全 文 ：收稿日期：!""#$"%$!& 接受日期：!""#$’!$"#
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（()*+!$,-.&!&$!）；国家重点基础研究发展计划（!""/01’!’’"!）资助。
作者简介：党廷辉（’23&—），男，陕西户县人，博士，研究员，主要从事土壤与作物营养和施肥研究。4.5678：96:;<=>5?@ 7?-*@ 6*@ *:@
旱地土壤硝态氮与氮素平衡、氮肥利用的关系
党廷辉，戚龙海，郭胜利，郝明德
（西北农林科技大学，中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨陵 A’!’""）
摘要：利用长期肥料试验资料研究了土壤氮素平衡、氮肥利用率和土壤硝态氮之间的相互关系。结果表明，小麦不
同施肥处理的氮肥利用率（BC4）为 %"D2E! 3/D#E，平均 /%D3E；土壤硝态氮累积率为 !D%E! &&D’E，平均
’%D!E；氮素表观损失率 !/D"E!&!DAE，平均 %%D!E。一般情况下，氮素盈余值与氮肥用量呈正相关，与磷肥用
量呈负相关；土壤中硝态氮的数量与氮素盈余值呈正比，与氮肥利用率呈反比。黄土旱塬地区，小麦在经济合理施
氮条件下，氮素盈余值为 ’%DA2 (; F =5!，硝态氮累积量为 !%D"" (; F =5!，说明过量施用一定数量的氮肥对保持作物生
产力和土壤氮素营养是必要的。
关键词：土壤硝态氮；土壤氮素平衡；氮肥利用率；旱地
中图分类号：G’&AD! 文献标识码：H 文章编号：’""#$/"/I（!""2）"%$"/A%$"/ !"#$%&’()*&+ ,"%-""( )’&# (&%.$%"，(&%.’/"( ,$#$(0"$(1
2%&#&3$%&’( &( .$&(4"1 #$(1 9HBJ K7:;.=L7，MN OP:;.=67，JCQ G=R:;.87，SHQ T7:;.UR （!"#$%&’($) * + ,-./’#(.$0 1 2-($.$3$’ "4 5".6 7-8 97$’# :"-(’#/7$."-，:)5 7-8 ;9<，=7->6.->，5%77-?. @ABACC，:%.-7） 5,)%.$0%：16?RU P: <=R 8P:;.RWW7*7R:*,（BC4）6:U ?P78 :7/%D3E，?P78 :7!/D"E $ &!DAE -7<= 6: 6ZRV6;R PW %%D!E @ N: ;R:RV68，<=RVR 7? 6 XP?7<7ZR *PVVR86<7P: YR<-RR: :76:U :7866YPL< ’%DA2 (; F =6，6:U :7<7P: WPV -=R6< XVPUL*<7P: 7: V67:WRU 86:U? PW <=R OPR?? [86R??6V, WPV (RRX7:; *VPX XVPUL*<7Z7<, 6:U ?P78 :76"7 -’.1)：?P78 :7保持土壤生态系统养分平衡，是农田土壤资源
持续利用的前提。现行农业生产中，土壤养分平衡
的决定因素是肥料的投入水平。一般情况下，增加
氮肥投入，有利于作物吸收同化更多的氮素，增加产
量，也有利于粮食作物品质的改善［’$!］。但是，作物 氮素的吸收同化量并不与施氮量同步变化。通常施 氮量的增加，氮素的表观利用率下降［%$&］，土壤残留
增加，并以硝态氮的形式累积在土壤中，为环境安全
留下隐患［/$3］。因此，优化的氮肥施用制度，不仅应 该满足作物所需的氮素营养、获得较高的氮素利用 效率，而且必须使土壤无机氮、特别是硝态氮残留量 控制在一定范围内，并确保土壤生态系统的氮素平 衡。然而，土壤硝态氮与氮素平衡值、氮肥利用率的 数量关系，土壤硝态氮、土壤氮素平衡参数的合理 范围等基本未见报道。为此，本研究利用长期肥料 试验的资料，试图回答上述问题。 植物营养与肥料学报 !""2，’/（%）：/A%$/AA
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
