作为一个典型的雨养农业地区,我国黄土高原地区农业生产的可持续发展不断面临着水分亏缺和土壤贫瘠所带来的挑战。夏闲期种植并翻压绿肥作物不仅可以有效培肥地力、促进后茬作物生长和产量形成,同时能在时间和空间层面上提高养分、水分、光热等自然资源的利用率,因此,本研究通过在渭北旱塬地区开展长期的田间定位试验(2008年~至今),深入研究黄土高原地区种植不同豆科绿肥(长武怀豆、大豆和绿豆,夏季裸地休闲为对照)以及冬小麦生长季不同施氮水平(0,108,135,162 kg N/ha)对土壤水分和氮素供应的影响,初步探究豆科绿肥协调土壤水分和氮素供应的效应及机理,旨在为恢复并发展我国绿肥产业体系提供科学的理论依据和技术支撑。取得的主要结果如下:(1)通过4年的田间定位试验数据,研究发现旱地连续多年种植并翻压豆科绿肥较传统的裸地夏休闲能够有效促进后茬冬小麦苗期的生长(冬季单株分蘖数和春季总茎数)、后期的产量形成(产量、生物量和公顷穗数)和养分吸收状况。然而,由于需要额外的劳动成本和田间管理投入,豆科绿肥体系较高的生产成本严重影响该体系的经济效益。此外,施用氮肥较不施氮显著提高旱地冬小麦生长状况、产量形成、养分吸收和经济效益,然而三种氮肥施用量间无显著差异;(2)通过6年的田间定位试验结果并结合当地57年的降雨气象资料,详细分析我国渭北旱源冬小麦种植区降雨时空分布特征,初步研究黄土高原地区不同降雨年型条件下应用豆科绿肥对后茬冬小麦产量和水分利用效率的影响,同时探究豆科绿肥协调旱地土壤水分平衡的内在机理。发现连续多年夏闲期种植豆科绿肥的确会消耗土壤水分,同时该措施会因降雨年型的不同而对后茬冬小麦产量带来不同程度的影响。当年降雨量较为丰沛时,种植豆科绿肥所引起的夏闲期土壤水分亏缺能够得到及时补充,豆科绿肥可增加旱地冬小麦生产量;反之,干旱年份则该措施将带来严重的减产效果。整体来看,试验期间种植并翻压豆科绿肥较夏休闲显著提高冬小麦产量和水分利用率,平均提高幅度分别为13%和27%。同时,豆科绿肥对促进旱地土壤水分平衡也发挥着重要的作用;(3)结合长达374天的豆科绿肥的腐解试验,进一步探究了豆科绿肥生育期所累积的氮素在旱地传统的冬小麦种植体系中吸收、转化和利用的内在机制。研究发现,试验期间平均每年豆科绿肥在其盛花期通过其地上部和根系生物量积累共计53~76 kg N/ha氮素,通过一年的翻压还田,至少有32 kg N/ha绿肥氮素经过土壤微生物的分解矿化作用释放到周围环境中;其中,约有7~27 kg N/ha最终被后茬的冬小麦吸收利用。整体来看,豆科绿肥体系平均每年氮素总投入量为164 kg N·ha-1·yr-1,氮素携出量平均为114 kg N·ha-1·yr-1,最终导致该体系每年约有50 kg N·ha-1·yr-1的氮素盈余在土壤中。旱地夏闲期应用豆科绿肥能够有效替代13~48%(平均为31%)的冬小麦生长季无机氮肥用量。此外,连续4年种植豆科绿肥可降低夏闲期间土壤硝态氮向深层(100~200 cm)淋溶的风险,平均降低硝态氮淋溶19.6 kg N/ha;(4)通过5年的田间试验结果,探究我国黄土高原地区应用豆科绿肥对旱地麦田土壤碳库和氮库库容的影响;同时采用One-compartment模型,对土壤有机碳库周转的动态机制进行了拟合。发现在黄土高原地区的夏闲期种植短期的豆科绿肥,其生物量及碳、氮养分累积与生长周期呈极显著的幂函数关系。经过一年的腐解矿化,旱地麦田土壤中豆科绿肥地上部和根系的平均碳素残留率分别为26%和33%;而相应的平均氮素残留率分别为31%和52%。与基础土样相比,夏闲期连续多年种植并翻压豆科绿肥显著提高旱地麦田表层土壤有机碳、活性有机碳和全氮含量以及相应的库容储量。此外,试验第5年表层土壤有机碳库储量与平均每年作物碳还田量间呈现显著的正相关关系,并且每年至少需要0.68 Mg C·ha-1·yr-1的作物碳还田量才能够基本维持基础土壤的有机碳库储量(19.04 Mg C/ha)。通过One-compartment模型,本研究计算出我国黄土高原地区旱地土壤有机质的矿化速率(1%)和腐殖化系数(23%)。此外,我们预测需要近22年的时间该类型土壤的有机碳库容才能达到周转平衡状态,说明目前土壤有机碳库尚未达到饱和状态,还有继续固持碳素的潜力和空间。整体来看,在黄土高原地区传统的冬小麦-夏休闲体系中长期引入绿肥作物能够有效促进冬小麦生长和养分吸收、提高冬小麦生产力水平和水分利用效率,并能够替代部分冬小麦生长季的无机氮肥施用量;同时,种植豆科绿肥能够有效降低土壤矿质氮向深层淋溶的风险,并显著提高旱地表层土壤肥力水平。因此,在黄土高原地区发展绿肥产业体系具有一定的可行性,同时将对我国发展稳产高效、环境友好型的现代化农业带来深远的影响。