黄土旱塬是我国典型雨养旱作农业区,水分不足是限制其植被恢复和农业产业发展的主要因素。该地区盛行的“冬小麦→春玉米”一年一熟轮作制与翻耕和耙耱结合的农田耕作法,促使土壤的熟化作用增强,土壤蒸发量增加,导致水土流失严重,作物产量低而不稳。以作物休闲期秸秆覆盖免耕和深松为主的保护性耕作技术,能有效减少耕层土壤扰动量,增加地表覆盖物和土壤有机质含量,促进自然降水多蓄少耗,提高作物产量,同时能减轻水土流失威胁,维护和改善耕地质量,是黄土旱塬旱作农田蓄水保墒、培肥地力和增产节本的重要技术措施之一。但长期单一保护性耕作方式亦会导致土壤紧实,病虫草害难以控制,农田低产等不良影响。土壤轮耕通过合理配置土壤耕作技术措施,将翻、旋、免等土壤耕作措施进行合理的组合与配置,对于减少长期单一耕作缺点具有重要的作用。受大田试验技术条件和试验周期过长等因素的限制,对黄土旱塬旱作农田不同保护性耕作模式下作物产量、土壤水分和培肥效应的长期定位观测试验研究不足。WinEPIC模型能够对作物产量、土壤水分利用特征和土壤养分演变规律等进行长周期定量模拟。为分析和评价不同施肥及保护性轮耕模式下旱作农田的增产增收效应、土壤蓄水保墒和培肥效应,本研究在陕西省合阳县西北农林科技大学试验站设置长期定位试验,共设置平衡施肥（BF）、低肥（LF）、常规施肥（CF）三种主处理,免耕（NT）、深松（ST）、翻耕（CT）、免耕/深松轮耕（NS）、深松/翻耕轮耕（SC）、翻耕/免耕轮耕（CN）、免耕/免耕/深松轮耕（NNS）、免耕/翻耕/深松轮耕（NCS）、翻耕/翻耕/深松轮耕（CCS）9种耕作副处理。本文结合长期定位试验（2007-2017年）与长期模拟试验（1980-2016年）,研究了不同保护性连耕、轮耕模式和施肥水平下麦玉轮作田产量和土壤水分变化规律以及土壤培肥规律。研究取得的主要结论如下:1.不同施肥条件下麦玉轮作田蓄水增产与土壤培肥效应在2007-2017年试验研究期间,不同施肥条件下以低肥处理（LF）休闲期蓄水效果较好,其休闲期平均土壤含水量达420.4 mm。在春玉米→冬小麦生产进程中,低肥处理土壤水分较优,能有效地为作物生长提供更多土壤水分。而平衡施肥（BF）和常规施肥（CF）则在提高作物生育期耗水量的前提下,提高麦玉轮作田作物产量和WUE。平衡施肥在减少氮磷肥的条件下,增施适量钾肥,有效地保证作物稳产增产,保证其经济收益;其小麦和玉米平均产量分别为5077 kg ha^-1和7057 kg ha^-1,年平均经济收益为5611元ha^-1。在秸秆还田的前提下,不同施肥处理麦玉轮作田的土壤养分和土壤结构均有所改善。其中以平衡施肥的土壤团聚体、有机碳和全氮含量均较高;其土壤全效养分（N、P、K）和速效养分剖面分布较为合理,是该地区较优的施肥模式。在黄土旱塬长期麦玉轮作田适宜的施肥量为N:150 kg ha^-1,P₂O₅:120 kg ha^-1,K₂O:90 kg ha^-1。2.不同保护性连耕条件下麦玉轮作田蓄水增产与土壤培肥效应本试验研究期间,不同连耕条件下以免耕（NT）处理休闲期蓄水效果较好,其休闲期平均土壤含水量达397.7 mm。在春玉米→冬小麦生育期,免耕的土壤水分较优,能有效地为作物生长提供更多土壤水分。而翻耕（CT）和深松（ST）则在提高作物生育期耗水量的前提下,提高麦玉轮作田作物产量和WUE。