土壤中的氮素分布不均，在氮素富集的土壤区域内，植物根系大量的生长。然而，不同玉米基因型根系对局部施氮的响应与氮素吸收效率之间的关系尚不清楚。本研究以4个玉米品种为研究对象，探讨根系生长对局部施氮响应的基因型差异及对氮素吸收的影响。在水培采用分根培养体系局部供氮，在田间采用条施和穴施的局部施氮方法。结果表明，不同品种根系局部氮响应在水培和田间条件之间具有高度相关性（r>0.99）。在水培局部供氮条件下，强响应品种郑单958、先玉335和先锋32D22的侧根长增加了50-63%，根系生物量增加了36-53%，而弱响应品种蠡玉13的根系生长响应较小。田间条件下，3个强响应品种的根长在40-60 cm土层显著增加66-75%，而蠡玉13的根长变化幅度显著较低。此外，局部施氮肥促进强响应品种的花后氮吸收，增幅达16-88%，并且促进了郑单958的籽粒产量显著增加10-12%。相关分析发现，产量与40-60 cm土层根长呈显著正相关（r=0.39）。综上所述，可在苗期鉴定玉米品种对局部施氮的响应类型，生产中强响应型玉米品种与局部施用氮肥配套应用；同时可将“根系局部施氮响应能力”作为玉米氮高效遗传改良的目标性状。

作为一种有限的自然资源，磷（P）逐渐成为影响全球可持续发展的新挑战。中国农业对全球可持续磷管理意义重大。在中国集约化的农业生产中，通过根际和土壤磷管理来提高磷的利用效率和作物生产力是很有必要的。之前的研究表明，利用LePA模型（legacy phosphorus assessment model）基于土壤磷管理（恒量监控方法）预测中国未来的磷肥需求量会大大降低。本研究利用LePA模型基于根际和土壤磷综合管理预测了在四种减磷情景下我国各县未来的磷肥需求量。四种情景设置分别为：（1）模拟期间磷肥投入量与2012年相同；（2）低磷县先保持2012年的施磷水平，而高磷县先停施磷肥，直至土壤Olsen-P达目标值，然后施磷量均与作物磷带走量相同；（3）低磷县的土壤Olsen-P达目标值后，各县的施磷量每年降低1 – 7 kg ha^-1，然后每年增加0.1 – 9 kg ha^-1至作物磷带走量；（4）低磷县的磷投入量与2012年相同直至土壤Olsen-P含量升高到目标值，而高磷县的磷投入量先每年降低1 – 7 kg ha^-1，再每年增加0.1 – 9 kg ha^-1，然后与作物磷带走量相同。结果表明，情景4分析的我国在2013 – 2080年期间的磷肥需求总量为6.93亿吨，与农民传统施磷量相比降低了57.5%。与基于土壤管理的磷需求量相比，模拟期间我国磷肥总需求量可进一步降低8.0%。我国平均的土壤Olsen-P含量只需维持在17.2 mg kg^-1即可满足作物高产的需求。我们的研究结果为政府出台可持续磷管理的相关政策提供了坚实的基础。

与单独供硝（NO₃^-）或者单独供铵（NH₄⁺）相比，混合供氮能够促进苗期玉米的生长。前期研究表明，混合供氮不仅可以提高玉米的光合效率，还可以促进地上部生长素的合成来增强叶片生长，进而为碳和氮的利用构建一个较大的库。然而，该过程是否依赖于氮的吸收还尚不清楚。在此，将玉米幼苗在具有三种供氮形态（单独供硝，75/25硝铵比和单独供铵）的水培实验中进行生长。结果表明，在0-3天，混合供氮下玉米生长速率和地上部含氮量与单独供硝处理间无显著差异，在6-9天，混合供氮下玉米生长速率和地上部含氮量显著高于单独供硝处理。于此同时，虽然混合供氮条件下15NO₃^-与15NH₄⁺的瞬时吸收速率较单独供硝和单独供铵相比皆有所下降，但混合供氮在6-9天具有最高的总氮吸收速率。QRT-PCR结果表明，长期混合供氮条件下根系N吸收的增加可能与长期处理下NO₃^-转运蛋白基因（例如ZmNRT1.1A， ZmNRT1.1B，ZmNRT1.1C， ZmNRT1.2和ZmNRT1.3）的高表达或铵转运蛋白基因（例如ZmAMT1.1A）的高表达有关，尤其是后者。此外，与单独供硝处理相比，混合供氮处理下植株地上部与根系中具有较高的谷氨酰胺合酶（GS）活性以及氨基酸含量。硝酸还原酶酶（NR）和GS酶抑制剂实验进一步证明了混合供氮情况下氮的同化能力对于玉米生长促进是至关重要的。该研究证明了混合供氮能够促进氮素吸收并进一步促进了氮的同化，而该过程可能是促进玉米上生长的主要驱动力。

