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河北省水资源极度匮乏，缺水区占了全省总面积的一半以上。本文围绕河北省低平原区地下咸水和缓坡丘陵区大气降水的水资源高效利用，于2010-2013年在河北省农林科学院鹿泉试验站设置控制试验与田间试验进行研究，以求揭示不同水分约束类型下的农作生产原理，及以水土为核心的区域地气资源高效利用的技术创新途径。针对河北省低平原区地下淡水匮乏而咸水丰富的资环背景，试验设计利用咸水灌溉进行环控性耐盐经济作物生产，以其经济效益补偿设施成本，实现对淡水资源的有效替代。试验通过对耐盐蔬菜——番茄各生育期不同土壤基质势水平下不同浓度的咸水灌溉，揭示日光温室番茄各时期生长发育对土壤基质势与咸水灌溉浓度的敏感度，确定咸水灌溉的临界期与适宜浓度，为河北省低平原区日光温室蔬菜生产的咸水利用与科学灌溉提供理论与技术依据。针对河北省缓坡丘陵区光温资源充沛而大气降水不足的资环背景，试验设计以降水资源的土壤保蓄为基础，采用抗旱作物覆膜垄作、保水集水种植，以及抗旱作物与高产作物田间复合种植，利用不同作物的水分生态适应性差异，以及作物间对水土资源的时空互补性利用机理，实现对农田降水资源的生长季高效转化。试验通过对全覆膜垄作栽培下，春玉米、春甘薯单作系统、春玉米、春甘薯间作系统的土壤水温效应、群落光辐射分布、作物干物质累积转运，以及氮磷钾吸收、转化特征的研究，阐明全覆膜垄作春玉米、春甘薯及其间作系统的水土资源转化机制、群落产量形成规律，为区域作物生产结构的调整与农田降水资源的高效利用提供理论指导与技术支持。本文主要研究结果如下：1.番茄不同生育期耐盐能力差异明显，花果期对土壤基质势与盐分胁迫比较敏感，采收期忍耐性最强。咸水灌溉的盐分浓度临界值全生育期与花果期为3g/L，果实膨大期为5g/L，采收期可以用较高浓度咸水灌溉。咸水灌溉会造成温室生产系统土壤的盐分积累。适量咸水灌溉，对株体发育具有“控上促下”调节效应，利于降低耗水量、提高番茄产量与水分利用效率。因此，依据番茄不同生育阶段耐盐性的差异，利用一定浓度的咸水灌溉不仅可替代一定淡水资源，还可提高水分利用效率。2.春玉米田覆膜栽培，在生育前期较裸地0-25cm土层增温1~3℃，全生育期地积温增加155.2~280.9℃；延长生长季约5.9~10.7d。自播种到成苗期覆膜保水效应显著，WUE较裸地提高81.61%~136.43%。春玉米成苗到拔节期正值区域稳定干旱期，覆膜处理土壤供水层深达80~100cm，水分胁迫使WUE较对照降低16.96%~21.64%，产生维生性奢侈耗水。春玉米小喇叭口期后进入雨季各处理土体先后复水，并产生过饱渗漏，终使收获期土体水分持平播期，贮水丰富。垄作覆膜较裸地增产9.47%；平作覆膜不利降水入渗而致水渍，减产5.00%；垄作裸地与平作裸地产量差异不显著。以雨季前气象干旱期的土壤枯水与雨季后的土壤库水为特征的春玉米田水分供求时序失衡，限制了春玉米的高产。春甘薯田覆膜处理，自栽秧到封垄期的生育前期土壤增温显著，覆膜处理0-25cm土层平均较裸地增温1.64~3.33℃，全生育期地积温增加194.8℃，延长生长季约8.2d；5cm地温最高达40.5℃。覆膜处理自栽植到分枝期间的保水与增温效应，显著促进了甘薯生长，WUE较裸地提高104.3%。但在接续的雨季来临前的干旱期土壤快速蒸散而失水，供水土层深达100cm，水分胁迫使分枝期到封垄期覆膜和裸地处理甘薯WUE较前期分别降低63%和27%，产生奢侈耗水。进入雨季后的各处理土体先后复水，并产生过饱渗漏；覆膜不利于降水蒸发同时阻碍土壤气体交换，降低了甘薯WUE。覆膜较裸地甘薯减产1.78%， WUE降低3.8%，相当于多耗水20.69mm。3.