水资源短缺和土壤肥力低下是限制黄土高原半干旱地区作物生产的两大关键因素。沟垄集雨种植技术是改善旱作农业区土壤水分状况,维持作物稳产的有效方法之一。为了探索沟垄集雨种植方式下施肥梯度对土壤环境及玉米生长的影响,以完善沟垄集雨种植技术在旱作农业区的应用,挖掘其在旱区的增产潜力,本研究在宁夏彭阳县（典型半干旱区）进行了连续5年的大田肥力梯度试验。试验设置沟垄集雨（R）和传统平作（T）两种种植方式,4个施肥水平处理:高肥（H）、中肥（M）、低肥（L）和无肥（N）,主要研究结果如下:1、施肥梯度对土壤水分的影响（1）在同一施肥水平下,沟垄集雨种植处理可显著提高土壤含水量（SWC）和耗水量（ET）,显著降低播种期～开花期（VT）阶段的耗水强度和作物耗水系数（WUC）。与对应的传统平作处理相比,沟垄集雨种植处理的SWC分别平均提高5.8%（H）、6.1%（M）、6.3%（L）和6.4%（N）;ET平均提高1.7%（H）、1.1%（M）、3.1%（L）和1.8%（N）;播种期～VT阶段的耗水强度平均降低27.9%（H）、39.6%（M）、29.2%（L）和39.4%（N）;WUC平均降低17.3%（H）、20.1%（M）、19.5%（L）和24.6%（N）。（2）在沟垄集雨植方式下,随着施肥量的增加,SWC和WUC显著降低。与无肥（RN）处理相比,施肥处理的SWC分别平均降低15.9%（RH）、13.3%（RM）和10.5%（RL）;WUC平均165.9%（RH）、179.8%（RM）和171.1%（RL）。ET、玉米水分敏感期（V8～R3）的耗水强度和土壤水利用率（SP）均随着施肥量的增加呈现上升趋势。与RN处理相比,施肥处理的ET分别平均提高6.5%（RH）、5.4%（RM）和3.6%（RL）,玉米水分敏感期（V8～R3）的耗水强度分别显著提高20.4%（RH）、20.2%（RM）和16.2%（RL）,SP分别显著提高37.6%（RH）、39.1%（RM）和36.6%（RL）。2、施肥梯度对玉米生长的影响（1）与对应传统平作处理相比,沟垄集雨种植处理可有效的促进玉米的生长,显著提高玉米株高、茎粗、叶面积、单株干物质、穗粒数和百粒重,从而显著提高玉米籽粒产量和生物产量。在两种种植方式下,玉米的穗长、穗粒数、百粒重和生物产量与施肥量之间均表现为显著的抛物线型关系。（2）与对应T处理相比,R处理的玉米籽粒产量分别提高11.9%（H）、12.8%（M）、14.0%（L）和15.1%（N）,WUE分别提高9.0%（H）、10.3%（M）、10.2%（L）和13.5%（N）,RUE分别提高11.5%（H）、13.9%（M）、15.0%（L）和15.3%（N）。在沟垄集雨植方式下,与RN相比,RH、RM和RL的籽粒产量显著提高49.5%、51.5%和49.8%;WUE分别提高45.5%、48.2%和47.6%;RUE分别提高49.5%、51.8%和50.1%。（3）生育期降雨量、施肥量对玉米产量、WUE和RUE均有极显著的影响,施肥效果大于水分效应。通过对回归方程求导估算,在沟垄集雨种植系统中,玉米产量获得最大值(13689.1 ha^-1)时的N:P施用量为265.0:132.5 kg ha^-1,较传统平作适宜施肥量(320.0:160 kg ha^-1)减少20.8%。当WUE达到最大值30.0 kg mm^-1 ha^-1时,沟垄集雨种植方式的施肥量为420.0:210 kg ha^-1,较传统平作的最适施肥量提高11.9%,而WUE最大值提高17.5%。3、施肥梯度对植株养分吸收及肥料利用效率的影响（1）与传统平作相比,沟垄集雨种植玉米氮素积累量分别提高15.7%（H）、21.9%（M）、21.4%（L）和31.1%（N）,磷素积累量分别提高41.5%（H）、19.1%（M）、18.2%（L）和16.7%（N）。在沟垄集雨植方式下,随着施肥量的增加植株氮磷素累积量随之提高。与RN相比,RH、RM和RL处理的氮素累积量分别提高66.5%、66.8%和60.5%,磷素累积量分别提高66.2%、62.6%和55.7%。