氮素是限制小麦增产的主要因子^[1]。在我国小麦生产中长期大量施用氮肥的现象非常普遍。作为我国西北重要的耕地资源，也是全国粮食产量提高潜力最大的区域之一，渭北旱塬地区过量施用氮肥的现象较为突出^[2]，其中超过60%农户施氮偏高，施氮合理的仅占29.7%^[3]。忽视土壤养分平衡而过量施用氮肥不仅不能提高小麦产量，还会造成土壤硝态氮大量残留，农业温室气体排放增加，农田生态环境遭到破坏等一系列问题。因此，必须重视旱地农田养分平衡和合理施肥。旱地土壤中的矿质氮主要是硝态氮，0—100 cm土壤硝态氮受施氮量等因素影响，变化灵敏，适合作为土壤氮素供应指标^[4]。另外，小麦根系主要可吸收利用的分布范围在0—100 cm^[5]。目前已有学者根据养分归还学说，建立了旱地小麦监控施氮技术^[6]。该技术基于土壤氮素投入和携出平衡，以目标产量和收获、播前0—100 cm土层硝态氮来确定氮肥用量。所用目标产量为当地农户的多年冬小麦平均产量，而渭北旱塬是典型的雨养农业区域，降水较少，年降水量570 mm左右，且主要集中在夏季7―9月，自然降水量直接决定当地小麦产量^[7]，也在一定程度上决定了农田水氮过程的变化^[8]，因此该技术对于不同降水年型的产量和施肥量并不明确。此外，巨晓棠和谷保静提出^[9]，我国单季小麦氮素盈余量参考指标可设定为N 40 kg/hm²，既可以维持作物产量和土壤肥力，又可以将土壤氮素累积量保持在可承受范围。这一指标已在华北平原地区验证合理，而是否适用于渭北旱区？因此，本文通过陕西白水县2011—2014年3年试验结果，研究渭北旱塬3种降雨年型冬小麦–土壤氮库的盈亏情况。以单季小麦氮素盈余量N 40 kg/hm²为参考指标，确定3种降水年型下推荐氮肥施用量，通过该推荐施氮量下的小麦产量、吸氮量和硝态氮残留量加以验证，并在此基础上定量评价这一指标的合理性，为旱地农田氮素管理提供理论依据。

试验于2011年9月—2014年6月在陕西省渭南市白水县 (北纬109°58′，东经35°18′) 进行。供试土壤为黄绵土，pH 8.5，容重为1.25 g/cm³，2011年9月试验开始前0—20 cm耕层土壤平均有机质含量14.4 g/kg、全氮0.8 g/kg、速效氮3.7 mg/kg、速效磷9.2 mg/kg、速效钾177.2 mg/kg。根据陕西省第二次土壤普查分级土壤养分含量分级指标^[10](1～8级，数值越小代表养分含量越高)，各养分含量可分别达到5、5、8、6、2级，其中速效氮含量很低，速效磷含量较低，速效钾含量较高，有机质和全氮含量均为中等水平。

本试验点海拔696 m，年平均气温11.4℃，年平均降水577 mm，降水年际变化较大，常年约60%自然降水集中于夏休闲期 (7—9月份)，为雨养农田。本研究采用国内较常用的降水年型划分标准^[11]，以小麦生育年[即休闲期 (7—9月份) + 生育期 (10 月份至次年 6 月份)] 降水量较年平均降水量增减在10%以内为常态年，降水量减少在10%以上为干旱年，降水量增加10%以上为丰水年。2011年7月—2012年6月降水量为710.1 mm，高于年均降水量 23.1%，属于丰水年；2012年7月—2013年6月降水量为391.4 mm，低于年均降水量 32.2%，属于欠水年；2013年7月—2014年6月降水量为603.8 mm，高于年均降水量 4.6%，属于平水年。气象资料来源于西北农林科技大学白水苹果试验站。

