施氮对夏玉米氮素利用及土壤硝态氮积累的影响

为了进一步研究施用氮肥对夏玉米氮素利用及土壤硝态氮积累的影响,寻求夏玉米合理施氮量,以‘郑单958’为试材进行大田试验,研究施氮量对夏玉米氮素利用及土壤硝态氮积累变化的影响。结果表明,施氮量在0~260 kg/hm2范围内,夏玉米产量随其增加显著提高,当施氮量高于260 kg/hm2时,产量有减少趋势;氮素的利用率随施氮量的增加也逐渐降低。在玉米整个生育时期土壤硝态氮含量呈现先下降而后缓慢上升的趋势,随着施氮量增加,各土层硝态氮含量而提高。适量施氮可促进玉米对氮素的吸收利用,进而提高玉米产量,但过量施氮导致硝态氮在土壤中大量积累,增大了污染环境风险。在超高产栽培条件下,从玉米产量、氮素利用率和土壤硝态氮积累情况综合考虑,夏玉米合理施氮量应控制在195~260 kg/hm2范围之内。     

综合农艺管理对夏玉米氮效率和土壤硝态氮的影响

通过对播种方式、播种时间、施肥时期及用量和收获时间等农艺措施的优化组合,设置综合农艺管理和施氮量试验,研究了对夏玉米氮效率和土壤硝态氮积累的影响。结果表明,随着施氮量的增加,氮肥偏生产力显著提高,氮肥农学利用效率显著下降,氮素利用效率和氮收获指数先增加后降低,施氮184.5 kg hm^-2时达到最高;施氮显著提高了花前氮素积累量和0~30 cm土层硝态氮累积量;0~30 cm土层硝态氮累积量随施氮量的增加逐渐提高,即单一氮肥运筹下,氮效率不能持续提高,且土壤硝态氮积累量却因增施氮肥而逐渐升高。综合农艺管理的再高产高效处理(Opt-2)的氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率、氮素利用效率和氮收获指数均最高;花前氮素积累量较低,收获后植株氮素积累总量高于农民习惯处理且低于超高产处理;玉米收获后,0~30 cm、30~60 cm和60~90 cm土层硝态氮累积量均低于农民习惯处理,即通过优化的综合农艺管理,夏玉米氮效率显著提高,生育期内氮素积累趋势合理,玉米收获后土壤硝态氮积累量较低。     

氮肥施用量对华北集约化农区作物产量和土壤硝态氮累积的影响

为优化华北集约化农区冬小麦-夏玉米轮作体系氮肥用量,通过田间小区试验研究不同氮肥用量对土壤硝态氮累积以及作物产量的影响。结果表明,试验区小麦籽粒产量最高施氮量为309 kg/hm2,最佳经济效益施氮量为291 kg/hm2。玉米籽粒产量最高施氮量为213 kg/hm2,最佳经济效益施氮量为199 kg/hm2。随着施氮量和种植年限的增加,0~200 cm剖面土壤硝态氮累积量明显增加。施氮量最高的N4处理(小麦季施氮量375 kg/hm2、玉米季施氮量300 kg/hm2)与种植第1季相比,第2季小麦收获后土壤硝态氮累积量增加56.06%,第2季玉米收获后增加62.07%。随着施氮量的增加,100~200 cm土壤硝态氮累积量所占总量的比例明显增加。小麦季和玉米季施氮量均为150 kg/hm2时,小麦和玉米的氮肥利用率最大,分别为46.61%和37.51%。综合考虑氮肥用量对作物产量以及土壤硝态氮的淋失风险,提出华北集约化农区小麦施氮量应控制为250~300 kg/hm2,玉米施氮量应控制为150~200kg/hm2,以保证作物高产,防止过量肥料氮累积,减少淋溶风险。     

