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研究塿土冬小麦-夏玉米体系下不同土壤肥力水平对氮肥利用率的影响机制,可以通过土壤培肥来优化氮肥施用,为提高氮肥利用率,减少氮素损失并实现作物高产提供理论依据。本研究以冬小麦-夏玉米体系为研究对象,利用塿土30年长期肥料定位试验形成的不同肥力梯度土壤,设置15N同位素示踪微区试验,并结合短期大田试验,探究土壤肥力对氮肥利用的影响及机制。15N示踪微区试验选取了5个不同肥力土壤（F1、F2、F3、F4、F5）,设置了5个施氮水平（N0、N1、N2、N3、N4）,通过测定作物产量,地上部氮携出及肥料氮在作物体内的分布,研究土壤肥力对作物产量及氮肥利用率的影响;通过测定0-100 cm土壤剖面矿质态氮分布及耕层土壤固定态铵及有机氮形态,研究不同肥力土壤氮素残留差异;通过测定3季作物收获后肥料氮在土壤中的残留形态及数量,研究当季输入肥料氮对后季作物的有效性及去向特征。短期大田试验为4个不同肥力土壤上的氮梯度试验,通过测定作物产量,作物氮素携出量及作物收获后土壤硝态氮残留,研究不同肥力土壤上实现作物高产、氮肥高效利用及环境污染风险最小化的适宜施氮范围。主要研究结果如下:1.高肥力土壤施氮增产效应不显著,低肥力土壤施氮较不施氮增加小麦产量31-287%,玉米增产58-340%。同一肥力土壤上,作物地上部氮携出随施氮量的增加而增加,氮素利用率则相反;同一施氮水平下,作物地上部氮携出及氮素利用率随土壤肥力提高而提高。土壤有机质、施氮量及作物产量,氮素利用率多元回归分析结果显示,有机质对作物产量和氮素利用率的影响均大于施氮量,表明培肥土壤既可提高塿土作物产量,也可有效提高氮素利用率。随着土壤肥力水平提高,土壤全氮含量增加,其中矿质态氮和有机态氮含量随之显著增加,而固定态铵与土壤全氮呈线性-平台关系:当土壤全氮含量达1.12 g kg-1时,固定态铵含量不再进一步增加。有机态氮是土壤氮素的主要存在形态,随着土壤肥力水平提高,除显著降低酸解未知氮外,显著提高了其他各有机氮形态的含量,其中以酸解氨基酸态氮含量增幅最大,其次为酸解总氮和非酸解氮含量。PCA结果表明,土壤氮素矿化量与土壤酸解氨基酸态氮是密切相关,提高土壤肥力水平可提高土壤供氮潜力,此外,当土壤C:N比介于7.5-10.0之间时,土壤氮素矿化量随土壤C/N比增加而显著增加,表明塿土高肥力提高了养分周转及供氮潜力。2.15N示踪结果表明,小麦地上部吸收当季施入肥料氮变幅为26.97-93.90 kg ha-1,其中67-90%在籽粒中,占比随土壤肥力提高而降低。小麦肥料氮利用率介于26-54%间,随土壤肥力提高而提高。耕层土壤肥料氮残留率为16-42%,其中有机态占58-64%,矿质态氮占34-40%,固定态铵占1-3%。各处理0-100 cm土壤剖面当季肥料氮残留率为20-44%,随施氮量增加而降低,随土壤肥力提高而提高。各处理未知去向肥料氮占比为14-48%,随施氮量增加而提高,随土壤肥力提高而降低。肥料氮当季利用率与土壤有机质含量呈线性-平台关系,土壤有机质含量介于19.0-21.0 g kg-1时,各施氮水平对应肥料氮利用率均达最大值（41-48%）,随施氮量增加而降低。各施氮处理未知去向的肥料氮随有机质含量增加而显著降低（P<0.05）。表明肥力提升有助于肥料氮固存和吸收利用,减少潜在损失。3.15N示踪结果表明,小麦收获后残留在土壤中的肥料氮对后两季作物仍有较大后效,第二季（玉米）和第三季（小麦）作物地上部吸收的15N数量分别为1.69-6.27kg ha-1和0.34-1.95 kg ha-1,对第一季残留肥料氮的利用率分别为5-17%和1-5%,均随着土壤肥力提高而提高。各处理标记肥料氮三季作物累积利用率变幅为28-58%。小麦收获后以固定态铵残留的15N在后两季可部分释放,其释放量随土壤K+含量的增加而降低。第三季作物收获后,仍有12-31%的肥料氮残留在土壤当中,残留率随施氮量增加而降低,随土壤肥力提高而提高。三季作物后,未知去向肥料氮占比为22-53%,随施氮量增加而增加,随土壤肥力提高而降低。表明提高土壤肥力有利于提高残留肥料氮对后季作物的有效性,从而提高肥料氮累积利用率。4.大田试验结果表明,作物产量与施氮量呈线性-平台关系,不同肥力土壤上农学最佳施氮量分别为116-124 kg ha-1和112-180 kg ha-1,平台产量分别为4366-5199 kg ha-1和6845-8238 kg ha-1,随土壤肥力提高而提高。冬小麦-夏玉米体系氮素投入-产出关系结果表明,低肥力土壤上小麦季施氮量低于210 kg ha-1,玉米季施氮量低于225 kg ha-1,周年施氮量低于435 kg ha-1时,可实现作物高产及氮素的高效利用,而在中、高肥力土壤上,53%以上的处理氮素利用率高于90%。施氮提高了土壤0-200 cm土壤剖面硝态氮含量。作物收获后土壤硝态氮残留量与施氮量之间可通过平台-线性模型拟合,结果显示,0-100 cm土壤硝态氮缓冲容量分别为12-91 kg ha-1和7-63 kg ha-1。相关分析表明,小麦季硝态氮缓冲容量与有机质含量相关性最高,而玉米季与初始硝态氮含量有关。不同肥力土壤小麦季和玉米季的环境安全施氮量分别为81-170 kg ha-1和67-148 kg ha-1。综合来看,不同肥力土壤上优化氮肥施用量应优先考虑环境安全施氮量。综上所述,在陕西冬小麦-夏玉米种植体系下,提高土壤肥力水平是提高作物产量和氮肥利用率、降低氮肥潜在损失的有效措施,且氮肥利用率随土壤有机质变化的阈值为19.0-21.0 g kg-1。同时,优化氮肥施用量应优先考虑环境安全施氮量。