中国是人口大国,粮食需求量大。灌水和施肥是保障粮食安全的两个重要措施,但不合理的水肥管理方式会造成资源浪费和经济损失。尽管传统田间试验是评估不同灌溉和施氮制度的可靠方法,但通常费时费力。作物模型能够综合模拟气象条件、土壤特性、作物品种、管理措施对作物生长、发育和产量的影响,因此近年来被广泛应用到作物水氮管理优化中。本研究在DSSAT-CERES-Wheat模型作物品种和生态参数敏感性分析的基础上,利用西北农林科技大学节水灌溉试验站2011-2014年冬小麦不同灌溉施氮处理大田试验数据对模型进行了校准和验证。利用校准验证后的模型分析了气象数据输入的不确定性对产量预测的影响,探索了基于生育期、土壤含水量的节水灌溉制度和以产量和净收益为目标的最优施氮量,并分析了气象不确定性对灌溉施氮优化的影响,旨在为该地区小麦生产的高产高效和可持续发展提供技术支撑。本研究所得主要结果如下:（1）作物参数的敏感性在不同输出变量、不同生长阶段、不同水氮管理下存在差异作物参数PARUE（营养生长期光能利用效率）、P1（出苗-顶端小穗积温）、P1D（光周期响应）均对小麦地上部生物量、叶面积指数（LAI）、地上部吸氮量、产量和蒸散量有较大影响,在生长后期LSPHS（旗叶开始衰老的时间）的影响明显增大。此外,不同输出变量有各自的敏感参数,其中地上部生物量还对PARU2（生殖生长期光能利用效率）较敏感,LAI和地上吸氮量对PHINT（出叶间隔）参数敏感,蒸散量对RDGS（早期根系生长速率）较敏感,产量受G2（标准粒重）、G1（开花期单位茎重的粒数）的影响很大。水氮胁迫条件下,RDGS、GNMN（籽粒最小含氮量）的敏感性明显增强。（2）CERES-Wheat模型可较好地模拟不同水氮处理下作物产量和土壤水分利用自动调参软件PEST和2013-2014季试验数据对筛选出的敏感作物参数进行率定,并利用独立的2012-2013试验数据验证DSSAT-CERES-Wheat模型在不同水氮处理下对冬小麦物候期、产量、生长过程和土壤含水量的模拟能力。结果表明模型能反映不同年份的物候期差异,但不能准确模拟不同水氮处理对冬小麦发育进程的影响。模型能准确模拟不同处理产量和每平米粒数,nRMSE在20%以内,千粒质量虽然模拟误差较小,但不能反映不同处理间的差异。模型对地上部生物量和LAI生长过程的模拟在低氮处理下的误差明显大于高氮处理,水氮胁迫下LAI的模拟误差大于地上部生物量,表明模型对于水氮胁迫条件下作物生长过程的模拟有待进一步提高。模型对各层土壤含水量的模拟较准确,能反映不同处理间的差异,nRMSE均在20%以内,但对深层80-100 cm土壤含水量模拟偏差略大,对1米土壤储水量模拟准确性高于分层土壤含水量。（3）气象不确定性和作物生产潜力水平都会影响产量预测不同生产潜力下,气象要素的测量偏差对作物生产的影响不同。光温生产潜力下,温度升高1℃使开花期和成熟期分别平均缩短4天和5天,产量平均增加7%,但温度过高会导致冬小麦减产;辐射升高10%对物候期没有影响,但能使产量平均增加10.7%。与光温生产潜力相比,气候生产潜力下,辐射和降水是限制产量的主要因素,温度对产量影响很小。辐射和降水偏差10%分别引起产量平均变化9%和10%,随着产量的提高,产量对辐射和降水的响应均增强,表明在低产年份,由降水分布不均匀导致的水分胁迫是限制冬小麦产量的主要因素。随着生育进程的推进,未来气象的不确定性减小,产量预测的不确定性逐渐降低。在低产年（2011-2012）和高产年（1991-1992）,准确预测产量的时间分别为成熟前62和65天,在中产年（1983-1984）,大部分历史年份的拔节期以后降水不足使冬小麦产量低估,不同施氮处理准确预测产量的时间为成熟前7²2天。（4）考虑气象年际变异的灌溉制度优化能进一步减少灌水量,提高灌水利用效率基于生育期的灌溉模拟结果表明越冬-孕穗期是冬小麦主要受旱阶段,综合考虑高产（≥95%Ymax）、高效（IWUE最大）、节水（灌水量最少）、省工（灌水次数≤3）等优化目标,最佳灌溉制度为:越冬水+拔节水+孕穗水,灌水定额60 mm。逐年最优灌溉制度考虑了不同生长季特定的气象变异,在保持产量基本不变(约8514 kg hm^-2)的条件下,每年平均减少灌水量53 mm和灌水次数0.88次,提高灌水利用效率0.83 kg m^-3。基于土壤可利用水的灌溉结果表明,当土壤含水量降到最大可利用水的25%时进行灌溉,达到75%时停止灌溉是兼顾高产、高效、节水、省工等多目标的最佳灌溉制度。逐年最优灌溉制度在保持产量基本不变(约8572 kg hm^-2)的条件下,每年平均减少灌水量34mm和灌水次数1次,提高灌水利用效率0.51 kg m^-3。（5）考虑气象年际变异的施氮优化进一步提高作物产量以产量为目标的关中冬小麦施氮量优化结果表明,雨养条件下,基于长期历史气象的多年平均最优施氮量为106 kg hm^-2,考虑气象变异的逐年最优施氮量存在明显的年际变异,变异范围为79¹42 kg hm^-2,平均为103 kg hm^-2,比长期气象下的最优施氮量低3 kg hm^-2。逐年最优施氮下平均产量为4578 kg hm^-2,比长期气象最优施氮下增产354 kg hm^-2,提高收益861元hm^-2。雨养下,三月份降水量是影响产量和最优施氮量的重要指标,分别解释其变异的74%和56%。充分灌溉条件下,作物产量和最优施氮量都比雨养下高,基于长期历史气象的多年平均最优施氮量为137 kg hm^-2,逐年最优施氮量的变异范围为107¹74 kg hm^-2,平均为137 kg hm^-2,与长期气象下的最优施氮量相同。但逐年最优施氮量的平均产量为8443 kg hm^-2,每年平均增产386 kg hm^-2,增加净利润923元hm^-2。充分灌溉在很大程度上消除了降水给产量带来的不确定性,生长季日均最高温、日均最低温和日均总辐射分别解释了最优氮变异的43%、18%和17%,是影响灌溉下冬小麦产量和最优施氮量的重要因素。（6）考虑气象年际变异的施氮优化进一步提高净收益以净收益为目标的关中冬小麦施氮量优化结果表明,雨养条件下,长期气象下多年平均最优施氮量为101 kg hm^-2。考虑气象变异的逐年最优施氮量的变异范围为78¹37kg hm^-2,平均为98 kg hm^-2,比长期平均最优氮平均每年增产249 kg hm^-2,增加净收益608元hm^-2。充分灌溉条件下,净收益的年际变异减小,长期气象下多年平均最优施氮量为135 kg hm^-2。逐年最优施氮量变异范围为105¹60 kg hm^-2,平均为131 kg hm^-2,与长期平均最优施氮相比,逐年施氮优化平均每年减少施氮4 kg hm^-2,提高产量77 kg hm^-2,增加收益513元hm^-2。提高氮肥价格会增加过量施氮的经济损失,是避免农户过量施氮的潜在措施之一。