黄淮海平原是我国的主要粮食产区,该地区粮食稳产和高产是我国粮食安全的重要保证。小麦玉米一年两熟是黄淮海平原最主要的粮食作物种植制度。近几十年来,由于品种的改良和水肥的大量投入,小麦玉米的产量大幅度增加。同时,过度抽取地下水和使用化肥也使生态环境受到一定影响,制约农业的可持续发展。明确该地区进一步减少灌溉量、提高水分利用效率的农艺措施,具有重要意义。农业生产系统是一个复杂的多因素动态系统,受气象、土壤、品种、栽培管理措施等多因素的影响。本研究以田间试验和作物模型相结合的方法,探讨了灌溉方式对小麦籽粒产量和水分利用效率的影响;进一步分析了不同栽培措施对小麦籽粒产量的影响;分析了限水灌溉模式下施氮量和播种密度对小麦籽粒产量和氮肥利用以及对环境的影响;最后,运用DSSAT模型中的连续分析(Sequence analysis)方法模拟了小麦玉米一年两熟轮作制度,探讨了不同灌溉方式和施氮量对小麦和玉米籽粒产量、水足迹及其组分的影响。主要结果表明:在播种期墒情较好的情况下,限水灌溉方式以关键生育时期1次充分灌溉优于少量多次灌溉。起身拔节期1次充分灌溉可以获得较高的水分利用效率和籽粒产量。合理的农业水价改革能够改善农业用水措施。当灌溉水价为最大相对边际净收益的26.4%时,推荐模式和限水模式的边际净收益相等。为了提高农民的收入,政府应该实施农业节水补贴。不同栽培措施对小麦籽粒产量的影响程度不同,其中,显著影响小麦籽粒产量的措施为灌溉和耕作方式。千粒重显著降低是限水灌溉产量降低的主要原因。节水灌溉的籽粒产量范围与限水灌溉大部分重叠,因此,在限水条件下合理调整栽培措施,仍然可以获得较高的籽粒产量。翻耕处理能够补偿减少灌溉而造成的产量损失,但耕作方式的增产效应低于环境和水肥效应。随着灌溉量增加,翻耕处理增产效应降低。因此,翻耕措施应该在水分亏缺的条件下实施。翻耕处理的增产效应存在不同年份差异。在翻耕处理实施当年,翻耕处理显著促进小麦生育前期土壤水的消耗,造成干旱胁迫,从而促进开花前营养器官干物质的转移。小麦播种前深耕能够提高土壤贮藏玉米生长季降雨和灌水的能力,提高下季小麦土壤贮水耗水量和消耗比例,提高开花后干物质的积累量,从而提高小麦的籽粒产量。在限水灌溉模式下,随着施氮量的增加产量增加,但是当施氮量超过180 kg hm-2时,籽粒产量不再增加。在同一施氮量下,随着密度的增加,籽粒产量呈现先增加后降低的趋势。施氮量180 kg hm-2的土壤残留量较施氮量240 kg hm-2约减少了 25%,氮肥农艺效率提高了30.27%～33.30%,氮肥偏生产力增加了 33%。增加根系氮素的吸收量和提高向籽粒的转移效率是提高氮素利用效率的有效途径。虽然施氮量240 kg hm-2和180 kg hm-2的氮素生理效率相同,但是施氮量180 kg hm-2的氮素吸收效率显著提高。施氮量180 kg hm-2配合300万株hm-2可以改善氮肥利用,稳定籽粒产量,提高净收益和确定等价收益,降低土壤氮素残留对环境的污染。小麦生育期间灌溉量、降雨量和小麦播种时的土壤含水量与小麦籽粒产量呈显著或极显著的正相关。虽然玉米生育期间的灌溉量与小麦籽粒产量呈显著的负相关,但是玉米生育期间灌溉量和降雨量的互作效应与小麦籽粒产量呈显著正相关。根据玉米和小麦生育期降雨量,合理调整灌溉量和灌溉时间可以获得较高的籽粒产量和水分利用效率。灌溉量和灌溉时间对玉米籽粒产量和水分利用效率影响较小。小麦收获后土壤含水量较低,为了保证玉米安全出苗,玉米播种后需要浇蒙头水。在玉米生育期降水较多的情况下,小麦全生育期灌溉1水即可;在玉米平水年型下,小麦生育期灌溉1～2水就可以获得较高的籽粒产量。氮肥和灌溉对全年平均水足迹的促进效应,主要是通过提高小麦和玉米的N淋溶造成的。氮肥和灌水不仅能够影响当季作物的水足迹,而且也会作用于下季作物的水足迹。小麦和玉米相比,氮肥引起玉米总水足迹和灰水足迹的增加幅度要显著高于小麦。随着小麦生育期施氮量增加,玉米绿水足迹和蓝水足迹下降,但是玉米灰水足迹直线增加,玉米总水足迹升高。对于小麦来说,灌溉引起小麦水足迹的增加幅度高于氮肥。增加灌溉可以通过促进玉米N淋溶,间接促进全年平均水足迹。增加灌溉可以促进小麦籽粒产量提高,但不会通过提高小麦生育期N淋溶间接提高全年平均水足迹。全年灌溉240 mm配合施氮360 kg hm-2可以获得较高的籽粒产量和较低的水足迹。综合研究认为,提高小麦播种前的土壤贮水量和充分利用土壤贮水是实现小麦节水高产栽培的有效途径。根据玉米生育期降雨量情况,小麦全生育期灌溉1～2次水的限水灌溉模式大幅度减少灌溉用水,是一种稳产和节水的小麦高产栽培模式。为了弥补产量损失和降低对环境的不利影响,应该采用隔年深松或者翻耕,在播种密度为300万株hm-2的基础上配合施N 180 kg hm-2可以获得较高的籽粒产量和较低的水足迹。该灌溉模式在黄淮海平原地下水超采地区推广,对于实现该区域农业减灌压采和确保我国粮食安全具有重要的意义。