水资源短缺,水肥利用效率低是限制河南省农业发展的主要因素。保护性耕作是一项先进的农业耕作技术,能够提高土壤蓄水保墒能力和土壤肥力。结合河南省实际情况研究多年保护性耕作对土壤水、碳氮的影响,制定适宜的耕作模式对保护性耕作的推广具有重要意义。然而,以往受大田试验方法限制,传统耕作转变为保护性耕作方式后土壤水、碳氮的变化如何?耕作方式转变的最佳方案是什么?这些问题仍有待进一步研究。因此,本研究利用长期定位耕作试验研究保护性耕作(免耕、深松和双季秸秆还田处理)下土壤水碳氮的年际变化及冬小麦不同生育期土壤水分、碳素和氮素的垂直分布特征,并利用RZWQM2(Root Zone Water Quality Model)模拟传统耕作转变为保护性耕作方式(免耕、免耕+秸秆、深松和深松+秸秆)后土壤水、碳氮的变化特征,筛选最佳的耕作方式转变方案,旨在为河南省适宜保护性耕作方式推广提供科学理论依据。本研究的主要结果如下:(1)与传统耕作相比,免耕和双季秸秆还田处理均显著提高了冬小麦关键生育期土壤水分和土壤贮水量(0-100 cm),干旱年份双季秸秆还田和免耕处理蓄水保墒效果优于深松耕作。保护性耕作措施能够显著增加冬小麦株高、叶面积及冬小麦地上部生物量和产量,穗粒数和千粒重是影响冬小麦产量的主要因素。在降水量较少年份,免耕增产优势明显并显著提高水分利用效率,优于深松耕作和双季秸秆还田处理,而在降雨量较多年份,双季秸秆还田处理增产效果最优。(2)与传统耕作相比,免耕和双季秸秆还田处理均能够提高试验期间有机碳平均年变化量、相对年变化量和周年累积率,其中,双季秸杆还田处理的相对年变化量和周年累积率分别为0.23 g·kg-1和0.45 kg·m-2·a-1,优于免耕。与试验开始年份的土壤有机碳相比,免耕、深松和双季秸秆还田处理均不同程度地提高了土壤有机碳含量和土壤表层(0-20 cm)有机碳储量,且双季秸秆还田处理提高土壤有机碳和土壤表层有机碳储量幅度最大。(3)不同耕作措施下土壤有机碳和全氮含量均表现出明显的表层富集效应。与传统耕作相比,免耕和双季秸秆还田处理显著提高耕层(0-40 cm)土壤有机碳和全氮含量。免耕处理较传统耕作显著提高冬小麦拔节期和灌浆期0-100 cm土壤硝态氮积累量,说明免耕有利于硝态氮积累,能够减轻淋溶到地下水造成的环境污染。4种耕作处理下土层0-20、20-40、40-60、60-80和80-100 cm冬小麦苗期至拔节期铵态氮浓度值较低且保持稳定,拔节期之后,铵态氮浓度值大幅升高且不同耕作处理差异显著。与传统耕作相比,双季秸秆处理显著提高冬小麦拔节期0-40 cm铵态氮含量。(4)从冬小麦整个生育期来看,氮素积累量呈先增加后降低的趋势,在拔节期达到最大值。与传统耕作相比,连续2年免耕在扬花期分别提高茎、叶和穗的平均氮素积累量44.3%、80.5%、70.9%,成熟期降低了茎的平均氮素积累量14.1%,而显著增加了穗和籽粒的平均氮素积累量;免耕和双季秸秆还田处理较传统耕作显著提高营养器官氮素转移量、转移率和对籽粒的贡献率(P<0.05)。深松耕作并不能持续促进氮素向籽粒中的转运与吸收,就小麦植株氮素转运持续性效果来看,免耕>双季秸秆还田>深松耕作。(5)RZWQM2模型对不同耕作措施土壤分层水分(0-100cm)、冬小麦生物量和产量的率定验证效果较好,而对不同耕作措施土壤剖面硝态氮(0-100 cm)和土壤表层有机碳的率定验证效果较差。利用RZWQM2模型对耕作方式转变前后土壤水分、氮素和有机碳变化比较结果表明,当传统耕作转变为免耕处理后显著提高了土壤0-100cm贮水量,降低了土壤水分损失,提高了水氮利用效率和土壤表层有机碳含量及冬小麦产量。因此,该模拟条件下传统耕作转变为免耕后土壤蓄水保肥增产效果最佳。