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在我国西北半干旱地区，秸秆和地膜覆盖被广泛用来节水保墒，提高作物产量和水分利用效率。然而对于该模式下水热运移机制认识不清，限制了该覆盖栽培措施的有效发挥。本研究以黄土塬区旱作麦田秸秆和地膜覆盖模式下土壤水热耦合为研究对象，利用持续田间定位监测土壤剖面水分和温度数据、以及室内土壤理化性质的测定，结合数值模型模拟的方法，详细刻画了垄地和沟内两种微立地条件下土壤水分和温度差异及其动态变化特征，应用HYDRUS模型模拟分析不同覆盖模式下二维土壤水热耦合运移机制，从而准确计算田间作物耗水量和作物水分利用效率。同时，借助CI-600根系观测系统，利用原位测定了不同生育期的根系图像，以期为冬小麦根系生态研究及提高旱地小麦生产潜力提供理论依据。田间试验处理包括农户习惯施肥(CK)、推荐施肥(JN)、推荐施肥+夏闲秸秆(JN+S)、推荐施肥+垄覆沟播(JN+PFM+S)四个处理。研究结果表明：（1）冬小麦不同处理生育期内0~100cm剖面不同土层土壤含水量既随降雨波动，又受不同覆盖栽培条件的影响，其中不论是丰水年还是干旱年，“推荐施肥+垄覆沟播”处理0~100cm土层内土壤储水量始终保持最高；（2）不同处理土壤日平均温度动态变化差异较小，在出苗-越冬期，5cm处日平均地温JN+PFM+S> JN> JN+S> CK，而在返青-成熟期，5cm处日平均地温CK> JN>JN+S> JN+PFM+S。但土壤温度日内变化差异较大，不同处理的日较差为JN> JN+S>JN+PFM+S；（3）在丰水年，与CK处理相比，JN、JN+S和JN+PFM+S处理分别增产8.86%、8.60%和5.25%，水分利用效率分别提高6.93%、11.23%和42.06%。在干旱年，JN+S和JN+PFM+S处理出现减产，但JN+PFM+S处理水分利用效率仍最高；（4）HYDRUS模型模拟值同实测值拟合度较好，可用于不同覆盖模式下土壤水热过程模拟分析。特别是HYDRUS-2/3D模型能够详细模拟不同覆盖模式下微区域中可能存在的土壤水热侧向流（水平运动），温度梯度引起的水分运动及土壤水分含量不同导致的温度分布差异，从而实现旱作麦田不同覆盖模式下二维土壤水热耦合运移机制的数值模型分析。（5）冬小麦的活根长和根尖数在观测期内均呈先减小后增加再减小的“倒S”型变化趋势，在抽穗期根系增长最为旺盛。而冬小麦平均根直径不存在显著差异，均在0.15~0.20mm之间。不同覆盖模式下冬小麦活根长和根尖数的径级分布基本一致，均随着径级的增加先迅速增加后逐渐降低。其中根平均直径在0.1~0.2mm范围内的细根活根长和根尖数所占比例最大，分别为55.5%~89.5%和41.9%~83.3%。（6）根长密度在越冬期最小，返青期后迅速增加，于抽穗期达到最大。在整个观测期内，各处理根平均直径在0.1~0.2mm范围内根长密度最高，所占总根长密度的52.7%~89.5%。根平均直径大于0.4mm时的根长密度最小。在返青至拔节期，冬小麦根系呈正生长；而在抽穗至灌浆期，冬小麦则表现为负生长。