众所周知,氮素是植物生长所必需的营养元素之一,也是农田生态系统普遍缺乏的营养元素之一,施用氮肥是获得粮食高产的最有效方法。目前,由于不科学施肥所导致的农学、环境和经济效益问题日益凸显。全球气候变化使黄土高原旱作农业区面临着水土资源受限,氮素利用率偏低等农业种植“短板”。因此,将合理施肥与地力提升有机结合,阻控农田肥料氮损失,提高氮肥利用率,维持农田生态环境稳定可持续发展已成为本地区亟待解决的主要科学与实践问题。本文以冬小麦-夏休闲栽培体系为研究对象,采用同位素示踪和氮素平衡等方法系统研究了常规栽培、覆膜栽培和秸秆还田等3种栽培模式下肥料氮的作物吸收、土壤残留和活性氮损失等,查明旱地冬小麦田的肥料氮的归趋和主要损失途径,为防止农田化肥氮损失、提高氮肥利用率提供理论与技术支撑。本研究于2017～2021年在陕西省杨陵农业高新技术产业示范区西北农林科技大学曹新庄试验农场进行,共种植4季冬小麦。试验采用裂区设计,常规栽培、地膜覆盖和秸秆还田等3种栽培模式为主区,不施氮、常规施氮(180 kg hm-2)和常规减氮20%(144 kg hm-2)等3个施氮量为副区。通过稳定同位素标记微区试验研究了旱作冬小麦不同栽培模式下化肥氮的去向及氮肥利用率;通过产量和农田氮素平衡状况探讨旱地冬小麦减氮潜力;测定农田氨挥发、氧化亚氮排放和肥料氮在0～300 cm土壤剖面的分布探索肥料氮的损失途径和损失量;采用结构方程模型考察了土壤水热状况及栽培模式对肥料氮在土壤中转化及其对气态损失的影响,探索肥料氮的转化与损失机制。获得了以下几点结论:1.地膜覆盖和秸秆还田施氮处理4季小麦平均籽粒产量、穗粒数和公顷穗数较常规栽培提高了8.95%～12.57%、2.45%～3.38%和0.46%～5.49%,相应的产量变异系数也比常规栽培降低。在3种栽培模式下,施用氮肥显著提高了冬小麦产量,144 kg hm-2（减氮处理）和180 kg hm-2（常规施肥）处理的籽粒产量、穗粒数、公顷穗数和千粒重差异不显著,表明了当地冬小麦田有一定的减氮潜力。施用氮肥降低产量的变异系数,覆膜和秸秆还田也有降低变异系数的趋势。2.地膜覆盖增加了耕层土壤的矿质氮含量,提高了冬小麦各生育时期氮素吸收量、硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性,提高肥料氮的表观利用率;而秸秆还田处理提高了肥料氮的微生物固持（特别是第一季秸秆还田）,降低了耕层矿质氮含量,减少了肥料氮的表观利用率。3.施氮和栽培措施对土壤活性氮库的影响主要集中在冬前分蘖期0～20 cm土层,并且各氮库含量随土层深度增加逐渐降低。秸秆还田处理0～20 cm土层相较于常规栽培可以显著提高微生物生物量氮,增加微生物固持效应,降低了返青拔节期（关键期）0～60 cm土层硝态氮,抑制了作物对矿质氮的吸收。地膜覆盖可以显著增加土壤含水量,提高土壤温度,增加土壤矿质氮在耕层的累积,同时促进了植物叶片氮同化酶活性,从而有利于作物的生长与矿质氮的吸收。4.冬小麦田的土壤氨挥发和氧化亚氮排放主要发生在施肥后的一个月内,并在施肥后两周内均能达到峰值,栽培和施氮对氨挥发与氧化亚氮有显著影响。施氮后土壤氨挥发直接受土壤铵态氮含量的影响,受尿素水解和硝化作用控制,而氧化亚氮排放由土壤含水量与土壤硝态氮含量影响,受硝化反硝化作用控制。氨挥发与氧化亚氮排放通量和累积损失量与施氮后的降水和温度有关。氨挥发与氧化亚氮排放随着施氮量的增加而增加。与常规栽培处理相比,地膜覆盖显著降低了土壤氨挥发积累量和肥料氮损失率,但增加了氧化亚氮排放潜势;秸秆还田促进了微生物的增殖,使相关的土壤氮转化（矿化、固定化和硝化作用）复杂化,各个过程发生互蚀作用（trade-off）,因而对土壤氨挥发与氧化亚氮排放影响不显著。5.15N示踪试验表明,作物吸收和土壤残留是黄土高原雨养冬小麦田氮肥的主要去向,栽培方式对其影响显著。第一季植物吸收、土壤残留、氨挥发和未知肥料氮去向的比例分别为33.92%～46.32%、25.90%～41.18%、2.27%～3.14%和12.15%～28.28%。连续三季冬小麦种植后,氮肥累积利用率可达到44.00%～54.43%,仍有11.04%～26.89%的肥料氮残留在0～300 cm土壤剖面中。与常规栽培相比,覆膜栽培可以减少氨挥发和土壤硝态氮淋溶,增加土壤中的氮肥残留,减少未知去向肥料氮的比例,并有提高肥料氮的利用率之趋势。秸秆还田虽然增加了土壤中氮肥的残留,但降低了植物对肥料氮的吸收和氮肥利用率。在不同土壤氮组分的残留肥料氮中,土壤中残留15N以有机氮为主。15N示踪表明氨挥发只占农田氮肥损失很小部分,仍然有20%左右肥料氮未知去向,从硝态氮在土壤剖面的分布看,硝态氮的深层淋溶可能是未知肥料氮主要去向。6.不同栽培和施肥处理可以显著影响农田氮平衡。三季小麦田N平衡研究表明,不施氮处理的N亏缺量为91.4～186.2 kg hm-2,尤其是以地膜覆盖处理亏缺最严重。施用144～180 kg hm-2氮肥可补充小麦农田生态系统的氮素亏缺,并略有盈余,其中秸秆还田处理盈余最为明显,可以达到126.1～169.1 kg hm-2。总之,在供试条件下,作物吸收和土壤残留是化肥氮主要去向,土壤氨挥发不是化肥氮的主要损失途径,硝态氮的深层渗漏可能是未知化肥氮的主要去向。根据氮平衡与产量效应来看,当地的旱地冬小麦生产具有减氮20%的潜力。覆膜栽培具有增加吸收、减少肥料氮的氨挥发和硝态氮淋溶的作用,可以作为提高氮肥利用率的一个选项。长期秸秆还田增加了化肥的残留和农田氮素平衡,有利于提升土壤有机质和全氮含量,但是在实施过程中应该注意氮素的固持效应对产量的影响。