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我国早在20世纪80年代就有人提出了“主动抗旱，以雨水治旱”的思路，并形成了现在比较成熟的两大雨水积蓄体系，分别是旱作农业区以雨水集流补灌和抗旱保苗稳产为中心的农业用水模式和以田间微集雨为依托的集水高效农业技术体系。两大集雨体系大大改善了西北地区被动抗旱的局面，实现了对现有水资源的收集、储存和再分配，尽可能地降低了土壤水分的无效径流和蒸发，解决了降雨与作物需水之间的供需矛盾，而干旱半干旱地区的作物生产力也提升到了一个新的台阶。
然而，作为该技术体系的拓展性研究，在其他地处半干旱地区的发展中国家，如非洲的肯尼亚是否具有同样的普适性？对主要作物——玉米的产量形成和田间水生产力是否具有类似的显著促进效果？对水土资源利用有什么样的调控效应？为了验证垄沟覆盖栽培技术在肯尼亚半干旱区的有效性和适用性，本研究选择了位于非洲之角的肯尼亚开展试验。在肯尼亚雨养农业区，由于基础设施落后，生产力低，农业体系发展滞后，该区主要以传统农业为主。再加上滴灌需要资金的支持又难以大面积推广，造成了该区长期以来无法解决水资源紧缺的问题。因此，有效地引进和推广在我国黄土高原地区已经成熟、配套的田间微集雨耕作技术，将会为改善和提高肯尼亚干旱区大田生产力，缓解粮食危机作出贡献。
肯尼亚半干旱热带气候区，光热资源丰富，唯一的水资源来自于天然降水。在旱地雨养农业生产实践中与我国黄土高原干旱半干旱地区面临着相似的窘境，水资源短缺成为该区农业发展的瓶颈。因此，如何利用有限的雨水资源，将无效的天然降雨和蒸发尽可能地转化为作物能够吸收和利用的有效水——土壤水分，提高大田生产力，是解决该区粮食紧缺、提高雨养农业水分利用效率的有效途径。
在4000多年前的商代，我国就已经有了关于雨水收集和再利用的记载，且早在2700年前春秋时期，黄土高原地区已有引洪漫地技术，600多年前已有水窖。现行的技术如池塘、隔坡梯田、窑窖、保水耕作、覆盖及农作技术等都在雨水收集利用之列。虽然我国利用雨水的历史悠久，但对集雨农业的系统研究相对较晚。20世纪60年代，我国科学家在黄土高原进行水土保持研究时曾涉及鱼鳞坑和水平沟雨水集流技术；20世纪70年代，山西昔阳采用集雨梯田发展雨养农业。尤其是近年来，随着干旱的加剧与水问题的日益突出，雨水资源化与收集利用在我国得到了高度重视，1995年9月在北京举行的第7届雨水利用国际学术会议，使中国雨水利用研究走上正轨；1996年9月在甘肃兰州市举行的第一届全国雨水利用暨东亚区国际研讨会，使雨水利用研究进入热潮。世界上近一半的国家都不同程度地受到干旱问题的影响，因此，发展集雨农业是提高旱区降水利用效率和生产力的一种行之有效的方法。
国际上最早的集雨农业科学试验是由澳大利亚工程师A S Knyon于1929年所做的。他用2415.4m 2 的白铁皮收集雨水并把它输送储存到一个409.1m 3 的带盖蓄水池中，运用于农业灌溉和人畜饮水。随着第二次世界大战的结束和经济的复苏，特别是受20世纪70年代非洲大旱灾的打击后，雨水利用技术又重新受到重视，试验研究大量增加，特别是进入20世纪80年代后，随着国际雨水集流系统会议的召开，逐步成立了国际雨水集流系统协会。世界范围内广泛开展了集雨农业理论探索和相关技术研究，研究内容涉及很多层面，包括集雨面的处理、微集雨系统设计、集雨模型的设计与改进、如何对收集雨水的高效利用等方面。截至2013年，国际上召开了多次雨水集流系统会议。实践证明收集的雨水已成为许多国家和地区农业、畜牧、家庭生活用水等的主要补充来源，大大缓解了干旱给农民日常生活带来的困难。肯尼亚的许多地方，UNDP和世界银行的农村供水和卫生项目把雨水贮水罐作为项目的一个重要内容，在学校、医院建造了许多10~100m 3 的贮水罐，带动了非洲雨水集蓄工程的发展。20世纪中叶以来，肯尼亚相继展开了修整梯田、台地和修筑水平沟等措施，可以有效地拦截雨水，缓解水土流失，促进降雨入渗，提高土壤含水量。
