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农田集雨种植兼顾了覆盖和垄作的优点，是干旱半干旱地区调控土壤水、肥、气、热状况，实现农业旱涝保收的一项重要措施。有研究表明，集雨种植对粮食作物和经济作物均具有显著的增产效果和经济效益，同时可大幅度提高水分和养分利用效率。目前，关于农田集雨种植的研究大多集中于不同种植模式、耕作方式、覆盖材料、覆膜时长及垄沟比例（尺寸）等方面，研究的内容主要涉及集雨效应、土壤水热状况、土壤理化性状（土壤结构、土壤微生物、土壤酶活性等）、养分运移、植株生长、养分吸收、水肥利用等方面。
雨水集流简称集水，由Geddes（1963）首次提出，其含义为“收集和储存径流或溪流用于农业灌溉”。此后，Myers等（1967）对该定义进行了补充，集水的含义进一步拓展为“通过人为措施处理集流面增加降雨和融雪径流，进而收集利用的过程”。现阶段比较全面和完善的集水定义由Reij（1988）提出，即：“收集各种形式的径流用于农业生产、人畜饮水或其他用途”，并指出集水的关键在于地表径流。简言之，集水就是采用工程的手段和措施，对自然降水进行收集、整合和存储，使之变为可直接被人、畜、农业生产等利用的水资源。相应地，集水农业指通过一定的措施对降水资源进行富集、叠加和储存，并将其引入作物根区土壤，以补偿农田水分的不足，从而改善作物耕层的土壤水分状况、提高作物产出，实现旱地农业生产的持续性和稳定性。集水农业具体包括雨水的汇集、存储和利用三方面内容。
在作物生长期或休闲期进行地表覆盖具有改善耕层土壤水热条件、防止农田水土流失和减少氮素淋溶、风蚀、水蚀等诸多优点，但也存在一些问题，主要表现在：对不大于10mm的降水资源利用率较低（李荣等，2016年提出）；平作覆盖地膜不利于降水的入渗，且在作物生长后期地膜覆盖较高的土壤温度容易造成土壤通透性差、根系活力下降、呼吸受阻和植株衰老加快等负面效应（蒋耿民等，2013年提出）；秸秆覆盖较低的土壤温度不利于植株的早期生长和最终产量的提高等。垄沟集雨种植技术尤其是垄沟二元集雨种植技术，被认为是现阶段干旱半干旱地区保墒抑蒸、改善土壤水热条件、促进作物生长和实现高产高效的一种有效措施和重要途径。它通过在田间修筑沟垄、垄体覆膜、沟内种植，使降水由垄面（集水区）向沟内（种植区）汇集，形成降水资源的有效叠加。垄沟二元集雨条件下，垄体覆膜的同时在种植沟中覆盖其他材料（如秸秆、沙石等），通过全程地表覆盖可最大限度地集蓄降水、减少土壤无效蒸发，抑制杂草生长，从而显著改善作物耕层的田间小气候，并促进作物生长。此外，在部分半干旱地区，作物生育期的降水总量基本可以满足作物生长的水分需求，但由于降水季节分配与作物关键需水期严重失衡和错位，使得降水的有效性降低。垄沟二元集雨种植可充分发挥区域降水资源和水肥光热生态因子的协同增效作用，能够同时从时间和空间上提高降水资源的可控性。在遭遇极端干旱或是长时间持续无降水发生时，进行必要的补充灌水可达到不同降雨年型下作物保产、稳产和高产的目的。
与平作相比，垄作种植具有诸多优点。垄作可通过改变微地形增加农田地表面积，从而增加可接收太阳辐射的面积；可加大昼夜温差，进而提高光合产物的累积而降低光合产物的消耗。此外，垄作覆膜还具有集蓄降雨、减少蒸发等功能（赵爱琴等，2015年提出）。表面覆盖具有保水保墒、调节土壤温度、防止农田水土流失和减少氮素淋溶等多重功效。农田垄沟集雨种植技术是将地表覆盖和垄沟技术相结合的复合模式。该技术利用地膜覆盖作物行间非种植区（垄）的地块，使覆盖区的降水汇集并叠加到种植区（沟），以提高作物耕层的土壤水分状况，供作物吸收利用（丁瑞霞，2006年提出）。即将“垄”“沟”在田间相间排列，垄面覆膜集蓄降水，沟内种植作物，降水从垄面汇入沟内，形成降水叠加，从而有效收集5mm以下的微型降雨，将小雨和无效降雨变为植株可吸收利用的有效水，并储存于根区土壤中，从而缓解作物的水分亏缺状态，提高作物产量和降水资源的有效性。