试验地种植作物为冬小麦，供试品种为晋麦47。2011年9月旋耕整地后机播第一季小麦，播量150 kg/hm²，行距20 cm。试验设5个氮水平，施氮量分别为N 0、75、150、225、300 kg/hm²，分别以N0、N75、N150、N225、N300表示；各处理磷、钾肥投入量一致，分别为P₂O₅ 90 kg/hm²和K₂O 60 kg/hm²。试验中所用氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。氮肥70%在播前撒施，30%在拔节期结合降水追施，磷、钾肥均在播前一次撒施并翻入土中。重复4次，小区面积为60 m²(6 m × 10 m)。每年6月上旬收获小麦，夏季免耕休闲，9月中下旬继续采用上述设计播种冬小麦。

在试验开始前 (2011年9月) 在整个试验地采用“S”型选取10个点，采集0—20 cm土壤样品，供土壤基础肥力分析。每一生长季在冬小麦播前 (9月下旬) 和收获期 (6月上旬) 每小区随机选取3个点，采集各处理0—100 cm的土壤样品 (每20 cm为一层)，同一层的样品剔除作物根系后混匀，密封带回实验室。土壤含水量用烘干法 (105℃下烘24 h) 测定；土壤硝态氮用1 mol/L KCl溶液浸提 (土水比为1∶10，振荡1 h)—连续流动分析仪 (AA3) 测定。

每一季小麦收获时，在各试验小区随机选取3个1 m × 2 m代表性样方，贴地表收割地上部分。同一小区的所有样方样品混合，晾晒，风干后称量地上部生物量并脱粒计产。同时，在每个小区内随机选取3个1 m长的样段，将每个样段的小麦植株连根拔起，当场剪掉根系。同一小区各个样段混合，作为该小区的一个植物分析样品。将每个小区的地上部分植物样品分为茎叶、籽粒和颖壳三部分，风干脱粒。各器官烘干粉碎后，用H₂SO₄–H₂O₂消解，半微量凯氏定氮法测定其中的全氮含量。

植株地上部吸氮量 (kg/hm²) = 植株地上部含氮量 × 地上部生物量/1000

土壤硝态氮残留量 (kg/hm²) = $ \displaystyle\sum$ 土层厚度 × 土壤容重 × 土壤硝态氮含量/10

养分投入仅包括化肥施入量带入的养分含量，不考虑种子、降水、大气沉降等带入的养分。养分支出仅包括因作物收获而带出的养分，不考虑因淋洗、挥发和反消化造成的养分损失^[12]。养分平衡采用表观平衡法计算，即，氮素表观盈余量 = 养分投入量—作物携出量，盈余率 (%) = 氮素表观盈余量/作物携出量 × 100，正值表示盈余，负值表示亏缺。

数据和图表处理采用Excel 2013 及SPSS (19.0) 软件进行统计分析。采用单因素方差分析检验所有5个处理间的差异显著性。多重比较采用Duncan法，差异显著性水平为5%。

2011—2014年3年冬小麦平均产量分别为5820、2316和4270 kg/hm²(表1)，不同降水年型冬小麦产量差异较大，总体呈现出丰水年 (2011—2012年) 冬小麦产量 > 平水年 (2013—2014年) > 欠水年 (2012—2013年)。3年试验结果表明，产量均随施氮量呈先增加后降低的趋势，当施氮量达到150 kg/hm ²时，继续增施氮肥并没有显著提升小麦产量，而当施氮量超过225 kg/hm²时，继续施氮肥则会出现减产的现象。对3年产量进行回归分析可知 (n = 20)，冬小麦产量与氮肥用量之间呈现显著抛物线关系 (P < 0. 05)，由两者的回归方程 (2011—2012年，y = −0.0372x ² + 13.274x + 5085.7，r = 0.9509；2012—2013年，y = −0.0114 x² + 5.482x + 1877.3，r = 0.9658；2013—2014年，y = −0.0207x² + 7.5279x + 3839.4，r = 0.9452，其中y为当季产量，x为施氮量) 计算可得，三年氮肥用量分别为178、240、182 kg/hm²时，产量即可达到最高值6269、2525、4523 kg/hm²，由此可见，合理的氮肥用量是小麦获得高产的重要措施。与对照相比，各施肥处理在丰水年增产10.9%、21.5%、22.2%和9.7%，在欠水年增产12.6%、31.4%、32.8%和30.6%，在平水年为8.7%、15.8%、17.9%和8.1%，N150处理3年均获得相对较高的增产率，继续增施氮肥增产率有降低的趋势，尤其是在丰水年和平水年N300处理的增产率更是低于N75处理。