1.垄沟比例设计模型
垄沟集雨核心是根据作物类型、气候区域和土壤质地，选择合适的垄沟比例，不同的垄沟模型将直接影响到降雨的入渗时间、入渗强度以及土壤表面的径流。大量研究表明，不同垄沟比例模型产生的土壤效应和产量效应具有差异性。而早期关于W形播种方式的提出，逐步带动了垄沟模型的发展。王琦为了确定在垄沟微型集雨种植体系中的最佳垄沟比例，通过对经济产量和垄的宽度进行回归分析，发现在年降雨量小于250mm的半干旱地区，膜垄的最佳垄沟比为40cm∶60cm时，马铃薯经济产量可以达到最大期望值。李永平以谷子作为实验材料，发现以垄沟比为60cm∶60cm的带型垄沟集水种植方式蓄水作用效果最明显，而且作物的相关经济性状指标值与露地种植相比都有提高。强生才通过对不同微集雨模式下燕麦大田土壤水生产力的研究发现，就不同垄沟比来说，水分利用效率、产量和叶面积指数等各参数值在垄沟比为1∶1的处理组中最高。寇江涛在旱地紫花苜蓿种植中指出，通过回归分析，说明膜垄种植的最佳垄沟比为60cm∶60cm，而土垄的最佳垄沟比为60cm∶70cm，且苜蓿的经济产量均可以达到最大值。秦舒浩、聂战声、王晓凌通过研究马铃薯在不同垄沟比例的栽培模式下发现，目前，在黄土高原大面积推广和应用全膜双垄沟（一般大垄宽60~70cm，小垄宽30~40cm，垄高10~25cm）耕作技术，成为实现干旱区抗旱、节水、保水和高产的最优种植模式。
Li X Y等在研究玉米不同垄沟模式下作物产量和水分利用效率时发现，在60cm∶60cm的沟垄比下，相关指标与其他比例相比具有显著性的差异。杨海迪在研究周年覆盖生物降解膜与普通地膜具有良好的蓄水保墒效果时发现，在沟垄比为50cm∶50cm的播种模式下，通过地膜覆盖与垄沟模型的合理配置可以提高冬小麦产量。目前，沟垄比对作物生产力以及重要性研究已经广泛应用于小麦、玉米、马铃薯等大宗作物，同样对如谷子、苜蓿等牧草和小粮作物的研究也逐步展开了。同时，与作物相关的沟垄比理论模型也随之被提出，为进一步阐述和指导垄沟耕作模式在生产的应用作出科学的解释。
2.垄沟覆盖材料类型
目前，国内外传统覆盖材料有砂石、卵石、树叶、畜粪、谷草、秸秆、油纸、瓦片、泥盆、铝箔和纸浆等。就目前而言，应用最广的覆盖材料主要为禾草、作物秸秆、地膜和砂石。但总体而言，垄沟覆盖材料经历如下几个阶段的演变：
（1）就地作物秸秆覆盖以及相对能够就地取材的树叶、油毡等。王拴庄根据 1987—1990年的试验结果，论证了采取秸秆覆盖农田可有效地降低耗水系数的可行性；周凌云同样研究指出，利用秸秆还田覆盖，是减少棵间无效蒸发，提高作物水分利用效率的有效措施；王改兰研究了油毡覆盖下玉米的水温和产量效应；孟玉平通过针叶树废材覆盖，进而控制和抑制苹果园杂草的生长。
（2）由于长期或阶段性干旱发生，依靠自然的降雨已经无法满足农业生产对水资源的需求，随之地膜覆盖逐步取代秸秆等材料覆盖在旱地农业雨养区占据了主要的地位。而自20世纪80年代地膜引进我国以来，以地膜覆盖为抗旱、集雨和蓄水为目的垄沟覆盖微集雨栽培技术得到了长足的发展和应用。夏自强通过地中蒸渗仪，研究探讨了地膜平铺覆盖、秸秆覆盖种植条件下土壤温度、含水量在垂直方向的分布以及变化特征。
（3）发展至今天，垄沟覆盖材料结合相应匹配比例模式，已经成为我国干旱半干旱区缓解旱情、提高水分利用效率、增加粮食产出的重要抗旱措施，且被广泛应用于小麦、玉米、马铃薯等作物种植。