农田垄沟集雨种植的核心思想是通过微集雨技术收集和储存降水→形成土壤水库→实现作物的高效生产，即形成集雨-蓄水-种植的模式。现阶段存在的农田集雨种植技术的分类方法主要有以下5种：
（1）按地面覆盖度的不同，可分为一元覆盖集雨种植技术（包括垄覆盖、沟不覆盖和垄覆盖、沟半覆盖等）和二元全程覆盖集雨种植技术（垄覆地膜，沟覆盖不同的材料，如秸秆、生物降解膜、液态地膜和砂石等）。
（2）按覆盖时间的不同，可分为仅在作物生育期内进行集雨保墒，仅在休闲期进行集雨保墒和在生育期、休闲期均采取集雨保墒措施等。
（3）按种植制度的不同，可分为单一作物的集雨种植、间作套种的集雨种植和轮作系统的集雨种植。
（4）按作物类型的不同，可分为大田作物的集雨种植和经济作物的集雨种植；长生育期作物的集雨种植和短生育期作物的集雨种植；旱作作物（如小麦、玉米）的集雨种植和水作作物（如水稻）的集雨种植；雨季作物（作物生育期的降水总量较多，如夏季作物，在数量上基本可以满足作物的水分需求）的集雨种植和旱季作物（作物生育期的降水总量较少，如冬小麦、冬油菜，仅依靠集雨措施保墒蓄水不能满足作物的水分需求，应适时给予一定的补充灌水）的集雨种植等。
（5）按种植模式的不同，可分为垄沟集雨种植（垄沟等间距、宽沟窄垄等）、连垄集雨种植和全膜双垄沟集雨种植等形式。
不同的集雨种植技术在形式上存在一定的差异，但本质思想基本相同，即通过垄面集蓄降水、富集到作物根区、减少土壤蒸发、改善土壤水分供应与作物水分需要间的矛盾，从而促进作物生长，提高降水利用效率，实现农业的稳产和高产。
垄沟集雨种植增产增效的主要原因是其能够有效地集蓄降水，通过抑蒸聚雨变小雨为中雨，变无效雨为有效雨，从而形成边蓄边用，用中有蓄的土壤作物水分供需状态。王琦等（2004）通过设置3种垄沟比和2种下垫面材料（膜垄和土垄）进行集雨效应的研究发现，膜垄和土垄的平均集雨效率分别为90.0％和16.8％。周昌明等（2016）在不同覆盖种植方式（覆盖生物降解膜）对夏玉米集雨效果进行的研究中得出，在玉米生长前期，垄沟集雨处理和连垄集雨处理的蓄水效率分别较平作不覆盖提高34.51％和45.71％；在玉米生长中期，随着降水量的增加，2种集雨处理的蓄水效率较前期均有所增加（分别较平作不覆盖提高49.93％和42.83％）；到玉米生长后期，植株冠层基本封垄，2种集雨处理的蓄水效率较前期和中期大幅度降低。韩思明等（1993）在渭北旱塬区夏闲期聚水保墒技术的研究表明，人工降水45mm后24h，平作和垄作覆膜处理的土壤水分入渗深度分别为30cm和50mm。2种处理除入渗深度有差异外，前者的水分侧渗程度也不及后者。李小雁和张瑞玲（2005）在垄沟集雨系统的蓄水保墒效应研究中也发现了集雨种植的优越性，膜垄较土垄可显著提高小雨的利用率，膜垄的最小产流降水量仅为0.8mm，膜垄的平均集雨效率高达87％，而土垄仅为7％。