[86:< BL! 材料与方法
试验设在中国科学院长武黄土高原农业生态试
验站，位于北纬 !"#$%&，东经$’(#)’&，海拔 $%%’ *。 试验于$+,)年布设，主要以氮、磷为供试因子进行
配比，-、.（.%/"）上限为 $,’ 01 2 3*%，下限为 ’，将氮、 磷用量等间距地划分为 " 个水平，共设$( 个处理，
重复 !次。小区面积 "4" * 5 ) *。氮磷组合方式见
表 $。试验土壤为粘盖黄黑垆土，试验前 ’—%’ 6* 耕层土壤有机质含量$’4) 1 2 01，全氮 ’47% 1 2 01，碱
解氮 !(4’ *1 2 01，速效磷 !4’ *1 2 01，速效钾 $%+ *1 2 01，89 ,4!。 作物为冬小麦，连作种植，一年一熟。每年 +月 中下旬播种，次年 7月下旬收获。播种前用农药处 理土壤，防治地下病虫。生长期间管理方式同大田。 品种选用当地主栽品种。氮肥用尿素，磷肥用过磷 酸钙（$%: .%/"）或重过磷酸钙（)7: .%/"）。全部
肥料均于播种前作基肥一次施入耕层，机翻入土。
试验第 $" 年小麦收获后，采集各处理 ’—%’’ 或 ’—)’’ 6*的分层（%’ 6*一层）土壤样品，在保持 新鲜状态下，用$ *;< 2 = >?< 室温下浸提硝态氮
（-/@! A-，液土比 " B $），并用流动注射分析仪测定。 同时用烘干法测定土壤水分含量。 表 ! 长武站氮磷配比定位试验方案 "#$%& ! ’&()*+ ,- ./& %,+*0.&12 -&1.)%)3#.),+ .1)#% )+ 4/#+*56 7.#.),+
处理
CDEFG*EHG $% ! ) " 7 ( , +$’ $$$% $! $) $" $7 $( -（01 2 3*%） ’ ’ ’ )" )" )" +’ +’ +’ +’ +’ $!" $!" $!" $,’ $,’ $,’ .%/"（01 2 3*%） ’ +’ $,’ )" +’ $!" ’ )" +’ $!" $,’ )" +’ $!" ’ +’ $,’ 以氮磷配比定位试验前 $"年资料为基础，根据 肥料、植物、种子、降雨样品测定资料，计算各处理每 年平均氮素输入、输出量和氮肥利用率。进一步结 合第 $"年土壤硝态氮测定与计算结果，分析相关参 数的关系。几个关系式如下： $）种子含氮量（01 2 3*%）I播种量（01 2 3*%）5种 子含氮量（:）； %）降雨输入氮（01 2 3*%）I降雨量（**）5 $’@ ! 5面积（$’) 5 *%）5 水比重（$’! 5 01 2 *!）5 含氮量 （*1 2 01）5 $’@ 7 I降雨量（**）5含氮量（*1 2 01）5 $’ @ %； !）施氮量为表 $ 中不同处理的施氮量 （01 2 3*%）； )）作物携出氮（01 2 3*%）I子粒产量（01 2 3*%）5 子粒含氮量（:）J秸秆产量（01 2 3*%）5秸秆含氮量 （:）； "）氮肥利用率（:）I（作物携出氮 @对照处理 作物携出氮）2施氮量 5 $’’； 7）某处理硝态氮累积总量（01 2 3*%）I［某处理 硝态氮含量（*1 2 01）@对照硝态氮含量（*1 2 01）］5 $’ @ 7 5土层厚度（*）5面积（$’) 5 *%）5容重（$’! 5 01 2 *!）I［某处理硝态氮含量（*1 2 01）@对照硝态氮 含量（*1 2 01）］5土层厚度（*）5容重（01 2 *!）5 $’； (）硝态氮累积率（:）I 硝态氮累积总量 （01 2 3*%）2总施氮量（01 2 3*%）5 $’’； ,）氮素表观损失率（:）I $’’@硝态氮累积率 （:）@氮肥利用率（:）； +）盈余值（01 2 3*%）I输入项总量（01 2 3*%）@输 出项总量（01 2 3*%）； $’）盈余率（:）I盈余值 2氮素输入量 5 $’’。 8 结果与讨论 89! 旱作小麦不同氮、磷水平下氮肥利用、土壤硝 态氮累积与土壤氮素损失 不同施肥条件下，作物产量、氮肥利用率、硝态 氮的累积量及累积率、表观损失率有较大差异。