我国苹果种植面积居世界首位,黄土高原是世界公认的苹果优势产区之一。目前该区域苹果种植过程中化肥过量使用、养分投入时间与树体需求不匹配,提高水氮资源的利用效率对于提高苹果品质和优果率、降低环境污染风险等有重要意义。本研究以矮砧密植（株行距2 m×4 m）苹果树为研究对象,采用具有显著节水、节肥、增效特征的水肥一体化方式供应水氮,于2017年10月至2020年10月在陕西洛川开展了苹果树水氮用量的田间试验。试验设置2个灌水上限（W1:80%θf、W2:100%θf）和4个施氮量水平(N1:0 kg?hm-2;N2:120 kg?hm-2;N3:240 kg?hm-2;N4:360 kg?hm-2)的完全组合处理,共8个处理。动态监测苹果树各生育期冠层尺度高光谱反射率、叶片氮含量、冠层生长特征（春梢长度、叶面积指数）及产量、品质（外观品质、内在品质）和土壤硝态氮分布与残留状况等指标,研究了水肥一体化水氮用量对苹果树氮素营养、冠层生长特征及产量品质的影响,分析了不同水氮用量下苹果园土壤硝态氮分布及残留特征,并采用组合评价方法进行了基于苹果树生长-氮素营养动态-产量品质-土壤硝态氮残留的苹果园水肥一体化水氮用量优选;探索了基于高光谱遥感估测苹果树叶片氮含量的方法,在此基础上,构建了基于高光谱遥感的苹果树冠层叶片氮含量反演模型和水氮供应决策模型。取得了如下主要结论:（1）探明了水肥一体化水氮用量对苹果树叶片氮含量及冠层生长动态的影响规律。相同施氮量条件下,提高灌水上限可以提高苹果树叶片氮含量,但差异不显著（P>0.05）。相对于不施氮肥处理,施氮可以显著增加苹果树冠层叶片氮含量（P<0.05）;N4对叶片氮含量的增加具有显著作用,N2和N3之间没有显著差异（P>0.05）,二者显著高于不施氮处理。受苹果树体储藏氮素的影响,苹果园改化肥土施为水肥一体化方式,实施第1年（2018年）N2对新梢生长有利,第2年（2019年）N3有益于新梢的延长。春梢生长规律符合Logistic曲线特性,模型模拟表明,更高的灌水上限或施氮处理均能够延迟最大春梢生长速率的出现,同时延长春梢生长时间。提高灌水上限有利于叶面积指数的增加,但增加不显著（P>0.05）。试验年苹果树生育前期叶面积指数相对大小关系与春梢生长相关,2018年N2、2019年N3更有利于叶面积指数的形成;N4更有利于果实采摘后苹果树叶片脱落时间的延迟。（2）揭示了水肥一体化水氮用量对苹果树产量、品质及水氮利用效率的影响规律。苹果产量受灌水上限、施氮量单因素影响极显著（P<0.01）。施氮处理能够显著优化产量构成要素（单果重、单株果数）（P<0.05）,显著提高苹果产量（P<0.05）,最高产量(34277 kg·hm-2)在N3水平获得,N4造成苹果小幅度减产。苹果产量与施氮量成二次抛物线关系（P<0.05）,理论最佳施氮量在230～240 kg?hm-2范围。合理的氮肥用量能够显著提高苹果的纵径和横径（P<0.05）,苹果的果形指数受水氮用量的影响不显著（P>0.05）。提高灌水上限会降低苹果果肉硬度、可溶性固形物、可溶性糖以及糖酸比和固酸比,增加可滴定酸和维生素C含量,但这些影响未达0.05显著水平。施用氮肥会显著降低苹果果肉硬度和可滴定酸含量（P<0.05）,显著增加可溶性固形物、可溶性糖、维生素C、糖酸比和固酸比（P<0.05）。苹果内在品质指标之间存在显著的相关关系。任一施氮水平下,与W1灌水上限相比,W2能够提高水分利用效率和氮肥农学利用率。增施氮肥则显著降低氮肥农学利用率（P<0.05）,灌水上限W2、施氮量N2处理获得了最高的氮肥农学利用率(75.49 kg?kg-1)。灌水上限W2、施氮量N3处理对于维持苹果产量、提高品质、获得更高的水分利用效率有显著作用。（3）明确了水肥一体化水氮用量对采收后苹果园土壤硝态氮分布、残留量及其年际变化的影响。N2、N3、N4处理,0-80 cm土层土壤硝态氮含量随深度增加而增加;80-160 cm土层土壤硝态氮出现聚集现象;160-200 cm土层土壤硝态氮含量逐渐降低,硝态氮在主要根系分布层（0-80 cm）以外出现了聚集现象;水平方向最大土壤硝态氮含量出现在距树行0 cm处（滴灌管下方）。