长期以来我国粮食增产过多依赖水肥资源的大量投入,不仅增加了粮食生产成本,而且加大环境污染风险。因此,定量描述农田生态系统中土壤水分动态、氮素去向和作物生长过程,对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。本文在借鉴国内外土壤水分溶质运移、碳氮循环及作物模型理论方法的基础上,构建了一个适合我国气候环境条件及农业管理特点的土壤-作物系统水碳氮过程耦合模型WHCNS(soil water heat carbon and nitrogen simulation),并应用田间数据检验了该模型在我国高度集约化农田生产系统中的适用性,对当前的水肥管理措施进行了优化,全文主要结论如下:构建的WHCNS模型以天为步长,土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richard’s方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述,源汇项中考虑氮素循环的各个过程(有机质矿化、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等),有机质周转模块直接来源于Daisy模型。作物模型可选择复杂的PS123模型或者简单的EPIC模型。为了验证该模型的模拟效果,采用国外公开的数据集,对本模型进行了校验,并将本模型的模拟结果与国外的14个系统模型的模拟结果进行了对比,发现本模型的综合表现在所有模型中处于前三位。将PEST(Parameter ESTimation)参数自动优化程序与WHCNS模型进行了完全耦合,实现了土壤水力学参数、氮素转化参数和作物遗传参数的自动寻优,也可进行灵敏度分析,从而大大节约了模型校验时间。模型参数敏感度分析结果表明,作物参数的敏感度最高(其中生长发育积温和最大比叶面积最敏感),其次是土壤水力学参数(其中饱和含水率最敏感),而氮素转化参数最低。全局敏感度分析结果与PEST参数敏感度分析结果类似,但研究发现作物水氮胁迫会影响模型参数的敏感度和参数间的交互作用,水氮胁迫越大,参数对硝酸盐淋失的敏感度越小,但参数间交互作用表现更强烈。应用内蒙古阿拉善荒漠绿洲地区砂质土壤春玉米的田间系统观测数据对WHCNS模型进行了校验,结果表明该模型能够很好地模拟高浓度硝酸盐地下水灌溉条件下的硝酸盐淋失和春玉米生长过程。对不同水肥组合情景下的水分动态、氮素去向和作物产量进行了模拟分析,基于作物高产、水肥资源高效和硝酸盐淋失最少的多目标,筛选了适合当地的最优水肥方案。结果表明,当保持灌水5次,每次灌水约105 mmm时能达到较高产量同时大大减少了硝态氮的淋洗。为了能够模拟水稻覆膜旱作复杂条件下的水热运移过程,对WHCNS模型的土壤水热运移模块进行了改进,并应用在我国湖北丘陵区的水稻覆膜旱作试验数据,对改进的模型进行了校验,并且与原模型的模拟结果进行了对比。结果表明,改进后的模型较好地模拟了覆膜条件下土壤热传导、水分运动和作物生长过程。模型大大提高了水稻生育前期的生物学指标的模拟精度。并且发现,当根层土壤水分保持在田间持水量80%的水分管理结合施用化肥75 kg N hm-2并配合有机肥料75 kg N hm-2的措施不仅产量最高,而且显著提高水分利用效率,是水稻覆膜早作体系值得推广的一种水肥管理模式。在模型发展方面,将DRAINMOD模型的排水模块与WHCNS模型进行了耦合,提高了WHCNS模型模拟暗管排水条件下农田的水分运动、氮素去向和作物生长过程的能力。应用国外长期的农田暗管排水试验数据对该模型进行了校验。结果表明,耦合的模型较好地模拟了土壤水储量、作物干物质重、作物产量、作物吸氮量、暗管排水量和氮损失量,且暗管排水和氮素损失量的模拟精度随时间尺度(日、月、年)增加而提高。情景分析表明,当玉米季的施肥量控制在100～120 kg N hm-2的范围内时,可将暗管排出的硝酸盐浓度控制在10 mg L-1以下,同时可维持现有的玉米产量。