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水分和养分是农田生态系统中影响作物生长和产量的主要限制因子。气候、土壤养分和土壤水分是雨养农业中农田生产力的主要限制因子。东北黑土区地处半干旱半湿润气候区，是我国粮食主产区之一，水分是该地区农业生产的主要限制因子之一。东北黑土区属“雨养农业”，大气降水是土壤水分的主要来源，降雨量的多少直接影响土壤水分的储存和运移。如何提高大气降水的利用效率是我们亟待解决的科学问题。而施肥管理通过影响土壤理化性质和作物生长进而调控水分在土壤-植物-大气连续体中的传输。因此，本论文以中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站内的长期定位试验为平台，分析了1952-2008年间大气降水的变化趋势，研究了不同施肥管理方式下农田土壤水分时空变化和亏缺特征，同时对作物产量和水分利用效率进行了分析，探讨了适合该地区的农业生产方式和提高大气降水利用效率的途径，得出了结论如下：
(1)东北黑土区近57a(1952-2008年)大气降水没有明显升高或降低的趋势，而是表现为丰水年、平水年和枯水年交替出现，所占比例分别为32％，28%和40%。年际间降水不均和生长季内降水变异较大是作物生长期间季节性干旱出现的主要原因。1952年-2008年大气降水的年平均值为538mm，变异系数为20.3%，作物生长季内(5月-9月)大气降水的平均值为472mm，变异系数为47.4%-63.9%。
(2)东北黑土区作物根系活动层位于0-90cm。施肥管理显著影响了该层土壤水分含量，表现为与无肥(CK)相比，持续施用化肥(NP)和有机肥+化肥(NPM)处理的根系活动层土壤含水量分别减少了1.53%和3.45%。不同施肥管理方式下剖面土壤含水量的季节性变化为土壤含水量差异的最大时期出现在8月5日，表现为CK＞NP＞NPM，随后不同处理间差异减小。根据土壤储水量的季节性变化，将作物生长季内土壤水分划分为三个时期，分别为相对稳定期(4月30日-5月30日)，水分消耗期(5月30日-6月30日)和水分恢复期(6月30日-10月5日)，其中NP和NPM处理土壤储水量一直处于较低水平。冻融过程中土壤含水量的增加对缓解春旱具有重要意义。通过观测干旱期和湿润期剖面土壤水分变化，得到黑土具有强大的调控土壤水分的能力，其中施用有机肥的效果最为显著。
(3)作物生长季内土壤水分没有表现出缺乏现象，但是受大气降水分布的影响，土壤水分的季节性缺乏主要发生在6月和7月，最大缺乏量为55mm。不同施肥管理方式间土壤水分缺乏发生的概率表现为6月CK发生土壤水分缺乏为90%，NP和NPM发生的概率为100%;7月CK发生土壤水分缺乏的概率为50%，而NP和NPM发生的概率为60%。因此，加强对6月和7月土壤水分的管理对于调控降水不足对作物生长和产量的影响具有重要的意义。
(4)研究区内玉米、大豆和小麦全生育期耗水强度分别为3.66mm/d，2.84mm/d和3.03mm/d。化肥和有机肥+化肥的施用在一定程度上提高了作物的耗水量和耗水强度，在干旱年份施肥效果更加明显。除了降水，土壤供水是生育期内作物耗水的一个重要来源，特别是在干旱年份和降水较少的某个生育时段，土壤供水对维持作物生长起到了重要作用。肥料的施用促进了作物在降水不足时对土壤中水分的吸收利用，施用有机肥的效果最好。由于养分供应充足和充分利用土壤水分和大气降水，肥料的施用增加了研究区内玉米、大豆和小麦的产量和水分利用效率，但是施用有机肥作物的产量并没有表现出随着试验年限的增加而增加的趋势，而是与生长季内降水的分布相关。综上所述，从土壤水分的角度分析，在东北黑土区有机肥和化肥的配合施用是一种可持续的农业管理方式。