长 期试验结果（表 %）表明，不同施肥处理的氮肥利用 率（-KL）为 !’4+:!7"4,:，平均 "!47:。由于施 肥对土壤铵态氮影响不大，施肥（铵态氮 $4)$! !4)$*1 2 01，平均 %4"7 *1 2 01）与不施肥（铵态氮 $4"7 @!4$+ *1 2 01，平均 %4!! *1 2 01）处理差异不大，因此 施肥对土壤氮素的影响仅用硝态氮数据表示。不同 施氮处理硝态氮的累积率为 %4!:!))4$:，平均 $!4%:。根据土壤硝态氮累积率和氮肥利用率，估 算出旱地麦田氮素的表观损失率为 %"4’:! )%4(:，平均 !!4%:。 )(" 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 $"卷 表 ! 不同处理作物产量、氮肥利用与土壤硝态氮累积 "#$%& ! ’()* +,&%-，.,/()0&. 12& #.- .,/(#/& #33141%#/,). ,. 2),% 1.-&( -,55&(&./ /(&#/4&./2 处理号 !"#$%&#’% ()* 平均产量 +,#-. （/0 1 2&3） 作物年携出氮 4")5 ( 65%$/# ［/0 1（2&3·$）］ 氮肥利用率 (78 （9） :—; &土层硝态氮 (,%"$%# )< =),- 表观损失率 >55$"#’% -)== "$%# （9） 累积量［/0 1（2&3·$）］ >??6&6-$%#. $&)6’% 累积率（9） >??6&6-$%#. "$%# @ @3A3BC 3DBE $ — — — — 3 @3AFB3 3DBA $ — — — — E @E::BC 3DBA $ — — — — ; 33EEB@ ;ABG H ;GBA . EB; ABF ?. ;3BA < D 3;G;BE DDB@ ? FDBC 02 3BF DBC $H 3CBD $H F 3D:GBC D;B@ ? FEBF 0 @BD EBE $H? EEB3 ? A 3ED@BC F;BG . ;EBC H 3DB; 3CB3 0 3CB: $H C E:@:BA C:B3 # F:BC < ;BA DB3 $H? E;B: ?. G E:;DB@ C:BD # F@B@ <0 3B@ 3BE $ EFBF ?.# @: E:GGBF AGB@ # DGBF <0 FBD AB3 ?. EEB@ ? @@ E@AEBD CEB; #< F;BE 02 DBG FBF H?. 3GB@ H @3 E@C;B: CFB; < ;DB@ H 3ABG 3:BA < E;B3 ?. @E EED;B3 @:@B: 0 DDBG # 3@BC @FB@ # 3ABG $H @; E3F;B@ GFBA 0 D3BA . @EB@ GBA . EABD .# @D 3D@EB; C@B3 #< E:BG $ AGB; ;;B@ 2 3DB: $ @F E;GDB; @:CBC 2 ;FBE H? E@BD @ABD # EFB3 ?.# @A EA3CBC @@AB; , D@B: . @CB: @:B: . ECBG # 注（()%#）：同列数据后不同字母表示差异达 D9 显著水平，下同。I$-6#= <)--)J#. HK .,<<#"#’% -#%%#"= J,%2,’ $ ?)-6&’ $"# =,0’,<,?$’% $% D9 -#L#- * !2# =$&# H#-)J* 施用氮肥能明显提高作物产量，但在相同磷肥 用量下，氮肥利用率随着氮肥用量的增加而降低；土 壤硝态氮在土壤剖面中的累积量、累积率则随着氮 肥用量的增加而增加。在相同磷肥施用条件下，投 入氮肥越多，即氮磷比越高，氮肥利用率越低，硝态 氮的累积越严重。土壤剖面硝态氮累积最多的处理 为连续每年施 ( @C:/0 1 2&3，对应的硝态氮年均累积 量、累积率分别为 AGB; /0 1 2&3 和 ;;B@9，其氮肥利 用率仅 E:BG9。 同样，不同磷肥基础上，随氮肥用量的增加土壤 氮素平衡状况明显不同。