集雨种植条件下较优的集雨效率与垄沟尺寸、比例等垄沟性状密切相关。合理的垄沟设计可充分发挥垄作覆膜的集雨效果，且不同作物的合理垄沟尺寸不尽相同。王琦等（2005）和Wang等（2005）在马铃薯的研究中发现，在垄沟比为40∶60时，具有较好的土壤水分状况，可获得较高的马铃薯产量。王俊鹏等（2000）对玉米、谷子、小麦、豌豆和糜子5种作物，分别设置垄宽60cm、沟宽60cm和垄宽75cm、沟宽75cm的垄沟尺寸进行微集水研究，发现无论在丰水年还是欠水年，5种作物均在垄沟宽为60cm的垄沟集雨模式下增产效应较高，即垄沟比60∶60为该5种作物的合理垄沟尺寸。寇江涛和师尚礼（2011）在对苜蓿集雨种植的研究中得出，垄膜种植的集雨效率显著高于土垄，其中垄沟比为60∶60和60∶75的集雨处理效果较好。丁瑞霞（2006）在宁南旱区的农田微集水种植研究中发现，矮秆作物如小麦、糜子、谷子和豌豆的适宜垄沟比为45∶45；而高秆作物如玉米、葵花的适宜垄沟比为60∶60。可见，不同作物的合理垄沟尺寸差异较大，甚至同一种作物在不同气候条件下的适宜垄沟尺寸可能不同。因此，在生产实践中，需要根据特定的气候状况、耕作习惯、作物种类等进行相关的试验研究，以充分发挥垄沟集雨种植的优势。
垄沟集雨措施通过改变下垫面特性来促使降水再分布，抑制表层土壤水分的无效蒸发，从而改善土壤水分状况。在集雨种植系统中，“垄水”和“沟水”可相互转化、互为源库。当沟中水分被植株吸收出现不足时，垄内的水分可通过扩散作用对沟中水分进行补充；当沟中水分充沛时，可通过侧渗作用储存在垄内，尤其在作物生长需水关键期，或是持续干旱无降水时，这种土壤水分间的相互补给对于作物维持生命活动具有重要意义。
不同的覆盖材料会产生不同的土壤水分效应。刘艳红（2010）在不同垄沟覆盖材料对冬小麦农田土壤水分的研究中发现，不同集雨处理均可提高拔节期前0～40cm土层的土壤水分含量，其中垄覆普通地膜处理的2m土层平均土壤含水率高于垄覆液态地膜处理，垄覆普通地膜或液态地膜沟覆秸秆处理在冬小麦生长前期的保水效果显著优于沟覆液态地膜和沟不覆盖，而在冬小麦生长后期，不同处理间土壤水分状况的差异有所减小，其中垄覆普通地膜沟覆秸秆在冬小麦生长季的保墒蓄水效果最佳。不同的气候条件会产生不同的土壤水分效应。任小龙（2008）通过模拟降水量研究得出，在降水量为230mm、340mm和440mm时，垄膜集雨处理的0～200cm土层土壤储水量分别较平作不覆盖提高2.3％、5.2％和4.5％。韩娟等（2014）在半湿润偏旱区不同垄沟覆盖种植冬小麦的研究中表明，垄沟单一集雨处理和垄沟二元集雨处理均可提高冬小麦生长前期0～20cm和20～100cm土层的土壤储水量，且二元集雨处理的保墒效应较好，与沟覆秸秆相比，沟覆液态地膜随生育期推进逐渐降解，仅在冬小麦生长前期具有一定的蓄水作用。由此可见，二元集雨处理可更有效地集蓄降水、改善土壤水分状况、促进作物生长，但不同作物的合理二元集雨模式存在一定差异，需要根据实际情况结合试验研究进行选择。
集雨种植的另一重要特点是可以显著改善作物耕层的土壤温度。土壤温度会影响土壤微生物数量（种类）、土壤微生物活性、土壤溶质的溶解与释放、土壤有机质的分解与矿化、土壤水盐运移等，而这些土壤理化性状与作物的生长密切相关。对于喜温作物而言，适宜的耕层土壤温度更是实现高产、优质和高效的重要环境因子。集雨种植的土壤温度效应受土壤类型、气候条件和覆盖材料等因素影响。研究表明，集雨种植可显著提高作物生育期的土壤温度，尤其是可以提高作物生长前中期的土壤温度，随着生育期的推进，冠层覆盖度逐渐增加，地表可接收的阳光直射减少，集雨种植的增温效应随之减弱。土壤水分状况会影响集雨种植的土壤温度效应。