因全膜双垄沟播种植技术(简称覆膜沟垄)的集雨保墒保温等作用,玉米产量大幅度提高。但在将这种模式推广使用过程中,有些增产机理不甚清楚,如覆膜沟垄如何汇聚雨水,且如何将雨水重新分配和导流到玉米根区?尔后,入渗进入土壤的水分在土壤剖面中如何运移和分布?这些物理过程的掌握对进一步提高水肥利用率具有重要意义。另外,覆膜和氮肥添加如何影响玉米产量?为此本论文通过设计3个实验来探讨覆膜沟垄玉米种植模式中雨水分布特点,土壤水分运移行为,氮素水平和玉米产量的关系。实验1于2013年4月10日在甘肃农业大学李家堡实验站采用染色示踪法研究覆膜对农田降雨在土壤中分布的实验。种植模式设计为三种,如平地无覆膜、沟垄无覆膜和沟垄覆膜。方法是将染色水分通过降雨模拟器喷洒在这三种种植模式的土壤表面。在完成模拟降雨后的第24小时开挖剖面和拍照记录染色格局。实验2于2013年10月5日在民勤县农机中心实验农场采用染色法和地统计法展开水分在土壤中运移和分布的实验。选择相隔10 m的两块样地,第一块样地从2003年到2013年一直免耕,作物种植为苜蓿(Medicago sativa L.),第二块样地从2003年到2008年种植苜蓿(免耕)但从2008年到2013年采用常规耕作模式,作物种植为玉米(Zea mays L.)。采用染色示踪法将水分分布和路径可视化,同时采用地统计技术对水分进行半变异分析。实验3从2012到2014年在民勤绿洲开展无覆膜和覆膜的种植模式中4个氮素水平(N0、N207、N311和N414)对玉米产量的影响。平地无覆膜模式中的土壤被均匀染色；沟垄无覆膜模式中除了垄上土壤被染色外,沟里土壤染色较深；覆膜沟垄模式只有沟区土壤被染色。从垂直于作物种植线的剖面来观测,尽管3种模式的土壤染色面积相等,但最大染色深度在沟垄无覆膜和沟垄覆膜模式中分别增加了47—72%和129—156%,且雨水分布区域在沟垄覆膜模式中收敛后与玉米根系密集区紧密重叠,而这一叠加效应在平地无覆膜和沟垄无覆膜模式中很少。另外,和平地无覆膜或沟垄无覆膜相比,覆膜沟垄显著增加染色区域的土壤含水量。该结果证明覆膜沟垄模式具有比其他两种模式使雨水被作物利用的最大程度。尽管苜蓿和玉米地中均有普遍的大孔隙流,但水分路径和分布特点不同。在苜蓿地中,孔隙发育良好,从地表到15cm处具有高水分含量的带状区域表明大孔隙流路径。在玉米地中,水分含量高的点状分布说明大孔隙流方向的不确定性。大孔隙流在苜蓿地中要弱于玉米地中的。由犁底层诱发的侧流在玉米地中更加明显,并且侧流对水分空间分布具有重要作用。向下运移的水分被玉米地中压实的犁底层阻挡,所以部分水分会储存在疏松多孔的土壤中。水分交互现象在两块样地中均有发生,但大孔隙和基质之间的交互作用的程度在苜蓿地中要强于玉米地中的。水分空间相关尺度表明苜蓿地具有更大的变异程度(空间相关尺度在苜蓿和玉米地中分别为23.08 cm和10.52 cm)。此外,入渗格局中的水分分布在两块样地中均具有强的空间相关性。因此,我们的实验证明土壤从苜蓿轮作为玉米时,大孔隙流、侧流和交互现象均有改变。与无覆膜相比,覆膜对土壤温度的作用是在白天起吸收和保持热量而在晚上保持热量。从每年的4月19日到6月20日,因玉米株苗和覆盖度小,所以在覆膜模式中水分消耗以植物蒸腾为主。而在无覆膜模式中玉米植株蒸腾虽小但土壤蒸发大,即这段时间里地膜覆盖具有保墒功能,且在5月份最明显。如在5月5日,和无覆膜相比,覆膜使0-40 cm土层土壤水分保持38%--51%。从7月5日到10月5日,两种模式的水分消耗以植物蒸腾为主,且在8月份最明显。地膜的保墒功能在这段时间不明显。所以和无覆膜处理相比,覆膜提供的良好水温微环境促进玉米出苗期大约提前6--8天。这导致玉米生长发育较快,所以玉米株高、茎粗和地上生物量的最大增长幅度在覆膜处理中较无覆膜处理提前一个月。且在整个生育期内,玉米的株高、茎粗和地上生物量在覆膜处理中高于无覆膜的。氮肥添加及时补充玉米生长对氮的需求。所以玉米株高、茎粗和地上生物量在高氮水平中更高、更粗和更重。地膜覆盖、氮肥和实验年份的三因子互作显著影响玉米籽粒产量。地膜覆盖显著促进玉米籽粒产量的增加。相对于无覆膜处理,各氮素水平下覆膜促使玉米产量增加的范围在2012年为42%--62%,在2013年为45%--57%,在2014年为55%--70%。氮肥添加显著影响玉米籽粒产量。在不覆膜处理下,与N0相比,N207、N311和N414增加玉米产量的幅度在2012年分别是70%、88%和98%,在2013年分别是63%、76%和89%,在2014年分别是58%、138%和195%。而在覆膜处理下,这一增加幅度在2012年分别是54%、66%和73%,在2013年分别是70%、91%和102%,在2014年分别是62%、132%和174%。该研究结果对旱区玉米种植采用覆膜沟垄模式和扩大种植面积提供理论依据。