施氮量对垄作小麦氮肥利用率和土壤硝态氮含量的影响

以平作为对照,研究了垄作种植方式下施氮量对冬小麦氮肥吸收利用、0~100 cm土层土壤硝态氮含量以及产量的影响。在一定范围内增加施氮量,小麦的氮肥利用率降低,土壤氮的贡献率降低,小麦植株内的氮素积累量增加,收获指数提高,产量增加。低氮(0~66 kg hm^-2)条件下,小麦生育期间土壤硝态氮淋洗损失的可能小,小麦收获后0~100 cm土体内不会累积大量硝态氮。施氮量在165~264 kg hm^-2时,60~100 cm土体内土壤硝态氮含量增加,出现硝态氮下移趋势。种植方式影响小麦的氮肥利用效率,垄作种植小麦氮肥利用率和产量均高于平作小麦。垄作种植麦田60~80 cm土体内土壤硝态氮含量相对较高,而平作种植麦田80~100 cm土层硝态氮含量相对较高。种植方式对氮肥利用率的影响大于施氮量的影响, 但施氮量对氮素收获指数、籽粒产量以及经济系数的影响大于种植方式的影响。本试验条件下,2种种植方式在施氮量为纯氮165 kg hm^-2时可以获得较高的氮肥利用率和氮素收获指数,平作小麦氮肥利用率为35.75%~36.41%,而垄作小麦为45.32%~47.25%; 但2种种植方式的小麦都是施氮量为纯氮264 kg hm^-2时获得最高产量, 平作和垄作小麦的最高产量分别达8 078.31 kg hm^-2和
8 212.27 kg hm^-2。     

不同施氮量对华北平原作物产量及土体硝态氮分布和累积的影响

通过8年田间小区定位试验研究不同施氮量处理对土壤硝态氮分布、累积以及作物产量的影响。结果表明,在小麦-玉米轮作8个周期后,0～200 cm土体中各土层的硝态氮含量变化规律为N575>N400>N225>N0,随着土壤深度的增加,在0～80 cm土层各施氮量处理土壤硝态氮均呈下降趋势,各处理在60～80 cm降到最低。各施氮量处理在80～200 cm土壤硝态氮随着土壤深度的增加均呈先升高后降低的趋势,同一土层不同施氮量处理间硝态氮的差异明显增大。经过8个小麦玉米轮作周期后,N575处理100～200 cm土壤硝态氮累积量所占总累积量的比例提高15.18%。通过对施氮量与土壤硝态氮累积量用数学模型模拟,发现二者符合线性关系,施氮量与土壤硝态氮累积量的回归方程为y=1.34x+75.58(R2=0.84**)。从冬小麦-夏玉米轮作周期考虑,全年的适宜施氮量为400kg/hm2。综合考虑施氮量对土壤硝态氮的残留量与作物产量的影响,提出华北平原区小麦-玉米轮作周期中总施氮量应控制在225～400 kg/hm2之间,基本上能控制土壤硝态氮向深层土壤的淋失,能明显降低土壤硝态氮向地下水淋失的风险。     

限水条件下氮肥用量及施氮时期对冬小麦产量、土壤硝态氮含量的影响

在节水栽培条件下,研究了不同施氮量及氮肥施用时期对冬小麦产量、生育期间土壤硝态氮含量的影响。结果表明,冬小麦施氮处理产量均高于N0,N88.5 69处理产量最高,氮肥生理效率则随施氮量增加而显著降低。开花期以及成熟期各施氮处理0~100 cm土体硝态氮含量均明显高于N0,各生育期0~60 cm土层硝态氮含量均随施氮量增加而增加,开花期各处理2 m土体硝态氮含量达到最高值,成熟期20~60 cm土层相同施氮量(157.5,226.5kg/hm2)均表现为氮肥分次施用处理硝态氮含量高于一次性底施处理(N88.5 69>N157.5,N123 103.5>N226.5)。成熟期土壤硝态氮2 m土体累积量随施氮量增加显著增加,且等量氮肥分次施用显著高于一次性底施。     

秸秆还田条件下适量施氮对冬小麦氮素利用及产量的影响

2011—2012和2012—2013年生长季,通过田间定位试验,研究了秸秆还田配施氮肥对冬小麦干物质积累、氮效率、土壤硝态氮积累及产量的影响。与单施氮肥(对照)相比,秸秆还田显著提高冬小麦全生育期干物质积累总量,降低开花前干物质积累量及其占全生育期比例;秸秆还田配施纯氮225 kg hm–2处理的氮肥偏生产力、氮素利用效率、氮素收获指数分别提高7.5%、6.4%和5.2%。秸秆还田显著降低了不同土层硝态氮积累量,尤其是0~30 cm和30~60 cm土层。秸秆还田配施纯氮225 kg hm–2的产量最高,且显著高于其他处理,增产幅度最大,因此可作为当地秸秆还田模式下适宜推荐的施氮量。     

