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绿洲干旱区农田大部分地区土壤贫瘠，肥力低下，严重限制了该地区作物产量的提高，大量实践证明通过增加肥料投入来培肥土壤，是提高该区粮食单产、实现农业可持续发展的关键措施。但不合理的肥料施用不仅资源利用效率低，而且可能会带来潜在的生态和环境问题。本文以“国家灰漠土肥力与肥料效益监测基地的长期施肥试验”为基础，利用大田长期定位监测、结合15N同位素示踪实验、RothC模型以及相关室内分析等方法，系统研究了22年来灰漠土不同养分管理作物生产力、土壤肥力演变、碳氮平衡、棉田温室气体通量与全球增温潜势，以期为制定高产、优质、高效的养分管理措施、减少农田养分损失和环境风险、提高养分利用率提供依据。主要研究结果如下: 1、在灰漠土长期定位实验中，NPK以及NPK与秸秆、有机肥配施能维持系统生产力，保证了作物产量。N、P、K不均衡配施处理（除NP），产量显著低于NPK处理。与其它处理相比，NP处理的产量无明显下降，说明灰漠土土壤K素丰富，N、P是灰漠土农田的限制性养分。适量有机肥配施化肥(NPKM)处理，比单施化肥平均增产冬小麦7.8％、春小麦22.4％、玉米8.4％和棉花19.4％;而在此基础上施用高量化肥和高量有机肥(NPKM+)的作物产量与NPKM处理无显著差异。此外，NPKM处理拥有较高的氮收获指数和相对较低的产量变异系数(CV)，说明适量有机肥配施化肥处理(NPKM)既可以保证作物产量及其稳定性，又能提高氮肥利用率。 2、在灰漠土长期轮作体系中，22年不施氮肥，冬小麦、春小麦、夏玉米和棉花，灰漠土N素自然供给力分别从91％、72％、94.5％和100％下降到34％、38％、75％和51％;22年不施P肥，冬小麦、春小麦、夏玉米和棉花，灰漠土土壤P素自然供给力分别由89％、59.4％、102％和100％下降到33.6％、42.2％、75.6％和51％;而缺K的NP处理，产量并没有明显下降。说明N、P是影响干旱区灰漠土作物高产的限制因素，应重视氮磷肥的施用。 3、不同施肥处理耕层和犁底层全氮和碱解氮有明显不同，22年轮作后，除了化肥配施有机肥外，其余各施肥处理的土壤全氮含量与试验前相比基本保持平衡状态。化肥配施有机肥土壤全氮提升较快，22年耕层土壤提高了27％～33％，犁底层土壤提高6％～15％;碱解氮变化几乎同全氮变化一致，其含量从高到低依次为:NPKM+＞NPKM＞NPKS＞NPK＞CK，说明化肥无机肥配施能有效提高土壤全氮和碱解氮含量。化肥配施有机肥使土壤碱解氮含量提高了14.9％～43.0％，这一结果证实了有机肥处理更容易使全氮和无机氮在土壤中累积。 4、22年不施肥，有机质含量由15.2 g·kg-1降到14.4 g·kg-1。N、NK和PK处理耕层土壤有机质含量与试验前相比，分别从1990年的18.0 g·kg-1、16.2 g·kg-1和16.5g·kg-1降低到2011年的16.5 g·kg-1、13.45 g·kg-1和14.4 g·kg-1，降低幅度分别为8.3％、17％和12.7％，降幅较为明显。NPK和NP处理有机质都有不同程度提高，增幅分别为0.22和1.82 g·kg-1。有机肥与化肥配合施用加快了耕层有机质的积累，比试验前平均分别增加了10.9 g·kg-1和23.5 g·kg-1，显著提高了耕层土壤有机质的含量。通过对相关参数的调整，RothC模型能够较好的模拟干旱区灰漠土有机碳动态。CK、PK、NK、NPK、NPKS和NPKM有机碳的累积输入量依次为7.62、11.67、11.87、11.26、10.71、73.95和70.79 t·C·hm-2，而CK、PK、NK、NP、NPK、NPKS和NPKM的年均有机碳累积量分别为-0.02、-0.07、-0.09、0.12、0.3、0.3和1.2 t C·hm-2·yr-1。均衡施肥，尤其有机无机配施对于干旱区碳汇增加更为明显。 5、基于长期定位背景条件下，不同施肥处理棉田温室气体排放情况如下:每公顷棉田每年土壤CH4排放量分别为-2.3(CK)，-0.5(NPK)，-4.9(NPKS)，-3.8(NPKM)和8.0(NPKM+) kg CH4-C hm-2·yr-1。所有处理的年均N2O排放量变幅介于0.6～3.8 kgN2O-N hm-2·yr-1。不同施肥处理年平均C输入分别为0.35(CK)，0.49(NPK)，3.36(NPKS)，3.20(NPKM)和5.88 t C hm-2(NPKM+)，与不同处理棉田CO2排放量(4.52～8.49 t CO2-C hm-2)成显著线性相关(R2=0.678，P＜0.05)。不同施肥处理(CK、NPK、NPKS、NPKM和NPKM+)其全球增温潜势(GWP)分别为613、967、871、-2286和-4535 kg CO2-eqv.hm-2·yr-1，这说明，有机肥添加可显著降低增温潜势(GWP)。 6、干湿沉降和灌溉水氮是研究区的两种重要的环境氮源，其年输入量分别为37和17 kg·N·hm-2·yr-1，研究区年均来自于环境的氮素养分高达54 kg·hm-2·yr-1，与长期不施肥小区作物年均吸氮量(65 kg·N·hm-2)相当，成为旱区农田不可忽视的氮源。滴灌覆膜条件下，小麦季15N标记肥料氮主要分布于0～40 cm土壤剖面，而在棉花季15N标记肥料氮集中在0～60 cm土壤剖面，很少有无机氮（Nmin)淋溶出1 m土壤剖面。小麦生长季，NPKM处理的土壤15N残留率为46.3％，其它处理在27％～46％之间。从小麦生长季到棉花生长季，除了CK处理外，无机氮土壤剖面残留量都有显著增加，NPK、NPKS、 NPKM和NPKM+的增加量分别为12％、7％、6％和16％。各施肥处理表观氮损失都较高，年均损失量介于103-246 kg Nhm-2之间，占氮素总输入量的16.6％～30.8％。随着施氮量的增加，作物吸氮量并没有明显提高，而土壤剖面中Nmin积累和表观损失量的增加，说明当前干旱区农田存在氮肥输入过多的现象，存在一定的环境风险。