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陇中旱农区降水有限、水分利用效率低下是导致该区作物生产力水平低而不稳的主要原因。发展保护性耕作是保护水土资源、提高水分利用效率的重要途径。为从降水-土壤水-作物水（三水）转化的角度去探索保护性耕作措施影响水分利用效率的机制,本研究依托2001年建立在陇中旱农区的长期不同耕作措施的定位试验,该试验共6个处理,分别为传统耕作（T）,免耕秸秆覆盖（NTS）、免耕（NT）、传统耕作+秸秆翻入（TS）、传统耕作+覆膜（TP）、免耕覆膜（NTP）,春小麦和豌豆年间轮作。研究了不同耕作措施对大气-土壤界面、土壤-作物界面、作物-大气界面水分转化及相关因子的影响,探讨了耕作措施影响作物水分利用效率的水分转化机制,主要结果如下:（1）NTS和NTP提高了春小麦和豌豆的产量和水分利用效率。与T相比,NTS显著增加了小麦开花后与豌豆分枝前和结荚后干物质量的积累,NTP提高了小麦拔节前干物质的积累和豌豆分枝期前干物质积累量。NTS和NTP增加了净光合速率,提高了小麦单位面积穗数和穗粒数、豌豆单位面积荚数和荚粒数,经济系数也较高。2015-2016年NTS、TP和NTP的经济产量和水分利用效率都比传统耕作高,这三个处理春小麦和豌豆的产量增幅分别为19.61-45、8.08-31和20.39-41%,春小麦和豌豆的水分利用效率增幅分别为10.30-36、5.65-14和18.35-25%。（2）免耕秸秆覆盖改善了与水分转化相关的土壤物理特性,提高了降水-土壤水的转化效率。相比T,NTS显著提高了>0.25mm的大粒径的机械稳定性团聚体含量、水稳性团聚体含量和稳定率,降低了土壤容重显著,增加了土壤总孔隙度,提高了土壤饱和导水率。NTS能够显著增强了土壤持水性能,不同土壤吸力下,NTS增加土壤质量含水量16.80-23.20%。NTS和NTP处理显著提高了播种前土壤贮水量。无论在豌豆地还是小麦地,NTS和NTP均显著提高了降雨贮存效率,增幅分别为6.07-6.47和4.49-5.27%。（3）NTS、TP和NTP增强了根系吸水能力、提高了土壤水势、降低了土壤蒸发量、增加了作物蒸腾量,提高了土壤水-作物水的转化效率。与T相比,NTS、TP和NTP优化了开花期根系空间分布,在多个生育时期都增加了小麦和豌豆的根干重、根长和根表面积,根干重增幅分别为11.15-79.04、23.24-66.81和37.99-157.93%,根长增幅分别为8.61-90.79、12.83-46.50和12.09-89.36%,根表面增幅分别为14.91-73.97、11.02-100.71和11.11-97.04%,从而增强了根系吸水能力。与T相比,NTS显著增加了小麦和豌豆苗期的土壤水势,覆膜处理几乎在小麦和豌豆的所有生育时期提高了0-30cm的土壤深度土壤水势,为土壤水-作物水的转化提供动力学基础,蒸腾速率分别增加了81.69-117.60、41.14-97.36和57.83-87.17%。NTS、TP和NTP增强了根系吸水的动力。NTS处理小麦和豌豆生长期农田总耗水量显著高于T,NTP的总耗水量只在小麦地显著高于T。与T相比,NTS、TP和NTP土壤蒸发量降幅分别为12.51-12.76、46.32-47.01和46.51-47.98%,作物蒸腾量增幅分别为27.95-36.78、46.35-58.79和48.79-77.62%,土壤水-作物水的转化效率增幅分别为20.50-28.45、40.79-55.21和42.29-68.71%。（4）0-5cm土壤物理特性综合因子（春小麦:r=0.282,P>0.05;豌豆:r=0.749,P<0.01）和5-10cm土壤物理特性因子（春小麦:r=0.283,P>0.05;豌豆:r=0.644,P<0.01）与根系综合因子呈正相关,根系综合因子与土壤水势综合因子呈显著正相关（春小麦:r=0.882,P<0.01;豌豆:r=0.538,P<0.05）。0-5cm的土壤物理特性综合因子（春小麦:r=0.460,P<0.05;豌豆:r=0.670,P<0.01）和5-10cm的土壤物理特性因子（春小麦:r=0.539,P<0.05;豌豆:r=0.526,P<0.05）与土壤播前贮水量呈显著正相关。而土壤播前贮水量与降水最大贮存效率呈显著正相关（春小麦:r=1.000,P<0.01;豌豆:r=1.000,P<0.01）。根系综合因子与土壤水-作物水转化效率呈正相关（春小麦:r=0.945,P<0.01;豌豆:r=0.316,P>0.05）,水势综合因子与土壤水-作物水转化效率呈显著正相关（春小麦:r=0.877,P<0.01;豌豆:r=0.700,P<0.01）,降水最大贮存效率与土壤水-作物水转化效率呈显著正相关（春小麦:r=0.556,P<0.01;豌豆:r=0.408,P<0.05）,土壤水-作物水转化效率与籽粒产量（春小麦:r=0.502,P<0.05;豌豆:r=0.521,P<0.05）和籽粒产量水分利用效率（春小麦:r=0.358,P>0.05;豌豆:r=0.521,P<0.05）呈显著正相关。综上所述,在陇中旱农区,免耕秸秆覆盖和免耕地膜覆盖,改善了水分转化相关土壤物理特性,提高了降水-土壤水的转化效率;促进了根系生长,提高了土壤水势,增强了根系吸水的动力,减少了蒸发,促进了作物对水分的吸收和利用,提高了土壤水-作物水的转化效率,从而提高了产量和水分利用效率。由于免耕秸秆覆盖比免耕地膜覆盖更加可持续,因此,免耕秸秆覆盖是有利于陇中旱农区小麦和豌豆水分利用效率持续提高的耕作措施。