磷（P）是一种不可再生资源，也是植物生长的关键营养元素，对作物产量的提高起着重要作用。磷肥的过量施用在农业生产中很普遍，这不仅浪费了磷肥资源，还造成了磷的积累和地下水污染。为了获得较高的产量和磷素利用效率（PUE），我们假设农业系统的表观磷平衡可以作为确定磷投入阈值的关键指标。因此，我们进行了长达12年的定位田间试验，包括6个施磷处理，施磷量分别为0、45、90、135、180和225 kg P₂O₅ ha^–1，以明确作物产量、PUE和土壤Olsen-P对磷平衡的反应并优化磷投入。结果表明，当磷肥施用量超过某一水平时，周年产量不再增加，当周年磷肥施用量为90–135 kg P₂O₅ ha^–1时可以实现较高的产量和PUE。当磷平衡阈值为2.15–4.45 kg P ha^–1时可以实现最佳产量和最小的环境风险。基于磷平衡阈值估算的磷投入为95.7–101 kg P₂O₅ ha^–1，施磷量在此阈值内时可以协同提高产量与PUE（90.0–94.9%）。此外，本研究发现磷投入-产出平衡框架的建立有助于评估土壤Olsen-P在未来的变化，其中土壤磷平衡每增加100 kg P ha^–1，有效磷含量上升4.07 mg kg^–1。总之，磷平衡可以作为农业生产中磷管理的一个重要指标，为限制磷过剩和制定更高产、高效和环保的磷肥管理策略提供有力参考。

在中国东北稻区，肥料氮去向与施氮量间的关系以及残留氮的去向目前仍不清晰。为此本研究田间小区和¹⁵N微区试验，分别设置0、75、105、135和165 kg N/hm²五个施氮水平，对应处理为N0、N75、N105、N135和N165。微区试验在2017年施用¹⁵N标记尿素，2018年施用等量的普通尿素。分析了氨挥发、淋洗、地表径流、水稻产量以及植物和土壤中氮含量和¹⁵N丰度变化情况。结果表明，水稻产量与氮肥施用量呈线性平台关系，最佳施氮量为135 kg N/hm²；水稻氮吸收量随着氮量的增加而增加，差减法氮肥吸收利用率（RE_N）在2017年和2018年平均分别为45.23%和56.98%。2017年施氮量为135 kg N hm²时RE_N最高，2018年RE_N受施氮量影响不大，而氮量超过135 kg N hm²时氮肥农学利用率（AE_N）和氮肥生理利用率（PE_N）显著降低。在中国东北稻区肥料氮氨挥发、淋洗和径流的损失较少。2017年和2018年氨挥发量分别占总施氮量的0.81%和2.99%，氮通过淋洗和径流的损失比例分别为4.45%和不到1.05%，东北稻区表观反硝化损率失约为42.63%。2017年0-40cm土层中残留氮量为18.37-31.81 kg/hm²，残留率为19.28-24.50%。土壤中¹⁵N肥料的残留量随施氮量增加而增加，残留氮主要集中在0-10cm土层中，占总残留氮的58.45-83.54%，并随深度增加而减少，但0-10cm土层残留氮占0-40cm土层残留氮的比例却随施氮量增加而减少。平均约有5.4%的残留氮在下一季被水稻吸收利用，50.2%流失，44.4%继续残留在土壤中，因此在计算施氮量时应考虑残留氮的数量。考虑到水稻产量与氮效率的平衡，本试验中东北稻区适宜施氮量为105-135 kg N/hm²。

硝铵混合供氮能够促进玉米（Zea mays)根系生长，然而不同供氮形态下根构型变化及相关的生理机制目前还不够清楚。本研究我们采用营养液水培方式，将玉米幼苗在3种供氮形态（单独供硝，75/25硝铵比，单独供铵）下进行培养。研究表明，与单独供硝或供铵相比，混合供氮能够促进玉米根系总长的增加，但对轴根总数无影响。混合供氮下根系总长的增加主要由于侧根长度的增加，其中各轮轴根上的侧根长度皆保守增长，同时，二轮结根上的侧根密度也显著增加。与单独供硝相比，混合供氮能够促进玉米根系N代谢（例如，N的流入，硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺酶 (GS)活性以及根系总氨基酸含量）。外源添加NR和GS抑制剂实验证明，混合供氮条件下各轴根上平均侧根长度的增加与N的同化过程有关，然而，NR介导的NO合成途径是否参与了该调控过程还有待进一步探讨。探究不同抑制剂处理后玉米幼苗根冠比和根系碳(C)浓度的变化规律表明C从地上向根的转运可能不是决定侧根伸长的最关键因素，不同供氮形态下根中糖浓度的变化规律也间接证明了这一结论。此外，生长素在轴根中的合成和运输可能在侧根伸长中起关键作用，其中ZmPIN1B和ZmPIN9的表达可能参与该调控路径。本研究初步证明了混合供氮条件下玉米根系构型的变化以及可能的生理机制，该研究的提出可为培育氮高效玉米品种提供一定的理论基础。

