在适宜时期施用氮肥既能满足作物对养分需求,又能获得较高的氮肥利用效率并减少氮损失及其带来的环境风险。黄土高原属于典型旱作农业区,玉米是该地区主要粮食作物之一。地膜覆盖技术因其具有增温保墒、大幅提高作物产量的作用,已在该地区被广泛应用。本研究以黄土高原旱作覆膜玉米为研究对象,采用大田试验与田间微区试验相结合的研究方法,利用15N示踪技术,连续3年对施入土壤中的肥料氮进行定向追踪,探索不同施氮时期对肥料氮去向及其残留效应的影响;并对土壤N2O、NH3排放进行连续同步监测,以期查明旱作覆膜玉米农田氮素气态损失对施氮时期的响应。通过对不同施氮时期处理的作物产量、养分利用及环境效应的综合评价,明确黄土高原旱作覆膜玉米适宜施氮时期,求证假设“在氮肥总施用量不变情况下,生育期分次施氮因作物吸收利用不同,其残留、后效及损失程度不同”真伪,为该地区制定有效氮肥管理措施提供理论参考。本研究主要获得以下结论:(1)分次施氮显著增加植株氮中来源于肥料氮的比例和数量,与单次和两次施氮相比,三次施氮也显著增加了植株氮中来源于土壤氮的数量,说明多次施氮对土壤氮库存在一定正激发效应。两次和三次施氮下15N肥料当季利用率分别为37.6%和39.1%,显著高于单次施氮(28.0%),而15N潜在损失率(11.2%和12.7%)显著低于单次施氮(22.2%),两次与三次施氮间无显著差异。与基施15N和吐丝期追施15N相比,作物对8叶期追施15N的利用率最高,损失率最低。当季作物收获后15N在0-200 cm土层的残留量占总施氮量的48.3%-51.3%,其中约50%残留在0-20 cm土层;分次施氮对土壤中当季残留15N总量无显著影响。(2)不同施氮时期处理土壤残留15N被第二季和第三季作物利用率分别为24.1%-32.3%和10.4%-11.0%,占15N肥料总施入量的12.1%-15.7%和5.4%-5.8%;氮肥分三次施入会显著增加第二季作物对残留15N的利用效率。三季作物对15N肥料叠加利用效率为47.6%-60.8%,分次施氮显著提高氮肥叠加利用率。第三季作物收获后15N在0-200 cm土壤中残留率及潜在损失率分别为15.0%-21.0%和18.2%-37.4%,分次施氮显著增加了肥料氮在土壤中的残留,并减少了其潜在损失。(3)氮肥分三次施入在玉米生育中后期降雨较多的情况下会显著增加N2O累积排放量以及单位产量N2O排放量。施肥与降雨耦合是N2O排放的主要驱动因子。由于在黄土高原地区玉米生长发育中后期(7-9月)常常伴有较强降雨,因此分三次施氮增加了N2O排放风险。旱作覆膜玉米不同时期施氮的NH3挥发损失率为6.2%-9.4%,分次施氮会显著降低肥料氮NH3挥发损失。与基肥氮(撒施后旋耕)相比,追肥氮(带状沟施覆土)的NH3挥发损失率更低。与单次施氮相比,将氮肥分两次施用能有效减少NH3挥发损失,又不会增加单位产量N2O排放。(4)分次施氮显著提高玉米产量,但两次与三次施氮间无显著差异。分次施氮会显著增加玉米成熟期地上部氮素累积量,尤其是分三次施氮能显著增加玉米吐丝后期地上部氮素累积。分次施氮显著提高氮肥表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力,在半膜覆盖下显著降低0-200 cm土壤硝态氮累积。全膜覆盖下不施氮、单次、分两次和三次施氮处理两年平均产量较半膜覆盖分别提高20.2%、10.3%、10.1%和10.5%。全膜覆盖显著增加玉米地上部干物质和氮素累积,尤其在生育初期表现更加明显。全膜覆盖下玉米收获后0-200 cm土壤硝态氮累积量显著高于半膜覆盖。施氮显著提高玉米水分利用效率,与单次施氮相比,分次施氮在生育期降水较少的年份更有利于提高水分利用率。全膜覆盖在生育期降水较多的年份对水分利用效率的增加更为显著。综上可见,将氮肥在播种前和8叶期按4:6的比例分两次施用既能获得较高产量与较高水氮利用效率,还可有效减少肥料氮的NH3挥发损失,且与单次施氮相比并未增加单位产量N2O排放量。因此,综合考虑作物产量、养分高效利用以及环境效应,分两次施氮更适合本地区旱作覆膜玉米生产。