旱作农业在中国的粮食生产、能源和经济发展中均发挥着重要作用。黄土旱塬属于典型的旱作农业区域,但由于几千年来不合理的密集农业活动,使得该地区水土流失严重、土壤水分保蓄能力下降、土壤养分损失严重。并且该区域季节性干旱频繁发生,导致区域土地生产力下降,作物产量表现出低而不稳的状态。提高土壤水分保蓄能力和土壤养分水平是该区域农业发展面临的重要问题。保护性耕作被认为是提高土壤水分保蓄能力和养分水平的有效措施。免耕具有防止水土流失以及节省人力物力的优点,但长期实施免耕容易发生土壤紧实、耕层上移和养分层化等问题。深松和翻耕能够加深耕层、降低土壤硬度、改善土壤孔隙结构和含水量,但长期使用翻耕使得土壤表面裸露,不利于土壤水分的保蓄,而且过多的扰动土壤破坏了土壤的团粒结构,降低了抗风蚀能力。连年的使用深松增加了生产成本,却没有达到增产的目标。因此,如何通建立合理的耕作措施以高效的利用有限的耕地资源,从而最大限度的提高耕地生产力是我们面临的重大考验。土壤轮耕通过将不同的耕作方式轮换使用,能扬长避短,有效克服单一耕作方式所带来的弊端,因此可设想为解决单一耕作措施弊病的有效方法。但黄土旱塬的轮耕实践是缺乏的,多年轮耕的土壤水分保蓄效应、养分提升效应和产量效应是未知的。鉴于此,为探究多年轮耕的土壤水分保蓄效应、养分提升效应和产量效应,为旱作农业生产耕作措施的选择提供科学支撑,本研究自2008年起,在合阳县甘井镇西北农林科技大学旱作试验站建立了保护系耕作长期定位试验(为期12年),以春玉米连作系统为研究对象,采用单因素随机区组设计,设置9种耕作模式,分别为:连续免耕处理(NT)、连续深松处理(ST)、连续翻耕处理(PT)、以及由免耕、深松和翻耕组合的两年轮换模式,免耕-深松轮耕(NS)、深松-翻耕轮耕(SP)、翻耕-免耕轮耕(PN),以及三年轮换模式,免耕-免耕-深松轮耕(NNS)、免耕-翻耕-深松轮耕(NPS)和翻耕-翻耕-深松轮耕模式(PPS),测定并分析土壤水分动态、土壤结构特性、养分累积、多年耕作后土壤细菌群落结构变化、产量、水肥利用及经济收益,旨在为半干旱区域旱作农田耕地生产力提升、土壤水分保蓄能力、土壤养分和作物产量的提升提供科学依据。本研究主要研究结果如下:1)各轮耕模式的实施能显著增加休闲期降雨的入渗,较PT增加休闲期土壤水分的补给,进而提高土壤墒情,缓解春旱。从2008年收获到2019年播前,共计11个休闲期中,土壤水分补给量平均值表现为:NPS>NT>SP>PN>ST>PT>NS>NNS>PPS。NS轮耕模式在干旱年休闲末期土壤含水量最高,较PT显著(P<0.05)增加9.0%;在平水年份以PPS轮耕模式最好,较PT显著(P<0.05)增加5.2%;而丰水年份则以NNS土壤墒情较好,较PT显著(P<0.05)增加5.2%。降水年型和耕作对生育期土壤蓄水量均有显著影响。在干旱年份,NNS和NS轮耕模式较PT显著(P<0.05)增加抽雄期土壤蓄水量14.5%和13.9%,NPS轮耕模式在灌浆期土壤蓄水量较PT显著(P<0.05)增加4.4%。在平水年,NNS和NPS轮耕模式较PT显著(P<0.05)增加抽雄期土壤蓄水量7.3%和4.9%,NNS、NPS、NS和ST灌浆期土壤蓄水量较PT显著(P<0.05)增加8.1～11.9%。可缓解由于降雨不足而引起的水分胁迫,保证水分的充足供应以保证产量的形成。在丰水年,NT处理抽雄和灌浆期土壤蓄水量分别较PT显著(P<0.05)增加6.5%和4.6%。