我国半干旱地区光照充足,面积广大,蕴藏着巨大的增产潜力。近年来,地膜覆盖集水方式已成为我国半干旱地区实现农业增产增收的重要途径而被大面积推广,但对其增产机理还缺乏系统深入的研究,特别是对土壤生态效应研究还很不明确,有可能直接影响生产的可持续性。为此,本论文2008-2010年在黄土高原半干旱区的宁县(35°29′N,107°45′E)、崇信县(35°21′N,106°53′E)和榆中县(35°54′N,104°05′E)进行了大田试验。宁县、崇信和榆中试验点年均降水量分别为565 mm、501 mm和388 mm,年均温度为8.7℃、9.7℃和6.7℃。试验设3个处理：(1)不覆膜(CK)：平地起垄种植；(2)半膜覆盖(HM)：平地起垄,垄上覆膜种植；(3)全膜覆盖(FM)：全膜双垄沟播种植。播种时覆膜至第二年播种时揭膜,再重新覆膜。连续3年研究了地膜覆盖栽培玉米的产量与土壤生态效应,主要获得了以下研究结果：1.地膜覆盖的增温效应主要在玉米生长初期,播种时增温效果最大,达到了4-6℃,随着生育期的推进,增温效应逐渐减小,至抽雄期不再有增温效果。周年全膜覆盖增加了玉米翌年生长季播期和苗期0-30 cm土层土壤含水量,增加的比例为5.3-39.6%,达到了15.2-21.5%。2.地膜覆盖显著增加玉米产量和水分利用效率。FM和HM处理增加玉米产量的幅度分别在25-126%和6-84%,达到了7768-10954 kg ha-1和6151-10991 kgha-1。地膜覆盖的增产效果在水热限制严重的榆中试验点达到了43-126%,而在水热条件限制较小的宁县和崇信试验点只有6-50%。FM和HM处理增加水分利用效率的幅度分别为21.3-125.0%和5.5-75.8%,达到了13.7-28.8 kg ha-1 mm-1和12.7-23.2 kg ha-1 mm-1。而在宁县2009年,玉米抽雄开花期持续干旱,造成授粉不良,FM和HM处理导致玉米减产,减产的幅度分别为20.6%和12.1%。3.地膜覆盖对玉米器官(籽粒、茎叶、穗轴和根)中的全N和全P浓度没有影响,但生物产量的显著提高而增加了养分回收量。FM和HM处理N的回收量较CK分别高33-98%和17-66%,达到了159-228 kg ha-1和143-217 kg ha-1; P的回收量较CK分别高29-108%和15-69%,达到了19-35 kg ha-1和17-33 kg ha-1,从而提高了N、P养分利用效率。4.地膜覆盖对土壤总有机碳库没有影响,但却减少了土壤活性有机碳库。一个生长季后,土壤颗粒有机碳、轻组有机碳和碳水化合物碳含量分别降低了4.8-13.5%、7.1-26.7%和12.2-22.7%。地膜覆盖下的土壤颗粒有机碳、轻组有机碳和碳水化合物碳含量动态从第二个生长季开始逐渐增加。5.地膜覆盖显著增加了垄上土壤无机氮含量。收获时,FM和HM处理垄上土壤无机氮含量分别是CK的5-208倍和3-181倍,达到了70.7-435.9 mg kg-1和54.1-380.4 mg kg-1。地膜覆盖土壤铵态氮占到总无机氮30%以下,不会使土壤中铵态氮大量累积。6.地膜覆盖显著增加土壤微生物量及其酶活性。FM和HM处理显著增加土壤微生物量碳含量及其土壤碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性。土壤微生物量碳、酶活性、呼吸强度、矿化氮量的变化趋势一致。由此可见,地膜覆盖的增产机理在于改善了土壤水温条件、增加了土壤微生物量及其活性、促进了土壤有机质降解、增加了土壤养分有效性、促进作物生长和干物质积累、提高了养分和水分利用效率。地膜覆盖减少了土壤活性有机碳库,但土壤活性有机碳库动态从第二个生长季开始有逐渐增加的趋势,生产的可持续性有待进一步的研究。