气候变化下东非高原雨养农业区粮食生产能力与天然降雨利用能力的严重不足是备受国际关注的现实问题。在中国西部半干旱区业已大面积推广的玉米垄沟覆盖栽培系统能否在东非高原适用并取得增产增效?品种熟性与施肥量对其影响多大?其生理生态机理如何?等不仅是基础科学问题,也是我国一带一路战略实施的重大需求。本研究在课题组过去多年的国内研究基础上,以垄沟覆盖系统为核心,包括垄沟透明地膜覆盖（RFT）、垄沟黑色地膜覆盖（RFB）、垄沟禾草覆盖（RFS）和垄沟无覆盖种植（CK）,开展了大田试验及技术验证。研究首先于2012-2013年在肯尼亚半干旱雨养农业区KARI-Katumani试验站开展了两个相对独立却又紧密联系的大田试验,具体包括:1)上述四种垄沟覆盖栽培下三个不同熟性（早熟、中熟和晚熟）玉米品种的比较研究和2)上述三种垄沟覆盖栽培（RFT、RFB和CK）下不同施肥量（施加复合肥,高施肥率F2、正常水平施肥率F1和不施肥F0）的对比研究。通过对土壤剖面水分动态、土壤温度、作物水分利用、土壤有机碳、酶活性、作物物候特征、生长参数及生物量分配模式、产量及形成因子、繁殖效率、籽粒养分吸收、水分利用效率等参数的系统收集和分析,以及根据当地市场行情测算的经济收益,首先揭示了垄沟地膜覆盖技术在改善东非高原旱地玉米生产力和农户生计方面的农艺、生态机理。其次,为进一步验证技术路线并评估其高效性,于2014年在黄土高原半干旱农业区石头沟试验站开展了平行验证试验,全面分析了土壤水分、养分平衡、物候格局、繁殖效率和产量经济输出等指标,同时与肯尼亚试验结果进行比对分析,以期为将来不断深化垄沟覆盖系统在东非高原的有效革新提供理论依据并为继续完善探明潜在方向。得出如下主要结果:一)垄沟覆盖条件下东非高原玉米增产增效机理的分析1.垄沟地膜覆盖在时间上延长土壤水分有效性,空间上优化水分垂直分布,从而形成了匹配作物耗水特征的蒸散量变化特征。RFT和RFB较对照分别提高生长季表层土壤贮水量48.9%和49.9%,增加了中层水分的前期积累和后期消耗,并促进了玉米生长后期对深层水分的获取。RFT和RFB显著减小了玉米前期蒸散量分别为18.8 mm和19.0 mm,然而增加了中后期以作物蒸腾为主玉米蒸散量,分别高于对照21.2mm和19.1mm。2.利用覆盖材料类型的选择性应用能够实现对土壤热量平衡的季节性主动调控。在生长季热量相对较低的2012长雨季,rft平均增加10cm地温1.3℃,增温效应主要体现在生长前期的白天高温时段和生长后期的夜间低温时段。相反,rfb能够在相对高温的2013季发挥降温效应,平均达到0.5℃,对生长后期的高温胁迫具有积极的衰减作用。3.垄沟地膜覆盖体现了对土壤有机碳（soc）平衡的中性调节和土壤酶活性的增强机制。rft和rfb增加了生长季内对soc的消耗,高于对照0.7gkg^-1、0.8gkg^-1,并趋向于更大幅度地实现休耕季soc的恢复。rft和rfb较对照提高了土壤过氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶活性,增幅依次为:6.6mlg^-1和7.8mlg^-1、47.0mgkg^-1和51.4mgkg^-1、1.0mgg^-1和0.9mgg^-1。4.垄沟地膜覆盖塑造了快速完成营养生长并延长繁殖持续的作物物候格局。相较对照,rft和rfb显著提前了玉米出苗,并提高出苗率8.1%和7.8%。rft和rfb分别缩短了播种到抽穗的时间长度,分别为11.2天和9.4天,然而,两者显著延长了繁殖持续分别达5.6、5.3天。5.垄沟地膜覆盖促进幼苗建立并增加活力,增加了生物量积累,并优化了繁殖分配和效率。rft和rfb增加了玉米茎干纵向生长和横向扩展能力,叶面积指数显著增加,最终地上、地下生物量较对照分别增加了56.6%和63.6%、37.2%和45.1%。