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土壤氮素是决定土壤肥力和作物产量的重要因素,我国过量施氮、氮肥利用率低的问题普遍存在。因此,研究土壤氮素对长期不同施肥措施的响应,寻求保持土壤肥力、保障农业环境可持续发展的施肥措施十分必要。同时,愈发突出的全球气候变化问题给农业带来了很大的挑战,量化未来气候变化对土壤氮素的影响对应对未来环境风险、提高土地质量、保障粮食安全具有重要意义。目前土壤氮动态及氮肥利用率的研究大多集中于点位特征及其施肥的影响,对不同施肥下土壤氮动态的时空演变及气候变化下的未来趋势鲜见报道。因此,本研究选取我国北方跨越不同气候带、土壤类型和轮作制度具有代表性的8个典型长期试验,系统分析了典型农田土壤全氮与碱解氮及氮肥表观利用率对长期不同施肥的响应特征,利用整合分析（Meta-analysis）研究了我国北方农田土壤微生物量氮对不同施肥的响应特征。最后,评价了SPACSYS模型在我国北方典型农田土壤全氮演变模拟中的适用性;并预测了未来气候变化和不同施肥下我国北方典型农田土壤全氮及氮平衡特征。主要结果和结论如下:1.配施有机肥提升土壤氮素肥力效果最佳,东北高于华北和西北,较不施肥（CK）提升幅度试验后期大于试验前期,且土壤氮固持效率较高,其氮固持效果基本呈现为东北高于华北和西北。不同施肥措施在所有或部分试验点均显著或极显著提升土壤氮素肥力,提升效果基本呈现为:高量化肥配施有机肥（hNPKM）>化肥配施有机肥（NPKM）>化肥与秸秆还田(NPKS>氮磷钾化肥（NPK）。hNPKM和NPKM施肥措施提升土壤氮素肥力效果最佳,在所有试验点显著或极显著提升土壤氮素肥力,提升速率分别为0.025～0.054 g kg-1 yr-1和0.006～0.042 g kg-1 yr-1;较不施肥显著提升土壤氮素肥力分别达50.4～107.8%和29.9～113.2%,较NPK施肥措施显著提升土壤氮素肥力分别达43.5～75.8%和18.9～55.9%;hNPKM和NPKM施肥措施不同试验点土壤全氮含量大小为:公主岭>杨凌>乌鲁木齐>昌平>郑州和公主岭>杨凌>徐州>乌鲁木齐>张掖>平凉>昌平>郑州,总体表现为东北高于华北和西北;hNPKM和NPKM施肥措施下土壤氮固持效率较高,氮固持效率分别为12.0～74.2%和10.8～54.8%;不同施肥措施不同阶段仅在部分试验点显著或极显著提升土壤氮素肥力,提升效果基本与整个试验期间相类似,试验前10年hNPKM和NPKM施肥措施较不施肥显著提升土壤氮素肥力分别达27.7～59.8%和12.7～52.1%,11～20年左右则分别达73.6～161.8%和30.7～112.2%。21～30年左右,NPKM施肥措施仅在徐州、平凉试验点较不施肥显著提升土壤氮素肥力分别达161.3%和37.6%。不同阶段比较表明,hNPKM和NPKM施肥措施较不施肥提升土壤氮素肥力幅度为:11～20年左右>试验前10年。2.配施有机肥增加土壤氮素速效养分（碱解氮）效果最好,东北高于华北和西北,相比不施肥增加幅度试验后期大于试验前期。不同施肥措施仅在部分试验点显著或极显著增加土壤氮素速效养分,增加效果基本呈现为:hNPKM>NPKM>NPKS>NPK。hNPKM和NPKM施肥措施增加土壤氮素速效养分效果最佳,其中hNPKM施肥措施仅在公主岭、郑州和乌鲁木齐试验点极显著增加土壤氮素速效养分,增加速率为2.69～4.69 mg kg-1 yr-1,在公主岭、昌平、郑州和乌鲁木齐试验点较不施肥显著增加土壤氮素速效养分为28.8～145.2%,在公主岭、郑州和乌鲁木齐试验点较NPK施肥措施显著增加土壤氮素速效养分为29.0～93.6%;NPKM施肥措施仅在公主岭、郑州、乌鲁木齐和张掖试验点显著或极显著增加土壤氮素速效养分,增加速率为2.15～2.90 mg kg-1 yr-1,在公主岭、郑州、平凉、乌鲁木齐和张掖试验点较不施肥显著增加土壤氮素速效养分为29.4～84.1%,在公主岭、郑州、平凉和乌鲁木齐试验点较NPK施肥措施显著增加土壤氮素速效养分为16.1～45.3%;hNPKM和NPKM施肥措施不同试验点土壤碱解氮含量大小为:公主岭>乌鲁木齐>郑州>昌平和公主岭>徐州>乌鲁木齐>郑州>平凉>张掖,总体表现为东北高于华北和西北。不同施肥措施不同阶段仅在部分试验点显著或极显著增加土壤氮素速效养分,增加效果基本与整个试验期间相类似,试验前10年hNPKM和NPKM施肥措施较不施肥显著增加土壤氮素速效养分分别达23.3～60.8%和27.7～37.7%,11～20年左右则分别达33.1～212.8%和42.3～121.3%。