表1(Table 1)

表1 2011—2014年不同处理冬小麦产量 Table 1 Grain yields in different treatments from 2011 to 2014

表1 2011—2014年不同处理冬小麦产量 Table 1 Grain yields in different treatments from 2011 to 2014 处理 Treatment 2011—2012 2012—2013 2013—2014 产量 (kg/hm2) Yield 增产率 (%) Increase 产量 (kg/hm2) Yield 增产率 (%) Increase 产量 (kg/hm2) Yield 增产率 (%) Increase N0 5156 c 1906 b 3878 c N75 5722 b 10.9 2147 b 12.6 4214 b 8.7 N150 6267 a 21.5 2504 a 31.4 4491 a 15.8 N225 6300 a 22.2 2532 a 32.8 4574 a 17.9 N300 5656 b 9.7 2489 a 30.6 4193 b 8.1 注（Note）：同列数据后不同字母表示同一年度处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments for the same year at the 0.05 level.

3种降水年型冬小麦地上部吸氮量与籽粒产量有相似的规律，丰水年冬小麦地上部吸氮量 > 平水年 > 欠水年 ( 表2)，施肥均显著提高作物地上部吸氮量。与对照相比，丰水年施肥处理的地上部吸氮量增加34.8%，欠水年增加42.5%，平水年增加48.3%，各施肥处理在欠水年和平水年冬小麦地上部吸氮量增加效果要显著优于丰水年，且欠水年和平水年之间增加效果差异不显著。随着施氮量的增加，3年的氮素表观盈余量均由负值逐步变为正值，即土壤氮库由亏损转为盈余。3种降水年型氮素表观盈余量有所差异，丰水年、欠水年和平水年所有处理的平均值分别为33.5、91.4和53.3 kg/hm²，总体呈现欠水年 > 平水年 > 丰水年。说明在渭北旱塬雨养农田，土壤氮库的平衡状态受降雨影响较大。在相同施氮量水平下，降雨量越少，作物吸氮量越少，氮素表观盈余量越多，反之，盈余量越少。不同氮水平处理间氮素平衡值达到显著差异，其中N150、N225和N300这3个处理3年氮素携出量均低于氮肥投入量，氮素出现明显的盈余；N75 处理在欠水年表现为氮素盈余，而在丰水年和平水年发生亏缺；N0处理连续3年土壤氮素均发生亏缺。

表2(Table 2)

表2 不同降水年型不同处理冬小麦–土壤体系中的氮素平衡 Table 2 Nitrogen balance of different treatments in winter wheat–soil system in different rainfall years