但由于深松和翻耕处理的高投入及翻耕处理产量的不稳定性,免耕处理的经济收益较高,平均值为5543元ha^-1。在整个试验进程中,深松有效改良土壤结构,降低土壤容重,提高土壤孔隙度,增加土壤团聚体含量。保护性连耕均在一定程度上培肥农田土壤,但长期免耕条件导致农田土壤表层养分富集,土壤深层养分较低,而翻耕则土壤表层养分较低;深松能有效改善免耕的土壤养分富集和翻耕表层养分较低的现象,促使土壤养分分布均匀。长期保护性连耕条件下,深松能有效蓄存土壤水分,提高作物产量,有效培肥土壤,是黄土旱塬地区较优的保护性连耕模式。3.两年轮耕模式下麦玉轮作田蓄水增产与土壤培肥效应在麦玉轮作田休闲期,不同轮耕条件下以翻耕/免耕轮耕（CN）土壤蓄水效果较好,休闲期平均蓄水量为385.8 mm。在春玉米→冬小麦生育期,免耕/深松（NS）和翻耕/免耕轮耕土壤水分较优,能有效地为作物生长提供更多土壤水分。翻耕/免耕轮耕作物生育期耗水量较高,其轮作产量和WUE也高于其他处理。且翻耕/免耕轮耕投入较低,产量稳定,经济收益较高,平均值为6254元ha^-1。在整个试验进程中,免耕/深松和深松/翻耕（SC）轮耕有效降低土壤表层容重（0-20 cm）,而翻耕/免耕轮耕有效降低土壤深层容重（20-60 cm）,提高土壤孔隙度;在表层土壤0-10 cm,免耕/深松轮耕显著提高土壤团聚体含量,而在10-40 cm土层则以深松/翻耕和翻耕/免耕轮耕改善土壤结构效果较好。不同轮耕处理均在一定程度上培肥农田土壤,其中以深松/翻耕轮耕土壤有机碳和全氮含量较高,分别为9.7 kg m^-3和1.1 kg m^-3;深松/翻耕和翻耕/免耕轮耕土壤全效养分（N、P、K）和速效养分剖面分布较为合理。翻耕/免耕轮耕处理产量、土壤蓄水和土壤培肥综合效应较好,是黄土旱塬适宜的两年轮耕模式。4.三年轮耕模式下麦玉轮作田蓄水增产与土壤培肥效应在三年轮耕条件下,以免耕/免耕/深松（NNS）轮耕休闲期蓄水效果较好,其休闲期平均蓄水量为402.9 mm。在春玉米→冬小麦生产进程中,免耕/免耕/深松和免耕/翻耕/深松（NCS）轮耕的土壤水分较优,能有效地为作物生长提供更多土壤水分。而翻耕/翻耕/深松（CCS）轮耕则在提高作物生育期耗水量的前提下,提高麦玉轮作田作物产量。其中小麦以NCS和CCS轮耕产量较高,其平均值分别为5169 kg ha^-1和5168 kg ha^-1,WUE以NNS较高,平均值分别为15.9 kg ha^-1 mm^-1。玉米产量以CCS轮耕较高,为7768 kg ha^-1,WUE以NCS轮耕较高,平均值分别为21.5 kg ha^-1 mm^-1。但由于免耕/翻耕/深松轮耕的低投入和产量稳定性,其经济收益较高,平均值为6245元ha^-1。在整个试验进程中,免耕/翻耕/深松轮耕有效改善土壤结构,降低土壤容重,提高土壤孔隙度和团聚体含量。不同轮耕处理均在一定程度上培肥农田土壤,其中以免耕/翻耕/深松和翻耕/翻耕/深松轮耕土壤有机碳和全氮含量较高,其中NCS轮耕处理土壤全效养分（N、P、K）和速效养分剖面分布较为合理。NCS轮耕处理产量、土壤蓄水和土壤培肥综合效应较好,是该地区较优的三年轮耕模式。5.不同耕作模式下麦玉轮作田蓄水增产与土壤培肥效应比较在长期定位试验研究期间（2007-2017年）,不同耕作模式下以免耕/翻耕/深松（NCS）轮耕休闲期蓄水效果较好,其平均土壤蓄水量为393.7 mm。