雨养春玉米干物质累积进程表现典型的“S”曲线型，后期缓速增长期出现以茎秆为中心的干物质再度累积特征；抽雄前植株干物质累积达全生育期的47.02%～53.96%，转运至籽粒达到9.99%～23.01%；其中，苞叶与穗轴积累的干物质转运率高达32.84%～47.48%。地膜覆盖，使春玉米抽雄期前干物质累积较对照高出17.19%～23.61%，干物质快速累积期比对照提前6.4d，但线性累积持续期却缩短2.5～1.5d。春玉米氮素累积表现蜡熟期后对土壤氮素的再度高速吸收且以茎秆为中心的氮素富集特征；株体蓄贮氮素总量的43.08%～48.05%转入籽粒，对籽粒的贡献率49.01%~52.61%；其中，苞叶与穗轴转运率最高，达自身氮素储存量的65.89%～71.40%。垄作覆膜处理，苗期茎叶氮素积蓄量较对照增高101.08%，生育前期氮素蓄存茎叶、生育后期转运籽粒的“前蓄后转”效应，促进了籽粒库容构建，使垄作覆膜玉米增产9.47%。华北旱地一熟种植，促发了玉米蜡熟期后的干物质和氮素生产，释放了玉米高产潜力；而覆膜处理加速了玉米干物质与氮素生产进程，但缩短了干物质与氮素线性累积持续期；旱地春玉米进一步高产的突破，需要以籽粒为核心的更大库容品种的突破。雨养春甘薯的干物质生产表现为前期和后期积累快，中间慢的台阶式变化，氮素积累表现为前期快速积累，后期出现流失的特征。地膜覆盖甘薯，氮素积累量较裸地增加达20.56%，但氮素薯块转运率较裸地降低7.97个百分点。覆膜处理促进了甘薯的干物质积累，但降低干物质向薯块转运量达28.27%，最终覆膜甘薯较裸地减产1.86%。4.春玉米对磷素的吸收呈现单峰型累积特征；大喇叭口-抽雄期苞叶与穗轴表现对株体磷素的掠取式累积；完熟期全株磷素累积呈现回升性增长趋势和以茎秆为中心的富集特征。春玉米钾素吸收呈现生长前期高额累积，完熟期钾素流失特征；株体钾素转移率在6.64%～17.87%，叶片、苞叶与穗轴等器官是向籽粒转运的主体。垄作覆膜处理的全株磷素、钾素向籽粒转运率最高。春甘薯对磷素的吸收呈现以结薯期和封垄期为高峰期的单峰型累积特征。覆膜处理在甘薯生育前期显著提高了磷素积累量，后期影响较小。甘薯覆膜提高了茎蔓器官磷素向块茎的转运量和转运率。甘薯对钾素的吸收表现出在薯块盛长期前持续性快速积累特征，而收获期则出现钾流失。覆膜甘薯的钾素积累量始终高于裸地甘薯，覆膜处理甘薯钾素转运量和转运率分别高于裸地42.45%和9.24个百分点，但是钾素转移到薯块的比例却低于裸地处理18.22个百分点。5.玉米‖甘薯群落中，玉米处于间作上位优势，间作玉米带25cm高处平均日光合有效辐射为单作田的3.82-4.40倍，而间作甘薯田只有单作甘薯的68.41%-69.07%。群落光合干物质累积在苗期土地当量比（LER）为1.19~1.32；稳定干旱期，高密度的间作结构加剧了群落内的水分竞争，土壤贮水量急剧下降至最低谷，期间各处理0-100cm土层含水接近萎蔫湿度，干旱胁迫使群落表现资源利用的低效率，LER只有0.66~0.93。群落以水分、光照为核心的资源强烈竞争一直持续到玉米灌浆期，随着玉米生长速率下降及叶面积减小，对甘薯的生长抑制减弱，间作甘薯出现超补偿性生产。阶段水分当量比高达3.06~3.96， LER达3.30~2.08。玉米‖甘薯群落全生长季分析，甘薯与玉米2:1覆膜种植（FMT1），间作群体较单作土地利用效率提高了20%；甘薯与玉米2:2覆膜种植（FMT2），间作群体土地利用效率提高了17%；甘薯与玉米2:1不覆膜种植（BMT1），间作群体土地利用效率提高了9%，甘薯与玉米2:2不覆膜种植（BMT2），间作群体土地利用效率提高了6%。相应水分利用效率（WER），FMT1较单作群体提高了12%，FMT2间作群体提高了9%；BMT1间作群体的水分利用效率较单作群体提高了1%，BMT2间作群体降低了5%。