水分和氮肥利用效率低，管理不当造成的生态环境问题严重威胁着华北地区农业生产的持续发展，探索该地区粮食生产、资源利用以及环境效应三者最佳结合点上的优化灌溉、施肥技术和原理意义重大。农田生态系统中水、氮行为及其与环境的关系是灌溉和施肥优化管理的理论基础，本文以中科院禹城和栾城试验站节水灌溉和水、氮耦合试验为基础，采用田间试验与农业模型模拟相结合的研究思路，围绕农田生态系统水、氮行为及其产量和环境效应这一中心，以作物水分和氮素利用效率与土壤水分渗漏和氮素淋失为关键指标，研究与此密切相关的水、氮运移、损失过程及其对农田管理和气候波动的响应。利用详细验证的农业模型模拟气候波动和土壤变异对以上指标或过程的影响，并利用多站点的模拟结果评价区域农田水资源供需特点和水、氮行为特征及其区域差异性，为改善农田生态系统灌溉和施肥措施和区域农田水资源管理和生态环境效应评价提供理论和技术支持。本研究的主要结果如下：　　 1.不同季节和灌溉制度下土壤底墒供水差异很大，但全年供水量变化不大，小麦季补充灌溉可以改善下季玉米的底墒和产量，考虑全年作物生产和水分利用进行灌溉制度优化在华北地区更有实际意义。在施氮水平超过400 kg N/ha/yr时导致过量硝态氮积累或淋失，而没有增产作用；高水处理淋失量和深度都高于低水处理，玉米季硝态氮淋失风险要明显高于小麦季，淋失量与地下水硝态氮含量动态一致，说明农田硝态氮淋失是地下水污染的主要来源。在小麦产量水平5.5～6.0 Mg/ha和玉米产量水平8.0～8.5 Mg/ha的情况下，合理氮肥使用量为300 kgN/ha/yr左右，远低于在该地区实际氮肥使用水平(400～600 kg N/ha/yr)。　　 2.模型验证表明DSSAT-CERES(D-C)和RZWQM-CERES(R-C)模型都能够较好的模拟土壤水分、氮素、作物产量和生物量对不同灌溉和施肥制度的响应，在华北地区表现出较好的适应性，其中D-C模型在模拟作物产量、生物量方面有较强的优势；而R-C在模拟土壤氮素运转以及硝态氮淋失方面有较好的效果，但二者在严重水分或氮素胁迫下模拟的产量或生物量都较测定结果偏低。R-C模型通过土壤类型估计土壤参数为区域农田模拟提供了有力的途径，能够较准确的预测农田灌溉需水量和时期，进行灌溉制度的优化。　　 3.模型多年(1961～1999)模拟结果表明，播前底墒小于田持60％时可较明显提高小麦雨养产量，超过田持60％时增产效果不明显，说明小麦低产的主要原因是后期水分亏缺，玉米季对底墒反应不敏感。拔节和挑旗期是小麦需水临界期和高峰期，可作为最佳灌水时期。传统灌溉和施肥制度下大约40～60％(200～300 kg N/ha/yr)的施氮量可以降低而没有减产作用，可显著降低硝态氮淋失风险：在小麦季从30降低到10 kg N/ha，玉米季从200降低到20 kg N/ha。不同灌溉和施肥制度相比较，在小麦季拔节、挑旗和灌浆期灌溉三水和施氮量在100～150 kg N/ha(分两次施加)以及玉米季施氮量小于100 kg N/ha(不灌溉)，可以作为该地区小麦-玉米两熟制下合理的灌溉和施肥制度。　　 4.区域多站点模拟结果表明农田最大蒸散量多年平均值在400～600(小麦季)和300～410 mm(玉米季)之间；不同区域小麦季和玉米季灌溉需水量多年平均分别在300～400和0～120 mm之间，作物需水时期集中在小麦拔节到灌浆(3月～5月)期间，达到200 mm以上。根据作物最大需水量和水资源供应量估算不同区域农田灌溉缺水量在0～70亿m3之间。华北地区在50％，75％和95％水平年农田灌溉缺水总量分别为162.08、199.45、252.40亿m3；在亏缺灌溉(最大灌溉量的55％左右)条件下华北地区农田灌溉需水亏缺量降低到62.34亿m3。在传统灌溉和施肥制度下，华北地区不同区域小麦季硝态氮淋失量多年平均在0～75 kg N/ha之间，玉米季在30～150 kg N/ha之间，年淋失量在50～200 kg N/ha之间，呈由西向东逐渐增加趋势。通过土壤氮素平衡分析得出当前管理水平下最大可能硝态氮淋失量多年平均为225±45.6 kg N/ha/yr左右，在当前产量水平下，最低氮肥需求量为175±24.7 kg N/ha/yr，远低于与当前氮肥投入水平。在优化灌溉和最低施氮水平下作物产量和水分利用效率稍微降低，但硝态氮淋失量显著下降(80％以上)，氮肥利用效率明显提高(1倍多)，水资源供需矛盾明显缓解。