研究表明，随生育期降水量的增加，集雨种植的增温效应呈下降趋势（Li等，2012年提出）。集雨种植的土壤温度效应因覆盖材料不同而存在一定差异。在中国黄土高原西北部的西瓜垄沟集雨种植中，垄覆地膜沟覆砂石处理的沟中土壤温度低于砂石覆盖平作处理，尤其在10cm土层深度处差异较为明显。与垄覆地膜相比，垄不覆盖时土壤温度显著降低，且沟覆秸秆可降低土壤温度的日变幅（Wang等，2011年提出）。即在秸秆覆盖条件下，低温时有“增温效应”，高温时有“降温效应”。在渭北旱塬区不同覆盖材料的玉米集雨种植中，覆盖生物降解膜和普通地膜的土壤温度分别较不覆盖提高8.2％和12.3％，而覆盖秸秆显著降低了5~25cm土层的土壤温度，严重影响玉米前期的生长发育（王敏等，2011年提出）。在玉米的不同覆盖材料试验中，与平作不覆盖相比，覆盖可降解膜和普通地膜均可明显提高玉米播种后60d内的土壤温度，且覆盖可降解膜与普通地膜的促进效应基本相当（申丽霞等，2011年提出）。
近年来，生产实践表明，地膜覆盖可显著促进作物前中期的生长发育，然而在作物生长后期，覆膜较高的土壤温度容易造成根系呼吸受阻、活力下降，不利于对土壤水分、养分的吸收利用，会产生一定的早衰现象并影响产量和品质的提高。因此，建议在一定的生长阶段对覆膜作物进行揭膜处理，以充分发挥覆膜的积极效应，并最大限度地降低其负面效应。关于不同作物的合理揭膜时期已取得了较多的成果。有研究表明，在黄土高原南部红油土中，冬小麦的合理覆膜时间为75~150d，春小麦的合理覆膜时间为30~60d（沈新磊等，2003年提出）。在陕西关中地区，覆膜春玉米（银敏华等，2015年提出）和夏玉米（蒋耿民等，2013年提出）的适宜揭膜时期均为抽雄期（播种后60d）。在新疆库尔勒地区，棉花的合理揭膜时期为盛铃期（播种后30d）（宿俊吉等，2011年提出）。
垄沟集雨栽培将集水、保墒与调温有机结合，在有效改善土壤水热条件的同时会影响土壤微生物活性和土壤养分的转化与释放，最终影响土壤性状、土壤肥力和土地生产力。
在土壤性状方面，秸秆覆盖有利于改善土壤结构。余坤等（2014）在不同秸秆处理方式的冬小麦研究中发现，粉碎氨化秸秆可有效改善上层土壤的通气状况，并显著提高土壤水稳定性团聚体的含量。米美霞等（2014）在覆盖条件下土壤热参数的研究中得出，覆盖条件下较好的土壤水分状况可直接影响土壤热参数的变化，且主要表现在浅层土壤中。在降雨期间，各处理的土壤热参数均有所减小，但覆盖处理与露地的差异有所加大；与露地相比，覆盖处理可延迟土壤热扩散开始减小的时间。侯贤清和李荣（2015）在宁南山区免耕覆盖的研究中发现，免耕覆盖地膜和秸秆条件下，0~40cm土层中稳定性团聚体含量显著高于翻耕不覆盖，同时可有效降低土壤容重。王海霞等（2012）在免耕秸秆覆盖玉米的研究中得出，与不覆盖相比，不同秸秆覆盖处理下，土壤中大于0.25mm机械稳定性团聚体和水稳性团聚体的含量均显著提高，而不稳定团粒指数有所降低，且当秸秆覆盖量为6000kg/hm 2 时，土壤各项参数均较优。
地膜覆盖也会影响土壤的理化性状。宋秋华等（2002）在不同覆膜持续时间的研究中发现，覆膜会促进土壤有机质的分解，显著提高土壤氨化细菌、硝化细菌、亚硝化细菌、解磷细菌和微生物总量。康慧玲等（2017）在不同覆盖材料对土壤酶活性的研究中得出，秸秆还田较不还田可显著提高土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性。秸秆还田结合地膜覆盖较单一的秸秆还田可提高低温时土壤酶的活性，且总体以秸秆还田结合地膜覆盖提高幅度最大。