（4）如今随着生态农业的提出，新型的覆盖材料在农业生产中逐步问世，如生物降解膜和液态膜，它们不仅满足普通地膜蓄水保墒效果和增产增收效应，也能降低对环境的污染。而秸秆还田、保留接茬、免耕以及地膜和秸秆还田相结合保护性耕作农业的提出，也在一定程度上降低了对地膜的使用。
由于肯尼亚农业技术发展落后，原始农业占主要的比例，完整的垄沟覆盖栽培技术基本处于空白。集雨农业还处于初始阶段，尽管一些地方出现了穴播和坑播，在一定程度上还是最原始的集雨农业，没有成熟的体系。因此，对天然降水的收集和利用效率非常低，大田生产力难以提高。在旱季，水资源的短缺和强烈的地面蒸发严重地制约着当地玉米、豆类、谷类等作物的生产；在雨季，没有有效的田间集雨系统，大量的雨水以径流的形式被浪费，土壤无法蓄积有效的水分，提供作物在生长敏感期对水分的大量需求，同样无法实现高产和稳产。
垄沟覆盖微集雨技术系统一般是指垄上的覆盖材料起到集雨的效果，在沟内种植作物，两者共同构成了田间微集雨种植系统，称为沟垄系统。它主要利用田间起垄、沟垄相间、垄面产流、沟内高效集雨的模式，实现对自然降雨的积蓄和利用。有研究指出，垄沟地膜覆盖栽培可将小于5mm的无效降雨叠加汇集转化为作物的有效水资源，平均集水效率达到了90%。而覆盖地膜、秸秆、禾草、砂石等有效抑制了蒸发，也为垄上顺利节流创造了条件，它尽可能将自然降雨最大化地接纳，然后输送到沟内种植区，最大限度地满足作物对各个生育期水分的摄取。在干旱半干旱地区，降雨强度小且多是无效降水的情况下，垄沟覆膜微集雨系统通过抑制蒸发，增加到达产流面的径流，能够显著增加雨水收集的有效性，并且通过集雨保墒特性，能够使小麦生育期内有效降水从32%提高到52%，而全年有效降水率提高到61%。同样，李小雁研究指出，土垄的平均集水效率7%，而垄上覆膜后集水效率能够达到87%，膜垄能产生径流的最小降雨量为 0.8mm。大量的试验结果表明，覆膜能使0~20cm土壤含水率提高3%~5%，对春季干旱多风、蒸发量大的地区一次全苗和苗期正常生长十分有利，全生育期内蒸发量减少150~225mm。目前，在黄土高原广泛被采用的秋季覆盖和顶凌覆膜能将非生长季的降雨收集储存下来用于作物生长季，它通过对天然降水的时空调控，达到秋雨春用，实现了降雨在时间上的就地调节，解决了当地长期以来春旱玉米春播难问题。
土壤温度作为土壤热状况的综合表征指标，是作物生长的重要环境因子之一。但是传统裸露种植存在土壤升温快降温也快的缺陷。垄沟覆盖栽培技术能够解决黄土高原干旱半干旱地区温度供需矛盾，提高产量的稳定性，覆膜的关键作用在于提升土壤表层的播前积温，保证种子的萌发和幼苗的成形。任小龙研究指出，单纯的垄膜集雨种植仅可使沟内温度提高1℃左右；而当采用不同类型的覆盖物时，土壤表面在田间获得的太阳辐射能量因覆盖材料的不同出现差异，且反射、吸收和透射大小各异，致使不同深度的土壤温度分布在土壤垂直剖面上发生明显的变化。金胜利等研究指出，全膜双垄沟玉米种植能够使苗期的温度增加6.1℃，有效地抵御三四月较低的夜温和霜冻对幼苗建成带来的挑战。李荣两年试验结果表明，在玉米垄沟集雨种植模式下，普通地膜和生物降解膜覆盖均能显著提高土壤温度，在5~25cm耕层，平均温度比不覆盖分别增加2.51~3.77℃和1.30~2.19℃。何峰研究指出，垄沟集雨栽培措施能够提高老芒麦草地土壤温度，尤其是土壤表层最低温度提高1.02~2.08℃。王晓凌研究指出，在45cm宽垄、60cm宽沟的覆膜种植模式下，沟中的土壤温度与平作没有显著的差别，但垄上的土壤温度要比沟中的和裸地平作的高3~6℃。垄沟地膜覆盖显著增加表层温度的这种特点，对海拔较高、积温不足的寒旱地区作用更为显著，同时增温效应也重塑了作物种植的区域性，致使其向高海拔和寒区移动成为可能，从而拓宽了作物的播种地域。禾草、秸秆、砂石等覆盖材料最大的优点在于对地表温度的敏感性调节，满足作物不同生育期对温度的要求，可降低土壤表层高温，使作物避开高温胁迫。
