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优化施肥是实现粮食高产、肥料高效和环境友好的有效途径,对解决小麦生产中过量和不平衡施肥的问题有重要作用。但是,雨养旱作条件下由于不同年际、季节和地点的降雨差异,小麦籽粒产量和养分需求不同,使优化施肥更为复杂。2013—2016年,本研究在黄土高原南部的典型旱地雨养农业区,以冬小麦为研究对象,通过多年多点的田间定位试验,建立了基于收获期土壤硝态氮或有机质测试的优化施氮技术以及基于施肥位置优化的膜侧施肥技术,结合收获期土壤有效磷钾测试和秸秆还田生产实践,改进了现有的磷钾衡量监控技术,分析了优化施肥对旱地小麦产量、经济效益、养分吸收利用、土壤水分利用恢复和土壤硝态氮残留的影响。目标在于优化小麦养分管理,为旱地作物可持续生产提供可靠的理论依据与技术参考。主要研究结果如下:（1）基于收获期土壤有效氮磷钾测试、作物养分需求和土壤硝态氮安全阈值的优化施肥既降低了旱地小麦氮磷用量,又实现了增产增收增效和环境友好。与传统施肥相比,优化施肥的氮肥用量3年15点平均减少96 kg N hm–2,磷肥用量减少43 kg P2O5 hm–2,0100 cm硝态氮残留降低120 kg N hm–2,小麦籽粒产量和经济效益分别提高386 kg hm–2和1472元hm–2。主要是因为优化施肥在不影响小麦地上部氮磷钾积累量的同时,显著提高了氮磷钾收获指数和生理效率以及肥料偏生产力。（2）基于收获期土壤有机质、有效磷钾测试和作物养分需求的优化施肥,同样降低了氮磷肥施用量,促进了小麦养分吸收利用,在增产增收增效的同时,降低土壤硝态氮残留,促进了土壤氮磷钾平衡。与传统施肥相比,优化施肥2年12点的平均氮磷肥用量分别降低16.1%和43.5%,小麦籽粒产量和经济效益分别提高698 kg hm–2和1984元hm–2,地上部氮磷钾积累量提高3.9%、3.2%和9.3%,氮磷生理效率提高4.1%和3.3%,氮磷钾偏生产力提高35.6%、97.0%和40.8%,0100 cm土层硝态氮残留降低31.6%。优化施肥条件下,冬小麦氮磷钾平均回收率分别为49.8%、9.8%和67.3%,平均农学效率分别为9.2 kg kg–1 N、10.2 kg kg–1 P2O5和17.1 kg kg–1 K2O。秸秆还田条件下,优化施肥的氮磷钾表观盈余量分别为28.3 kg N hm–2、32.5 kg P2O5 hm–2和3.8 kg K2O hm–2,氮磷盈余量较传统施肥显著降低,钾盈余量维持稳定。（3）采用定位施肥,将肥料条施于膜下、播种行侧下5 cm处,实现了机械定位施肥和垄覆沟播集雨抗旱栽培相结合,不仅提高了小麦产量、经济效益和水分利用效率,还增加了下季小麦播前深层土壤贮水。与传统平作相比,普通垄覆沟播的3年平均产量和水分利用效率分别提高8.3%和8.1%,而膜侧定位施肥的产量、水分利用效率和经济效益分别提高20.1%、16.1%和23.4%。与垄覆沟播相比,膜侧施肥偏湿润年份减少生长季内100200 cm土壤水分消耗,偏旱年份增加休闲季土壤蓄水,有效确保甚至提高了播前土壤水分,从而显著增产增收、提高水分利用效率。偏干旱的2013—2014和2015—2016生长季,定位施肥较垄覆沟播分别增产8.4%和15.5%,增效23.2%和30.1%,水分利用效率提高7.0%和10.0%,偏湿润的2014—2015生长季水分利用效率也提高6.0%。（4）膜侧施肥不仅提高了旱地小麦产量,还改善了养分吸收利用特性,显著提高了养分吸收效率,解决了垄覆沟播小麦籽粒含氮量降低的问题,3年平均籽粒氮磷含量较垄覆沟播分别显著提高8.2%和4.1%。与传统平作相比,垄覆沟播的籽粒含氮量显著降低。与垄覆沟播相比,膜侧施肥提高了小麦开花040 cm土层以及收获期0200 cm土层硝态氮累积量,有利于促进拔节后小麦氮磷钾积累、花后营养器官氮磷钾转运和成熟期籽粒氮磷钾分配,从而显著提高小麦籽粒氮磷含量和氮磷钾吸收效率。其中偏干旱的2013—2014和2015—2016生长季,籽粒含氮量分别提高9.9%和8.7%,氮吸收效率提高7.0%和10.0%,磷吸收效率提高9.0%和23.5%;偏湿润的2014—2015生长季,籽粒含氮量和氮磷吸收效率分别提高6.0%、23.3%和23.5%。综上所述,优化施肥能改善旱地小麦氮磷钾养分吸收利用特性,实现增产增收增效,降低收获期土壤硝态氮残留。在旱地小麦生产中,在土壤硝态氮残留过高的区域,采用基于收获期土壤养分测试的优化施肥,结合抗旱节水栽培技术进行施肥位置优化,对减肥增效、增产增收和环境友好有重要意义。