徐文强等（2013）在不同秸秆还田与覆膜组合的研究中得出，地膜覆盖结合秸秆还田可有效降低土壤容重，且粉碎还田在改善土壤容重方面优于整杆还田。然而，随着地膜覆盖面积和使用年限的增加，加之地膜质量无保障，农田中聚积的残膜不仅不利于耕作，同时会威胁作物生长和环境安全。唐文雪等（2016）在覆盖不同厚度地膜的研究中发现，与0.008mm地膜相比，覆盖0.006mm地膜会增加土壤容重，而覆盖0.010mm和0.012mm地膜会降低土壤容重。覆膜种植条件下，残留地膜主要分布在0～30cm土层内，且以面积小于4cm 2 的膜块为主。连续覆盖4年后，0.008mm、0.010mm和0.012mm厚度地膜的残膜量差异不显著，但均显著低于0.006mm厚度地膜。
在土壤肥力方面，一定范围内，土壤水分的增加和温度的提高可促进土壤有机质的分解和速效养分含量的提高。秸秆覆盖有利于提高土壤有机质含量，是保护性耕作的重要组成部分（王海霞等，2012年提出）。在降水径流的冲击和风力作用下，容易发生土壤水蚀、风蚀。地表覆盖秸秆后，其松土和增糙作用可有效缓解土壤水蚀和风蚀的危害，减少水土流失，提高降水入渗深度。在黄土坡耕地中，作物残茬和秸秆可减少产流次数、降低径流量和土壤侵蚀量，且随着覆盖年限及覆盖量的增加，效果趋于明显。此外，秸秆覆盖条件下，土壤养分的流失也明显降低。在不同降雨量条件下，集雨种植可显著提高玉米耕层土壤速效N、P、K和有机质的含量，且随降雨量的增加，速效N和K含量的增加幅度减小，而速效P的增加幅度加大。此外，集雨种植提高土壤速效养分的土层深度与玉米生育期的降雨量密切相关。宋秋华等（2002）在持续2年的试验研究中发现，覆膜会促进土壤有机质的分解，不同覆膜时长的土壤有机质含量均显著低于不覆盖，其中覆膜30d处理的下降幅度较低。Liu等（2009）通过垄沟种植结合地膜覆盖研究得出，玉米全生育期覆膜和播前30d覆膜均会降低土壤有机碳含量，而一膜两用则可以提高土壤有机碳含量。综上所述，作物秸秆由于本身含有多种营养元素，可为农田生态系统提供一定的碳源，实现农田养分再循环并改善土壤结构；而地膜覆盖条件下，较高的土壤温度环境会加速有机质的分解，从而降低土壤有机质含量。
在中国西北干旱半干旱农业系统中，土壤肥力和水热状况较差，集雨栽培技术的引入使农田水热资源重新分配，在大幅度提高作物产出的同时，会不可避免地引起土壤质量下降。在生产实践中应通过增施有机肥、秸秆还田、进行必要的耕地休闲或与其他豆科作物间作、轮作等措施，实现用地与养地的有机结合和农田生态系统的持续发展。
沟垄集雨种植条件下，较优的土壤水热状况和养分含量可促进作物的生长发育及其对养分的吸收利用。在作物生理生长指标方面，韩娟等（2014）通过不同垄沟覆盖材料的研究发现，一元集雨处理和二元集雨处理均可显著提高冬小麦的株高和地上部分生物量，其中垄覆地膜沟覆秸秆处理的促进效果最好，可分别较平作不覆盖提高20.1％和38.5％。然而，集雨处理对冬小麦生长的促进效应主要表现在生长前期。产生这种现象的主要原因是，冬小麦生长前期降水量较少，集雨处理的效应可充分发挥，到冬小麦生长后期，一方面降水量逐渐增多，另一方面冠层基本封垄，集雨处理的增温保墒效应随之降低。张鹏（2016）在垄沟集雨种植结合补充灌溉的研究中得出，在不同降雨年型下，集雨补灌处理较畦灌处理均可显著提高玉米叶片的叶绿素含量、光合特征和叶绿素荧光参数等指标。