从整个生育期来看,干旱年以NNS、NPS和PPS三种轮耕处理0～2m土壤蓄水量最高,平水年以NNS和NPS两种轮耕处理0～2m土壤蓄水量最高。丰水年以NNS轮耕处理0～2m土壤蓄水量最高。在经过12个生产年度后,各轮耕模式土壤水分的消耗主要发生在200～400 cm,且以ST处理土壤水分消耗最为严重,水分亏缺度最大。2)随着试验时间的延长,土壤容重、孔隙度、田间持水量和土壤水分亏缺度呈现出波动性的变化趋势。在0～60 cm土层,各轮耕模式间平均土壤容重和孔隙度差异不大。NPS、PPS、PN和ST处理田间持水量较PT增加0.8～3.5%(P>0.05);NPS、PPS、PN和NT处理土壤水分亏缺度较PT依次显著(P<0.05)增加6.6%、5.7%、7.8%和5.3%,但SP轮耕模式显著降低10.0%。在9种轮耕模式中,以NNS轮耕模式力稳性大团聚体含量和团聚体稳定性最高,较其它处理增加2.7～11.5%和3.8～21.1%;NT具有最高的水稳性大团聚体含量和最低的团聚体破坏率。3)经过多年试验之后,各轮耕模式土壤有机碳含量和储量均较试验前增加,以ST模式最为明显,较其它处理分别显著(P<0.05)增加6.2～21.7%和12.8～21.3%。但土壤全氮含量和储量以PN轮耕处理增加最明显,较其它处理显著(P<0.05)增加3.4～19.6%和2.6～14.9%。土壤全磷和速效磷含量均以NPS轮耕模式最高;全钾含量以NT处理最高;土壤速效钾含量以SP轮耕模式最高。轮耕模式显著影响了土壤细菌群落多样性,且以NPS轮耕模式细菌多样性和丰富度指数最高。NPS轮耕模式OUT数量较其它处理增加1.0～9.1%,Chao1指数增加4.9～27.8%,Shannon指数增加0.6～3.1%。本研究进一步冗余分析表明,土壤速效磷是决定土壤细菌结构组成的主要驱动因子,其次为全氮、全钾和有机碳,全磷对土壤细菌结构组成的影响程度最小。而且,寡营养型的物种,例如芽单胞菌门与土壤养分呈负相关关系。富营养型的物种,如拟杆菌门、厚壁菌门和放线菌门则是与土壤养分呈现正相关关系。因此,耕作通过秸秆残茬还田,使得土壤出现差异化的性质,最终驱动产生了差异的物种。4)降水年性对产量的影响显著高于耕作,在干旱年以ST处理增产效应最好,较其它处理增加1.8～13.4%;在平水年,ST、NPS和NS轮耕模产量较NNS、PPS、SP、PN、NT和PT产量依次增加3.1～18.9%、2.5～18.3%和2.5～18.3%;而在丰水年则是NPS轮耕模式产量最高,较其它处理增加2.4～15.2%。从12年平均来看,NPS轮耕模式产量、经济收益、降水利用效率,氮肥偏生产力和磷肥偏生产力最高;产量和降水利用效率较其它处理增加2.3～15.3%;经济收益较其它处理增加2.6～25.7%;氮、磷肥偏生产力依次较其它处理增加3.0～16.2%和2.4～15.4%。水分利用效率以ST处理最高,较其它处理增加0.4～11.4%。综上所述,以免耕为基础的保护性轮耕模式改善了耕层土壤结构,维持了较高的土壤养分含量,提升了土壤水分保蓄和供应能力,促进了作物对水分和养分的有效吸收,提升了产量、经济收益和水肥利用效率,降低了农业生产的碳足迹。不同降水年型下的优势轮耕处理不同,但总体上以NPS轮耕处理提升效果最好。因此,NPS轮耕模式可推荐为黄土旱塬和类似半干旱区域农田应用的轮耕模式。