黄土高原半干旱区光热资源丰富,作物增产潜力较大。水资源短缺和土壤贫瘠限制了该地区作物产量潜力发挥。沟垄集雨种植技术作为一种节水高效的栽培措施被广泛应用于提高该地区作物生产力,然而在不同施肥量和补灌模式下沟垄集雨种植调控冬小麦水氮利用效果缺乏系统研究,不仅制约了冬小麦产量潜力挖掘,也加剧了资源浪费和环境风险。针对以上问题,本研究于2016–2020年在宁夏南部典型半干旱区开展4年沟垄集雨种植（以传统平作为对照）冬小麦的大田试验,试验设置包括施肥量(高肥:N 270+P2O5 180 kg ha–1;中肥:N 180+P2O5 120 kg ha–1;低肥:N 90+P2O560 kg ha–1;不施肥:N 0+P2O5 0 kg ha–1)和中肥量下集雨补灌和畦灌（对照）两种补灌模式,分析了沟垄集雨种植对土壤水分利用、冬小麦干物质积累与根系形态、硝态氮残留、N2O排放、反硝化细菌群落、产量和氮素吸收利用等的调控效应,研究结果可为旱作农田水、氮高效利用和小麦可持续高产稳产提供科学依据。主要研究结果如下:（1）沟垄集雨种植改善了土壤水分状况沟垄集雨种植较平作显著改善了冬小麦生育前期（播种-拔节期）土壤水分状况,高肥、中肥、低肥和不施肥下0–200 cm土层土壤含水量分别提高6.5%、2.7%、3.2%和2.4%,并在丰水年和平水年将这种改善作用维持至成熟期。提高施肥量可以有效促进小麦对土壤水分的吸收利用,与平作相比,在冬小麦生育后期（抽穗期-成熟期）,沟垄集雨种植条件下提高施肥量更明显地促进了水分的吸收,低、中、高肥分别较不施肥处理的0–200 cm土壤含水量平均降低5.2%、8.0%和12.3%,差异高于平作下相应的降低幅度3.9%、7.6%和11.6%。在中量施肥条件下,集雨补灌模式调节了土壤水分时空分布,在冬小麦生育前期（补灌前）,集雨补灌模式较对应畦灌显著提升了0–100 cm土层土壤含水（平均提高5.2%）,较畦灌显著降低了冬小麦生育期耗水量,集雨补灌1次、2次和免灌分别较对应畦灌平均降低7.4%、9.9%和3.1%。（2）沟垄集雨种植促进了冬小麦根系生长和干物质积累沟垄集雨种植较平作显著促进了冬小麦根系生长,0–100 cm根系干物质量、根长密度和根表面积密度分别提高31.7%、25.5%和36.1%;同时,冬小麦地上部干物质积累显著提升17.7%。在一定范围内提高施肥量可以有效促进冬小麦生长,中肥下促进效果最佳。在中量施肥条件下,集雨补灌模式0–100 cm根系干物质量、根长密度和根表面积密度较畦灌分别提高54.0%、32.6%和30.8%;冬小麦返青期-抽穗期的地上部干物质积累平均提高12.4%。（3）沟垄集雨种植增加了土壤硝态氮残留和累积经过4年定位研究发现,沟垄集雨种植较平作显著提高了土壤0–300 cm硝态氮含量（不施肥下降低8.4%）,低、中、高肥时分别提高12.5%、3.6%和1.4%。沟垄集雨种植条件下,表层淋失的硝态氮在120–260 cm发生累积,较平作（120–240 cm）下移20 cm,且累积量随施氮量增加呈指数增长。当施氮量≥180 kg ha–1（中肥）时显著增加了硝态氮淋溶至深层土壤中的风险,沟垄集雨种植和平作中肥下土壤残留硝态氮含量分别是低肥下的2.9倍和3.2倍。在中量施肥条件下,集雨补灌较对应畦灌显著提高了土壤残留硝态氮含量。在0–200 cm土层,集雨补灌1次、2次和免灌分别较畦灌对应处理的硝态氮含量4年平均显著提高28.9%、37.0%和25.8%。（4）沟垄集雨种植减少了冬小麦生育期N2O累积排放量沟垄集雨种植较平作显著降低了冬小麦生育期N2O累积排放量,不施肥、低、中、高肥时分别降低128.8%、101.1%、109.0%和107.7%。施肥驱动了N2O的排放,随着施肥量的增加N2O排放通量显著增加。在中量施肥条件下,集雨补灌较对应畦灌显著降低了冬小麦生育期N2O累积排放量。集雨补灌1次、2次和免灌分别较畦灌对应处理N2O累积排放量降低37.6%、28.1%和37.1%。同一补灌模式下,随着补灌次数的增加,N2O累积排放量显著增加。（5）沟垄集雨种植调节了土壤反硝化细菌群落结构沟垄集雨种植较平作的nir S型反硝化细菌丰富度显著降低6.9%,nir K型反硝化细菌的丰富度和OTUs数量却分别显著提高3.5%和10.8%。各施肥量处理的nir S型和nir K型反硝化细菌的优势菌群均为变形菌门。低肥和不施肥下的nir S型和nir K型反硝化细菌的群落结构相似。nir S型和nir K型反硝化细菌群落结构的变化与土壤理化性质密切相关,主要影响因子包括硝态氮含量、土壤含水量、脲酶活性和土壤全氮。（6）沟垄集雨种植提高冬小麦产量、水分利用效率、氮素吸收效率和氮素生产效率沟垄集雨种植下不施肥及低、中、高肥处理分别较对应平作单产提高13.5%、17.1%、7.6%和7.7%;水分利用效率提高17.0%、19.3%、12.4%和15.7%;植株氮素吸收量提高22.3%、25.6%、18.6%和21.3%;氮素吸收效率在低、中、高肥处理分别提高25.6%、18.4%和21.5%;氮素生产效率在低肥和中肥处理分别提高22.3%和11.0%。随着施肥量的提高,产量和水分利用效率先增加后降低,在中肥时达到最大。中量施肥条件下,尽管集雨补灌下1次和2次补灌处理较对应畦灌灌水量减少50%,其产量相当于畦灌的93.3%–104.6%（P＞0.05）,“节水稳产效应”显著;免灌条件下集雨种植处理较平作产量平均提高12.1%。集雨补灌1次、2次及免灌较对应畦灌的水分利用效率分别显著提高7.4%–14.6%、1.1%–9.2%和6.4%–42.3%;冬小麦氮素吸收量分别显著提高11.4%、14.2%和26.7%;氮素吸收效率显著提高11.8%、14.2%和21.7%。综上,沟垄集雨种植增强了土壤供水与冬小麦需水的匹配,有效促进了冬小麦根系生长和氮素吸收利用,调控了土壤反硝化细菌群落结构,降低N2O排放,显著提高了产量和水分利用效率,却引发了土壤中硝态氮残留增加和深层淋溶风险,且随施肥量提高趋于加剧。该模式下推荐N 90–180 kg ha–1+P2O5 60–120 kg ha–1作为黄土高原半干旱区小麦高产高效管理方案。基于该模式水氮高效利用潜力,进一步将其与少免灌理论耦合开发形成集雨补灌技术,可大幅降低灌溉用水量,为建立半干旱区节水、稳产、氮高效、绿色小麦生产体系提供技术参考。