表2 不同降水年型不同处理冬小麦–土壤体系中的氮素平衡 Table 2 Nitrogen balance of different treatments in winter wheat–soil system in different rainfall years 年份 Year 处理 Treatment 氮投入量 N input (kg/hm2) 氮携出量N uptake (kg/hm2) 盈余量 Surplus (kg/hm2) 盈余率 Surplus rate (%) 籽粒 Grain 穗轴 + 颖壳 Glume + spike axis 茎秆 + 叶片 Stem + leaf 2011—2012 (丰水年 Humid year) N0 0 77.8 c 3.6 a 9.8 b –91.2 e –100.0 e N75 75 100.2 b 4.3 a 12.0 a –41.5 d –35.6 d N150 150 116.7 a 4.8 a 11.9 a 16.6 c 12.4 c N225 225 107.1 a 4.8 a 12.9 a 100.2 b 80.3 b N300 300 100.3 b 4.9 a 11.6 a 183.2 a 156.9 a 2012—2013 (欠水年 Dry year) N0 0 33.3 b 3.8 b 6.7 b –43.8 e –100.0 e N75 75 44.7 ab 5.1 ab 9.6 ab 15.6 d 26.2 d N150 150 46.1 a 5.2 ab 9.9 ab 88.8 c 145.0 c N225 225 46.2 a 6.9 a 11.2 a 160.7 b 250.0 b N300 300 46.4 a 5.9 ab 12.2 a 235.5 a 364.9 a 2013—2014 (平水年 Normal year) N0 0 60.1 b 2.9 b 9.0 b –72.0 e –100.0 e N75 75 76.7 ab 4.4 ab 11.8 ab –19.1 d –20.6 d N150 150 88.7 a 5.4 ab 12.5 ab 43.4 c 40.7 c N225 225 94.8 a 6.9 a 14.7 a 108.6 b 93.3 b N300 300 76.5 ab 5.1 ab 12.8 ab 205.6 a 218.0 a 注（Note）：同列数据后不同字母表示同一年度处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments for the same year at the 0.05 level.

将3年作物吸氮量与氮肥施入量进行回归分析 (n = 20) 发现，丰水年、欠水年和平水年施氮量分别为179、218和196 kg/hm²时，作物吸氮量达到理论最高值130.0、64.1和112.5 kg/hm²(表3)。丰水年 (2011—2012年)，当施氮量为127 kg/hm²时，作物吸氮量与施氮量相等，氮素表观盈余量为零；当施氮量超过127 kg/hm²，土壤氮库处于盈余状态，且氮素表观盈余量随施氮量的增加而增加；当施氮量不足127 kg/hm²，土壤氮库处于亏损状态，亏损量随着施氮量的增加而降低。施氮过高或过低都会影响氮素表观盈余量。在欠水年 (2012—2013年) 和平水年 (2013—2014年) 施氮量分别为54 kg/hm²和103 kg/hm²时，氮素表观盈余量为零，理论上土壤氮素达到平衡状态，但这时会存在着土壤氮素肥力与产量降低的风险，所以在农业生产实践中，推荐施肥量要高于这一数值。巨晓棠和谷保静^[9]提出我国单季小麦氮素表观盈余量参考指标设定为N 40 kg/hm²，作物生长季的氮素输入与输出量能够维持平衡，既可以维持作物产量和土壤肥力，又可以将硝态氮残留量降低到可承受范围。本试验3种降水年型，在允许氮素盈余指标N 40 kg/hm²的情况下，根据表3不同年份作物吸氮量与施氮量之间的回归方程，计算得出氮素投入量分别为170、99和150 kg/hm²，这一数值可考虑作为渭北旱区三种降水年型的推荐施肥量。

表3(Table 3)

表3 三年试验冬小麦理论最高吸氮量与氮肥用量 (kg/hm2) Table 3 Maximum winter wheat N uptake and nitrogen fertilizer in the three tested years

表3 三年试验冬小麦理论最高吸氮量与氮肥用量 (kg/hm2) Table 3 Maximum winter wheat N uptake and nitrogen fertilizer in the three tested years 年份 Year 回归方程 Regression equation 氮肥用量 N rate 最高吸氮量 Max. N uptake 2011—2012 y= −0.0012x2 + 0.4302x + 91.49, R2 = 0.965 (n=20) 179 130.0 2012—2013 y= −0.0004x2 + 0.1743x + 45.155, R2 = 0.941 (n = 20) 218 64.1 2013—2014 y= −0.0011x2 + 0.4319x + 70.074, R2 = 0.933 (n = 20) 196 112.5 注（Note）：同列数据后不同字母表示同一年度处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments for the same year at the 0.05 level.

