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垄沟集雨种植是提高降水利用效率、改善旱区作物水分供应状况、实现作物高产的一种种植模式。整体来说,垄沟集雨种植能够较大程度地提高作物产量和WUE,但由于旱区降水分布不均及降水量不足,作物在某一生育期遭受水分亏缺的影响仍不可避免。因此,将垄沟集雨种植技术与作物需水关键期补灌相结合,能更大程度保证作物高产稳产。本研究以冬小麦“小偃22”为研究对象,设置两种种植方式(平作种植和垄沟集雨种植)和4种补灌时期(播种后雨养(P0/M0)、拔节期补灌40mm(P1/M1)、抽穗期补灌40mm(P2/M2)、拔节期与抽穗期各补灌40mm(P3/M3)),探讨不同种植方式和补灌时期对田间土壤水分时空动态变化、冬小麦生长生理指标、籽粒灌浆特性、产量及水分利用效率的影响。主要结论如下:(1)垄沟集雨种植对0~120cm土层土壤具有增熵效应,120~200cm土层土壤具有降墒效应。就整个生育期而言,0~40cm土层,垄沟集雨种植处理的土壤贮水量较平作处理平均提高11.19%;40~120cm土层,提高了1.52%;120~200cm土层,降低了4.52%。补灌处理能显著增加0~200cm土壤贮水量,拔节期和抽穗期均补灌40mm处理的土壤贮水量最大。补灌处理对0~40cm土壤贮水量影响最大,其较未补灌处理提高了8.11%~11.79%。(2)与平作补灌相比,对应的各垄沟集雨补灌处理能显著提高冬小麦株高、叶面积、干物质量及叶绿素含量。其中,M3处理的各项指标最大。相同补灌量下,垄沟集雨种植或传统平作,拔节期补灌处理(P1/M1)的冬小麦各项生长生理指标均大于抽穗期补灌处理(P2/M2)。(3)垄沟集雨种植较传统平作能够提高籽粒灌浆速率和灌浆持续时间。适量补灌能提高籽粒平均灌浆速率,延长灌浆持续时间,从而提高千粒重,但灌水量超过一定限度会导致籽粒灌浆速率降低。其中,M1处理的籽粒平均灌浆速率最大。(4)与平作补灌相比,对应的各垄沟集雨补灌处理能显著提高冬小麦产量,增幅为6.25%~8.41%。垄沟集雨种植通过增加冬小麦穗粒数和千粒重实现增产目的,适量补灌可以增加冬小麦穗数、穗粒数和千粒重,但灌水量过多会导致千粒重下降。(5)与平作补灌相比,对应的各垄沟集雨补灌处理能显著提高冬小麦水分利用效率,增幅为8.48%~11.36%。垄沟集雨种植下,拔节期补灌40mm(M1)处理的灌溉水利用效率最大。其中,M1处理的水分利用效率较M0、M2、M3分别提高5.91%、7.07%、3.68%,灌溉水利用效率较M2、M3提高2.06倍和0.72倍。(6)垄沟集雨种植下,M3处理的产量较M1提高1.76%,但M1处理的水分利用效率和灌溉水利用效率较M3分别提高3.68%和71.90%。因此,垄沟集雨种植结合拔节期补灌40mm(M1)是西北半湿润易旱区冬小麦节水增产的最优处理。