高玉红等（2012）通过采用7种集雨种植方式对玉米根系进行研究发现，与半膜双垄沟播、常规地膜覆盖和平作不覆盖相比，全膜双垄沟播等行距种植处理下，0~150cm土层的玉米根长显著提高，且120～150cm土层的根长占比显著增加。周昌明等（2015）也得出了类似的结果，平地全降解膜覆盖、垄覆降解膜沟种植和连垄全降解膜覆盖种植的玉米根长、根表面积、根体积和根干重均显著高于平作不覆盖，其中连垄全降解膜覆盖种植的提高幅度较大，且具有较大的根长密度。路海东等（2017）在不同颜色地膜覆盖玉米的研究中发现，与白色地膜相比，覆盖黑色地膜可延缓玉米叶片衰老，提高叶片的生理活性（光合特性、PSII电子传递速率、光化学猝灭系数等）。此外，大量研究表明，集雨种植在改善油菜、马铃薯、烤烟、苜蓿、桃树、糜子、西瓜、甜菜等作物的生理生长指标方面均具有较好的效果。
集雨种植在促进作物生长的同时，会提高作物对养分的吸收和利用。不同降水量条件下，集雨处理较平作不覆盖可显著提高玉米植株的N、P、K吸收量和利用效率，尤其在降水量较少时，提高幅度较大（任小龙等，2010年提出）。垄覆普通地膜和生物降解膜较平作不覆盖可显著提高冬油菜主要生育期植株的N、P、K累积量，且覆盖2种膜之间差异不显著（谷晓博等，2016年提出）。在陇中旱区，施肥条件一致的情况下，在玉米养分需求较低的苗期，集雨种植较传统平作的耕层全氮和速效磷含量分别提高17.0％和11.9％，而在玉米养分需求量较高的花期，集雨种植的耕层全氮和速效磷含量均低于传统平作。这也反映出集雨种植可促进植株的养分吸收（魏以昕等，2000年提出）。在中国西部旱区，与畦灌相比，不同集雨补灌处理的植株各器官养分含量均较高，其中籽粒提高幅度为9.74％～24.83％，叶片提高幅度为14.26％～37.07％，茎秆提高幅度为16.07％～22.88％（张鹏，2016年提出）。在小麦-水稻轮作系统中，与传统不覆盖相比，覆盖地膜的植株N、P、K吸收量均有所提高，而覆盖秸秆的植株N、P、K吸收量有所降低（Liu等，2003年提出）。集雨种植条件下，植株养分累积量的增加有助于产量和肥料利用率的提高。
当品种、播期等相同时，土壤水热环境是影响作物生育周期和生育进程的主要因素。不同覆盖栽培的土壤水热状况不同，使得作物生育进程存在一定差异。在中国北方大部分地区，早春作物和越冬作物容易遭受低温冷害，不利于种子的萌发和幼苗的生长。集雨种植条件下，覆盖地膜可通过提高耕层土壤温度，促进种子出苗并加快作物生育进程（Li等，1999年提出）。申丽霞等（2011）通过普通地膜、可降解膜和露地栽培的对比试验得出，玉米的全生育周期表现为覆盖普通地膜最短，覆盖可降解膜较覆盖普通地膜延迟3d，露地栽培较覆盖普通地膜延迟12d。王敏等（2011）在不同覆盖材料种植玉米的研究中得出，覆盖生物降解膜和普通地膜可缩短玉米全生育期11d，这主要是缩短了苗期到大喇叭口期的时间，而生殖生长时间与露地种植差异较小。秸秆覆盖的玉米全生育期较露地种植延长3d，覆盖液态地膜的生育期与露地种植差异不显著。高丽娜等（2009）在华北平原的冬小麦试验中发现，与露地栽培相比，覆盖秸秆可缩短冬小麦的灌浆时间，而覆盖地膜可延长冬小麦的灌浆时间。路海东等（2016）通过不同颜色地膜覆盖玉米的研究中得出，从出苗到拔节期，覆盖2种地膜的持续时间相当，且均较露地栽培有所降低，之后，覆盖白色地膜的玉米生育进程较覆盖黑色地膜有所加快。整个生育周期表现为覆盖黑色地膜与露地栽培差异不显著，而覆盖白色地膜可缩短3d。这主要与2种颜色地膜的增温效应有关，黑色地膜可有效延缓植株衰老，延长生殖生长持续时间，有利于籽粒灌浆和籽粒充实。此外，集雨种植也会影响草原植被、烤烟、甜菜、谷子、糜子等作物的生育进程。
