本研究以农业面源污染风险极高的华北高产粮区为对象，将田间定位观测与农田水氮管理模型（WNMM）相结合，系统研究了6种施肥模式下玉米-小麦轮作体系土壤中化肥氮素的去向、农田水氮的运移规律及其生态环境效应，归纳分析了农田氮素损失的途径，最终确定了较优的氮肥管理方案。主要研究结果如下：　　 玉米季籽粒产量最高为CRF处理，达到8632 kg hm-2，其他依次为OPT处理>CRFM处理>FP处理>OPTM处理，小麦季籽粒产量最高为CRFM处理，达到6369 kg hm-2，其他依次为OPT处理>FP处理>OPTM处理>CRF处理，优化施肥和缓控释肥呈现出一定的增产效果，方差分析结果显示5个施氮处理间作物籽粒产量无显著差异。　　 与2009年初始土壤剖面储水量相比,2010年收获期各处理土体储水量均有所下降。各施肥处理下土体储水量有一定区别，但降低幅度基本一致。　　 除CRFM处理外，各处理均表现为氮亏损。2009年玉米季收获时各施氮处理上层土壤硝态氮累积量较2009年播种前降低，FP处理NO3-–N累积在70-160cm，集中分布在120-140cm土层，并且累积量居首位；OPT和OPTM处理NO3-–N累积在100-160cm土层，集中分布在110-130cm土层；CRFM和CRF处理NO3-–N累积在60-180cm土层，且在各土层分布较均匀。小麦季OPT、OPTM和CRF处理土壤各层NO3-–N累积量都降低到10kg hm-2以下，相比于FP处理，0-180cm土层NO3-–N累积量分别降低35％、59％和70％。　　 水氮管理模型（WNMM）的校验结果表明：土壤水分、土壤剖面硝态氮浓度和作物生物学指标的模拟值与实测值比较吻合，结果令人满意，表明应用模型分析土壤水分动态及氮素去向是可行的。　　 模型模拟结果：玉米季水分损失主要途径是蒸散和渗漏，各处理蒸散量基本一致，OPT处理水分渗漏量最少；5个施肥处理的氮素淋失量占施肥量的比例范围为6％-18％，其中OPT处理氮素淋失量最少；5个施氮处理的氨挥发量占施肥量的比例范围为5％-34％，其中CRF处理氨挥发量最少。小麦季的主要途径是蒸散，各处理的蒸散量基本一致，5个施氮处理的氨挥发量占施肥量的比例范围为7％-16％。2009-2010年农田氮素总损失量依次为FP>OPT>OPTM>CRFM>CRF>CK.　　 旱地农田氮素损失的主要途径是硝态氮淋失和氨挥发损失。优化的氮肥管理可以显著减少氮素淋失，控释肥可以有效减少农田氨挥发。因此，在保证作物产量的前提下，综合考虑农学效应和环境效应，最终确定优化施肥处理和缓控释肥处理为5个施氮处理中的较优方案。