本研究主要以0—100 cm土壤硝态氮累积量衡量土壤氮库的平衡状况。3年小麦收获后1 m土层硝态氮残留量均在N0和N75处理与播前相当 (表4)，当施氮量达到 150 kg/hm²时，收获后土壤硝态氮残留量略高于播前，而当施氮量超过150 kg/hm²时，收获后土壤硝态氮残留量显著高于播前。收获后土壤硝态氮主要残留在0—40 cm，占0—100 cm土层硝态氮残留量的50.8%～75.5%，且随着年限的延长有减少的趋势，3年平均值分别为63.8%、66.1%和53.6%。而40—100 cm土层硝态氮残留占0—100 cm硝态氮残留量的24.5%～49.2%，且从第一年的36.2%，增长到第三年的47.3%。说明残留在土层中的硝态氮会随着降水向下淋溶。不同施氮水平下，40—100 cm土壤剖面硝态氮累积量自上而下逐渐降低，且不同氮肥用量下，土壤剖面各层硝态氮残留量的变化趋势均表现为N300 > N225 > N150 > N75 > N0处理。

表4(Table 4)

表4 2011—2014年不同施氮量处理冬小麦播前及收获后各土层土壤NO3–-N残留量 (kg/hm2) Table 4 NO3–-N residues in different depth of soil before sowing and after harvest of winter wheat in different nitrogen application treatments in 2011–2014

表4 2011—2014年不同施氮量处理冬小麦播前及收获后各土层土壤NO3–-N残留量 (kg/hm2) Table 4 NO3–-N residues in different depth of soil before sowing and after harvest of winter wheat in different nitrogen application treatments in 2011–2014 年份 Year 处理 Treatment 播前 BS 收获后 After harvest 0—20 cm 20—40 cm 40—60 cm 60—80 cm 80—100 cm 合计Total 2011—2012 (丰水年 Humid year) N0 59.9 a 7.2 d 6.0 e 4.4 d 3.7 b 3.7 b 25.0 e N75 59.9 a 17.3 d 14.9 d 9.6 d 6.3 b 5.7 b 53.7 d N150 59.9 a 31.3 c 23.1 c 13.7 c 11.2 a 10.2 a 89.5 c N225 59.9 a 61.5 b 35.8 b 19.1 b 11.6 a 11.0 a 139.0 b N300 59.9 a 87.1 a 50.6 a 23.5 a 11.3 a 9.8 a 182.3 a 2012—2013 (欠水年 Dry year) N0 36.5 d 6.7 d 10.2 d 3.9 c 1.2 c 1.3 c 23.4 e N75 40.9 d 18.9 d 19.0 d 11.9 c 9.0 bc 8.0 bc 69.3 d N150 90.8 c 50.0 bc 53.4 c 30.4 b 19.6 ab 15.0 b 174.9 c N225 116.4 b 96.3 b 74.1 b 32.8 b 15.2 b 11.5 b 229.9 b N300 190.8 a 131.0 a 113.7 a 51.3 a 28.6 a 23.0 a 347.5 a 2013—2014 (平水年 Normal year) N0 47.5 d 7.0 d 6.0 d 4.2 e 4.4 d 4.4 d 26.0 e N75 43.6 d 9.5 cd 16.9 d 10.2 d 7.9 cd 7.5 cd 52.0 d N150 75.8 c 32.1 c 39.5 c 22.6 c 14.8 c 13.1 c 122.0 c N225 148.1 b 45.3 b 81.5 b 48.5 b 39.0 b 24.0 b 228.3 b N300 320.8 a 93.7 a 146.6 a 82.1 a 69.7 a 61.5 a 453.6 a 注（Note）：BS—Before sowing at soil depth of 0—100 cm; 同列数据后不同字母表示同一年内处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments for the same year at the 0.05 level.

