本研究于2005～2008年,应用根系分隔技术和同位素示踪技术等,采用大田小区试验和¹⁵N同位素标记盆栽试验,以“小麦/玉米/甘薯”三熟套作体系为对照,研究了“小麦/玉米/大豆”这一新的三熟套作体系中氮素利用的种间竞争促进作用、氮素的吸收利用特性及根际微生态效应。主要研究结果如下:1.采用双佳值法研究了“麦/玉/豆”套作体系的氮肥周年平衡施用技术,结果表明,“麦/玉/豆”套作体系在中产田的周年氮肥最佳施用总量为342.8kg/hm²,小麦、玉米和大豆适宜分配比例为33.76:35.71:30.54,各作物最佳施氮量为小麦115.73kg/hm²、玉米122.41kg/hm²、大豆104.69kg/hm²。2.采用¹⁵N土壤稀释标记法,通过2006年至2008年两年根系分隔盆栽试验,研究了“麦/玉/豆”套作体系对氮素的种间竞争作用及吸收利用特性,结果表明,“麦/玉/豆”体系中作物间对氮素的竞争与促进作用并存,小麦、玉米为套作优势作物,大豆为套作劣势作物(A_WC＞0、NCR_WC＞1;A_CS＞0、NCR_CS＞1),“麦/玉/薯”体系则表现出较强的种间竞争作用,种间促进作用相对较弱,小麦为套作优势作物(A_WC＞0,NCR_WC＞1),玉米和甘薯为套作劣势作物(A_CS=0.191＞0;NCR_CS=1.01＞1)。不分隔与完全分隔相比,“麦/玉/豆”与“麦/玉/薯”体系中的小麦籽粒产量、地上部总生物量、籽粒吸氮量、地上部总吸氮量、籽粒¹⁵N吸收量、¹⁵N总吸收量和¹⁵N植株总回收率均得到提高,土壤残留¹⁵N%丰度及总N含量降低,其中籽粒产量分别提高25.594%和24.811%,籽粒¹⁵N吸收量分别提高67.194%和53.859%,¹⁵N植株总回收率分别提高38.069%和38.727%;提高了“麦/玉/豆”中玉米的籽粒产量、地上部总生物量、籽粒吸氮量、地上部总吸氮量、¹⁵N籽粒吸收量、¹⁵N植株总回收率、土壤残留¹⁵N%丰度及土壤总N含量,“麦/玉/薯”则降低;降低了大豆的籽粒产量、籽粒吸氮量、¹⁵N总吸收量和¹⁵N植株回收率降低,但土壤总N含量提高7.284;降低了甘薯的块根产量、块根吸氮量和土壤总N含量,但¹⁵N植株总吸收量和¹⁵N植株回收率提高47.958%和47.957%。“麦/玉/豆”体系的小麦、玉米土壤NO₃-N含量及无机氮（NO₃-N、NH₄-N）总量降低,“麦/玉/薯”体系则升高,且高于“麦/玉/豆”体系;两种体系的大豆、甘薯土壤NO₃-N含量均升高,且大豆高于甘薯;两种体系均吸收利用了前茬小麦、玉米及大豆（甘薯）作物的残留¹⁵N,并发生了¹⁵N的转移,但“麦/玉/豆”体系的¹⁵N吸收量、¹⁵N回收率和¹⁵N转移强度高于“麦/玉/薯”。3.采用叶片¹⁵N富集标记法,在不同氮素水平下,研究了“麦/玉/豆”套作体系的氮素转移,结果表明,“麦/玉/豆”体系在相同施氮水平下的产量、吸氮量与土壤总N含量均高于“麦/玉/薯”,“麦/玉/豆”体系较“麦/玉/薯”更具有产量优势和氮素营养优势。两种体系的小麦和大豆（甘薯）的籽粒（块根）产量与吸氮量随施氮量的增加呈先增加后降低趋势,以A3（300Nkg/hm²）处理最高,玉米籽粒产量和吸氮量随施氮量的增加而增加,以A4（450Nkg/hm²）处理最高;两种体系中小麦、玉米和甘薯土壤总N含量以A3处理最高,大豆土壤总N含量随施氮量的增加而降低,以A1（0Nkg/hm²）处理最高。两种体系中各作物的土壤NO₃-N含量随施氮量的增加而增加,但“麦/玉/豆”体系低于“麦/玉/薯”。两种体系均存在氮素的双向转移,转移量随土壤肥力及施氮量的提高而降低,“麦/玉/豆”体系的¹⁵N净转移量和转移强度高于“麦/玉/薯”。以小麦为¹⁵N供体植物时,两种体系向玉米的氮素转移量和转移率差异不大。以玉米为¹⁵N供体植物时,玉米向小麦和大豆（甘薯）转移了氮素,以300kgN/hm²供氮水平下的转移量和转移率最高,且以向小麦的转移为主,两种体系中向小麦的转移量分别是大豆和甘薯的2.902倍～9.402倍、1.338倍～2.187倍;两种体系中玉米向甘薯的转移率是玉米向大豆转移率的1.001倍～2.203倍。以大豆（甘薯）为¹⁵N供体植物时,大豆、甘薯向玉米转移了氮素,大豆向玉米的转移率比甘薯向玉米的转移率高21.266%～52.003%。两种体系中小麦的¹⁵N净转移量＞0,玉米和大豆（甘薯）的¹⁵N净转移量＜0;“麦/玉/豆”体系中小麦、玉米和大豆的¹⁵N净转移量分别比“麦/玉/薯”中的小麦、玉米、甘薯高3.256%～12.083%、26.993%～166.209%和26.242%～78.694%。4.在大田试验条件下,通过两年试验研究了不同种植方式的根际微生态效应及根际土壤环境与作物对氮素吸收的关系,结果表明,与净作和“麦/玉/薯”相比,“麦/玉/豆”体系表现出明显的套作优势(LER＞1、A_WC＜0、A_CS＞0、NCR_WC＜0、NCR_CS＞1);降低了玉米、大豆土壤的PH和小麦土壤的湿度、PH,提高了玉米和大豆的土壤湿度;提高了开花期（吐丝期）和成熟期小麦、玉米和大豆的生物量、吸氮量、根系活力和根干重;提高了各作物土壤中细菌、真菌、放线菌三种微生物的数量,以及各作物土壤总N含量和脲酶、蛋白酶的酶活性,降低了各作物土壤NO₃-N含量及硝酸还原酶活性。DGGE分析表明,“麦/玉/豆”套作系统中各作物的多样性指数（H′）高于净作与“麦/玉/薯”体系,相似性指数（Cs）方面,套作与套作之间的Cs高于套作与净作间的Cs,套作边行与净作之间的Cs相对较小,套作中行与净作的Cs相对较高。相关分析表明,小麦、玉米和大豆（甘薯）的吸氮量与土壤中脲酶、蛋白酶、细菌数量、真菌数量、放线菌数量和根系活力呈显著或极显著正相关,与硝酸还原酶、NO₃-N、NH₄-N呈极显著负相关。