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长江中下游稻麦轮作制中过量施氮较为普遍,这不仅导致氮肥利用率降低,而且引起环境风险。因此,田间尺度下原位定量化研究化肥氮的去向和氮素循环过程,以及区域尺度下评估氮肥管理的农学和环境效应是优化氮肥管理,提高氮肥利用率的关键。为研究优化施氮下长江中下游稻麦轮作农田氮素循环特征,于2007年至2008年在湖北省开展田间试验和15N示踪的微区试验,监测不同氮肥运筹下氨挥发、N2O排放、无机氮动态分布和15N的去向。田间试验和15N示踪的微区试验均设置4个处理,（1）习惯施氮（小麦和水稻氮肥用量分别为225kgN/hm2和210kgN/hm2）,（2）氮肥减量（小麦和水稻氮肥用量分别为157.5kgN/hm2和147kgN/hm2）,（3）优化施氮（基于作物不同生长阶段氮素需求增加施肥比例和次数,氮肥用量同处理2）,和（4）对照（不施氮肥）。习惯施氮和氮肥减量处理小麦季基肥和拔节肥各占1/2,水稻季基肥和分蘖肥各1/2。优化施氮处理,小麦季基肥,拔节肥和孕穗肥各占1/3;水稻季基肥,分蘖肥和孕穗肥各占1/3。采用密闭室连续抽气法测定氨挥发,密闭箱技术原位监测N2O排放,连续流动注射分析仪测定土壤NO3--N和NH4+-N含量。基于观测值,检验脱氮-分解模型（DNDC）田间尺度模拟预测氮素循环的可靠性和灵敏度。同时,以湖北潜江市为例,采用DNDC模型结合地理信息系统（GIS）技术对区域尺度优化施氮下氮素循环与平衡进行估算。研究取得以下主要进展:1.田间试验结果表明,三个施氮处理间小麦、水稻的籽粒产量和植株吸氮量差异不显著,优化施氮处理略高于习惯施氮处理。与习惯施氮处理相比,优化施氮小麦和水稻季作物表观回收率分别提高了12.5和7.96个百分点。整个小麦和水稻生长季,习惯施氮、氮肥减量和优化施氮处理氮素表观损失量分别为180、115和80.8kgN/hm2,占氮素总输入量的41.3%、37.8%和26.5%。2.小麦季施肥后氨挥发大约持续7-10天,水稻季大约持续5-7天。在整个稻麦轮作周期肥料氮氨挥发损失主要发生在水稻季,占整个轮作周期氨挥发总量的74.1%-78.6%。与传统施氮相比,优化施氮氨挥发量减少了N 26.3kg/hm2,氨挥发降低了32.9%,可见优化施氮是降低氨挥发较理想的施肥方式。3.稻麦轮作体系中土壤N2O排放具有明显的季节性变化规律,小麦季和水稻季N2O通量分别与土壤和田间水中无机氮含量呈正相关。N2O排放排放量随施氮量增加而增加。小麦生育期土壤N2O排放量范围为N2O 2.43-4.84kg/hm2,肥料氮通过N2O排放的损失率为0.54%-0.74%。水稻季土壤N2O排放量为N2O 0.89-2.45kg/hm2,肥料氮通过N2O排放的损失率为0.39%-0.47%。与习惯施氮相比,优化施氮土壤N2O排放减少了N2O 1.74kg/hm2,减少了23.9%。4. 15N示踪试验结果表明,与习惯施氮相比,小麦季和水稻季优化施氮分别增加氮回收率6.19和3.07个百分点。土壤残留率小麦季增加4.76个百分点,水稻季增加2.49个百分点。肥料氮损失率小麦季和水稻季分别减少11.0和5.57个百分点。与习惯施氮相比,优化施氮处理小麦季和水稻季累积氨挥发量分别降低41.3%和54.0%,N2O排放损失总量减少35.2%和35.3%。5.田间尺度上,采用DNDC模型模拟的土壤氨挥发速率和N2O排放通量与田间实测结果较为吻合,氨挥发通量模拟值与实测值相关系数为0.688,N2O排放通量模拟值与实测值相关系数为0.528,均达极显著水平,显示DNDC模型预测农田土壤氮素具有较高可信度。模拟结果显示,气温和氮肥用量是影响作物产量和吸氮量的关键因素;土壤氨挥发主要受氮肥品种影响,并随氮肥用量增加而增加;土壤N2O排放主要受温度、土壤pH值、土壤有机碳含量影响。6.区域尺度上,通过DNDC模型与潜江市空间地理信息数据相连接,设置了习惯施氮和优化施氮两种氮肥管理情形,发现潜江市习惯施氮和优化施氮条件下氮素盈余量为897和620t。习惯施氮条件下,氮氨挥发损失量为91.2t,氮淋失量达497t,硝化反硝化损失量为485.88t;优化施氮可降低氨挥发80.7%,氮淋失38.8%,硝化反硝化62.5%。土壤养分和环境因子的空间异质性导致了区域氮输出的空间变异。