在春玉米→冬小麦生产进程中,翻耕/免耕（CN）轮耕的土壤水分较优,能有效地为作物生长提供更多土壤水分。而翻耕/免耕（CN）和免耕/翻耕/深松（NCS）轮耕则在提高作物生育期耗水量的前提下,提高麦玉轮作田作物产量。冬小麦产量和WUE以翻耕/免耕（CN）轮耕较高,分别为5221kg ha^-1和15.5 kg ha^-1 mm^-1。而春玉米产量和WUE则以免耕/翻耕/深松（NCS）轮耕较高,分别为7597 kg ha^-1和21.5 kg ha^-1 mm^-1。但由于免耕/翻耕/深松轮耕的高投入,而翻耕/免耕轮耕经济投入较低,其经济收益也较高,平均值为6254元ha^-1。在整个试验进程中,CN轮耕有效改善土壤结构,降低土壤容重,提高土壤孔隙度。而土壤团聚体含量则以NCS轮耕处理较高。不同耕作处理均在一定程度上培肥农田土壤,其中以免耕/翻耕/深松和翻耕/免耕轮耕土壤有机碳和全氮含量较高,CN轮耕处理土壤全效养分（N、P、K）和速效养分剖面分布较为合理。翻耕/免耕轮耕处理产量、土壤蓄水和土壤培肥综合效应较好,是该地区较优的耕作模式。6.不同施肥及轮耕模式下麦玉轮作田蓄水增产与土壤培肥效应在长期定位试验研究期间（2007-2017年）,不同施肥及轮耕条件下以低肥免耕（LNT）条件下休闲期蓄水效果较好,其平均土壤蓄水量为403.2 mm。而不同施肥及耕作处理作物生育期耗水量则无显著差异,但以常规施肥翻耕处理（CCT）耗水量较高。冬小麦产量和WUE以常规施肥翻耕/免耕（CCN）处理较高,分别为5440 kg ha^-1和15.2 kg ha^-1 mm^-1。而春玉米产量和WUE则以平衡施肥翻耕/免耕（BCN）处理较高,分别为7433 kg ha^-1和21.1 kg ha^-1 mm^-1。由于平衡施肥和翻耕/免耕的高产稳产性,其经济收益也较高,平均值为6254元ha^-1。在整个试验进程中,平衡施肥翻耕/免耕有效提高土壤团聚体含量,改善土壤结构。不同施肥及保护性轮耕均在一定程度上培肥农田土壤,其中以平衡施肥翻耕/免耕土壤有机碳和全氮含量较高,其土壤全效养分（N、P、K）和速效养分剖面分布较为合理,是该地区较优的施肥及轮耕模式。7.不同施肥及轮耕模式下麦玉轮作田蓄水增产与土壤培肥效应长期模拟在1980-2016年试验研究期间,不同施肥及轮耕条件下以低肥免耕条件下休闲期蓄水效果较好,能有效地为作物生长提供更多土壤水分,其平均土壤有效含水量为290.1mm。而不同施肥及耕作处理作物生育期耗水量以常规施肥翻耕耗水量较高,平均值为397.8 mm。试验期间,麦玉轮作田作物产量、WUE和经济效益以常规施肥翻耕/免耕轮耕较高,分别为5.65 t ha^-1、14.59 kg ha^-1 mm^-1和6878元ha^-1。不同施肥及保护性轮耕均在一定程度上培肥农田土壤。在整个试验进程中,其中以平衡施肥翻耕/免耕轮耕土壤有机碳含量较高,平均值为8.47 kg m^-3。经过长期试验,麦玉轮作田0-300 cm土壤有效含水量逐渐减少,以CCT处理土壤水分水分消耗速度较快,平均每个作物轮作季减少20.4 mm。本试验中,CCN处理作物产量和经济效益较好,但其土壤水分消耗量较大,土壤深层水分消耗较多,不利于该地区土壤水分恢复,而平衡施肥既高产,土壤水分消耗水平也接近于低肥,其中以平衡施肥翻耕/免耕轮耕是该地区较优的施肥及轮耕模式。