本研究以河北省太行山冲击平原秸秆还田条件下,小麦-玉米轮作体系为研究对象,设置不同栽培管理模式(A,农民习惯种植方案,简称农户习惯;B,当地农业部门的优化方案,简称模式B;C,在B处理基础上再高产、土壤生产力提高方案,简称模式C;D,再高产、水肥高效、环境友好集成方案,简称模式D),采用跟踪调查和作物关键生育期多层取样的研究方法,解析高产条件下小麦-玉米生物量累积与养分吸收规律,探讨土壤-作物系统养分特征,明确不同栽培管理模式对土壤养分质量的影响,初步追踪高产培育及其环境效应,尝试高产高效培育措施的农户水平验证,探索小麦-玉米高产、高效与环境友好的实现途径,为保障河北省粮食生产安全、提高养分资源利用率提供理论依据和技术支撑。主要研究结果如下:(1)三种高产栽培管理模式B、C、D、与农户传统种植模式相比,作物产量均得到提高,模式C、D增产率较大,其中模式D冬小麦平均增产20%左右,夏玉米平均增产23%左右;产量构成因素中,冬小麦产量与穗数呈密切相关,与千粒重和穗粒数也有一定相关性,夏玉米产量与千粒重显著相关,受有效穗数影响也较大。(2)与农户传统栽培模式相比,模式B、C、D作物干物质积累量均有不同程度提高,模式C、D表现明显,在2011年冬小麦成熟期模式C、D干物质积累量分别高达24418、22240 kg/hm~2,夏玉米成熟期模式C、D干物质积累量分别高达18210、19250 kg/hm~2;模式B、C、D氮、磷、钾养分积累较农户传统模式也有所增加,依然以模式C、D变化较大,且在花后表现出较高的积累,尤其是钾的累积;成熟期作物植株养分吸收率以模式D表现最高;D栽培管理模式对作物养分吸收和积累促进效果明显。(3)经过不同栽培管理模式多年轮作培育,农户习惯模式与试验之初相比土壤养分耗竭严重;模式B仅在有效钾养分上有所积累,有机质没有提高,有效磷耗竭严重,至第四轮作季平均有效磷浓度为8.9 mg/kg,对土壤养分的循环利用作用不大;模式C、D的土壤养分提高,两模式至第四轮作季有效磷浓度达到36.3 mg/kg和16.7 mg/kg,有机质浓度达到16.9和16.4 g/kg,模式D耕层土壤有效钾养分提高最为明显,四个模式在第四轮作季表现出D<C<B<A趋势,模式D随轮作年限土壤有效钾逐渐提升,由第一轮作季84 mg/kg上升到第四轮作季108 mg/kg;模式C、D对土地的可持续利用起积极作用,但以模式D的优良栽培管理措施对土壤养分提高、土壤的可持续利用作用更大。(4)经过4周期轮作,土壤硝态氮向下淋移现象明显,而且具有小麦季累积玉米季淋失的特征。在140~160 cm土层各处理均出现累积峰,ABCD各模式累积峰值分别为58.65、28.98、105.89、45.29 mg/kg;栽培管理模式C在各土层硝态氮保持较高含量,淋溶趋势明显;模式D土壤硝态氮含量整体水平偏低。ABCD四个模式0-400 cm硝态氮总累积量分别达到724.27、711.92、1324.30、730.70 kg/hm~2,模式D的栽培方式能更好的减少土壤硝态氮的残留,在一定程度上有效缓解环境压力。(5)农户效验示范显示,优化栽培管理模式D夏玉米产量均高于农户习惯种植,两模式产量差值最低为878 kg/hm~2,最高达3142 kg/hm~2,土壤硝态氮残留也较农户习惯种植少,初步实现了农户水平上高产高效及环境友好。