化肥、地膜覆盖和高密度栽培的应用,促使黄土塬区玉米产量得到大幅度的提高。然而,长期的、大量的化肥投入、地膜应用和高密度栽培导致了土壤结构和养分环境恶化,基础地力逐年降低,造成玉米产量停滞不前。合适的品种,配合科学的施肥管理措施,能够更大限度地发掘玉米的产量潜力和稳定产出。通过对比玉米品种的形态和竞争特性,为发掘玉米产量和WUE潜力提供生态学理论支持。将植株个体生长特性与土壤-植物-大气水分连续体中水分平衡理论相结合,通过对传统耕作方式中栽培密度、化肥管理技术和有机肥配施方式的优化,深层次地发掘优化模式对土壤基础肥力的固持能力,对玉米生理、生态特性的促进能力及产量稳定、可持续提升的潜力,以期为旱区农业可持续发展奠定理论和实践基础,主要结论如下:(1)、品种混作优化玉米根系发育,增强根系导水率(Kr),促进根系对土壤水分、养分的吸收和运输能力。地下生长的相互作用促进玉米0-30 cm土层根长密度(RLD)的增加,限制根系冗余生长,促进地上部干物质积累及向籽粒转移。混作密度是产量(10-16%)和WUE(5-14%)波动性增长的主要原因。在黄土旱塬区,品种互作有利于耐旱性玉米Z958的植株生长和籽粒发育。(2)、混作密度增加是品种间相互作用强度增加的主因,且S16具有较强的资源获取能力和空间侵占力,导致其在高密度混作中较高的AYL和增产潜力。而且,高密度混作下群体LER大于1,AYL保持正值,表明Z958和S16具有明显的混作优势和较高的土地利用效率,具有保障玉米产量和WUE稳定增长的潜力。S16较强的竞争力,促成较高的地上部生物量和庞大的根系,但单株籽粒产量存在一定程度的损失。Z958具有更加灵活的混作适应性,较小的种内竞争和耐旱性,是高密度栽培下产量和WUE稳定可持续增加的基础。(3)、连续配施有机肥,显著降低表层土壤SBD,有利于玉米根系对50-150 cm土壤水分吸收和利用。有效保存生育期后期土壤表层残留养分,促成年际间N、P和SOM 38.3%、330.4%和50.2%最大增长率。(4)、配施有机肥形成良好的土壤养分、水分环境,促进0-40 cm土层RLD的显著增加,有助于玉米根系对土壤水分的有效吸收即Kr的显著提升,为茎流速率的增加,叶片光合水分需求奠定充足的水分基础。有机肥增强单株玉米水分利用能力,促进植株生物量积累与分配,有助于玉米单株干物质从茎秆到籽粒的转化速率,最终,实现产量5-10%和WUE 3-8%的连续稳定增加。充分证实有机肥具有改善土壤水、肥时效性,促进水分在玉米植株中的高效循环,保障高密度玉米栽培下植株生产力的可持续增加。(5)、栽培密度、化肥管理技术结合有机肥配施(SY-O和EY-O)有效缓解化肥对土壤结构和环境的副作用,为SOM、N和P的有效储存提供优越的土壤环境,降低N、P的淋溶流失,提高土壤养分利用效率。优化后的化肥管理策略配施有机肥,增加了玉米对中层土壤(50-150 cm)水分的高效吸收和利用,同时保证浅层(0-50 cm)土壤对雨水资源的保存、下渗,保证深层(150 cm以下)土壤稳定的水分收支平衡。(6)、土壤水分、养分环境的改善,促进0-40 cm土层中的根系分布,同时,伴随单株玉米叶面积(LA)和地上部生物量显著增加,为光合产物合成和籽粒灌浆奠定坚实的生物学基础。有机肥对根系生长和冠层发育的巨大影响,优化了植株地上部、地下部的生长格局。有机肥连续配施相对于单独化肥施用,可有效维持灌浆期Kr的稳定增加。结合SY-O和EY-O中茎流速率(SFR)的增加和较长的输水活力,有机肥有效改善了植株中的水分过程,从而调节营养和生殖生长之间同化物的合理分配。(7)、长期的传统栽培(TP)和单施化肥模式(HY)栽培,破坏土壤结构,影响土壤水分、养分储存和利用,造成土壤退化及基础地力降低。化肥管理技术配施有机肥栽培(SY-O和EY-O),产量逐年显著增加,且EY-O增加幅度略高于SY-O。较高的栽培密度配施有机肥,通过优化土壤环境,提升玉米根系对土壤水分和养分的吸收,保证了玉米产量可持续、稳定增加的同时,保障土壤环境和土壤生产能力的恒定。较高的栽培密度、化肥管理策略和有机肥配施合理配合,降低高密度栽培下单株玉米的产量损失,实现玉米群体产量、WUE相对于传统模式75%和71%的平均增长率,同时优化土壤基础肥力和土壤环境。EY-O模式可作为参考,解决黄土塬区半干旱农业生产中由于长期施用化肥造成的产量、WUE停滞不前问题,充分发挥密度、化肥管理和有机肥配施的增产增效潜力,实现粮食增产与土壤环境优化的双赢,保证农业生产的可持续发展。