在有限的环境影响下实现玉米高产和磷高效利用是玉米可持续生产面临的最大挑战之一。增加种植密度被认为是实现玉米高产的有效途径。然而，土壤中磷移动性低和磷矿资源稀缺阻碍了在高植物密度下同时优化磷利用和减轻磷相关足迹的方法的发展。本研究通过meta分析和物质流分析，评估了不同种植密度下不同类型磷肥对玉米产量的影响，并评估了磷从磷矿开采到用于玉米生产的磷的流动。在较高的种植密度下玉米产量显著高于较低的密度。与施用磷酸二铵和磷酸一铵相比，高密度玉米种植体系施用过磷酸钙、重过磷酸和钙镁磷肥具有更高的产量和更小的环境足迹。情景分析表明，将最佳磷肥品种和施用量与高密度种植体系相结合，玉米产量可提高22%。整个磷供应链的磷资源效率提高了39%，而与磷足迹减少了33%。因此，在玉米生产过程中，同时优化高密度条件下的磷肥品种和施用量，可以实现多目标协同，表明磷管理与种植技术相结合是实现玉米可持续生产的可行途径。这些发现为实现可持续农业发展提供了重要的选择。

与前茬禾本科作物相比，氮是前茬豆科作物对后茬谷物作物产生重要影响的一个关键因素，其中不可回收的根际沉积氮发挥了重要作用。然而，目前缺乏对豆科作物和禾本科作物根际沉积氮差异的定量评估，也缺乏其对后茬谷物贡献的对比研究。在此，基于全球发表的34项观察结果，我们对豆科和禾本科作物的根际沉积氮进行了荟萃分析。此外，通过盆栽试验，采用棉芯标记法研究了中国小麦主产区，两种主要小麦前茬作物玉米和大豆的根际沉积氮量和分布特性及其对后茬谷物的贡献差异。荟萃分析结果显示，豆科作物的根际沉积氮较禾本科作物显著提高了138.93%。在盆栽试验中，玉米和大豆的根际沉积氮量分别为502.32和944.12 mg/pot，大豆也显著高于玉米，分别占植株地下氮的76.91%和84.15%。在不同团聚体粒径中，根际沉积氮主要富集于大团聚体（>2 mm），其次是小团聚体（0.25-2 mm）。在>0.25 mm团聚体粒径中，大豆根际沉积氮量和占比分别高达玉米的3.48和1.66倍，这表明大豆根际沉积氮具有较高的利用潜力。在后茬小麦的氮素积累中，大豆根际沉积氮对其贡献量高达玉米的近3倍，分别占小麦总吸氮量的8.37%和4.04%。综上，大豆根际沉积氮在>0.25 mm团聚体粒径中的分布数量和占比均优于玉米。在今后的田间生产中，应将豆科作物的根际沉积氮纳入后茬作物可吸收利用的氮库中，以充分发挥豆科作物在轮作系统中作为氮源提供者的作用和潜力。

农业生产中过量使用氮肥 (高产目标驱动下)及其造成的环境问题正变得日趋严峻。本试验研究了3种施氮方法(固体颗粒尿素一次性(OF)或分二次施用(TF)，固体颗粒尿素与控释尿素掺混一次性施用(MF))和6种施氮量(0、60、120、180、240和300 kg N ha^-1)对黄土高原覆膜春玉米产量、经济效益、氮素利用效率和土壤氮素平衡的影响。田间试验采用裂区设计(完全随机区组设计)，三种施肥方式为主处理，六个施氮量为副处理。结果表明，施氮量和施氮方式显著影响春玉米产量和经济效益。与OF处理相比，MF处理不仅提高了玉米产量(增产9.0%-16.7%)，而且提高了经济效益(增收10.9%-25.8%)。氮素农农学效率(NAE)、氮素偏生产力(NPFP)和氮素回收效率(NRE)分别较OF处理显著提高19.3-66.7%、9.0 -16.7%和40.2-71.5%。2019年OF、TF和MF的经济最优施氮率分别为145.6、147.2和144.9 kg ha^-1, 2020年为206.4、186.4和146.0 kg ha^-1。土壤表观氮素损失分别为97.1-100.5 kg ha^-1、78.5-79.3 kg ha^-1和50.5-68.1 kg ha^-1。这些结果表明MF作为一次性施氮方法在黄土高原覆膜春玉米生产体系中能更低的氮素投入取得高产和高经济效益。