播期和施氮量对冬小麦氮代谢及子粒蛋白质含量的影响

为了阐明播期变化与施氮量对冬小麦氮代谢及蛋白质的影响,采用裂区设计,研究播期和施氮量对冬小麦花后茎叶氮含量、积累量和子粒蛋白质含量的影响。结果表明,适度晚播可以提高冬小麦茎、叶的氮含量、氮素积累量和子粒蛋白质含量。与不施氮肥相比,施用氮肥可以显著增加冬小麦不同生育时期地上部氮素累积量,且随着施氮量的提高,茎、叶的氮积累量也表现为先升高后降低的趋势。在同一播期条件下,子粒蛋白质含量以施氮150和225kg/hm ²的处理最高,说明适宜的施氮量能改善子粒品质。分析播期与施氮量对子粒蛋白质含量的作用程度可知,施氮量是引起冬小麦子粒蛋白质含量变化的主要因素,作用程度占66.85%。在本试验条件下,兼顾冬小麦花后茎叶氮素代谢及产量,实现高子粒蛋白质含量的推荐播期是10月11日,施氮量为150kg/hm ²。研究结果可为山西省冬小麦调优栽培提供理论和技术支持。     

氮肥对甘蓝产量、硝酸盐含量及土壤硝态氮含量的影响

通过田间小区试验为研究不同氮肥用量对北京地区甘蓝产量、品质以及土壤硝态氮含量的影响。试验结果表明:(1)0~60 cm土层中3个采样周期土壤硝态氮含量随氮肥量级增加而升高,并且随着作物的生长,0~30 cm土层中土壤中硝态氮含量呈现下降的趋势,30~60 cm土层中基本呈现上升的趋势;60~90 cm土层中变化较小;(2)随着氮肥投入增加,甘蓝产量呈现先增加后降低的趋势,当氮肥的添加量为240 kg/hm2时产量最高;(3)随着氮肥施用量的升高,甘蓝对氮素的吸收量呈现先上升后下降的趋势,添加氮肥处理的甘蓝对氮素的吸收量均显著高于不添加氮肥处理,并且施用氮肥的处理中甘蓝叶片硝酸盐含量显著高于不施氮肥处理,并且不同供氮水平叶片硝酸盐含量变化各不相同。综合以上试验结果可知,氮肥的添加对0~60 cm土层中硝态氮含量的影响较大,并且适量的氮肥添加量(240 kg/hm2)能够有效提高北京地区甘蓝的产量以及甘蓝对氮素的吸收量等。     

传统施肥下农田土壤氮素累积特征研究

深入研究土壤中氮素的残留和移动有助于明确、解释或监测农田氮素淋失的过程。以土壤无机氮测试为主要手段,通过设置不同的田间试验处理,分析农民传统施肥下冬小麦/夏玉米轮作条件下氮素的累积迁移特征。结果表明,农民习惯施肥处理冬小麦/夏玉米轮作地土壤中残留的氮素以硝态氮为主,小麦生长季土壤硝态氮积累量在90.13~426.97 kg/hm2,玉米季为67.96~204.32 kg/hm2,存在潜在淋失的风险。除因作物不同生育期吸收不同外,N肥施用量、灌溉量等都是决定其季节动态变化的主要因素。进一步研究需寻求合理的水肥管理模式,以提高氮肥利用率,减少氮素流失造成的非点源污染。     

不同氮肥运筹模式对冬小麦籽粒产量品质和氮肥利用率的影响

在高肥力条件下,研究了不同氮肥运筹模式对冬小麦籽粒产量、品质、氮肥利用率和土壤中硝态氮累积量的影响。结果表明,在本试验条件下,施用氮肥对籽粒产量、籽粒蛋白质含量和湿面筋含量无显著影响,而作为籽粒蛋白质质量指标的沉淀值、面团形成时间和面团稳定时间均明显改善。与分次施用（50%作底肥,50%作追肥）比较,拔节     