在三种降雨年型，施氮量对收获后100 cm土层硝态氮残留量的影响不尽相同。N0 和N75处理收获后0—100 cm土层NO₃^–-N残留量差异不大；N150处理土壤NO₃^–-N残留量呈现欠水年 > 平水年 > 丰水年，分别为174.9、122.0和89.5 kg/hm ²；N225和N300处理随着年限的延长而增加，与2011—2012年相比较，2012—2013年增长幅度为65.4%～90.6%，2013—2014年增长幅度为64.2%～148.8%。由此可见，大量施用氮肥是旱地农田土壤硝态氮残留的主要原因。从表4还可以看出，收获后土壤硝态氮累积量均随着施氮量的增加而显著增加，进一步回归分析表明，土壤硝态氮残留量与施氮量呈极显著地抛物线关系 (P < 0.05)。两者的回归方程 ( n = 20)：2011—2012年，y₁ = 0.0005x² + 0.3698x + 24.049，R² = 0.9983；2012—2013年，y₂ = 0.0012x² + 0.7249x + 20.497，R² = 0.9893；2013—2014年，y₃ = 0.0055x²− 0.2814x + 32.209，R² = 0.9944。式中，y为当季硝态氮残留量，x为施氮量。当施氮量超过N 150 kg/hm²，收获后土壤硝态氮残留量急剧增加，尤其是在定位试验的第三年 (2013—2014年) 收获后N300处理土壤硝态氮残留量高达453.6 kg/hm²，大量残留的硝态氮很容易通过淋洗、径流、氨挥发或者是反硝化途径损失，从而对环境造成巨大压力。

为了进一步验证氮素表观盈余指标40 kg/hm²在渭北旱区是否合理，本研究用盈余指标为40 kg/hm²的推荐施氮量下的小麦地上部吸氮量、籽粒产量和硝态氮残留量加以验证。当不同年份氮素表观盈余指标为40 kg/hm²时，小麦吸氮量和产量与不同年份小麦理论最高吸氮量 (130、64和112.5 kg/hm²) 和最高产量 (6269、2525和4523 kg/hm²) 接近 (表5)。氮肥用量也有不同程度降低，相比理论最高吸氮量和产量的施肥量分别减少了4.7%、142%、21.3%和5.3%、120%、30.7%。这说明施氮量分别为170、99和150 kg/hm²时，不仅作物吸氮量和产量即可达到相对较高值，还能不同程度的减少氮肥用量。

表5(Table 5)

表5 土壤NO3–-N盈余量为0和40 kg/hm2时冬小麦氮素产出和土壤NO3–-N残留量 Table 5 N uptake of winter wheat and soil NO3–-N residue under the soil N surplus of 0 and 40 kg/hm2 in the Weibei rainfed areas

表5 土壤NO3–-N盈余量为0和40 kg/hm2时冬小麦氮素产出和土壤NO3–-N残留量 Table 5 N uptake of winter wheat and soil NO3–-N residue under the soil N surplus of 0 and 40 kg/hm2 in the Weibei rainfed areas 项目 Item 2011—2012 2012—2013 2013—2014 0 40 0 40 0 40 氮素投入量N input (kg/hm2) 127 170 54 99 103 150 地上部吸氮量Aboveground uptake (kg/hm2) 127 130 54 59 103 110 小麦籽粒产量Grain yield (kg/hm2) 6171 6267 2140 2309 4395 4502 0—100 cm NO3––N累积量NO3–-N surplus (kg/hm2) 79.1 101.4 63.1 104.2 61.6 113.7 注（Note）：表头数字 0 和 40 表示氮素盈余指标 The digital of 0 and 40 in the up row mean the allowable N surplus in soil.