氮素的回收率，指硝态氮 累积率与氮肥利用率之和，变化幅度在 DABE9! ADB:9之间。不同氮、磷配合方式引起硝态氮累积 率变幅很大（3BE9!;;B@9），因此，降低硝态氮累 积率应是提高氮肥利用率优先考虑的途径。从施用 磷肥对氮素的影响看出，同一氮肥条件下，施用磷肥 不但减少了硝态氮的累积率，而且提高了氮肥利用 率。配施磷肥，减少硝态氮的累积，是提高旱地氮肥 利用率的重要措施之一。磷肥对氮素表观损失率影 响没有明显规律性。 !6! 旱作小麦不同氮、磷水平下土壤氮素输入与携 出量估算 旱作小麦生产系统中，土壤氮素输入项主要包 括肥料、种子和降雨三部分。长武氮磷配比定位试 验中，每年肥料输入的数量不同处理有很大差异。 氮素投入水平范围 :!@C: /0 1 2&3；小麦播种量 @D: /0 1 2&3，按多年试验子粒的含氮量 @BC;9计算，相当 于每年投入 ( 3BAF /0 1 2&3；降雨的含氮量多年多次 实测，平均含 ( 3BE3 &0 1 /0，当地平均年降雨 DC; &&，相当于每年投入 ( @EBDD /0 1 2&3（表 E）。 土壤中的氮素输出项包括作物地上部分子粒和 秸秆带走氮素、通过氨挥发和反硝化损失的氮素、淋 溶损失三部分。旱地因降雨不多，土层深厚，氮素在 土壤中的残留部分基本在小麦根系分布范围内，淋 溶损失可忽略不计，但硝态氮淋溶累积成为氮素作 物当季利用率低的重要原因。多年测定结果（表 E） 表明，肥料试验不同施肥处理小麦子粒平均含氮量 @BEC9!3BE;9，秸秆平均含氮量 :B;D9!:BAG9， 根据平均产量和含氮量计算，每年小麦地上部分携 出 ( 3DBE@!@@ABEF /0 1 2&3。根据表观损失率（表 3）估算，各处理每年其他损失量为 ( @3BC!A:B: /0 1 2&3。本试验条件下，土壤氮素的盈余值为 M GB::!A:B@E /0 1 2&3。不合理的氮、磷投入比例是 导致盈余或亏缺的主要原因。 DADE期 党廷辉，等：旱地土壤硝态氮与氮素平衡、氮肥利用的关系 表 ! 不同处理土壤氮素输入、输出与平衡 "#$%& ! ’()*+,&- (-./)，+/)./) #-0 $#%#-1& (- 2+(% +3 )4& )*&#)5&-)2 处理号 !"#$% & ’(& 输入项 )*+,% ［-. /（012·$）］ 输出项 3,%+,% ［-. /（012·$）］ 盈余 4$5$*6# 氮肥 7#"%8589#" 种子 :##;< 降雨 =$8* 小计 :,>%(%$5 作物吸收 ?"(+ ,<# 其他损失 3%0#" 5(<< 小计 :,>%(%$5 ［-. /（01 2·$）］ （@） A B 2CDE AFCGG AECFA 2GCFA B 2GCFA H ICBB $ — 2 B 2CDE AFCGG AECFA 2GCEG B 2GCEG H ICFJ $ — F B 2CDE AFCGG AECFA 2GCEG B 2GCEG H ICFJ $ — J JG 2CDE AFCGG EACFA JDCKE AIC2 EDCBK H GCDD $>6 H A2CK > G JG 2CDE AFCGG EACFA GGCBI A2CK EDCI2 H ECEA $>6 H AJCD $> E JG 2CDE AFCGG EACFA GJCAA AJCI EICBG H DCDJ $> H ADC2 $ D IB 2CDE AFCGG ABECFA EJCIB 2GC2 IBCAB AEC2A 0 AKCB 0 K IB 2CDE AFCGG ABECFA KBC2F FBCE AABCKF H JCG2 >6; H GCB 6; I IB 2CDE AFCGG ABECFA KBCGB F2CI AAFCJJ H DCAF $> H DCI 6 AB IB 2CDE AFCGG ABECFA DICAJ 2ICK ABKCIF H 2CE2 ; H 2CI ; AA IB 2CDE AFCGG ABECFA KFCFD 2EC2 ABICGE