化肥在粮食生产中发挥着巨大的作用,化肥的大量施用极大地提高了作物产量和经济效益,是实现增产和农业增收的主要措施。但化肥,特别是氮磷肥的大量投入也带来一系列问题,给生态环境和人类健康带来风险。在黄土高原旱地,水分不足与土壤养分缺乏是限制作物生长的两个主要因素,且水和肥是一对相互影响的因子,肥料效应的发挥受土壤水分的限制。同时考虑水、肥两个因子,充分发挥水肥协同效应,减少资源浪费,降低其带来的环境隐患,是我国旱地农业和土壤肥料学科研究的热点和重要发展方向。因此,探明冬小麦生物量、产量、养分吸收利用和需求及收获期土壤硝态氮残留、夏闲期硝态氮淋溶对不同氮、磷肥用量和降水年型的响应,以结合区域降水制定科学合理的施肥方案为旱地小麦获得高产、培肥土壤、保护生态环境并实现农业可持续发展提供理论指导和科学依据。本研究利用黄土高原南部旱作冬小麦不同氮磷肥用量的10年长期定位试验,采用完全随机区组试验设计,包括5个氮水平(0,80,160,240和320 kg N ha-1)和5个磷水平(0,50,100,150和200 kg P2O5 ha-1),重复4次。于2010-2014年进行田间土壤和植物取样与测定,并结合之前的相关测定结果和10年的降水资料,分析研究了长期不同氮磷肥用量和降水对冬小麦生物量、产量、养分吸收利用、养分需求、土壤硝态氮残留及夏闲期淋溶的影响,获得的主要研究结果如下:(1)通过10年田间定位试验,结合多年降水,明确了冬小麦生物量、产量、养分吸收利用及需求在不同降水条件下对氮肥的响应。结果表明:冬小麦生物量、产量、籽粒含氮量及百公斤籽粒需氮量与施氮量均呈显著的抛物线关系;籽粒含磷量、百公斤籽粒需磷量与施氮量呈极显著的负相关关系;而籽粒含钾量、百公斤籽粒需钾量与施氮量呈显著的线性或抛物线关系。氮肥偏生产力、累积利用率及氮素生理效率随施氮量增加均显著降低;磷素生理效率随施氮量增加而增加;钾素生理效率随施氮量增加先增加而后降低。降水量不同,氮肥肥效不同。年降水量高的年份,形成籽粒产量的需氮量偏低,最高值为3.04 kg 100kg-1;年降水量低的年份,形成籽粒产量的需氮量较高,最高值为3.15 kg 100kg-1。(2)基于收获期土壤硝态氮残留的安全阈值,优化了冬小麦合理施氮量。结果表明:土壤硝态氮残留量与施氮量呈抛物线关系,且随施氮量增加而增加;当季土壤硝态氮残留主要发生在0-100 cm土层,施氮0,80,160,240和320 kg N ha-1时,年增加量分别为0,4.4,8.8,13.2和17.7 kg N ha-1;来源于肥料的当季硝态氮残留随施氮量增加线性增加,且施氮80,160,240和320 kg N ha-1时,年增加量分别为0.02,7.1,14.1和21.1kgnha-1。硝态氮残留量,当季和来源于肥料的当季残留量及当季残留深度均受降水影响,但与降水关系不显著。本研究发现,降水每年可使硝态氮向土壤深层移动13.3~33.3cm。考虑到土壤硝态氮残留阈值并保证较高的小麦产量,推荐施氮量可降低到66~92kgnha-1,此时,冬小麦产量为4487~5000kgha-1,0-100cm土层硝态氮残留量可降低至55~67kgnha-1。(3)选取三个典型的降水年份,分析了夏闲期麦田土壤硝态氮淋失及累积,探明了影响硝态氮淋失的主要因子和土壤水氮运移的关系。结果表明:硝态氮淋失主要发生在表层40cm,淋失量受施氮量和降水强度的影响。在2011年湿润年,施氮0~320kgnha-1时,淋失量为14.6~250kgnha-1;在2012年平水年,仅施氮240和320kgnha-1发生淋失,分别为47.6和53.8kgnha-1;而在2013年干旱年没有发生硝态氮淋失,反而发生累积。表层淋失的硝态氮在深层40-300cm发生累积,累积量随施氮量增加而增加,施氮0~320kgnha-1时,深层累积量在2011年为37.7~387kgnha-1;2012年为53.9~193kgnha-1;而在2013年没有发生深层累积。硝态氮在土壤中的向下移动滞后于土壤水分,1mm的夏闲期降水可使硝态氮在土壤剖面向下移动1.6~3.6mm。从调控土壤硝态氮淋溶的角度考虑,当地施氮量不应超过160kgnha-1。(4)通过10年田间定位试验,结合多年降水,明确了冬小麦生物量、产量、养分吸收利用及需求在不同降水条件下对磷肥的响应。结果表明:冬小麦生物量、产量、籽粒氮磷含量与施磷量均呈显著的抛物线关系;而籽粒含钾量与施磷量没有显著相关性。冬小麦磷肥偏生产力随施磷量增加显著降低;磷肥累积利用率在100kgp2o5ha-1时最高,施磷量再增加,其累积利用率降低。施磷量增加,冬小麦氮素生理效率增加,而磷素生理效率降低,钾素生理效率先增加后降低。冬小麦百公斤籽粒需氮量、需磷量与施磷量呈显著的抛物线关系;而需钾量随施磷量增加线性降低。不同降水条件下,磷肥肥效不同。年降水量高的年份,形成籽粒产量需磷量偏低,最高值为0.31kg100kg-1;年降水量低的年份,形成籽粒产量需磷量较高,最高值为0.33kg100kg-1。(5)基于收获期合理的土壤硝态氮残留量,优化了冬小麦合理施磷量。结果表明:施磷量增加,土壤硝态氮残留量先降低而后增加,在施磷0,50,100,150和200kgp2o5ha-1时,当季硝态氮残留量分别为82.1,51.3,46.6,49.8和89.4kgnha-1,且主要分布在0-100cm土层。土壤0-300cm、0-100cm、当季硝态氮残留量随试验年份的增加而增加,其与施磷量、时间的关系均可用二元二次方程描述。由此可见,优化磷肥用量可有效调控土壤硝态氮残留,施磷104~168kgp2o5ha-1时可显著降低土壤硝态氮残留,同时产量保持在5500~5741kgha-1较高水平。(6)选取三个典型的降水年份,分析了夏闲期麦田土壤硝态氮淋失及累积,探明了施磷量对硝态氮淋失的影响。结果表明:冬小麦夏闲期硝态氮淋失主要发生在表层40cm,淋失量受施磷量和降水影响。在2011年湿润年,与其他施磷处理比较,100kgp2o5ha-1显著降低了硝态氮淋失,淋失量为88.2kgnha-1;在2012年平水年和2013年干旱年没有发生硝态氮淋失。土壤表层淋失的硝态氮在深层40-300 cm发生累积,且施用磷肥可降低其累积量,施磷由100 kg P2O5 ha-1增加到200 kg P2O5 ha-1时,深层硝态氮累积量在2011年由196降低到134 kg N ha-1;在2012年由134 kg N ha-1降低到55.9 kg N ha-1;而在2013年没有发生累积。为了有效地防止硝态氮淋失,阻止其在深层的累积,当地磷肥施用量不应低于100 kg P2O5 ha-1。综上所述,在黄土高原旱地农业生产中,根据不同降水条件下作物养分需求规律,结合调控收获期土壤硝态氮残留与夏闲期淋溶,制定合理的氮磷肥用量,对作物增产、土壤培肥和环境友好有重要意义。