在干旱半干旱地区，作物增产主要依赖于生育期间的有效降水及播前土壤储水。垄沟集雨种植可改善作物生长的水、肥、气、热环境，从而获得较高的产量。在农田集雨种植中，因作物种类，生育期降水量、降水分布，前茬作物类型和覆盖材料等不同，其对作物的产量、品质和水氮利用效应存在一定的差异。
任小龙（2008）通过模拟降雨量研究发现，当生育期降雨量为230mm和340mm时，垄沟集雨种植可显著提高玉米的产量和水分利用效率，尤其在降雨量为230mm时，水分利用效率的提高幅度高达61.24％，而当生育期降雨量为440mm时，垄沟集雨种植与传统平作的玉米水分利用效率差异不显著。这表明在降水量较少或土壤水分处于相对亏缺状态时，即当水分是限制作物生长的主要因子时，垄沟集雨种植可更好地发挥其增产增效作用。当土壤水分本身较高时，水分已不是影响作物生长的主要因素，此时集雨种植的优势无法充分发挥。Wang等（2011）在不同垄沟集雨种植西瓜的研究中得出，垄沟集雨种植可显著提高西瓜的产量和水分利用效率，且垄沟比1∶1的集雨增产效果优于垄沟比5∶3的效果。Li等（2001）通过在半干旱地区的垄沟覆盖耦合试验中得出，在干旱年份、湿润年份和偏湿润年份，垄沟集雨种植的玉米增产率分别为60％～95％、70％～90％和20％～30％。
与一元集雨处理相比，二元集雨处理在提高作物产量和水分利用效率方面效果较优。冯浩等（2016）通过西北半湿润地区不同集雨方式的研究得出，不同集雨处理的玉米产量和产量构成因素均显著高于平作不覆盖，其中同时覆盖秸秆和地膜处理的提高幅度最大，产量较不覆盖提高28.4％，水分利用效率较不覆盖提高28.0％。刘艳红等（2010）通过渭北旱塬区不同微集水种植的研究也发现，微集水种植在提高冬小麦产量和水分利用效率方面效果显著，分别较平作不覆盖提高24.73％～40.56％和17.61％～27.36％，其中垄覆地膜沟覆秸秆处理的促进效果最优。
覆盖不同厚度的地膜也会影响集雨种植的增产效应。张丹等（2017）研究表明，随着地膜厚度的增加，棉花和玉米的产量不断提高，覆盖0.012mm厚度地膜的棉花与玉米产量分别较覆盖0.006mm厚度地膜提高4.0％和15.4％。周明冬等（2016）研究表明，与0.006mm厚度地膜相比，覆盖0.008mm、0.010mm和0.012mm厚度的地膜可分别使棉花产量提高3.4％、5.0％和7.4％，分别使地膜残留量减少36.5％、60.4％和54.6％。
生育周期较长、生产潜力较大的作物，可充分发挥集雨种植的优势，从而提高增产增效幅度。即当作物生育周期较长时，受集雨种植土壤水分再分配的作用时间也较长；生产潜力较高的作物，在较优的土壤水肥环境下，可提高光合产物向籽粒的运转量和运转效率。王俊鹏等（2000）在宁南地区分别对玉米、谷子、小麦、豌豆和糜子5种作物进行微集水研究发现，玉米和谷子的集雨增产效果显著，而豌豆和糜子的集雨增产效果最差，小麦的集雨增产效果居中。这可以解释为，对宽行距作物而言，垄沟集雨种植不会影响作物的种植密度，因此个体的增产必然会获得较高的群体产量；而对于窄行距作物，垄沟集雨种植会减少单位面积农田的有效植株数量，尽管个体产量有所提高，但由于群体数量较少，使得单位面积产量的提高幅度较小。