小麦/玉米/大豆和小麦/玉米/甘薯套作对土壤氮素含量及氮素转移的影响

为探讨小麦/玉米/大豆套作对氮素营养的种间促进机制, 采用叶片¹⁵N富积标记法研究了小麦/玉米/大豆(A1)和小麦/玉米/甘薯(A2) 2种套作系统中不同施氮水平下的土壤培肥效果和氮素转移规律。结果表明,施氮可以提高小麦、玉米的土壤总氮含量,以施纯氮150~300 kg hm^-2处理最高;大豆较甘薯更有利于保持土壤肥力,施氮0、150、300和450 kg hm^-2水平下种植大豆后的土壤总氮含量比种植大豆前(小麦收获后)高38.6%、20.2%、9.4%和16.7%,而种植甘薯则降低总氮含量3.1%、1.8%、14.0%和3.8%。A1系统中小麦和玉米季土壤中NO₃-N含量低于A2系统,且随施氮量的增加而增加;大豆季土壤中NO₃-N含量高于甘薯季。A1和A2系统均存在¹⁵N的双向转移,¹⁵N转移量随施氮量的增加而降低,且A1的¹⁵N净转移量和转移强度高于A2;A1系统中小麦、玉米和大豆的¹⁵N净转移量比A2系统的¹⁵N净转移量分别高3.3%~12.1%、27.0%~166.2%和26.2%~78.7%。玉米与小麦之间的¹⁵N净转移方向为从玉米向小麦,玉米与大豆之间的¹⁵N净转移方向为从大豆向玉米,玉米与甘薯之间的¹⁵N净转移方向为从玉米向甘薯。     

氮肥调控对小麦/玉米产量、氮素利用及农田氮素平衡的影响

为了实现小麦/玉米高产高效生产,采用田间小区试验方法,研究了不同氮肥管理措施对小麦/玉米产量、氮素利用及农田氮素平衡的影响。结果表明,小麦季在农民常规施肥的基础上适当减少追氮量不会对小麦产量产生明显影响,在施氮总量195 kg/hm2基础上配施调控剂处理小麦增产8.3%~24.6%,氮肥偏生产力、表观利用率和农学效率及氮肥贡献率均得到相应提高。在玉米季,以一次性基施适量氮肥同时配施抑制剂的氮肥管理方案为最佳,在施氮240 kg/hm2水平上与不添加抑制剂等氮量一次性基施和基追结合处理相比,增产幅度分别为7.4%~9.6%和13.9%~16.2%,氮肥贡献率、肥料偏生产力和农学效率亦得到显著提高;经过一个轮作周期后,农田土壤氮素盈余量为63.94~126.83 kg/hm2。在总施氮量435 kg/hm2的情况下,与单施尿素相比较,配施氮素调控剂的氮素盈余量降低了27.4%~44.2%,其中脲酶与硝化抑制剂配施效果最佳。但在总施氮量480 kg/hm2的情况下,即使施用了氮素调控剂,氮素平衡盈余率仍在20%以上,存在较大的环境风险。     

不同类型氮肥对夏玉米氮素累积、转运与氮肥利用的影响

在较低施氮量下，研究了3种类型氮肥(普通尿素、包膜尿素和复合肥)不同施用量(0、90和180 kg N/hm²)对夏播玉米郑单958与农大108氮素吸收、累积、转运及氮肥利用的影响。结果表明，在本试验范围内，施氮量增大，植株氮素累积量增加，氮生理效率、氮肥效率与氮肥利用率(NUE)下降。同等施氮量下包膜尿素与复合肥较普通尿素NUE高，郑单958施90 kg N/hm²与农大108施180 kg N/hm²时尤为明显；氮素阶段性累积规律，两品种在不施氮和施氮条件下均具有基因型差异。播种至吐丝后21 d氮素累积量太大对夏玉米灌浆中后期氮素累积有一定抑制作用，郑单958表现特别明显；氮收获指数(NHI)具明显基因型差异，郑单958较农大108高近6个百分点。施氮使郑单958 NHI显著降低，农大108变化不明显。与普通尿素相比，包膜尿素与复合肥处理NHI较低，在郑单958施90 kg N/hm²与农大108施180 kg N/hm²时差异达显著水平；叶、茎鞘氮素转运量及其对籽粒氮贡献率随施氮量增大而增大，叶氮素转运主要在吐丝后21 d至成熟期，茎鞘氮素转运主要在吐丝至吐丝后21d；肥料氮主要在吐丝前发挥作用，且最主要是在12叶展至吐丝期，施氮与不施氮处理的氮素累积量差异在吐丝前后达最大。     

