本研究采用室内盆栽实验、野外调查采样和田间试验研究相结合的方法,对黄土丘陵区撂荒草地土壤养分的空间异质性进行了研究,分析了陕北几种主要撂荒群落植物对异质性施肥的反应,研究了施肥强度、施肥格局及植物栽植方式对不同植物生长(地上生物量和根系生物量)的影响,深入探讨了单栽和混栽植物根系对施肥强度、施肥格局做出的可塑性反应。主要结论如下:(1)研究区撂荒样地土壤养分贫瘠, 0-20 cm和20-40 cm土层有效养分含量在群落演替中期较高,全氮和全磷在群落演替中期含量最低;土壤表层(0-20 cm)土壤养分含量明显高于亚表层含量(20-40 cm)。土壤有效养分和全氮、全磷的空间变异主要为结构性变异,撂荒6-7年样地土壤表层的有效钾和硝态氮以及撂荒25年样地20-40 cm硝态氮具有中等空间相关性,其他撂荒群落土壤0-20 cm和20-40 cm的有效养分均具有高度空间相关性;不同撂荒年限群落土壤表层和亚表层全氮和全磷表现为强烈的空间相关性。(2) 0-20 cm和20-40 cm土层有效钾和硝态氮空间变异性分别在群落演替前期和中期样地中最大,0-20 cm土层有效磷和铵态氮空间变异性在群落演替中期样地最大,20-40 cm土层有效磷和铵态氮空间变异性分别在群落演替前期和中期样地最大;0-20 cm土层全氮的空间变异性在演替后期大于前、中期,20-40 cm土层全氮的空间变异性为演替前、中期大于后期;全磷在土壤表层和亚表层由空间自相关引起的空间变异随撂荒演替年限的增加没有明显的规律性。在不同撂荒年限样地中,全量和有效养分在土壤表层和亚表层具有不同的变程,它们的生态过程在不同尺度上起作用。(3)田间试验结果表明,植物在中高氮土芯较对照土芯在根生物量、根生物量密度和根表面积上增加,比根长值则有所降低。不同植物对异质施肥的反应具有种间差异性,猪毛蒿在根生物量、根生物量密度和根长上增幅最大,分别为654.98%,65.98%和392.42%,比根长的降幅也最大,为56.11%,茭蒿在根表面积的增幅最大,为990.14%。异质性施氮磷二元肥结果表明,达乌里胡枝子根系对氮素含量一定时磷素的空间分布异质性的可塑性反应较弱。(4)室内盆栽实验表明,施肥强度和施肥格局能够对植物根系形态、地上和根系生物量的累积产生不同的影响,并且具有种间差异性。在匀质施肥方式下,铁杆蒿、狗尾草-达乌里胡枝子、狗尾草-白羊草高肥处理较低肥处理的地上生物量增量高于其它植物,分别为2.180 g,5.177 g和10.785 g,狗尾草-达乌里胡枝子和狗尾草-白羊草高肥较低肥处理的根系生物量增量高于其它植物,分别为1.326 g和2.054 g;在相同的施肥强度下,铁杆蒿-茭蒿和狗尾草-铁杆蒿异质施肥较匀质施肥的地上生物量增量高于其它植物,分别为9.163 g和11.257 g,铁杆蒿-茭蒿和狗尾草-铁杆蒿异质施肥较匀质施肥的根系生物量增量也高于其它植物,分别为5.190 g和4.557 g。异质施肥条件下,猪毛蒿-茭蒿、茭蒿-达乌里胡枝子、茭蒿-白羊草、达乌里胡枝子-白羊草高肥施肥斑块较不施肥斑块的根生物量和细根长增加量分别为0.020 g和131.310 cm,0.020 g和140.385 cm,0.088 g和817.415 cm,0.029g和505.031 cm。在低肥处理下,猪毛蒿-茭蒿、猪毛蒿-达乌里胡枝子、狗尾草-铁杆蒿、狗尾草-达乌里胡枝子、茭蒿-白羊草施肥斑块较不施肥斑块的根生物量增加量分别为0.024 g,0.005 g,0.003 g,0.017 g和0.024 g,猪毛蒿-狗尾草、猪毛蒿-铁杆蒿、猪毛蒿-茭蒿、猪毛蒿-达乌里胡枝子、狗尾草-铁杆蒿、狗尾草-达乌里胡枝子、铁杆蒿-白羊草、达乌里胡枝子-白羊草施肥斑块比不施肥斑块的根长增量分别为84.794 cm,41.619 cm,448.595 cm,68.142 cm,384.522 cm,583.764 cm,45.162 cm和62.025 cm;对匀质和异质不同施肥格局,铁杆蒿-达乌里胡枝子的根生物量差差异显著,猪毛蒿-白羊草的细根长差具有显著差异。