21～30年左右,NPKM施肥措施较不施肥显著增加土壤氮素速效养分达55.4～56.6%。不同阶段比较表明,hNPKM和NPKM施肥措施相比不施肥增加土壤氮素速效养分幅度均为:11～20年左右>试验前10年。3.施用有机肥能促进农田土壤微生物的生长和繁殖,进而提高土壤肥力。我国农田北方地区施用有机肥相比不施肥（CK）和施用化肥（NPK）,土壤微生物量氮（SMBN）含量分别增加了97.5%和57.3%。施用有机肥相比施化肥对SMBN含量的提高幅度在东北地区最大（67.2%）。相比施化肥,施用有机肥后SMBN含量的增加幅度在温带大陆性气候区（54.4%）和温带季风性气候区（60.7%）没有显著的差别。相比施化肥,在酸性土壤上施用有机肥对SMBN含量的增加幅度最大（111.6%）,显著高于在碱性和中性土壤（53.6%和48.8%）。对不同土壤SOC水平来说,相比施化肥,施用有机肥在低土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）水平施用有机肥对SMBN含量的增加幅度高于高SOC和TN水平。SMBN与TN含量之间存在极其显著的线性相关关系。施用有机肥相比施用化肥处理SMBN增加百分数与每年有机肥氮的投入量呈显著的正相关关系（P<0.01）。4.施用有机肥能够提高作物的氮肥表观利用率和作物吸氮量。公主岭试验点玉米平均氮肥表观利用率NPKS处理（88.1%）显著低于其他处理（93.9～95.8%）。昌平试验点不同施肥处理的氮肥表观利用率没有显著差异（38.5～51.0%）。徐州试验点只有NPK和NPKM处理,NPK处理（69.3%）显著高于NPKM处理（53.8%）。而郑州试验点NPKM处理氮肥表观利用率最高为61.5%,且NPKM处理显著高于施用秸秆处理（NPKS:51.8%）。平凉试验点不管是在小麦季还是玉米季不同处理的氮肥表观利用率没有显著的差异,其中平均氮肥表观利用率在小麦季为56.9～67.3%,在玉米季为59.1～78.4%。乌鲁木齐试验点NPK处理在不同生长季都是最高,其在小麦季和玉米季氮肥表观利用率分别为51.9%和44.4%。NPKM处理的氮肥表观利用率和氮吸收量在不同试验点随着试验年限增加呈现一个显著上升的趋势,且年增长速率显著高于其他处理。5.未来年均温升高、年均降雨增加和CO2浓度增高导致东北的土壤全氮含量降低,华北和西北全氮含量增加,施用有机肥处理的土壤可以更好的应对未来气候变化,增加土壤-植物体系的氮汇水平。利用土壤-作物-大气模型SPACSYS进行我国北方典型农田土壤全氮含量的模拟,结果发现,校准和验证的R2分别为0.78（n=158）和0.70（n=418）,RMSE分别5.33%和6.98%,模拟精度较高。在不考虑品种变化的情况下,借助政府间气候变化专门委员会IPCC最新Representative Concentration Pathway（RCP）气候情景预测发现,未来气候变化会使东北的土壤全氮含量降低0.1～14.4%,华北和西北分别增加2.2～26.2%和4.7～34.5%。不同施肥措施中,NPKM处理土壤全氮含量最高,东北、华北和西北分别为3.67～4.30 t N ha-1,3.32～5.68 t N ha-1和3.40～5.58t N ha-1。此外,未来气候变化会减弱东北NPKM处理的植物-土壤系统的氮汇水平(8.75 kg N ha-1yr-1-17.78 kg N ha-1 yr-1),呈现Baseline≥RCP2.6,RCP4.5>RCP8.5,增加华北地区的氮汇水平且RCP情景下的氮汇水平无明显差异(91.14～174.82 kg N ha-1 yr-1),不改变西北植物-土壤系统的氮汇水平(4.67～49.24 kg N ha-1 yr-1)。不同施肥措施中,东北仅NPKM处理的土壤-植物体系为氮汇,华北和西北地区土壤-植物体系在NPKM处理的氮汇最大,分别为120.84～174.82 kg N ha-1 yr-1和31.62～49.24 kg N ha-1 yr-1。综上所述,我国北方农田,采取化肥配施有机肥的施肥措施,均有利于土壤全氮、碱解氮、微生物量氮水平即土壤氮素肥力的提升,相对具有较高氮固持效率和氮肥利用率;未来气候变化下,我国华北和西北较东北具有较强的氮素固持潜力,是农田可持续利用的施肥模式,且施用有机肥可以更大程度地增加土壤-植物体系的氮汇水平。