依托“国家土壤肥力与肥料效应监测站网”，对不同气候带和土壤类型小麦-玉米轮作体系碳、氮循环进行了研究。重点研究了不同施肥制度下，土壤氮库盈亏规律，氮的长期效率；分析了大气氮沉降在时间和空间上的差异，并应用这些结果进行了推荐施肥的应用和验证；借助作物生长模型（APSIM）模拟小麦-玉米对施用氮肥等农田管理措施及气候变化等响应，并研究了不同的情景下农田碳汇潜力，为我国农田生态系统氮肥的高效利用和安全管理提供了技术支撑和理论基础。主要研究结果如下：1.在不施用氮肥情况下（PK处理），小麦和玉米15年平均生物量分别是：2454kg/ha和5844kg/ha；相应的籽粒产量分别是1387kg/ha和3555kg/ha。在施用氮肥且其他养分不缺（NPK,FS,FM和HF）的情况下，小麦和玉米15年平均生物量分别是10302kg/ha和11503kg/ha；相应的籽粒产量分别是4230kg/ha和5931kg/ha。我国农田普遍缺氮，氮肥施用对我国粮食安全仍是一个有力的保障措施。2.氮肥对小麦和玉米的产量贡献率（施氮处理与非施氮处理产量之差除以非施氮处理产量的百分数）15年间分别在61%到325%和24%到199%间变异，相应的平均值分别是199%和126%；对小麦和玉米的绝对贡献量最高的分别在郑州（4459kg/ha）和杨凌（3965kg/ha）。氮肥的产量贡献率小麦大于玉米，田间施氮应该优先考虑小麦。3.小麦氮的生理利用率在12.3-95.7kg grain kg-1N变动，平均值为36.9kg grain kg-1N；玉米氮的生理利用率5.5-87.8kg grain kg^-1N变动，平均值为48.1kg grain kg-1N。地上部分每多吸收1kg N,小麦可以增产35.6kg籽粒，玉米可以增产39.5公斤籽粒。4.所有处理中，氮的表观累积回收率（NREac）在4%-90%间变异，常量氮施肥（NP,NPK,FS和FM）在44%-90%间波动，平均值为71%。一年一轮作的NPK处理的NREac平均值81%，并且15年间没有多大的变化。通过3414数据验证，此回收率可以作为推荐施肥的氮回收率使用。5.结合文献数据和小麦-玉米轮作体系硝态氮累积现象，本研究推导了一系列推荐施肥公式，充分利用土壤剖面累积硝态氮，减低环境污染；并针对技术上的难推广问题，进一步完善了以产量目标为基础的氮肥推荐体系。6.利用长期PK处理地上部分氮吸收量，分析了氮沉降的时间和空间变异。结果表明，昌平，郑州和杨凌15年平均氮沉降量分别是76,80和94kg N，并且杨凌地区随时间有增加的趋势。氮沉降量与降雨没有相关性，同时暗示该体系氮沉降主要以干沉降为主。在NPK处理中，氮沉降量占总氮输入量的17%-21%，与该体系通过氮挥发和淋洗损失的量相当。7.作物生长模型APSIM对我国小麦-玉米轮作体系生物量和产量有较好的拟合，除去乌鲁木齐地区，R2在0.65以上。对未来一百年的模拟结果显示，在灌溉条件下（irrigated）：郑州，昌平，杨凌和乌鲁木齐最大生物量分别可以达到30（29），20.8，27.5和15.4t/ha；相应的籽粒产量是14.7（14），8.6,12.4和6.90t/ha。相应的平均施N量分别是：350（在R0即秸秆不还田下300），150,200和250kg/ha。在雨养条件下（rainfed）：郑州，昌平，杨凌和乌鲁木齐其平均最高生物量分别为18.7，6.6，5.1，和2.8t/ha。相应的籽粒产量分别为8.5,2.6，2.1和0.2t/ha。对一百年土壤有机碳变化模拟结果显示，在最大产量施肥条件下，秸秆不还田，郑州点，雨养和灌溉条件下都能维持土壤现有有机碳，而昌平有增加的趋势，杨凌稍微减少趋势。乌鲁木齐，显著下降，并且灌溉加速了这一进程。需要秸秆100%还田才能缓解土壤有机碳下降的趋势。