欧美许多国家要求收获后0—90 cm土体中硝态氮累积量低于N 90～100 kg/hm^2[9]，本研究以N 90～100 kg/hm²作为作物收获后0—100 cm硝态氮允许残留指标。从表5可以看出，在旱地冬小麦年氮素盈余为 0 kg/hm²的情况下，3年冬小麦收获后0—100 cm硝态氮累积量均较低，分别为79.1、63.1和61.6 kg/hm²，随着年限的延长有逐渐减少的趋势，在此施氮量下长期种植可能会导致土壤氮库的耗竭。而当旱地冬小麦年氮素盈余指标提高到40 kg/hm²时，3年冬小麦收获后1 m的硝态氮累积量分别为101.4、104.2和113.7 kg/hm²，仍基本符合作物收获后硝态氮允许残留指标 (N 90～100 kg/hm²)，且能保持土壤氮库的基本稳定。

降水是渭北旱塬冬小麦产量的主要限制因素。连续3年的试验产量分别为5820、2316和4270 kg/hm²，总体呈现出丰水年冬小麦产量 > 平水年 > 欠水年，这与高艳梅等 ^[13]的研究结果一致。由于水分能够促进土壤中养分元素的溶解，有利于作物吸收，促进根系伸展和作物生长，从而影响作物生长及干物质累积。李强等^[14]研究发现，如果不考虑降水和土壤养分供应情况，盲目高量和过量施氮不仅不能增产，还可能导致减产。本研究也表明，当施氮量达到150 kg/hm²时，继续增施氮肥并没有显著提升小麦产量，而当施氮量超过225 kg/hm²时，继续施氮肥则会出现减产的现象。究其原因，一方面可能是由于旱地水分是影响小麦产量的关键因素，过量施氮肥会使小麦苗期分蘖过多，营养生长过旺，加大对旱地土壤水分耗竭，进而影响有效分蘖数和小麦产量；另一方面，过量施氮使小麦贪青晚熟，形成不合理的群体结构，通风透光差，导致冬小麦灌浆期旗叶光合速率、群体冠层光合速率和作物生长速率降低，使花后光合产物减少，引起产量下降^[15-17]。这说明过量施用氮肥造成作物奢侈吸收的同时，并没有产生真正的肥效。除降雨量外，产量还与光照、温度、CO₂浓度等有关，这些均在一定程度上影响小麦产量^[18-19]。而不同地区、不同种植栽培技术、不同作物类型、不同生育时期等，作物生长发育状况与气候变化规律不尽相同，因此光温资源对本文涉及作物的影响还需进一步研究探讨。

植株吸氮量随降水量和施氮量变化规律与产量相似。Koutroubas等^[20]研究发现，收获期小麦籽粒产量与植株地上部氮累积量有正相关关系，合理氮肥用量使作物吸氮量显著增加。3种降水年型氮素表观盈余量有所差异，总体呈现欠水年 > 平水年 > 丰水年。这说明在渭北旱塬雨养农田降雨量越少，作物吸氮量越少，氮素表观盈余量越多；反之，盈余量越少。党廷辉和郝明德 ^[21]在长武的长期定位试验中也发现，丰水年和平水年应增大氮素投入量，而在欠水年应减少氮肥投入量，以避免氮素不足或盈余。刘瑞等^[22]研究发现，氮肥用量与土壤氮素表观盈余量呈线性关系。这与本研究结果一致，随着施氮量的增加，氮素表观盈余量由负值到正值，即土壤氮库由亏损转为盈余，当3年施氮量分别为127、54和103 kg/hm²时，土壤氮库达到平衡状态，这与倪玉雪等^[23]研究结果类似。但李鑫^[24]认为，当施氮量为土壤氮库平衡时的用量时，收获后0—100 cm土壤无机氮残留均低于播前。Brentrup等^[25]分析英国洛桑小麦长期试验资料也发现，当施氮量为96 kg/hm²时，作物氮素移出量基本等于施氮量，由于施氮量还需补充不可避免的氮素损失对投入氮的需求，所以这时仍存在着土壤氮肥力和产量降低风险；而当施氮量为192 kg/hm²时，作物移出氮量151 kg/hm²，作物生长季的氮素输入和输出量能够保持平衡，土壤氮肥力和产量得以维持。在渭北旱塬单季作物–土壤体系中，我们以N 40 kg/hm²为氮素表观盈余量参考指标，计算得出3年推荐施肥量分别为170、99和150 kg/hm²，在此施肥量下小麦的产量和对应每年理论最高产量无显著差异。并且3季冬小麦收获后1 m土体硝态氮累积量平均为106.4 kg/hm²，这一数值也基本符合作物收获后硝态氮允许残留指标。这一结果一方面验证了这一指标的合理性，另一方面希望根据这一指标为渭北旱塬推荐一个更加合理的氮肥施用量。

