气候变化深刻影响了黄土高原地区作物的生长。温度升高导致作物的水分胁迫更加严重,农业生态环境更加脆弱;极端气候事件,如干旱和短时间暴雨事件频发,增加了作物产量的年际波动,加大了农业生产的风险;全球变暖造成农田气象条件改变,使得农民不得不增加农业物资的投入来应对气候变化。面对越来越剧烈的气候变化,如何改变黄土高原旱作区田间管理措施以适应气候变化,趋利避害,稳定并增加作物单位面积产量,是摆在科研人员面前的重要研究问题。本研究以陕西长武连续8年冬小麦(Triticum aestivum L.)-春玉米(Zea mays L.)轮作试验和2年冬小麦施肥试验为基础,以根区水质模型(Root Zone Water Quality Model 2,RZWQM2)为工具,以降雨时空分布为主线,探究了RZWQM2模型对黄土高原旱区作物的适用性;研究了气候变化背景下黄土高原旱地冬小麦生长和产量对适度晚播的响应;基于RZWQM2模型模拟,建立并引进了虚拟冬小麦晚熟新品种,评价其对当地气候和环境的适用性;并深入分析了当地土壤水分对这种冬小麦晚熟新品种的承载力;定量研究了黄土高原地区降雨时空分布与施氮策略的耦合关系。本论文主要取得以下研究成果:(1)调参之后的RZWQM2模型可以较好地模拟黄土高原旱作区不同播期下冬小麦的生长发育动态变化、土壤的水分动态变化和作物的产量;RZWQM2模型对“单施基肥”和“追肥+追肥”模式下的冬小麦的产量、生物量、植株吸氮量和土壤剖面硝态氮含量均表现出了较好的模拟效果;RZWQM2模型可以较好地应用于黄土高原旱地冬小麦的模拟研究。(2)黄土高原旱作区平均温度随着年份的推移而增加,自1980s以来增温趋势更加显著;冬小麦生育期内有效积温也显著增加;年平均降雨量随着年份的推移,总体呈减小趋势。基于RZWQM2模型模拟,冬小麦生长时间缩短的趋势与温度升高趋势基本同步,表明温度升高导致冬小麦整个生育期时间随年份的推移而缩短,自1980s以来小麦生长时间缩短趋势更加明显;生长时间缩短使得冬小麦地上部生物量和产量显著减少;由于产量的减小趋势比蒸发蒸腾量更显著,导致冬小麦水分利用效率随着年份推移而减小。(3)冬小麦适度晚播使得小麦营养生长期土壤水分条件得到改善,间接改善了土壤的肥力条件;适度晚播也促进了植株根系对氮素吸收,有助于更多的光合产物向冬小麦营养器官的转运和贮存,促进了冬小麦营养器官的生长。适度晚播推迟了小麦的开花期和成熟期时间,使得小麦的生殖生长阶段处于更加温暖湿润的时期,有利于冬小麦灌浆期根系对氮素的吸收,促进了干物质向籽粒的转运和再分配,最终提高了冬小麦的产量和水分利用效率。基于模型模拟,以9月20日为基准,黄土高原冬小麦在丰水年和平水年可以适度推迟播种时间10 d左右,在干旱年适度推迟播种时间15 d左右,可以较好地适应当地气候变化;不能过度晚播,过度晚播容易造成减产。(4)基于RZWQM2模型模拟的虚拟冬小麦晚熟新品种较好地适应了黄土高原地区的气候变化和降雨分布的特征,有效延长了冬小麦整个生育期,使得冬小麦灌浆期越来越接近当地的雨季;晚熟新品种增加了小麦生育期内降雨,有效缓解了冬小麦整个生育期内土壤水分的亏缺状况,优化了冬小麦产量形成阶段的土壤水分条件;晚熟新品种可以充分有效地利用黄土高原丰富的光热资源,有效地缓解,甚至抵消气候变化不利影响,显著提高了冬小麦的籽粒产量和水分利用效率;本研究为育种专家找出了一条基于模型模拟的应对气候变化的育种新思路和新方法。(5)黄土高原旱地冬小麦的最佳追肥时期为返青至拔节阶段;返青追氮的施肥模式相比单施基肥的施肥模式,可以显著增加小麦需氮关键期(返青期之后)土壤中矿质氮的数量,为小麦生长的充分吸氮提供保障。追施氮肥的模式可以较好地协调小麦生长需氮和土壤供氮的一致同步,达到水肥耦合的条件,有效地缓解了降雨和土壤氮肥水平对黄土高原旱地冬小麦生长的限制,使小麦产量得到提升。追施氮肥的施肥模式在黄土高原320-400 mm降雨量区域中有着更为显著的节约氮肥的潜力。