H FC2G 6; H FCE ; A2 AFG 2CDE AFCGG AGACFA KECJB JEC2 AF2CGD AKCDJ 0 AFCI . AF AFG 2CDE AFCGG AGACFA ABBCIE FDCD AFKCEF A2CEI . ICJ L AJ AFG 2CDE AFCGG AGACFA IECDA GBCE AJDCFJ FCIK # 2CI # AG AKB 2CDE AFCGG AIECFA KACAK JGCB A2ECAK DBCAF M FICB 8 AE AKB 2CDE AFCGG AIECFA ABKCKJ EGC2 ADJCBB 22CFA 8 A2CJ L. AD AKB 2CDE AFCGG AIECFA AADCFE DBCB AKDCFK KCIF L GCB # 注（’(%#）：表中产量为 AG年平均值。!0# N8#5; 8< $O#"$.# (L AG N#$"<& 67! 土壤氮素平衡、土壤硝态氮累积量、肥料用量 间的相互关系 土壤氮素盈余值是反映土壤氮素平衡的指标之 一［D］。本试验中，不同施肥处理土壤氮素盈余值随 氮、磷肥的投入水平而变化。通常情况下，同一磷肥 水平上，氮素盈余值与氮肥用量呈正相关；同一氮 肥水平上，其与磷肥用量呈负相关。经过对土壤氮 素盈余值与氮、磷用量的线性回归，得出： ’盈余值 P H FCIEA Q BC2F2’ H BCAFAR （* P AD，" P BCK2D!!） 式中，’为氮肥用量（’ -. / 012），R为磷肥用量（R23G -. / 012）。 由公式可以推断出不同磷肥基础上，保持土壤 氮素平衡需要投入的氮肥用量。该关系式，既反映 了氮素平衡与氮、磷肥的相关关系，也反映了他们之 间的数量关系。对保持黄土高原南部高原沟壑区旱 地土壤养分平衡，评价施肥制度的合理性有重要的 参考价值。 在氮素投入过量的情况下，多余的氮素主要以 硝态氮的形式在土壤剖面中累积，导致肥料资源的 浪费，甚至存在潜在的环境问题。根据试验结果，土 壤硝态氮（:）与氮、磷数量关系的线性数学表达式为 : P GC2JK Q BC2F2’ H BCAFAR（* P AD，" P BCK2E!!）。 由此可以清楚地看出，土壤中硝态氮的数量与氮肥 用量呈正比。 氮素盈余值与土壤硝态氮的线性数学表达式为 : P ICAK2D Q ACBBBF S ’盈余值（* P AD，" P ACBBB!!） （图 A），二者呈极显著的直线正相关关系。氮素盈 余值越大，土壤中硝态氮累积越多。 图 8 土壤氮素平衡与土壤硝态氮的关系 9(,:8 ;&%#)(+- +3 ’ $#%#-1& #-0 -()*#)& #11/5/%#)(+- (- 2+(% EDG 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 AG卷 !"# 最高产量施肥量与经济最佳施肥量下土壤硝 态氮累积和土壤氮素平衡 由多年平均产量与氮肥、磷肥用量进行非线性 回归，得出旱地小麦肥料效应方程为： ! " ##$$ %$& ’ (#%)* + , -%-&&#) +( ’ )%&*. / , -%-(0)1 /( ’ -%-**-1 +/（2 " #$，3 " -%0$0!!），相关 性达到 #4的极显著水平，表明该方程可以反映因 子间的数量关系，并可进行预测。 当边际产量 5! 6 5+ " -，5! 6 5/ " -时，得出最高 产量施肥量： + " #$#%- 78 6 9:(，/(;) " #0$%( 78 6 9:(；当 5! 6 5+ " /+ 6 /!，5! 6 5/ " // 6 /!（/+ 氮 肥单价 *%1 元 6 78，// 磷肥单价 .%- 元 6 78，/! 产量 单价 #%(元 6 78）时，得出经济最佳施肥量：+ " #.)%$
78 6 9:(，/(;) " #((%& 78 6 9:(。
在最高产量施肥量下，土壤氮素盈余值为
