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华北平原是我国重要的粮食生产基地之一,近年来为了满足日益增长的粮食需求,盲目地投入过量的水肥,这样不仅使水肥增产效应和经济效益下降,而且造成了严重的环境问题。因此,在粮食稳产或者高产的条件下同时实现资源高效是我国农业可持续发展的根本保障。为了探求高产高效的水肥及栽培综合管理模式,本研究于2009-2011年在山东省泰安市大汶口设置了四种水肥与栽培管理相结合的综合管理模式：农民习惯模式(FP模式)、高产高效模式(OPT-1模式)、再高产模式(HY模式)和再高产高效模式(OPT-2模式)。利用田间实测的土壤含水量、硝态氮含量、作物产量、叶面积指数和干物质重等数据对土壤-作物-大气系统水热碳氮过程模型(WHCNS)进行了校验。利用校验后的模型模拟分析了不同水肥管理和栽培管理措施下冬小麦-夏玉米轮作模式下的土壤氮素去向及水氮利用效率。最后通过模型对不同播种日期、播种密度和水肥投入量进行了情景分析,并优化了水肥与栽培管理措施。全文主要结论如下：模型校验结果表明,土壤体积含水量、硝态氮含量、作物产量、叶面积和干物质重的模拟值与实测值间均吻合较好,模型模拟效果统计指标(均方根误差、模型效率系数、一致性指数)均表明,WHCNS模型能够较准确地模拟本研究区的土壤水氮运移过程及作物生长状况。2009-2011年四个生长季的田间试验结果表明：OPT-1、HY和OPT-2模式的周年平均产量分别比FP模式高27.6%、56.8%和40.8%。模型模拟结果表明：与FP模式相比,OPT-1模式的周年氮肥总损失量降低了28.6%；氮素利用效率(NUE)升高了25.7%。HY模式为了追求产量最大化,不计成本投入导致其周年平均氮素总损失量最高,为240.6kgN ha-1。OPT-2模式在HY模式的基础上改善施肥量和栽培措施,虽然周年平均产量比HY模式降低了15.4%,但是氮素总损失量降低了53.8%,NUE升高了19.2%。与其余三种模式相比,OPT-2模式的年平均氮素淋洗量降低了25.5-60.0%。四种模式的水分利用效率(WUE)的大小顺序为HY>OPT-2≥OPT-1>FP。选取农学效应指数、环境效应指数和产投比三个评价指标,利用综合指数评价法得到OPT-2模式为四种模式中最佳的综合管理模式。以OPT-2模式为基础,分别在冬小麦生长季设置了5个播种日期和17个播种密度,在夏玉米生长季设置了5个播种日期和22个播种密度的情景模式。利用校验过的WHCNS模型模拟分析了不同播种日期和播种密度对作物产量、氮素去向和水氮利用效率的影响。研究结果表明,随着冬小麦-夏玉米播期的推迟,其周年籽粒产量呈增加的趋势,最大可增加707-3025kg ha-1。为了保证冬小麦-夏玉米的可持续发展,建议在不增加任何成本的情况下,冬小麦的播种日期可以推迟至每年的10月15日左右,夏玉米的播种日期可以顺延至6月15日左右。随着冬小麦-夏玉米播种密度的增加其产量呈先增加后降低的趋势。WUE和NUE随着播种密度增加的变化趋势与产量一致。选取农学效应指数、环境效应指数和产投比三个评价指标,利用综合指数评价法得到在240kg N ha-1的施肥条件下,研究区冬小麦的最适播种密度为300-390万ha-1。在185kg N ha-1的施肥条件下,研究区夏玉米的最适播种密度为8.4-10.2万ha-1在2009-2010年冬小麦生长季设置15个灌水量和11个施肥量,共得到165个水肥组合情景；在2010年夏玉米生长季设置5个灌水量和11个施肥量,共得到55个水肥组合情景。在OPT-2模式的基础上,结合前面得到的适宜播期和播种密度,应用WHCNS模型对2009-2010年冬小麦的165个水肥组合和夏玉米的55个水肥组合进行情景模拟分析。结果表明,在冬小麦季,当灌水量达到251mm时,冬小麦产量可达到最大,为8203kg ha-1；再继续增加灌水量,冬小麦产量保持不变。当施肥量达到106kg N ha-1时,冬小麦产量可以达到最大,为7917kg ha-1；再继续增加施肥量,产量保持不变。在夏玉米季,当不灌溉时,夏玉米的产量也可达到8987kg ha-1。当施肥量达到70kg N ha-1时,夏玉米产量达到最大,为9005kg ha-1。选取农学效应指数、环境效应指数和产投比三个评价指标,利用密切值法筛选出最佳的水肥组合。在研究区2009-2010年冬小麦生长季,灌水240mm,施肥60kgN ha-1为最佳水肥管理措施,产量可达7813kgha-1；夏玉米生长季,不灌溉,施肥90kg N ha-1为最佳水肥管理措施,产量为8909kg ha-1。以山东省40年(1973-2012)的气象数据为基础划分了25%、50%和75%三种降雨年型。在OPT-2模式的基础上,每种降雨年型下的冬小麦生长季设置了15个灌水量和11个施肥量,共得到165个水肥组合情景；夏玉米生长季设置了5个灌水量和11个施肥量,共得到55个水肥组合情景。利用WHCNS模型模拟分析了不同降雨年型下灌溉量和施肥量对作物产量的影响,并筛选出不同降雨年型下最佳的水肥投入量。结果表明在25%、50%和75%降雨年型下,冬小麦生长季的灌水量分别为287、258和276mm时,作物的产量可以达到最大,分别为9224、8806和8324kg ha-1。冬小麦生长季的施肥量与作物产量的关系不明显。在25%、50%和75%降雨年型下,夏玉米生长季均不需要灌溉；且施氮量分别为97、133和117kg N ha-1时,作物的产量可以达到最大为10910、10670和9375kg ha-1。