黄土高原作为我国最大的雨养（旱作）农区,特殊的区域气候严重限制了作物生产力的提高。垄沟覆膜种植（RFPM）作为一种高效的微集水种植策略,在黄土高原雨养农业生产中具有较高的适用性,且取得了较好的预期效果。垄沟单元作为该种植模式的核心构型,确定合理的垄沟比例对进一步完善该种植方式和提高作物生产力至关重要。我们采用meta分析和大田试验相结合的研究思路,首先通过meta分析定量不同垄沟比例（垄沟比＞1、＜1和=1）对土壤水热、作物产量和水分利用效率的平均效应并确定影响其效应的关键驱动因素,并基于结果进一步指导大田试验;另外,施氮量被确定为影响垄沟比效应的关键因素（基于meta分析）,不同垄沟营造出不同的水热环境,这能否与施氮量产生“以水定肥、以肥促水”的正向协同效应,进而提高作物生产力,目前尚无明确定论。大田试验采用双因素（种植方式和施氮量）试验设计,种植方式包括三个不同垄沟比（40 cm:70 cm（RF40-70）,55 cm:55cm（RF55-55）以及70 cm:40 cm（RF70-40））的垄沟覆膜种植（仅垄上覆盖塑料薄膜）,且以传统无覆盖平作（FP）为对照;因素二为施氮量,包括180 kg ha-1（N1）、240 kg ha-1（N2）和300 kg ha-1（N3）。通过明确两因素对春玉米田土壤环境、春玉米物候、冠层建立、根系生长发育、根冠关系、根系活性和用水模式、水氮吸收利用、春玉米产量以及经济效益的综合效应,以确定适宜黄土高原雨养春玉米生产的垄沟比和施氮量组合。本研究主要得出以下结论:（1）Meta分析结果显示,相比FP,垄沟比＞1在土壤蓄水和增温方面效果最佳。与FP相比,垄沟比＞1、=1和＜1分别平均显著提高作物产量37.65%、27.12%和31.70%,分别平均显著提高WUE 47.70%、30.00%和17.80%。基于作物产量和WUE,各垄沟比的效应受气候因素、土壤性质和田间管理的共同影响。年降水量大于600mm和年均温大于12℃时,垄沟比＜1具有较好的效果,反之垄沟比＞1时具有更好的效果。土壤容重、有机质和全氮含量是影响三个垄沟比效应的关键因子,但是土壤速效养分无显著影响。三个垄沟比的正效应在中等氮肥施用量下最大,且随着磷肥施用量的增加而增加,但是并不受钾肥施用量的影响。研究结果还显示仅覆盖垄即可作为垄沟种植的覆盖模式。这些结果为垄沟构型的优化以及大田试验的开展具有重要的参考价值和借鉴意义。（2）本研究中,土壤温度表现出明显的时空异质性,且仅受垄沟比的影响而不受施氮量的影响。三个垄沟比的增温效果并不是持续的,总体上随着生育进程的推进而降低。在前期,相比FP,RF40-70、RF55-55和RF70-40分别提高5 cm土层温度1.02℃,1.95℃和2.25℃,分别提高15 cm土层温度1.21℃,1.90℃和2.48℃。一般而言,垄沟比越大对土壤含水量改善程度越大,特别是0-100 cm土层,RF40-70,RF55-55和RF70-40分别平均提高4.70%,9.15%和11.67%。施氮量的增加降低了土壤含水量,这存在加剧干旱胁迫的风险。施氮量的增加提高了各土层的NO3--N和全氮的含量和累积量,但是增加垄沟比有明显降低这两者的趋势。另外,垄沟比和施氮量的增加均提高了耕层的有机质含量,这可能是由于根系生物量增加导致的。上述结果表明,优化垄沟比和施氮量可以改善土壤水热环境、降低氮素损失风险,并为春玉米生长提供更有效和更舒适的资源获取环境。（3）研究结果显示,垄沟比和施氮量对春玉米的物候期存在明显影响。在N1施用量下,相比FP,三个垄沟比使春玉米出苗时间提前4-6天;施氮量的增加延长了三个垄沟比下春玉米的生殖生长阶段,这导致在N2和N3施用量下三个垄沟比的春玉米生育天数延长1-4天。垄沟比和施氮量的增加均有利于扩大春玉米地上冠层的建立,包括株高、叶面积、干物质的累积。