旱地约占我国国土总面积的70%，旱作农田面积约为5亿公顷，占总耕地面积的50%，旱作农业对保障我国粮食安全至关重要。玉米是旱作地区最重要的粮食作物之一，但是受有限水资源的影响，玉米产量始终维持在较低水平，产量潜力没有充分挖掘。另外，过量施肥问题在旱作玉米生产中较为普遍，导致氮肥利用效率降低，氮素损失量增加，引起环境风险。本文针对旱作玉米生产中存在的这些问题，提出3个基本假设：（1）黄土高原南部旱作地区春玉米生长期降雨量基本能实现气候产量潜力，而干期分布是造成干旱胁迫、导致产量难以提高的直接原因；（2）由于水分条件的改善，在覆膜条件下提高种植密度可以显著增加玉米产量及水分利用效率；（3）确定适宜施氮量及氮素生育期分配是实现旱作春玉米高产、提高水分及氮肥利用效率、减少硝态氮淋溶和累积强度及氧化亚氮（N2O）排放的有效调控措施。为验证上述假设，在典型的旱作农业区陕西长武布置了两个田间定位试验，通过3年工作，系统研究了两种典型地表覆盖措施（覆膜和覆砂）和氮肥用量对土壤水分和矿质氮含量、玉米产量、干物质生产和氮素累积动态、水氮利用效率以及N2O排放等的影响。取得的主要进展有：（1）降雨季节分布不均、利用效率低是造成干旱胁迫、限制黄土高原南部旱作玉米生产的主要因素，而降雨总量基本能够满足玉米生产。≥5天的干期（日降雨量低于0.85mm定义为干旱，任意连续的干旱天数为一个干期）总天数占到了玉米生育期的60%以上，并且主要集中在玉米播种至吐丝期间。砂砾和地膜覆盖显著提高了玉米生育前期的土壤贮水量。不同处理间玉米生育期耗水总量无明显差异，但覆盖处理显著提高了吐丝期前后耗水量的比值，说明地表覆盖不仅提高了土壤供水能力，而且保证了干旱季节植株的水分需求。因此，与不覆盖处理相比，砂砾和地膜覆盖处理水分利用效率分别提高14.8-51.0%和25.6-88.0%，产量分别提高16.7-70.3%和28.3-87.6%。（2）砂砾和地膜覆盖处理显著提高了玉米生育期地上部氮素累积量，收获期氮素总累积量较不覆盖处理分别增加12.8-41.2%和33.2-55.8%，说明覆盖措施提高了氮素吸收效率。氮素收获指数在两个覆盖处理间无明显差异，但较不覆盖处理显著提高9.6-32.4%，意味着氮素利用效率的提高，主要因覆盖促进了吐丝后氮素的吸收以及营养生长期累积的氮素向籽粒的再转移。氮肥利用效率在砂砾和地膜覆盖条件下分别提高了16.7-70.3%和28.3-87.6%。另一方面，在丰水年（2010和2011年）各处理均发生了土壤硝态氮淋溶，在干旱年份（2012年）0-100cm土层硝态氮累积量均有所增加，但砂砾和地膜覆盖明显降低了硝态氮累积和淋溶的强度。（3）地膜覆盖条件下种植密度从公顷65000株增加到85000株玉米产量显著提高，增幅为7.5-9.8%。原因在于提高密度后更充分的利用了土壤贮存水分，尽管收获期穗粒数有所下降，但单位面积收获穗数显著提高。全生育期地膜覆盖加快了玉米植株花后生育进程，但吐丝期揭膜因降低了土壤温度，延缓了叶片和根系衰老速率，灌浆持续期延长3-4天，因而增加了收获期穗粒数和千粒重，最终产量进一步提高，增幅达到0.6-1.2t ha-1。（4）氮肥施用量显著影响旱作玉米产量、干物质和氮素累积量。氮肥用量低于250kg N ha-1时，玉米产量、干物质和氮素累积量随施氮量增加而升高。施氮量为200-400kgN ha-1时，在不同降雨年型覆膜玉米均能稳定实现高产（13.1-15.1t ha-1）。籽粒产量与吐丝期之前干物质和氮素累积量呈“直线+平台”的相关关系，而与吐丝后干物质和氮素累积量呈直线相关关系。以上结果说明优化氮肥管理促进干物质和氮素累积，尤其是提高吐丝后累积量，是覆膜旱作玉米持续获得高产的关键。（5）玉米生育期氮素表观损失量和收获后0-100cm剖面土壤硝态氮残留量随氮肥施用量增加而升高。丰水年，过量施氮会导致土壤硝态氮淋溶量增加。氮肥利用效率随施氮量的升高而降低，但是氮肥农学效率、氮素表观回收率和生理效率在施氮100、200和250kg N ha-1时无显著差异。玉米产量与氮素供应量（肥料氮与播前0-100cm剖面土壤硝态氮累积量之和）之间符合线性加平台的相关关系。获得最高产量（13.9t ha-1）的最低氮素供应量为279kg N ha-1，该供应量与玉米地上部氮素吸收量基本一致，同时氮素表观损失量显著降低。这说明基于土壤硝态氮测试推荐氮肥投入量既能够满足高产覆膜玉米的氮素需求，又能够减少氮肥损失。（6）砂砾和地膜覆盖处理提高了表层土壤温度和含水量，但N2O排放量与不覆盖处理相比没有明显差异。这主要是由于覆盖提高了玉米氮素吸收量，导致土壤矿质氮含量降低，因而限制了N2O的产生。另一方面，由于籽粒产量的增加，覆盖处理单位产量N2O排放量显著降低，而且地膜覆盖处理的降低幅度大于砂砾覆盖处理。N2O排放量随氮肥施用量的增加而升高，但玉米产量在施氮量（250kg N ha-1）与植株氮素需求量基本一致时即达到最高。因此，施氮250kg N ha-1既实现了玉米高产（15.2-15.7t ha-1），又保证了较低的N2O排放强度（125-155g N2O-N t-1籽粒）。