垄沟覆盖微集雨技术利用田间起垄、沟垄交替、垄面产流、沟内高效集水，并依靠贮水、增温、抑蒸等很好地将水热结合起来。在垄沟覆盖微集雨田间系统的自然调节下，从时间和空间上拉拢了作物与水热之间的供需矛盾。水热优化组合科学地调控了土壤水、热因子。然而仅仅依靠水热因子，无法实现作物生产力的根本转变，还应当加强水分和养分以及土壤温度三者之间的协同效应。在实际农业生产中，只有合理匹配水肥因子、水热因子，才能起到以肥调水、以水促肥、以热调肥，并充分发挥水、热、肥三者耦合对促进作物生长的潜力，实现作物产量的大幅度提升。
土壤作为陆地最大的碳储备系统，对整个碳的循环起着至关重要的作用，而它的变化也同空气中CO 2 的含量密切关联，在全球气候变化的背景下，尤其是近百年来，随着人类活动的频繁，对地球资源的索取日益增强，最为明显的是大气中温室气体的排放。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）第4次评估报告中的数据指出：全球大气中CO 2 在过去的250年中增加了大约36%，因此，土壤碳库随环境的改变也逐渐成为当前有机碳研究的热点。垄沟覆盖微集雨栽培技术作为旱区雨养农业中高产、高效一种耕作方式，在提高产量的同时，也对环境、土壤肥力提出了更高的要求：一方面，垄沟覆盖体系下的作物地上生物量大幅提高，也增加了潜在的碳源向土壤的输入；另一方面，高效栽培模式对土壤资源的过度消耗也改变了土壤微结构，最终影响碳源输出的动态变化。垄沟覆膜系统由于具有良好的水热环境，加速了土壤分解和活化速度，致使表层的土壤有机碳出现了明显的下降。而覆草、秸秆覆盖、秸秆还田的措施都能够增加土壤表层有机碳的积累。不同的耕作方式以及种植结构对碳的积累有着很大的影响，有研究指出，利用麦秸秆连续覆盖两年后，耕作层土壤有机质可增加0.14%。同样，美国亚拉巴马州关于土壤碳相关数据的调查报告指出，连续10年间保护性耕作比扰动翻耕耕作的碳储量增加2.8g/（g·a），而连续耕作玉米比连作大豆增加0.1g/（g·a），并且连作玉米在保护性耕作下可使土壤的有机碳增加到高达9.6g/（g·a），而且比翻耕耕作下连作大豆增加有机碳固存0.4g/（g·a）。然而要实现土壤中碳的可持续性利用，最终取决于有机碳输入和输出之间的平衡，首先，要加强农业管理，增加植物地上茎叶和地下根残留量；其次，是通过改善土壤水、热、气条件，降低土壤有机碳的矿化过程。
作物的生长发育是作物生长和资源状况协同体现的结果，垄沟覆盖栽培系统通过调控土壤水热关系，改变了作物生长的微环境，进而影响作物的生长发育。在黄土高原大量的实践已经证明，由于垄沟覆盖栽培系统具有良好的保墒、保温、增温以及增加播前土壤的有效积温的作用，从时间上影响了作物的生长节律，从空间上拉拢了作物生育期的进程。有研究指出，与传统耕作方式相比，垄沟覆盖（尤其是覆膜）栽培使得玉米、马铃薯、谷子、绿豆等作物全程生育期都不同程度地缩短7~15天。同时，覆膜由于具有优良的保水性能，在水热环境充沛的条件下，还能延迟作物成熟期的时间，使作物能够充分完成灌浆，提高籽粒的收获指数，实现高产、稳产的目的。与此同时，覆膜还能够保证作物成功建苗、壮苗，为作物后期的生长繁殖提供保障。