#(%-& 78 6 9:(，土壤硝态氮累积量为 (#%($78 6 9:(； 在经济最佳施肥量下，土壤氮素盈余值为 #*%&0 78 6 9:(，土壤硝态氮累积量为 (*%-- 78 6 9:(。表明 旱地硝态氮的累积不完全是坏事，甚至土壤中存在 一定数量的硝态氮对保持土壤生产力和养分平衡是 必要的。根据结果，确定土壤氮素盈余值合理范围 在 #* 78 6 9:(左右，在此基础上，土壤硝态氮累积量 为 (#!(* 78 6 9:(，可取得较好的经济效益。$ 结论
保持土壤养分平衡是保持土地生产力的前提。
但土壤氮素平衡状态下，并不能取得理想的作物产
量和经济效益。本研究结果表明，土壤中硝态氮的
数量与氮肥用量、氮素盈余值呈正比。黄土旱塬地
区，小麦在经济合理施氮条件下，氮素盈余值为
#*%&0 78 6 9:(，土壤硝态氮累积量为 (*%-- 78 6 9:(，
说明过量施用一定数量的氮肥对保持土壤生产力和
氮素平衡是必要的；产生土壤剖面一定数量的硝态
氮累计也是不可避免的，甚至是必须的。生产实际
中，控制土壤中硝态氮的过多累积，才是我们应该解
决的现实问题。
从土壤氮素平衡来看，施氮量越大，氮素利用率
越低；配施磷肥越多，氮肥利用率越高。为了防止
硝态氮的严重积累及其对环境的潜在威胁，在生产
上切实可行的措施就是氮、磷肥合理配施。
参 考 文 献：
［#］ 刘树堂，隋方功，韩晓日，等 < 长期定位施肥对冬小麦品质及
产量构成因素的影响［=］< 西北植物学报，(--)，()（1）：##&$, ##$*%
>?@ A B，A@? C D，EF2 G H !" #$% IJJKLMN OJ PO28QMK3: RON?M?O2 JK3M?PQ ?SFM?O2 O2 M9K T@FP?MU F25 U?KP5 LO:RO2K2MN OJ V?2MK3 V9KFM［=］< WLMF XOM < XO3KFP?Q;LL?5< A?2，(--)，()（1）：##&$,##$*% ［(］ 赵会杰，薛严丰，徐立新 < 氮磷钾肥施用量及其配比对小麦品 质的影响［=］< 河南农业大学学报，(--.，*$（.）：*&.,*&$% Y9FO E =，G@K ! C，G@ > G< IJJKLMN OJ M9K PKZKP F25 R3ORO3M?O2 OJ 2?M3O8K2，R9ONR9O3@N F25 ROMFNN?@: O2 M9K V9KFM T@FP?MU［ =］< = < EK2F2 W83?L< [2?Z<，(--.，*$（.）：*&.,*&$% ［*］ 朱兆良 < 土壤中氮肥的损失与对策［=］< 土壤与环境，(---，0 （#）：#,1% Y9@ Y >< >ONN OJ JK3M?P?SK3 + J3O: RPF2MNQNO?P NUNMK: F25 M9K NM3FMK8?KN F25 MKL92?T@KN JO3 ?MN 3K5@LM?O2［=］< AO?P I2Z?3O2< AL? <，(---，0（#）： #,1% ［.］ 刘春增，寇长林，王秋杰 < 长期施肥对砂土肥力变化及硝态氮 积累和分布的影响［=］< 土壤通报，#001，(&（)）：(#1,(#$%
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M?O2 O2 L9F28KN OJ NF25U NO?P JK3M?P?MU F25 2?M3FMK FLL@:@PFM?O2 F25 5?NQ
M3?‘@M?O2［=］< \9?2< =< AO?P AL? <，#001，(&（)）：(#1,(#$% ［)］ ;VK2N > X，I5VF35N ^ a< D3O@25 VFMK3 2?M3FMK PKZKPN @25K3 JK3M?P?SK5 83FNN F25 83FNNQPK8@:K RFNM@3KN［=］< = < I2Z?3O2< _@FP <，#00.，(*： &)(,&)$%
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&&)*期 党廷辉，等：旱地土壤硝态氮与氮素平衡、氮肥利用的关系