旱作农田面积约占总我国总耕地面积50%，提高旱作作物产量是解决未来水资源短缺和粮食安全问题的重要出路之一。世界粮食产量增长的50%左右决定于氮肥生产力，但当农田生态系统中作物氮素携出量不随输入量增加显著变化时，就会造成一系列生态及环境问题。因此，系统研究旱地土壤和植物中的氮素行为，分析其与环境间的作用关系；通过养分合理输入和优化土壤-作物综合管理体系，增加和维持农田生产力，提高养分利用，降低氮素损失，促进旱地两大主要作物(小麦、玉米)增产和可持续发展是值得研究的重要课题之一。通过研究，不断优化旱作农业水氮管理措施，构建和完善旱地作物高产和资源高效利用的生产体系是保障粮食安全和可持续发展的关键。对保障我国未来粮食安全、实现区域农业与环境可持续发展具有重要理论和生产意义。

    自2006年起，在国家自然科学基金委员会、科技部、农业部、西北农林科技大学等部门的资助下，该成果以旱地农田生态系统氮素循环及其调控为主线，以优化旱地作物氮高效管理为核心，系统研究了旱地土壤和植物系统中氮素行为。主要研究内容包括：（1）黄土高原土壤供氮能力测定方法的比较研究；（2）大气氨营养对玉米基因型根冠特征和氮利用率的影响；（3）降雨对夏玉米冠层氮素淋失的研究；（4）旱地水、氮空间互作机制；（5）构建黄土高原旱作春玉米高产高效栽培体系研究。

    技术关键及创新点：（1）提出了大气氨可作为营养物质，能被作物吸收利用，大气氨营养效果与作物基因型、生育期及介质供氮水平有关；发现作物冠层氮素淋溶损失现象，明确了淋溶形态主要包括硝态氮及小分子有机氮，淋溶强度与降雨、pH、作物基因型及生育期有关。（2）揭示了冬小麦生育期根系提水作用及上层养分供应的促进效应，明确了旱地作物不同生育期根系提水作用的大小以及水势差、养分供应对根系提水作用、养分高效利用和产量的影响，拓展了"以肥促根，以根供水，水肥协同，减施增效"的途径。（3）提出和改进了既简单、又比较符合旱地水环境的通气培养4周法、干湿交替通气培养2周法等两种土壤供氮能力生物培养测定方法，酸性高锰酸钾法、硫酸－高锰酸钾法和KCl水浴法等3种化学方法，其中干湿交替通气培养2周法估算旱作农田土壤供氮能力的效果最佳，发展了旱地土壤氮素供应能力测定方法。（4）以旱作春玉米为突破口，量化并成功构建了耦合光热资源-作物群体-土壤水肥资源的减施增效技术体系，大幅度提高了作物产量和氮肥利用效率，实现了增产增效的技术突破，较传统生产方式增产增效49%以上，推动了黄土高原旱地主要作物减施增效技术进步。

    该成果已经出版著作1部，发表高水平学术论文125 篇，据不完全统计，该研究成果和学术观点已被引用1000余次，对相关学科的发展起到了推动作用，并深化了相关理论，整体上达到同类研究国际先进水平，其中在大气氨的作物可利用性研究方面达到国际领先水平。构建的耦合光热资源-作物群体-土壤水肥资源的减施增效技术体系对指导同类地区作物生产具有参考作用，相关技术在陕西、甘肃等地大面积应用，取得了显著经济、生态和社会效益。