（2）与传统平作相比,沟垄集雨种植的氮肥利用效率、氮肥生理利用效率和氮肥指数分别提高10.7%（H）、4.5%（M）和4.9%（L）,磷肥利用效率、磷肥生理利用效率和磷肥指数分别提高23.5%（H）、4.5%（M）和7.2%（L）;氮磷肥利用效率和生理利用效率均随着施肥量的增加呈显著的下降趋势,氮磷素的收获指数则呈先增加后下降趋势。（3）与传统平作相比,沟垄集雨种植处理0～40 cm土层土壤中有机质、硝态氮和有效磷含量分别平均提高1.0%、13.1%和7.5%;有机质、硝态氮和有效磷含量均随着施肥量的增加而增加。4、施肥梯度对土壤温室气体排放的影响（1）连续3年的试验结果表明,N₂O累积排放量随施肥量呈线性增加。与传统平作相比,沟垄集雨种植方式的N₂O累积排放量分别降低8.7%（H）、9.5%（M）、9.3%（L）和-2.7%（N）。相关性分析表明,沟垄集雨种植系统的土壤含水量和硝态氮含量与N₂O排放通量显著正相关。通径分析结果表明,SWC是沟垄集雨种植系统N₂O排放的主要决策变量。沟垄集雨种植方式可通过提高土壤含水量和温度,促进玉米的生长,减少土壤中硝态氮的含量,进而降低生育期N₂O累积排放量。（2）与传统平作相比,沟垄集雨种植方式生育期CH₄累积排放量分别降低12.3%（H）、9.9%（M）、12.3%（L）和-10.9%（N）。在沟垄集雨种植方式下,施肥处理CH₄累积排放量较不施肥处理分别降低37.9%（H）、33.4%（M）和24.5%（L）。CH₄的累积排放量随施肥量呈线性增加（R:R²=0.793,P<0.0001;T:R²=0.220,P=0.124）。SWC是沟垄集雨种植系统CH₄排放的主要决策变量。（3）与传统平作相比,沟垄集雨种植处理的全球变暖潜势（GWP）分别降低7.7%（H）、7.8%（M）和9.0%（L）,温室气体强度（GHGI）分别下降了34.4%（H）、26.9%（M）和43.7%（L）。随着施肥量的增加,GWP呈线性增加,当N:P施用量为200:100 kg ha^–1时,沟垄集雨种植系统的GHGI最低,较传统平均降低35.9%。5、施肥梯度对土壤微生物群落多样性的影响（1）在沟垄集雨系统下连续施用不同量的氮磷肥后,土壤养分（AP、SOC、TN、NO₃-N、DOC、DON）和水分（SWC）的变化显著影响了细菌群落Actinobacteria、Proteobacteria、Gemmatimonadetes、Latescibacteria、Firmicutes、Bacteroidetes和Acidobacteria＿Gp17和真菌群落Ascomycota、Fusarium、Zygomycota、Basidiomycota、Glomeromycota和Chytridiomycota的相对丰度。与传统平作相比,细菌门Acidobacteria、Verrucomicrobia、Latescibacteria、Chloroflexi、Candidatus Saccharibacteria和Euryarchaeota相对丰度显著提高,真菌门Basidiomycota、Chytridiomycota、Glomeromycota、Glomeromycota的相对丰度显著降低。（2）与传统平作相比,沟垄集雨处理的丰富度指数（ACE和Chao1）和多样性指数（Shannon-Wiener和Simpson）无显著差异;随着施肥量的增加,土壤微生物OTU数量、丰富度和多样性均降低。（3）N:P配施量的提高可能对土壤中的养分循环产生负面影响,并增加已知致病性状的细菌属Pseudomonas、Streptomyces、Bacillus和真菌属Fusarium的丰度,增加了玉米染病的风险,并降低了植物的生产力。综上所述,沟垄集雨种植系统中,N∶P的施用量为200∶100至265∶132.5 kg ha^–1有助于可持续的高谷物生产和低环境污染,并具有较高的产量(13458.7～13689.1 kg ha^–1)和WUE(27.8～30.0 kg mm^–1 ha^–1)水平和较低的GWP和GHGI值(0.117～0.121kg CO_2-eq kg^–1)。