不同供氮水平对春小麦产量、氮肥利用率及氮平衡的影响

【目的】研究施氮量对春小麦产量、氮肥利用率、土壤中硝态氮累积及氮平衡的影响,旨在了解在宁夏引黄灌区减少施氮量的可行性。【方法】通过田间小区试验,设置0、120、240、360 kg/hm24个施氮量,探讨不同施氮水平对作物和环境的影响。【结果】施用氮肥可显著提高春小麦的籽粒产量、籽粒蛋白质含量及成熟期地上部总吸氮量,但过量施用氮肥对籽粒增产和蛋白质含量提高不显著。氮肥利用率随着施氮量的增加呈现降低趋势,根据差值法计算结果,当施氮量分别为120、240、360 kg/hm2时春小麦的氮肥利用率分别为27.2%、24.3%、18.2%,表明多达81.8%～72.8%的氮肥没有被作物吸收利用。氮平衡计算的结果进一步表明,未被当季小麦利用的肥料主要以无机氮的形式存在于0～150cm土层内,施氮量分别为120、240、360 kg/hm2时氮肥的土壤残留率依次为41.6%、33.1%和29.7%,而相应的表观损失率为31.2%、42.6%、52.1%。【结论】综合考虑春小麦产量、品质和环境安全,本试验条件下,春小麦的合理施氮量应控制在120～240 kg/hm2之间。     

麦季氮肥运筹对冬小麦–夏玉米种植体系物质生产及氮肥利用的影响

2009-2011年在山东临沂冬小麦-夏玉米生产田,探讨了麦季施氮水平和施氮时期对两季作物干物质积累与分配、籽粒产量、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力的影响。施氮量设4个处理,分别是0 (N0)、168.75 (N1)、225 (N2)和281.25 kg hm^-2 (N3);氮肥追施时期设2个处理,分别为拔节期(S1)和拔节期+开花期(S2)。在S1条件下,冬小麦和夏玉米的籽粒干物质积累量及夏玉米和周年生物产量均表现为N3>N2>N1,冬小麦和夏玉米的籽粒产量N2和N3处理间无显著差异;氮肥农学利用率和氮肥偏生产力在麦季随施氮量增加显著降低,而在玉米季则逐渐升高,但玉米季氮肥偏生产力N3与N2处理间无显著差异。S2条件下麦季施氮量由N2处理增加25% (N3),冬小麦和夏玉米籽粒干物质积累量、生物产量和籽粒产量无显著变化,氮肥农学利用率和氮肥偏生产力在麦季显著降低、在玉米季无显著变化。与S1相比,S2有利于提高N1和N2条件下冬小麦籽粒与营养器官的干物质积累量、生物产量、籽粒产量和氮肥农学利用率及氮肥偏生产力,但对N3条件下的这些指标无显著影响;而在玉米季,3个施氮量水平下夏玉米的各项指标均显著升高。综合周年生物产量、籽粒产量和氮肥农学利用率及氮肥偏生产力结果,麦季总施氮量225 kg hm^-2及拔节期+开花期追氮是本试验条件和种植模式下的最佳麦季氮肥运筹模式。     

应用土壤测试技术指导冬小麦合理追肥

冬小麦从越冬前到次年春天拔节期,0～90cm土层的土壤N-min变化规律是:土壤N-min在返青初期累积达高峰,且主要分布于0～60cm(占3/4).因此通过测定土壤有效氮的丰缺指导冬小麦春季追氮,最适宜的取土时间是小麦返青初,适宜的取土深度是0～60cm.小麦返青初0～60cm土层土壤N-min测定值与小麦春季最佳追氮量间具有良好的相关性,r=-0.8401(n=11).而可用于土壤N-min简化测定的改进康维皿法土壤有效氮测定值与小麦春季最佳追氮量间的相关性更好.小麦返青初0～60cm土层改进康维皿法土壤碱解氮与小麦春季最佳追氮量间相关系数为γ=-0.8935(n=20),且后者远比前者简便易行,更适合我国国情.在亩产350～400公斤小麦籽粒的产量水平下,最佳追氮量与土测值间的直线关系式为N_f=15.96-0.7766N_改(Nkg/亩).     

小麦、夏玉米两茬轮作耕作措施对土壤氮、钾养分及玉米产量的影响

为了探索山东省半湿润易旱区夏玉米高产稳产适宜耕作措施,将冬小麦和夏玉米两季耕作技术作为一体,设置了10种耕作措施,比较分析不同耕作措施对夏玉米不同生育期土壤全氮、速效钾含量时空变化和产量的影响。耕作试验（一周年）结果表明：各耕作处理总体上表现为玉米拔节期土壤全氮含量较高而灌浆期较低,土壤速效钾为玉米灌浆期最高。不同耕层土壤氮、钾分布也存在明显差异,各耕作处理土壤浅耕层0~20 cm土壤全氮和速效钾含量均明显高于深耕层20~40 cm土壤,与深耕层土壤相比,土壤浅耕层全氮含量受耕作措施影响更明显。各耕作处理中,传统耕作和A3B3R（小麦季深松+玉米季深松+秸秆还田）较更有利于增加玉米浅耕层土壤全氮含量,而传统耕作深层土壤全氮含量最低;A4B2R（小麦季深耕+玉米季免耕+秸秆还田）耕作处理较有利于增加浅耕层和深层(0~40 cm)土壤速效钾含量。对照处理籽粒产量显著低于其他耕作处理,而其他耕作处理间籽粒产量差异不显著。     

