粮食安全压力仍是当前世界面临的主要问题,小麦是世界主要粮食作物之一,而由旱地生产(包括有灌溉条件的旱地)的小麦约占世界小麦总产量的四分之三以上。旱区作物受不同程度水分、养分胁迫,实际产量与预测产量仍有较大差距,采用合理的保墒培肥耕作措施有利于继续挖掘旱区生产潜力以满足日益增长人口对粮食的需求。其中,施氮对提高作物产量意义重大,但长期过量施氮引发诸多环境问题。关于不同地表覆盖模式的水氮效应问题已有大量研究,但长期地表覆盖施氮是否有利于农业可持续发展仍需借助数学评价方法进行深入研究。另外,有机无机肥配施对小麦产量及土壤肥力的贡献效应大小尚不清楚。因此,对不同保墒培肥耕作措施进行土壤肥力质量评价对我国旱区农业可持续发展及粮食安全等均具有重要意义。本研究采用田间定位试验与农户农田调查测定相结合的方法,从地表覆盖模式、有机无机肥配施模式、耕作与秸秆管理措施三方面研究了旱区不同土壤管理措施的培肥增产效应及可持续性发展潜力,获得以下主要结果:(1)利用连续7年(2002-2009)的小麦/休闲一年一熟田间定位试验,分析比较了3种地表覆盖模式(常规、覆草、覆膜)下不同施氮水平(0、120、240 kg N/hm2)对冬小麦产量及土壤肥力的影响。结果表明,覆草处理7季小麦平均减产1.46%、覆膜处理增产7.04%,施用氮肥增产42.72%。试验进行7季后,覆草及覆膜处理下土壤易氧化有机碳含量较常规处理分别增加37.57%、21.39%;覆草亦显著提高土壤有机碳、全氮、速效钾含量,较常规处理分别增加6.84%、4.40%、12.68%,而覆膜作用不显著。与不施氮相比,施氮处理土壤易氧化有机碳、矿质态氮、速效磷含量及p H值变幅依次为6.03%、40.18%、-23.55%、-0.05个单位。(2)运用可持续性指数法评价了不同地表覆盖施氮措施下旱区农田系统的可持续性发展潜力。结果表明,土壤速效磷、速效钾含量受施氮量的影响与土壤有机碳、全氮及碱解氮不同,但受地表覆盖模式的影响相同。覆草处理养分指数及微生物指数均最高,而覆膜与常规处理无显著差异,作物指数主要受施氮量影响。系统可持续性指数覆草>常规>覆膜、N120>N240>N0,不施氮系统可持续性最差,可持续性指数仅为0.80-1.02。覆草配施氮肥土壤肥力具有较好的可持续性,主要依赖于高的养分指数和微生物指数,覆膜配施氮肥后可持续性指数仍低于临界值(1.30)。(3)利用连续9年(2002-2011)的小麦/休闲一年一熟田间定位试验,分析比较了3种栽培模式(常规、覆草、补灌)下不同施氮水平(0、120、240 kg N/hm2)对冬小麦产量及播前收后土壤肥力的影响。结果表明,施氮条件下,常规与覆草处理均逐渐呈现减产趋势,补灌处理相对稳产,长期不施氮肥小麦产量下降50%-60%。覆草显著提高0-20 cm土壤有机碳、易氧化有机碳、全氮及速效钾含量,而补灌培肥效果不显著。施用9季氮肥后0-20 cm土壤有机碳、易氧化有机碳、全氮含量均增加,增幅依次为4.81%、20.70%、7.61%,而速效钾含量下降6.12%。0-20 cm土壤各指标对不同栽培模式及施氮量的响应均敏感于20-40 cm土壤。高量施氮0-100 cm土壤硝态氮累积量比临界值高69.27%。(4)利用连续10年(2002-2012)的小麦/休闲一年一熟田间定位试验,研究了秸秆(不施秸秆、施秸秆)与氮肥(0、120、240 kg N/hm2)配施的增产培肥效应。结果表明,施秸秆(S)对小麦产量的影响小于施氮(N)的影响,即S效应<N效应。随着施氮量增加,施秸秆平均每年小麦减产幅度、施高量氮肥平均每年增产幅度,以及秸秆与高量氮肥配施平均每年减产幅度都有所增加。同时,增施氮肥缩小了5-15 cm与15-30 cm两个土层之间有机碳、易氧化有机碳、速效磷、速效钾的两个试验因素主效应的差异,说明增施氮肥能影响下层土壤的培肥效果。另外,无论施氮量高低,0-30 cm土壤速效磷的N效应>S效应,速效钾则相反,说明施氮增产携出大量土壤磷而不能通过施秸秆有效补给,但施秸秆可补钾。(5)利用陕西关中平原3个地点(渭南、杨凌、三原)长期秸秆覆盖还田系统,研究了秸秆覆盖还田对0-30 cm土壤养分层化效应的影响。结果表明,秸秆还田显著提高渭南农户农田0-15 cm、三原0-5 cm土壤有机碳、易氧化有机碳及全氮含量,其中渭南0-5 cm土壤碳、氮养分增加幅度大于5-15 cm增加幅度,三原15-30 cm土壤养分下降幅度大于5-15 cm下降幅度;杨凌0-30 cm土壤养分含量都有不同程度增加,其中0-5 cm土壤有机碳、易氧化有机碳、速效磷、速效钾含量依次显著提高12.43%、20.30%、16.21%、23.73%。三地0-15 cm土壤易氧化有机碳变化量均大于有机碳变化量。因子分析结果表明,秸秆还田对0-15 cm土壤碳、氮养分的影响与15-30 cm不同,而对速效钾三个土层的影响相同。秸秆还田加剧土壤养分的层化程度,渭南、三原秸秆还田处理土壤有机碳层化率(SR值,0-5 cm∶15-30 cm)均大于2;速效养分SR值高于全量养分,其中速效磷的层化程度最高,两地SR值分别为5.24、7.93。(6)利用连续7年(2002-2009)的小麦/玉米一年两熟田间定位试验,运用多元方差分析及因子分析法比较评价了4种耕作措施(深松、旋耕、免耕、传统耕作)及2种秸秆管理措施(玉米秸秆还田、未还田)对土壤肥力质量的影响。结果表明:玉米收获后0-20 cm土壤容重免耕处理最大,旋耕、翻耕处理次之,深松处理最小;秸秆还田0-10 cm土壤容重较不还田处理显著降低2.33%。小麦、玉米收获后0-20 cm土壤养分组、有机质环境组及酶活性组指标变量对不同耕作措施的响应均敏感于秸秆管理措施。传统耕作两季土壤质量均最差。深松、旋耕有一定后效,且有机质养分因子得分较高,免耕则相反。综上所述,本试验条件下,秸秆覆盖、地膜覆盖、冬季补灌3种栽培模式长期配施氮肥均不能同时满足作物高产及地力提升的要求,即肥力特征与产量特征不一致,其中秸秆覆盖配施适量氮肥有利于培肥土壤、系统可持续性较好,补灌配施适量氮肥则高产稳产,地膜覆盖配施氮肥有一定的增产效果,但其系统可持续性低于临界值。另外,高量施氮亦有一定增产培肥效果,但与秸秆配施不能有效提高秸秆对小麦产量的贡献,且土体硝态氮残留较高。秸秆还田辅以深松、旋耕土壤肥力质量最好,同时又可降低土壤养分层化程度。因此,在旱农条件下秸秆覆盖还田与适量氮肥配施并于冬季补灌,或与深松、旋耕技术相结合,其增产培肥效应及可持续性可能会更好,有待于进一步田间验证。