在三个施氮量下,相比FP,RF40-70、RF55-55和RF70-40分别提高净光合速率9.52%、15.72%和21.88%;施氮量的增加同样有增加光合速率的趋势,但是N2和N3施氮量之间无显著差异。在同一施氮量下,相比FP,三个垄沟比均通过延长灌浆活跃期增加了最终粒重,但是施氮量的增加并不利于籽粒灌浆。上述结果表明优化垄沟比和施氮量能够改善春玉米地上部冠层建立和同化物累积,为生产力的提高奠定了生理基础。（4）本研究中,垄沟比和施氮量的增加均明显促进了0-40 cm土层根系生长。在三个施氮量下,对于根系长度、表面积和干重密度,相比FP,RF40-70分别平均提高21.48%、34.37%和24.21%;RF55-55分别提高35.18%、55.53%和33.91%;RF70-40分别提高47.50%、74.82%和42.40%。相比FP,垄沟比的增加提高了春玉米根系在浅层（0-20 cm）土壤的分布比例,但是施氮量的增加促进了根系在深层（60-100 cm）土壤中的分布比例。垄沟比和施氮量的增加均提高了根系活性,相关性分析表明这与根系特征参数的改善有关。本研究中根冠比仅受种植方式的影响,且在不同生育时期呈现出不同的趋势。在生育前期（V6）,相比FP,三个垄沟比显著提高了根冠比这有利于根系吸收更多养分用于地上冠层的快速建立;然而在生育中后期（VT、R3和R6）,三个垄沟比反而降低了根冠比使得地上部分配更多的同化物,有利于产量的形成。上述结果说明优化垄沟比和施氮量可以促进根系生长,并优化根冠关系促进地上部同化物的分配。（5）本研究通过水同位素(δD andδ18O)示踪技术分析了不同种植方式下春玉米的根系用水模式及其相关的根系特征参数。与FP相比,两个垄沟比（RF40-70和RF70-40）没有改变春玉米根系在各个时期的主要吸水土层。从春玉米的整个生育进程来看,根系主要吸水土层呈现“浅层-中层-浅层”的趋势,这与春玉米根系的生长发育、自身水分需求以及土壤水的有效性有关。基于“Mix SIAR”模型定量分析了春玉米在各个土层的吸水量,相比FP,在RF40-70和RF70-40下,春玉米根系增加了在浅层土壤中的吸水比例,反而降低了在深层土壤中的吸水比例。这一现象与浅层土壤水热环境改变以及根系参数的分布比例有关。另外,我们还发现根系吸水模式主要与根系长度密度和表面积密度有关,而与根重密度无关。（6）本研究中,垄沟比和施氮量的增加均有利于产量的提高,但大多数情况下N2和N3施用量下籽粒产量无显著差异。在三个施氮量下,相比FP,RF40-70、RF55-55和RF70-40分别显著提高籽粒产量11.91%-13.95%、20.00%-20.48%和27.47%-30.03%。氮素累积量对种植方式和施氮量的响应与籽粒产量表现出相同的趋势,但是施氮量的增加降低了目标性氮输出（籽粒）,并且在N3下籽粒氮素分配比例随着垄沟比的增加而降低。在三个施氮量下,相比FP,三个垄沟比均显著提高了氮肥偏生产力（Nf P）和氮素吸收效率（Nup E）,且随着垄沟比的增加而增加。但是Nf P和Nup E遵循报酬递减规律,随着施氮量的增加而降低。垄沟比和施氮量的增加均导致春玉米生产成本的增加,但是由于总产出呈现出相反的趋势且远大于生产成本投入的的增加,这导致RF70-40与N2或N3组合下净收益最大。基于产量和WUE,通过回归分析得出,相比其他种植方式RF70-40具有较低的氮投入阈值,即268.56 kg ha-1-274.14 kg ha-1。本研究明确了春玉米生产力对垄沟比和施氮量联合效应的响应,并从土壤环境、春玉米生长发育、根系生长、活性及其与地上部关系、水分吸收利用模式等角度揭示了生产力变化的生态和生理机制。总体而言,RF70-40与施氮量为268.56-274.14 kg ha-1相组合具有较高的生产力和净收益,可作为黄土高原雨养春玉米生产中合理的垄沟比与施氮量组合。