氮是植物需要量最高、对作物生长发育与产量品质影响最大、在现代农业中必不可少的营养元素。同时它又是来源广、移动性强、损失途径多、环境影响大、在农业生产中最难管理的元素。化学氮肥成为陆地生态系统活性氮的主要来源，特别是绿色革命以来，氮肥的大量施用是优质高产的最重要手段。随着施用量的增加，氮肥的农学和环境效应成为全球科技界、环保界和政策制定者共同关心的热点问题。20世纪80年代以后，我国成为肥料生产和消费第一大国，用占世界9%的耕地消费了全世界30%以上的氮肥。尽管增施氮肥对我国粮食产量增加起到了十分重要的作用，但是，随着氮肥用量的持续增加，氮肥的增产效果逐渐下降，环境污染日趋加重，引起了国内外的广泛关注。
如何在持续提高作物产量的同时，控制或降低化肥用量、有效的减少其对环境的负面影响是全球集约化可持续农业发展面临的重大科学问题。有关讨论在Science, Nature等刊物上一直是个热点。巨晓棠和张福锁教授领导的课题组从1990年代开始，以华北平原为核心先在中国农业大学科学园建立了多学科结合的水氮综合研究基地，发现华北乃至北方旱作土壤具有很强的总硝化和总矿化能力，导致土壤极易累积硝态氮，硝态氮淋洗是氮素重要损失途径。发现充分利用根区累积硝态氮、减少向环境的迁移是氮素管理的关键。建立了北方旱作土壤利用根区硝态氮贮量的推荐施氮指标体系。在这些研究基础上，他们又把作物栽培、土壤、植物营养、生态、环境和信息技术等多学科综合，在东北旺建立了大型综合定位研究基地。通过引进或建立一系列新的农田养分原位观测方法，对小麦-玉米轮作体系氮素的各种来源、在土壤中的转化、作物吸收利用及其向环境中损失的各种途径开展的长期的定量化研究。
本文系统的报道了这些研究成果，特别是在国家自然科学基金重大项目“主要农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用的基础研究”和中德BMBF合作项目“华北平原作物高产、高生产力条件下环境可持续的农业研究”的支持下，与中国科学院南京土壤研究所朱兆良院士课题组合作，在华北小麦-玉米轮作和太湖地区水稻-小麦轮作体系开展的有关工作，系统解析了单位化肥氮进入农田后农学和环境效应，揭示了氮肥损失机理，提出了在高产条件下如何实现低环境代价的技术途径，为集约化农业生产如何实现资源高效和环境友好提供了理论依据。美国科学院院士、著名生态学家David Tilman评价：“该文对氮肥农学和环境效应理解取得了重要进展”。美国科学院院士Pamela Matson评价说：“这是一篇非常优秀的、我多年来阅读过的印象最深刻的论文之一。作者系统研究了中国农业生产中两个重要的集约化轮作体系（小麦-玉米，水稻-小麦）中的氮素平衡。其特色是应用国际上先进技术对氮素投入和损失途径逐个进行了系统详细观测，这是非常了不起的工作，更为重要的，他们用多年的长期试验证明了在保证产量的前提下，优化施氮仍可极大降低氮肥的环境影响，且能节约氮肥投入成本”。“该研究非常完整，作者付出了艰苦的努力。这项研究打开了中国过量施氮产生的环境效应的多扇窗户，将中国特色的农业生产研究提升到了很高的水平，即使在美国也很难实现如此高水平的研究”。
本文的发表是该创新团队追求开展国家重大问题研究、发国际一流文章的又一成果，也是他们多年来在农业生产实践中开展国际前沿理论研究的总结，是继2007年在PNAS上发表了对我国传统间套作体系养分高效的机理研究结果以来的又一突破。