均随定位试验时间的增加呈现出逐渐增加的趋势,均表现出了土壤结构的改良效应。平衡施肥下NN处理土壤大团聚体增加速率最快,在连续定位多年后BF与NN处理土壤大团聚体含量最高,较CC与CF组合处理显著提高大团聚体含量绝对值6.17%,表明该施肥与耕作组合模式更加有利于土壤大团聚体的形成,轮耕中应用翻耕会表现出对土壤团聚体的部分破坏。对容重分析表明,翻耕处理土壤容重随种植周期呈现出波动下降的趋势,连续免耕和免耕/深松轮耕处理土壤容重均随种植周期的增加呈现出了波动上升的趋势,但增加速率在下降。CN、SC处理0-20 cm土层土壤容重均呈现出先波动上升后波动下降的趋势,多年定位耕作后土壤容重总体上排序为:NN>NS>SS>CN>SC>CC。NN、NS、SS处理较CC均显著提高了土壤容重。SC、CN处理土壤容重与CC无显著差异,这表明将保护性耕作方式与传统翻耕方式的结合使用可以有效解决由多年保护性耕作方式带来的土壤容重增加,土壤孔隙度降低的问题,并且可以在降低土壤机械扰动的同时,保持与传统翻耕基本一致的土壤容重。3. 定位时间对0-20 cm土层土壤有机质含量影响最为显著,其次为耕作。随着定位周期的增加,土壤有机质含量呈现出逐渐增加的趋势。不同耕作处理下,连续定位多年后,0-20cm土层NN土壤有机质含量最高,其次为SS。20-40 cm土层以耕作对土壤有机质含量影响最为显著,不同耕作处理下,连续定位多年后,CN有机质含量最高,在CF、BF、DF下分别较CC提高有机质含量1.21 g·kg^-1、0.92 g·kg^-1、0.74 g·kg^-1。4. 在Cycle1-Cycle 3,土壤全氮呈现出波动下降的趋势,Cycle 3-Cycle 6土壤全氮含量呈现出波动增加的趋势。不同耕作处理下0-20 cm土层总体上以NN处理土壤全氮含量较高。20-40 cm土层不同施肥与耕作处理下土壤全氮含量呈现出小幅度增加或降低的趋势。以DF与CF处理下NN处理和SS下土壤全氮表现为波动下降的趋势,并且在连续定位多年后DF下CN处理表现出最高的土壤全氮含量,其次为BF下CN处理。5. 在麦玉轮作系统周期内,休闲期贡献了最大比例的农田土壤碳排放量,不同耕作处理下休闲期土壤碳排放速率介于5.8-6.6 kg C·ha^-1·d^-1之间,总二氧化碳排放量介于1680-1980 kg C·ha^-1之间。其中休闲期NN、NS、CN、SS处理较CC显著降低了土壤碳排放量。不同耕作处理下,SC碳排放总量最高,较CC显著增加了84 kg C·ha^-1。其中NS与SC显著增加了玉米生长季N₂O排放,较CC分别提高玉米生长季总N₂O排放量266 g N·ha^-1和434 g N·ha^-1。SS、NN、CN玉米生长季总N₂O排放量与CC无显著差异。对麦玉轮作田周期内总全球增温潜势进行计算表明,在麦玉轮作周期内,应用SS、NN、NS、CN均能显著降低全球增温潜势值。其中NN处理全球增温潜势值最低,较CC显著降低2130 kg CO₂·ha^-1。6. 耕作显著影响了细菌群落Shannon指数,但未显著影响细菌群落ACE指数。方差分析表明,细菌TOP10群落中,耕作对Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi、Gemmatimonadetes、Planctomycetes、Tectomicrobia均产生了显著的影响。NS较CC显著提高了Acidobacteria、Chloroflexi、Gemmatimonadetes丰度,降低了Proteobacteria、物种丰度。SC较CC显著提高了Gemmatimonadetes、Planctomycetes丰度,降低了Proteobacteria、Actinobacteria物种丰度。CN较CC显著提高了Gemmatimonadetes物种丰度。NN较CC显著提高了Acidobacteria物种丰度。SS较CC显著降低了Proteobacteria物种丰度。7. NN处理下Carbon metabolism、Biosynthesis of amino acids、Carbon fixation pathways in prokaryotes基因较CC显著提高,但显著降低了Glycine,serine and threonine metabolism和Citrate cycle（TCA cycle）基因丰度。对KEGG途径原核生物固碳相关基因进行COG物种注释分析表明,与连续翻耕比较,连续免耕处理下显著增加了原核生物固碳途径相关物种Crenarchaeote＿29d5和Crenarchaeote＿76h13属于Crenarchaeota和Archaeon＿MY3、Evergladensis、Gargensis和Viennensis属于Thaumarchaeota。说明了免耕下与原核生物固碳相关物种的增加,有利于提高免耕处理下土壤自身固碳能力。NN处理较CC处理显著降低了三羧酸循环途径相关基因丰度,对三羧酸循环途径各反应相关酶的基因丰度进行分析表明,耕作显著影响苹果酸脱氢酶（1.1.5.4）,柠檬酸合酶（2.3.3.1）的基因丰度。其中NN处理相比于翻耕处理显著增加了苹果酸脱氢酶的基因丰度,这可能会利于三羧酸循环过程中苹果酸向草酰乙酸的转化。另外免耕处理相比于翻耕处理降低了柠檬酸合酶基因丰度,这可能会降低乙酰辅酶A到柠檬酸的转化,并且此酶为三羧酸循环限速酶,因此在连续免耕土壤中可能会降低三羧酸循环的反应速率。8. 在试验初始周期,各处理下产量差异并不明显,随着定位时间的增加,不同处理下产量差异变大,在Cycle 3之后,以NS和CN产量提升幅度较大。在这表明了随着定位时间的延长,翻耕与免耕轮耕处理和免耕与深松轮耕处理显著提高了耕地生产力水平。CN处理产量不稳定性指数最低,产量可持续性最高,表明翻耕与免耕轮耕处理为黄土旱塬适宜的增产稳产的耕作组合。总体来看,秸秆还田下长期定位轮耕与单一保护性耕作均表现出了土壤改良效应。不同耕作处理下连续免耕处理可以较好的提高土壤水分储量,同时周期内应用NS和CN轮耕均能有效提高休闲期土壤蓄水保墒能力。对土壤结构的恢复中,平衡施肥下NN处理土壤大团聚体增加速率最快。随着定位周期的增加,土壤有机质和全氮含量呈现出波动增加的趋势,连续定位多年后,NN 0-20 cm土层土壤有机质和全氮含量最高,但CN与CC较NN显著提高了20-40 cm土层土壤有机质和全氮含量。与连续翻耕比较,连续免耕处理下显著增加了原核生物固碳途径相关物种,并且降低了三羧酸循环相关基因,表明免耕的加入会增加土壤碳固定能力,降低碳排放速率。此外应用SS、NN、NS、CN均能显著降低全球增温潜势值。对产量分析表明,随着定位时间的延长,翻耕/免耕轮耕处理可有效提高耕地生产力水平。因此,黄土旱塬土壤改良土地生产力水平提升适宜的耕作方式应以免耕为基础,提高土壤碳固定能力,提高大团聚体含量与养分,并建议加入翻耕耕作措施,调节土壤结构与土壤养分分布,达到土壤改良与耕地生产力提升的目的。