同时,rft和rfb提高了穗部大小在地上生物量中的分配比重,高于对照12.1%和14.5%。6.垄沟地膜覆盖优化了穗部结构、促进了繁殖成功并增加了籽粒输出和收获指数。rft和rfb显著改善了产量构成因子,穗长、穗粗、穗粒数、穗粒重、籽粒氮含量和磷含量分别增加了16.1%和19.6%、11.0%和12.7%、13.9%和16.8%、56.8%和51.8%、34.3%和31.8%、36.8%和27.3%,并降低了籽粒败育率6.4%和6.3%。最终,籽粒产量和收获指数在rft和rfb分别增加了69.9%和78.5%,0.095和0.067。7.垄沟地膜覆盖维持了包括水、肥在内的资源利用效率的高位运行,并提升了经济效益水平。与对照相比,rft和rfb显著增加水分利用效率98.4%和99.7%,增加了经济效应47.3%和39.2%。8.因垄沟地膜覆盖而改善的土壤水分有效性支撑了晚熟品种在生长中期对中层土壤水分的更多摄取（高于早、中熟品种11.7%和4.0%）,以及生育后期对深层土壤水分的利用（分别高于早、中熟品种7.2%和5.1%）,从而支撑其更大的季内水分消耗（高于早、中熟品种11.3%和9.4%）。晚熟品种趋于增加soc在休耕季的提升,可归结于更大的地下生物量对土壤soc的输入。晚熟品种能够进一步扩大繁殖延长的物候优势,同时显示了显著高的生物量积累能力。然而,籽粒最终输出的品种效应具有明显的季节性,主要由于产量因子、繁殖投入和效率优化幅度的季节性差异。具体地,在水热条件相对适宜的长雨季,晚熟品种显著改善了产量因子、增加了繁殖体分配比例（较早、中熟品种分别增加了9.2%和2.3%）、维持了较低的籽粒败育率和相对延迟的叶片衰老,最终形成了最高的籽粒产量、水分利用效率和经济效益。相反,在高温、干旱胁迫相对严重的短雨季,早熟品种因更早地完成繁殖而降低了籽粒败育率并能够增加繁殖效率,从而获得了最高的籽粒输出、水分利用效率和经济效益。9.垄沟地膜覆盖下,增加的施肥促进了玉米繁殖阶段对中层水分的利用（F2较F1、F0分别高出8.6%和5.5%）。增加的施肥水平衰减了生长季内SOC的消耗,F2和F1在生长季结束时的SOC平均高于对照13.2%和9.7%。增加的施肥量有助于SOC在休耕季的提升,F2、F1和F0中SOC在休耕季结束时的增加量平均分别为1.2、0.7、0.3 g kg^-1。增加的施肥不仅缓解了玉米叶片的早衰,同时促进了光合产物向穗部转移。高施肥率能够在长雨季充分利用季内水热条件显著提升籽粒产量、水分利用效率和经济效益,但其优势在资源相对限制的短雨季与中等施肥率间差异不显著,归结于生育后期干旱、高温导致的生长不足、作物早衰和繁殖限制,进而降低了肥料摄取和利用。10.基于上述对不同品种、施肥量在垄沟覆盖系统下水热调控、产量和经济效益的差异响应的结果分析,我们因而提出:长雨季晚熟品种、高施肥率与垄沟透明膜覆盖的结合,而早熟品种、中等施肥量与垄沟黑膜覆盖在短雨季的组合是值得推荐的、具季节特异性的最佳高产高效栽培管理途径。二)垄沟覆盖系统在东非高原的高效性验证:平行的对比验证试验进一步评估了垄沟地膜覆盖系统从黄土高原到东非高原引进过程可能面临的挑战和不足,主要体现在:与黄土高原相比,土壤水分贮存能力要显著低24.6%;生长季玉米水分消耗降低了34.7%;水分利用效率的增加幅度显著低51.4%;土壤有机碳库表现为活跃的生长季内快速减小和休耕季的恢复趋势,整体土壤有机碳平衡波动较大;更加严重的早衰现象,且繁殖分配降低4.1%,籽粒败育程度明显更高,导致产量稳定性不足;对于增产潜力更大的晚熟品种,其实际的增产潜力有限;投产比和经济收益的改善幅度受产量输出水平的限制还有待更大的提升。因此,为不断完善垄沟覆盖系统在东非高原应用的高效性,针对上述不足开展更多的相关研究是必要且重要的。