随着全球气候变化和极端气候事件频繁出现,引起降雨量的季节性分配不均和暴雨、大暴雨事件逐年增加,农业设施和耕作措施的自然降水蓄积能力及其高效利用能力或成为制约农业生产的因素之一。本文总结前人垄作研究的基础上,提出了水稻垄作梯式栽培,采用半旱式浸润灌溉,垄沟蓄水、垄上种植,实现蓄水和通气的双重目的,为水稻实现节水、高效生产打下基础。因此,系统研究水稻垄作梯式栽培的产量形成机制及水分利用将为该技术的优化和推广应用提供理论依据和技术支撑。主要研究结果如下：(1)不同的种植模式存在产量差异。与平作栽培(T0)相比,T1(垄作梯式栽培垄宽为60cm)和T3(垄厢栽培厢宽为70cm)均可提高水稻产量,其中以T1的产量最高,比TO平均增产了22.2%(17.1%-27.2%),其次为T3平均增产10.4%(5.8%-15.0%)。进一步分析其产量构成因子可知,与T0相比,T1的优势主要体现在有效穗数上,平均增加了15.4%(9.7%-21.1%),每穗粒数、结实率和千粒重差异不显著；T3(2011年)的优势则主要体现在有效穗数和每穗粒数上,分别平均增加12.4%和3.4%。(2)种植方式间的根数、根长等根数量特性差异不明显,可能与根系的自我调节有关。与T0相比,齐穗期垄作梯式栽培根系氧化力比平作栽培平均高21.9%,比表面积和活性吸附面积分别高7.2m2cm-3和0.4m2cm-3,根横截面积比TO低15%-25%,但根大导管总面积和导管总面积大于常规栽培。另外,垄作梯式栽培根皮层表皮厚壁细胞体积小,且排列疏松,细胞间隙大,且整个表皮厚度要小于T0,水稻根的中柱增大25.0%-27.3%。因此,垄作梯式栽培模式下,水稻根系的生理活性衰老放缓,根系解剖结构有利于水分和营养物质的进入,促进了根表皮对环境中水分的吸收能力,提升根向植株体输导水分和营养物质的能力,进而促进后期干物质积累和促进籽粒灌浆结实。(3)两年的试验结果表明垄作梯式生态稻作和垄厢生态稻作主要体现齐穗后的干物质生产量上有较大优势。垄作梯式生态稻作的颖花数／叶面积、实粒数／叶面积和粒重／叶面积均比传统稻作高,说明垄作梯式稻作的单位叶面积所能承载的颖花数、实粒数和粒重比传统稻作高,库源协调状态好。同时,垄作梯式生态稻作有较高的光合势,抽穗期前的光合势比传统稻作高55.3%,但净同化率却比传统稻作低21.9%。垄作梯式生态稻作的群体冠层光能截获率要比传统稻作平均高5.3%。(4)采用垄作梯式生态稻作后,齐穗期Y两优1号的△F/Fm’和rETR值略低于传统稻作或与传统稻作基本持平,齐穗后15天则明显高于传统稻作,而汕优63和黄华占却未表现出上述现象,可能存在品种间的差异。垄作梯式生态稻作的水稻剑叶随着PAR的增强,齐穗期的NPQ值、qP值略低于传统稻作或与传统稻作基本持平,齐穗后15天则明显高于传统稻作,间接说明齐穗后,垄作梯式生态稻作的叶片光合生理活性的下降趋势放缓,PS Ⅱ反应中心天线色素的自我保护能力没有下降,同时PS Ⅱ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额和PS Ⅱ反应中心的“开放”状态并未明显改变,光合结构的生理活性依然保持在一个较高的水平。(5)通过田间实际测量将不同垄规格的曲面描述为抛物曲线,其开口向下。垄宽60cm为一个分界线,R30、R45、R60的垄高小于20.00cm,而R90、R120的垄高则大于20.00cmm,但小于30.00cm。垄沟蓄水能力随垄高的升高不断增大,但不同垄宽间存在差异。垄高小于19cm时,R30的蓄水能力最大,分别比R45和R60的蓄水能力高8.77%和11.41%：其次R45和R60。垄高小于28cm时,R120的蓄水能力最大,比R90的蓄水能力高3.30%。随着垄规格的增大,垄顶5cmm、15cmm的土壤湿度随之降低,水分侧向运动的距离增大,也导致窄垄(R30、R45)的垄体内湿度较为均匀,而宽垄(R60、R120)的垄体内湿度差异较大。不同垄规格内垄体温度差异较小,5cm、15cm的土壤温度差异小于0.4℃,且15cm的土壤温度(除R60)均比5cmm高,说明热量有由上至下传递的趋势,并保持垄体热量的均匀性。(6)R30、R45、R60的理论产量比传统平作(CK)分别高48.12%、4.05%和41.25%,而R90、R120的理论产量则比CK分别低12.71%和15.04%。从产量构成因素来看,R30、R45、R60的有效穗数比CK分别高38.71%、22.58%和44.09%,R90、R120的有效穗数则要低于CK；R30、R60的每穗粒数比CK分别高14.41%、2.72%,R45的每穗粒数比CK分别低12.37%。从垄的不同种植部位产量贡献率来看,R30的不同种植部位产量贡献比为0.56：0.44,垄上的产量贡献率要比垄下高12%；R45的不同种植部位产量贡献比为0.37：0.32(垄下两株贡献率为0.63),但考虑到R45垄体种植布局为垄上一株、垄下两株,垄上的产量贡献率要比垄下高5%；R60的不同种植部位产量贡献0.45：0.55,垄上的产量贡献率要比垄下低10%。R90、R120的不同种植部位产量贡献比为0.33：0.34：0.33、0.17：0.29：0.31：0.23,垄上种植的水稻产量对贡献率并没有优势。因此,垄宽60cm是一个临界值,大于或小于60cm的垄宽,其垄上不同种植部位的产量贡献率不同。