本研究选择以曲周为代表的华北平原为研究对象,在不同种植体系的长期定位试验中,布置田间15N试验,分析优化作物水肥管理、增加土壤碳归还及固氮作物种植等措施对作物吸氮量、土壤残留量及氮肥损失量的影响及内在联系,探讨不同水肥管理措施作物氮素吸收、分配情况,解析花前花后土壤-肥料-植物三者间的氮素特征,追踪不同作物生产体系下氮肥去向及后效,初步评价设定的新生产体系的可持续性,探索华北地区集约种植下实现资源高效利用与农业可持续发展的途径,为该地区高产体系氮肥优化管理提供理论依据及技术支撑。主要结论如下:　　 (1)在本试验条件下,合理水氮调控及碳素归还可以显著提高作物产量及氮肥利用率。冬小麦-夏玉米轮作体系优化处理作物产量、吸氮量及氮肥利用率都显著高于传统处理。传统与优化处理小麦籽粒产量分别为4558.6kg/hm2和6164.8kg/hm2;15N利用率分别为18.19％、34.81%。夏玉米优化处理的籽粒产量显著高于传统,达到9685.4kg/hm2;15N利用率分别为32.54%、20.81%。在冬小麦-夏玉米-春玉米、冬小麦-夏大豆-春玉米、一年一作春玉米三个轮作体系中,春玉米产量、吸氮量及氮肥利用率均未表现出显著性差异。三种轮作体系春玉米产量分别为10859.0kg/hm2、9639.2kg/hm2、10547.3kg/hm2,氮肥利用率分别为29.16%、26.83%、30.38%。　　 (2)作物地上部各器官土壤氮的积累及向籽粒的转移量均显著高于肥料氮,土壤氮是作物的主要氮源,适当氮肥胁迫可以促进作物对土壤氮的吸收。小麦各器官土壤氮和肥料氮转移量均表现为:茎+叶鞘＞叶片＞颖壳+穗轴,传统和优化处理各器官总氮转移量分别占籽粒含氮量的81.25%和62.14%,传统处理籽粒氮素大部分来自于花前积累,且肥料氮的贡献率较大。夏玉米各器官肥料氮和土壤氮的转移量表现为:茎+叶鞘＞叶片＞苞叶+穗轴,传统处理籽粒氮素的57.73%、优化处理籽粒氮素的45.15%来自于各器官转移,夏玉米籽粒几乎一半的氮素是在花后积累,基施高氮对作物产量形成作用不大。春玉米花后各器官对土壤氮及肥料氮转移量表现为:叶片＞茎十叶鞘＞苞叶+穗轴,叶片是春玉米最大的氮素储存器官,三种轮作体系春玉米花前氮贡献率分别为40.27%、50.48%、54.62%。　　 (3)过量施用氮肥导致作物体系内土壤氮素累积,在水分充沛的条件下随水向下运移。小麦优化处理土壤剖面0-100cm硝态氮和标记15N含量显著低于传统处理;传统处理15N含量随土壤深度增加表现为先增加后减小,40-60cm出现了明显的累积峰,峰值为0.18-0.22%之间。夏玉米开花期硝态氮和标记15N积累于土壤表层,生长后期硝态氮和标记15N向下运移,传统处理土壤剖面通体标记15N原子百分超较高,且出现了明显的累积峰。春玉米季氮素随水向下淋移强烈,收获时土壤各层15N原子百分超均较大,并且在40-60cm处出现明显的累积峰。　　 (4)在本试验条件下,小麦季氮肥总去向表现为:土壤残留＞作物吸收＞损失,传统处理收获后土壤氮肥残留率高达69.33%,显著高于优化处理(39.17%)。夏玉米季传统处理仍表现出严重残留,残留量为140.46kg/hm2,传统处理氮肥去向表现为:土壤残留＞损失＞作物吸收,优化处理表现为:土壤残留＞作物吸收＞损失。春玉米季氮肥总去向表现为:土壤残留＞作物吸收＞损失,氮肥损失率在5.9-12.42%之间,显著低于夏玉米(23.00%、18.83%),合理调控追氮时期与用量显著降低了氮素损失。　　 (5)土壤氮库盈亏与氮素投入量相关,盈余程度随施氮量的增加而增加。小麦收获后传统处理土壤氮库大量盈余,高达176.25kgN/hm2,而优化处理仅盈余1.27kgN/hm2。夏玉米收获后传统和优化处理土壤氮库都处于盈余状态,盈余量分别为76.36、88.67kgN/hm2。三种轮作体系的春玉米收获后土壤氮库均处于盈余状态,盈余量分别为55.54、80.35、50.27kgN/hm2。　　 (6)在冬小麦-夏玉米轮作体系,后茬夏玉米能够吸收利用前茬小麦残留的氮肥。传统处理前茬高量残留提高了后茬作物对15N的吸收,吸收量为27.58kgN/hm2,明显高于优化处理(10.26kgN/hm2),但15N利用率差异不显著。后茬玉米收获后优化处理土壤剖面通体15N丰度较小,未出现累积峰;传统处理表现出较高的15N丰度,且在40-60cm出现明显的累积峰,峰值为0.13%,前茬标记氮肥在夏玉米季淋移强烈,运移前锋已达120cm处。