不施氮处理（N1）土壤硝态氮随水分向下层土壤运移,较高土壤硝态氮含量(108 mg?kg-1)处于180 cm深度土层附近;水平方向0-80 cm土层土壤硝态氮含量最大值(52 mg?kg-1)在距树行100 cm处,土壤硝态氮含量与距树行距离成正比。土壤硝态氮含量的时间（逐年）分布特征主要受施氮量水平的影响。2017～2020年,N1和N2处理根层（0-200 cm）土壤硝态氮含量逐年下降,最大下降比例达78.56%;N3土壤硝态氮含量无显著变化;N4土壤硝态氮含量增加,最大可达197.30%。果实采收后苹果园土壤硝态氮残留量受施氮量影响极显著（P<0.01）。水肥一体化实施后,2018年各处理土壤硝态氮残留量无显著差异（P>0.05）;2019年表现为,施氮处理显著高于不施氮处理;2020年,4个施氮水平间差异显著（P<0.05）。施氮量0、120 kg?hm-2处理土壤硝态氮残留量逐年降低,N1降低幅度显著高于N2（P<0.05）;N3土壤硝态氮残留量3年变化幅度在10%左右,差异不显著（P>0.05）;N4土壤硝态氮残留量显著增加,最大增幅为81.05%（P<0.05）。（4）提出了黄土高原矮砧密植苹果园综合效应最佳的水肥一体化水氮用量。基于无气象灾害年份（2019年）试验数据,以冠层生长、氮素营养、产量品质、土壤硝态氮、水/氮利用效率等为评价指标,采用主成分分析法、近似理想解法（TOPSIS）、灰色关联法和隶属函数分析法对苹果园水肥一体化水氮用量的效应进行综合评价,结果具有非一致性特征。进而建立基于4种单一评价方法评价结果的模糊Borda组合评价模型,结果表明W2N3是黄土高原矮砧密植苹果园最适水氮用量。（5）探索了基于苹果树冠层尺度高光谱反射率的叶片氮含量估测方法。不同光谱预处理方法对于光谱曲线的去噪能力表现不同,整体而言,一阶导数（FD）处理能够提高光谱信噪比,而二阶导数光谱造成信噪比出现下降的现象。竞争性自适应重加权算法（CARS）、连续投影算法（SPA）、随机蛙跳算法（Rfrog）、偏最小二乘法（PLS）等特征变量提取方法均大幅减少了用于建模的因子数量,提取的波长变量广泛分布于可见光/近红外区域。相同数据集所建立的非线性模型估测精度明显优于线性模型。采用标准正态变换（SNV）结合FD光谱预处理、Rfrog提取波长变量和极限学习机（ELM）建模的系统方法（SNV-FD-Rfrog-ELM）或Savitzky-Golay卷积平滑（SG）结合FD光谱预处理、PLS提取主成分（LVs）和ELM建模的系统方法（SG-FD-PLS（LVs）-ELM）估测黄土高原苹果树（富士）冠层尺度氮含量具有较好的精度。（6）建立了基于高光谱遥感的苹果树水肥一体化水氮供应决策模型。采用叠加集成（SE）模型,以苹果树冠层尺度高光谱反射率为模型输入,分别基于极限学习机（ELM）、差分进化算法优化的ELM（DE＿ELM）和自适应差分进化算法优化的ELM（Sa DE＿ELM）作为子模型的建模方法,在子模型融合过程中分别采用基于子模型RMSE的权重策略和偏最小二乘法（PLS）权重策略。PLS加权策略能够在集成若干子模型的过程中提供最佳的权重,改善基于RMSE策略权重预测结果偏低的问题。模型总体精度表现为:SE-Sa DE＿ELM>SE-DE＿ELM>SE-ELM。SE-Sa DE＿ELM模型和PLS策略的叠加集成模型能够实现对异常值影响的抵抗,且估测精度极好,RP2,RMSEP和RRMSE分别为0.843,1.747 mg?g-1和8.019%。推荐使用Sa DE＿ELM作为子模型和PLS策略的叠加集成模型进行苹果树叶片氮含量状况的监测。幼果期和果实膨大初期是苹果树供氮关键期。构建幼果期和果实膨大初期追施氮量-灌水上限-叶片氮含量回归模型和追施氮量-灌水上限-单果重的回归模型,并根据这些模型,通过目标单果重得到目标施氮量和灌水上限,以光谱诊断苹果树叶片氮含量为参考,估算苹果树已施氮量,最终求得最佳水、氮供应量。模型验证表明:幼果期和果实膨大期水、氮供应决策理论值与实际值差异较小,氮肥追施量相对误差介于1.67～9.92%（除幼果期一样本树为44.92%以外）,模型整体上取得了良好的效果。