不同降水状况下旱地玉米生长与产量对施氮量的响应

水分不足是旱地玉米生长主要限制因素,渭北旱塬雨养玉米种植区降水季节波动大,干旱频繁发生,已严重影响春玉米正常生长发育及产量稳定性。于2016—2018年在渭北旱塬合阳县进行旱地玉米施氮量定位试验,设置5个施氮量处理, 2016—2017年包括0、75、150、270、360 kg hm~(–2) (分别以N0、N75、N150、N270、N360表示), 2018年施氮量处理为0、90、180、270、360kgNhm~(–2) (分别以N0、N90、N180、N270、N360表示),供试品种为郑单958(ZD958)和陕单8806(SD8806)。分析了不同降水分布年份施氮量对春玉米生育期土壤水分变化动态、干物质积累动态、产量构成、经济效益及水分利用效率(WUE)的影响。结果表明,试验年份降水分布可分为穗期多雨、粒期干旱型(2016年和2018年)和穗期干旱、粒期多雨型(2017年)。生长季降水量及其分布显著影响土壤蓄水量和玉米地上部干物质积累,从而影响玉米产量及其构成因素,穗期干旱显著降低地上部干物质积累量和穗粒数,粒期干旱会明显降低粒重。不同降水分布年份施氮处理较N0增产6.72%～91.23%不等,施氮量对玉米产量、水分利用效率(WUE)影响呈现二次曲线关系,穗期多雨、粒期干旱型以N270处理籽粒产量和WUE最高,而穗期干旱、粒期多雨型以N150处理产量和WUE最好。籽粒产量与"休闲至抽雄期降水(FP2)"、"播前土壤蓄水量+播种至抽雄期降水(SP2)"相关性较强(FP2:R2=0.839**; SP2:R2=0.837**)。根据产量、水分利用和经济收益综合评价,渭北旱地玉米最适施氮方案为基施氮肥150kghm~(–2),再根据休闲至抽雄期降水量或播前土壤蓄水量与播种至抽雄期降水量之和预测产量,估算并及时追施适宜施氮量。     

Contribution of green manure legumes to nitrogen dynamics in traditional winter wheat cropping system in the Loess Plateau of China

Excessive application of N fertilizer in pursuit of higher yields is common due to poor soil fertility and low crop productivity. However, this practice causes serious soil depletion and N loss in the traditional wheat cropping system in the Loess Plateau of China. Growing summer legumes as the green manure (GM) crop is a viable solution because of its unique ability to fix atmospheric N₂. Actually, little is known about the contribution of GM N to grain and N utilization in the subsequent crop. Therefore, we conducted a four-year field experiment with four winter wheat-based rotations (summer fallow-wheat, Huai bean–wheat, soybean–wheat, and mung bean–wheat) and four nitrogen fertilizer rates applied to wheat (0, 108, 135, and 162 kg N/ha) to investigate the fate of GM nitrogen via decomposition, utilization by wheat, and contribution to grain production and nitrogen economy through GM legumes. Here we showed that GM legumes accumulated 53–76 kg N/ha per year. After decomposing for approximately one year, more than 32 kg N/ha was released from GM legumes. The amount of nitrogen released via GM decomposition that was subsequently utilized by wheat was 7–27 kg N/ha. Incorporation of GM legumes effectively replaced 13–48% (average 31%) of the applied mineral nitrogen fertilizer. Additionally, the GM approach during the fallow period reduced the risk of nitrate-N leaching to depths of 0–100 cm and 100–200 cm by 4.8 and 19.6 kg N/ha, respectively. The soil nitrogen pool was effectively improved by incorporation of GM legumes at the times of wheat sowing. Cultivation of leguminous GM during summer is a better option than bare fallow to maintain the soil nitrogen pool, and decrease the rates required for N fertilization not only in the Loess Plateau of China but also in other similar dryland regions worldwide.