作物吸收的氮素主要来自土壤自身氮素和肥料氮^[26]，并且在很大程度上依赖于土壤氮素，因此氮肥在土壤中的残留是不可避免的，它是扩充土壤氮库和提高土壤供氮能力的主要途径。本研究发现，施氮量与土壤剖面硝态氮累积量呈显著正相关，这与其他学者的研究结果相一致^[27]。当施氮超过150 kg/hm²时，收获期硝态氮残留量急剧增加，达139.0～453.6 kg/hm²。这可能是由于过量施氮降低了C/N比^[28]，有利于微生物在有机质分解过程中的养分释放，促进土壤中有效氮的增加。此外，高施氮 (N225和N300处理) 处理收获期土壤硝态氮累积量逐年累加，与2011—2012年相比较，2012—2013年增长幅度为65.4%～90.6%，2013—2014年增长幅度为64.2%～148.8%。王平生等^[29]在北方梯田旱地进行 3 年定位试验结果表明，连续多年施氮225 kg/hm²时，相应的土壤剖面硝态氮年均累积量为52.3 kg/hm²；戴健等^[30]研究发现连续施氮 7 年后，土壤剖面硝态氮累积量高达586.5 kg/hm²。收获期土壤硝态氮主要残留在0—40 cm，占0—100 cm硝态氮残留量的50.0%～75.5%，且随着年限的延长有减少的趋势，3年平均值分别为63.8%、66.1%和53.6%，而40—100 cm土层硝态氮残留从第一年的36.2%，增长到第三年的47.3%。可见，残留在土壤中的硝态氮如不及时被作物吸收利用，在降水或灌水的作用下，会向土壤深层淋溶。在陕西杨凌连续4年田间试验结果也表明，硝态氮年淋失量与年施氮量呈指数形式增加，4年平均淋失量为2.7～18.9 kg/hm^2[31]。在加拿大地区525 mm降水使0—200 cm土壤中硝态氮含量由140 kg/hm²降至43 kg/hm^2[32]。

基于土壤氮素平衡，通过从土壤氮素的输入和携出平衡计算氮肥用量，并以作物产量、吸氮量和收获后0—100 cm土层硝态氮累积量加以验证，可有效地控制氮肥投入，保证作物产量、培肥土壤、土壤0—100 cm硝态氮残留量保持在安全域值内 (90～100 kg/hm²)。最后需要指出的是，本研究的结果仅仅是基于3个代表性降雨年型得到的结果，对于不同的丰水年、欠水年和平水年其结果是否适用还需要进一步的检验。由于本研究所述是单点试验，试验结果的代表性和说服力略显单薄，一个地区农田适宜氮肥用量的确定可能需要多年、甚至多点的田间试验为基础。所以本试验小组于2014年9月在杨陵西北农林科技大学试验站布置相同试验，后续研究结果还有待进一步验证和探讨。

连续3年的定位试验表明，产量和作物吸氮量随着降水量增加而升高。同一季，产量和吸氮量均与施氮量之间呈现显著抛物线关系。在考虑到维持作物产量和土壤肥力而允许氮素盈余N 40 kg/hm²的指标下，3种降水年型施氮量分别为170、99、150 kg/hm²，在该施氮量下的作物吸氮量和籽粒产量均与理论最高吸氮量和最高产量接近，这时收获后土壤硝态氮累积量也能基本保持在安全阈值内 (N 90～100 kg/hm²)。综合以上各因素，渭北旱区麦田在丰水年、欠水年和平水年推荐施氮量分别为170、99、150 kg/hm²。