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在我国黄土高原北部半干旱区,由于气候持续干旱少雨,旱作粮田土壤干燥化和因旱减产现象普遍发生,严重影响了旱作农田粮食生产的长期持续稳定发展。在旱作粮田产量调查和土壤水分野外测定的基础上,应用美国研制的环境政策综合气候模型-WinEPIC,定量模拟和分析了不同肥力水平下春小麦、春玉米、马铃薯的产量和深层土壤水分动态变化,评价了旱作粮田的生产力稳定性和不同肥力水平下土壤干燥化效应,探索了与当地降水状况相适应、有利于土壤水分可持续利用的土壤水分承载力与施肥水平,为黄土高原北部半干旱区粮食生产的长期稳产、高产提供了科学依据。研究取得主要进展如下:（1）野外实地测定结果表明,随着旱作粮田产量的提高,农田深层土壤湿度逐渐降低,土壤干层逐渐加深和加厚。黄土高原半干旱区固原、定西和海原各类农田0～600cm土层土壤湿度平均值为分别为11.46%、14.37%和9.27%,除固原低产马铃薯地外,其它各类农田土壤湿度均明显低于其土壤稳定湿度值,均发生了不同程度的土壤干燥化现象。（2）组建了固原、榆林、海原等研究区的逐日气象要素序列、土壤剖面理化性状、作物生长参数等WinEPIC模型数据库。模型验证结果表明,WinEPIC模型能够较为精确地模拟黄土高原不同肥力水平下大田作物产量和深层土壤水分变化动态。在模拟研究中,3个地区4种肥力处理均为:无肥（N 0 kg/hm2,P2O5 0 kg/hm2）、低肥（N 60 kg/hm2,P2O5 30 kg/hm2）、中肥（N 90kg/hm2,P2O5 45kg/hm2）和高肥（N 120kg/hm2,P2O5 60 kg/hm2）。（3）在1960～2000年模拟研究期间,在无肥、低肥、中肥和高肥等4种施肥水平下,固原连作春玉米的产量平均值分别为1.709、2.353、2.644和2.782t/hm2,春小麦的产量平均值分别为1.439、2.067、2.460和2.669t/hm2,不同肥力水平下春玉米产量稳定性明显低于连作春小麦。固原春玉米和春小麦随肥力水平的提高和作物连作年限延长,农田土壤干层逐年加深和加厚,0～7m土层逐月土壤有效含水量均呈现明显的波动性降低趋势,模拟初期1～4年农田土壤干燥化趋势十分强烈,此后长期在较低水平上随降水量变化而波动。黄土高原半干旱区固原适宜于种植春小麦,春小麦田土壤水分承载力介于低肥和中肥处理之间（2.067～2.460t/hm2）,肥力水平为N 60～90 kg/hm2和P2O5 30～45kg/hm2。（4）在1960～2000年模拟研究期间,无肥、低肥、中肥和高肥等4种施肥水平下,榆林连作春玉米的产量平均值分别为1.148、1.584、1.737和1.843t/hm2,春小麦的产量平均值分别为0.943、1.486、1.702和1.873t/hm2,连作春玉米产量稳定性明显差于连作春小麦。在41年模拟研究期间,无肥、低肥、中肥和高肥施肥条件下连作春玉米和春小麦均随肥力水平的提高和作物连作年限延长,农田土壤干层逐年加深和加厚。从作物产量稳定性、土壤干燥化程度和农田土壤水分可持续利用角度统筹考虑,黄土高原榆林适宜于种植春小麦,春小麦田土壤水分承载力介于无肥和低肥处理之间（0.943～1.486t/hm2）,肥力水平N 0～60 kg/hm2和P2O5 0～30 kg/hm2。（5）在1960～2000年模拟研究期间,在无肥、低肥、中肥和高肥等4种施肥水平下,海原连作春小麦的产量平均值分别为1.144、1.589、1.852和2.008t/hm2;在1960～1979年模拟研究期间马铃薯产量平均值分别为8.329、9.434、9.886和10.198 t/hm2,马铃薯产量波动性明显大于春小麦。海原连作春小麦田和马铃薯田,随肥力水平的提高和作物连作年限的延长,农田土壤干层逐年加深和加厚,0～7m土层逐月土壤有效含水量均呈现明显的波动性降低趋势,模拟初期1～3年农田土壤干燥化趋势十分强烈,此后长期在较低水平上随降水量变化而波动。黄土高原海原春小麦田土壤水分承载力介于低肥和中肥处理之间（0～1.144t/hm2）,适宜的施肥范围为N 0 t/hm2和P2O5 0 t/hm2。马铃薯土壤水分承载力介于无肥和低肥处理之间（8.329～9.434 t/hm2）,适宜的施肥范围为N 0～60 t/hm2和P2O5 0～30 t/hm2。（6）在1960～2000年期间,固原、榆林、海原年降水量平均值分别为438.2、387.8、380.6mm,从固原、榆林、海原依次降低,并均呈现出波动性下降趋势。41年模拟研究期间,固原、榆林、海原连作春小麦产量模拟值均随降水量呈现波动性降低趋势,其平均值分别为2.067、1.486和1.589 t/hm2。随春小麦连作年限延长,农田土壤干层逐年加深和加厚,模拟初期土壤干燥化趋势十分强烈,此后当土壤干层达到稳定后,麦地0～7m土层土壤有效含水量长期在较低水平上随降水量变化而波动。固原、榆林、海原连作春小麦地高肥处理下土壤干层分别在连作第8年、第7年和第6年后均达到2～3m土层,已不随降水发生年度变化,只有0～2m土层土壤湿度随降水量发生年际变化。与固原相比,榆林和海原连作春小麦产量较低,产量波动性较大,春小麦田干燥化进程较快。