内蒙古河套灌区在农业生产过程中存在氮肥施用量逐年增加的现象,但肥料利用率较低,造成了巨大资源浪费和环境压力。氮肥的施用不仅影响土壤理化性质,还影响微生物环境。土壤微生物不仅参与土壤中物质和能量的循环转化,而且驱动着氮素的转化运移。寻求适宜的氮肥施用量可为制定合理的氮肥管理措施、减少氮素损失、保证农田微生物环境良好发展及减轻农业面源污染提供理论依据。因此,本研究针对如何优化氮肥施用量及微生物如何在氮素转化过程中发挥作用等问题,开展了不同施氮量下间作小麦玉米氮素转化运移及土壤微生物学特征参数的田间试验研究;以试验研究为基础揭示了产量及水肥利用率机理、土壤肥力响应机理、作物-土壤中氮素转化运移机理、土壤微生物数量、微生物生物量和土壤酶活性反馈机理及微生物驱动氮素转化机理;在机理揭示的基础上运用系统动力学Vensim模型模拟了不同施氮量下间作农田氮素的转化运移,建立了土壤微生物与氮素转化的互馈模型;最终提出了基于氮素转化运移及土壤微生物学特征参数的施氮量阈值。主要研究结论如下:(1)间作小麦玉米的产量和水分利用效率随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势,在施氮量分别为180 kg·hm-2和270 kg·hm-2时达到最高,且增加幅度最大分别为37.76%、27.08%和33.90%、28.55%。氮肥利用效率各指标均随着施氮量的增加而降低,在施氮量分别为90kg·hm-2和135kg·hm-2时达到最大,在施氮量分别为180 kg·hm-2和270 kg·hm-2时的下降幅度最小。(2)间作小麦玉米土壤含水率、电导率均随着施氮量的增加先减小后增大,土壤中有机质、碱解氮和速效磷含量均随着施氮量的增加先增加后减少,在施氮量分别为180kg·hm-2和270kg·hm-2时土壤水盐含量最低,养分含量最高。(3)随着施氮量的增加,间作小麦玉米收获后的吸氮量呈上升趋势;收获后土壤中残留硝态氮、铵态氮含量及硝态氮淋溶损失量呈增加趋势,氮素表观损失量及氮盈余量呈逐渐增加的趋势,均在施氮量分别为270 kg·hm-2和405 kg·hm-2时达到峰值。参数率定与检验后的Vensim模型预测结果显示小麦玉米施氮量阈值分别为175.00 kg·hm-2、231.00 kg·hm-2。(4)在一定的施氮量范围内(小麦0～180kg·hm-2、玉米0～270 kg·hm-2),土壤微生物数量、生物量和酶活性随着施氮量的增加而增加,当施氮量超过这一范围时,土壤微生物数量、生物量和酶活性随之降低。适宜的施氮量(小麦180 kg·hm-2、玉米270 kg·hm-2)为微生物的生长、繁殖和代谢提供了充足的营养和能源,有利于土壤微生物数量和生物量的增加,刺激了上壤酶活性的增强。(5)微生物数量和生物量越小、微生物酶活性越低对氮素转化的负效应越小,说明适宜的微生物数量、生物量和酶活性能显著加快氮素的转化。由小麦带、玉米带建立的微生物与氮素转化互馈预测经验公式确定施氮量阈值分别为185.87 kg·hm-2、261.67 kg·hm-2。(6)小麦玉米基于氮素转化运移和微生物学特征参数的施氮阈值分别为175.00～185.87 kg·hm-2和231.00～261.67 kg·hm-2。与当地习惯施氮量相比,分别减少 17.39～22.23%(小麦)和 29.28～37.57%(玉米)。