垄沟覆盖微集雨技术在改变作物物候进程的同时，也提高了作物干物质的转移量和转移速率。有研究指出，覆膜能够使马铃薯的株高提前达到稳定，且马铃薯地上茎干重的增长动态呈S形曲线，不同栽培模式下，地上茎干重及其相对生长率（RGR）的变化存在明显差异，而覆膜处理优势最为明显。作物前期的生长主要是生殖繁殖，而后期需要有效的营养繁殖，而垄沟覆盖栽培系统能够在作物后期尤其灌浆期促进生殖繁殖向营养繁殖的转移，继而提高作物的籽粒产量。此外，垄沟覆盖栽培系统也通过对播前水分和土壤温度的累积，进一步实现作物播种区域向更高寒的地区移动，拓宽作物的有效播种地域，从空间上提升产量。
在水分资源短缺的干旱半干旱地区，黄土高原降雨主要集中在7—9月，存在严重降雨与作物蓄水的错位矛盾。天然降水有限，且存在很大的变率，如何实现对有限水分的高效利用，一直是限制粮食产量提高的瓶颈。多年以来，人们通过栽培措施的改进和作物本身的高效利用两个方面来努力实现有效降雨的积蓄利用。而垄沟覆盖微集雨技术对雨水的有效收集利用从时间和空间两个方面得以改变。空间上，垄沟地膜覆盖栽培通过沟内对水分的汇集叠加，可将小于5mm的无效降雨转化为作物能够利用的水分，特别是覆膜提高了小于10mm降水在农田中的资源化程度，使作物根际土壤水分状况得到了优化和改变，大大提高了降雨到土壤水的转化效率，减弱了三水（雨水、土壤水、作物水）之间转化潜在的水分损失，无论是在干旱或是正常年份均能提高作物水分利用效率。而在空间上，播前的覆膜将早期的降雨囤积下来，供给作物后期对水分的需求，有效地缓解了供水与需水的不匹配性。有研究指出，玉米、苜蓿等作物采用全膜双垄沟栽培技术，其水分利用效率能够提高100%~200%。
干旱区年降水量少、季节分布不均匀，且生产中春旱等问题都严重制约着该区产量的提高，而自引进地膜覆盖以来（尤其现在广泛推广的垄沟覆膜微集雨技术）对整个对半干旱地区旱作物的高产和稳产起到了巨大的推动作用。垄沟覆盖通过在实践中不断地探索垄沟比例以及覆盖方式，以及何时覆膜、何时接膜等措施，择优选择耕作模式，实现了主动抗旱，摆脱了传统耕作模式依靠天吃饭的被动局面。有研究指出，全膜双垄沟秋覆膜增加了降水利用率和水分利用率，降水利用率为70.21%，产量为10039.34kg/hm 2 ，比播前覆膜8036.67kg/hm 2 增产24.92%。而大量的研究指出，在适合区域的降雨与温度下，玉米、小麦、马铃薯、谷子、苜蓿等作物采用垄沟覆膜技术，并适当地调节垄沟比例，与传统耕作方式相比，产量增幅分别能够达到136%、35.9%、74.89%、178.9%、204.98%。近年来，秸秆还田和垄沟覆盖等技术的优化组合，既实现了产量的稳定提高，也缓解了地膜长期使用无法保证产量持续性提高的弊端。
农业是非洲国民经济的支柱，对国民经济的贡献最大。非洲人口的70%依赖农业生存，非洲农业也一直是世界关注的焦点，其粮食产量面临巨大的挑战。肯尼亚作为非洲一个国家，农业问题同样突出。当前在肯尼亚依靠传统耕作方式为主体的传统农业，严重受制于自然条件，粮食产量波动性大。该区年降雨量要好于我国西北干旱半干旱地区，但同样是降雨与作物需水之间存在着错位，无法将降雨转化为能够利用的有效水。而其得天独厚的光热资源也无法与降雨进行耦合，致使大田生产力不能得到根本的提升。每年不同国家和地区都向非洲无偿援助钱粮，以缓解由于粮食短缺随时带来的社会危机。然而要想从根本上解决肯尼亚乃至非洲的粮荒，仅此是远远不够的，也不是长久之计。中国古语说得好：“授人以鱼，不如授人以渔。”只有将中国成熟旱地农业生产技术带到非洲，使当地人民充分学习与借鉴农业发达国家的生产技术，真正做到自力更生，“为我所用”，促进粮食生产与发展，相信以垄沟覆膜为依托的旱地雨养农业耕作栽培技术的引进与推广将会为推动、提升肯尼亚和整个非洲粮食产量产生深远的意义。