除此之外，集雨种植还可以提高作物的品质和经济效益。在作物品质方面，Dass和Bhattacharyya（2017）在印度北部半干旱平原种植大豆的研究中发现，与不覆盖相比，覆盖秸秆的大豆蛋白质含量和含油量分别提高18％和17％。Saraiva等（2017）在巴西研究集雨种植对西瓜品质的试验中得出，覆盖秸秆和白色地膜可有效提高西瓜的可溶性固形物含量。在苜蓿的研究中也发现，垄膜集雨处理可促进苜蓿粗蛋白和粗脂肪的合成代谢，提高粗蛋白和粗脂肪的含量，同时可抑制粗纤维的合成，从而获得较优的苜蓿品质（寇江涛等，2010年提出）。Wang等（2011）在中国西北旱区种植马铃薯的研究中发现，地膜覆盖处理下马铃薯的淀粉和维生素C含量均有所降低，并认为这主要是由于地膜覆盖后期的高温效应所致，应在适当生长时期进行揭膜。
在经济效益方面，张鹏（2016）在集雨限量补灌对玉米经济效益的研究中发现，不同降雨条件下，各集雨补灌处理较畦灌均可提高玉米的总收入，但提高幅度随生育期降雨量的增加趋于减小。周昌明（2016）在不同地膜覆盖和种植方式的研究中得出，连垄全覆盖降解膜和连垄全覆盖液态地膜的经济效应高于平作不覆盖。丁瑞霞（2010）通过研究集雨种植对作物的调控效应表明，在集雨种植条件下，谷子的收入显著增加，玉米可达到增产和增收的双重效应，而糜子的产值有所提高，但纯收入有所降低。这一方面是由于集雨种植本身的成本较高，另一方面与作物的增产幅度和当时的价格有关。Li等（2001）在半干旱地区的垄沟覆盖耦合玉米试验中得出，在干旱年份、正常年份、湿润年份和偏湿润年份，垄沟集雨种植的玉米净收入分别增加200~400元/hm 2 、800～1000元/hm 2 、1100元/hm 2 和50～100元/hm 2
二元集雨种植可有效避免单一秸秆覆盖的低温效应和单一地膜覆盖在作物生长后期产生早衰和过度消耗地力等负面效应。通过在田间垄沟相间布置，垄面覆膜、沟中种植并覆盖秸秆，可充分发挥地膜和秸秆的积极效应，并有效避免地膜和秸秆的不利影响，从而实现覆盖效应的最大化。具体而言，主要体现在集雨、蓄水和保墒3个方面。二元集雨种植条件下，可有效提高作物产量主要归因于以下5方面原因。
（1）二元集雨种植可最大限度地积蓄天上雨，保留地里墒。二元集雨为全程覆盖，即形成封闭式的地表格局。垄体覆膜后光滑的表面可将小于5mm的降水有效地富集到沟中作物根区，沟中覆盖的秸秆有利于降水的入渗，从而实现降水的二次叠加，并有效地储存在土壤中，达到边蓄边用、用中有蓄的良性循环，提高土壤水分的有效性。
（2）二元集雨种植可最大限度地降低地表无效蒸发。二元集雨条件下，地表覆盖度达到100％，在秸秆和地膜的物理阻隔下，土壤与大气的热量和水分交换强度减弱，从而有效降低棵间蒸发。
（3）二元集雨种植可最大限度地改善作物耕层的土壤温度状况。垄上覆盖地膜较高的土壤温度可促进种子萌发和幼苗生长，一定程度上减弱沟中秸秆覆盖的低温效应；在作物生长后期，秸秆覆盖较低的土壤温度可有效避免地膜高温效应导致的植株根系衰老和活性降低，从而延长生殖生长时间，维持合理的作物生长周期。
（4）二元集雨种植可实现用地与养地的有机组合，增产又肥田。相关估计表明，每公顷农田可生产11250kg秸秆，每100kg秸秆的N、P 2 O 5 和K 2 O养分含量分别为0.5kg、0.3kg和0.9kg（Spaccini等，2001年提出）。二元集雨模式下，沟中秸秆可释放大量的营养元素，有助于培肥地力，从而使作物根系可吸收利用的养分增加。
（5）二元集雨种植可有效抑制杂草生长，降低病虫害的发生频率。垄上膜较高的土壤温度和缺氧状态可实现抑草率80％以上。杂草减少的同时也会降低病虫害的寄主源。此外，二元集雨种植可调节农田小气候，使害虫的生活环境发生紊乱。