水分和养分是作物高产保证的最主要因素。提高水分利用效率是保障作物高产及合理减少水资源利用的关键之一。氮是作物必需养分中最主要的营养元素，而施用氮肥引起的地下水硝酸盐污染问题越来越被重视。以CO2浓度、温度增加为代表的气候变化改变着全球水循环格局，使一些地区的水循环水环境受到不同程度的影响。因此，在气候变化背景下，进一步揭示农田水氮运移转化机理是合理高效利用水资源、保障粮食高产、减少水污染等问题的前提。气候变化下水氮运移研究的方法多采用日间试验、室内土柱、模型研究等，而多数出间试验无法控制土壤条件、地下水位条件，室内土柱等室内控制实验无法控制地上部分环境条件，模型模拟虽能同时控制地上与地下部分条件，但由于各方面参数的复杂性，必然存在多方面的不确定性。　　本文以华北平原主要粮食作物夏玉米为研宄对象，模拟4种环境要素控制情景:北京正常年气候控制条件（土体下边界自由排水情景）、考虑地下水位控制条件（定地下水位2.5m）、温度升高2℃、CO2浓度倍增至700ppm。利用五水转化动力过程实验装置，实现人工气候室-称重式蒸渗仪-土壤水分监测与提取系统-地下水供排水系统一体化控制，同时设定均质与层状两种土壤类型;开展不同气候条件下夏玉米水氮运移及生理生态响应过程动态监测试验，结合氢氧稳定同位素技术确定SPAC各界面处水分通量，明确夏玉米SPAC界面水分转化关系，阐明作物和土壤剖面氮素含量和硝酸盐运移规律，揭示夏玉米SPAC界面水氮运移过程及其对气候变化的响应机制，为达到玉米高产高效、合理节水、保护生态环境目的提供理论基础。　　本研究获得的主要结论如下:　　(1)采用实时、定时监测和氢氧稳定同位素技术将SPAC界面水文要素定量化，系统阐述了北京正常年气候条件下夏玉米生长及水氮运移:均质与层状土壤夏玉米叶面积指数与株高最大值分别为3.1、3.3和188.3、192.0cm。土壤含水量总体上基本分为:显著变化层(20-83cm)、缓慢变化层(83-140.5cm)、基本不变层(140.5-240.5cm)。均质与层状土壤夏玉米根系吸水深度最大值出现在V12-VT，均为100.5cm处。均质土壤120.5cm以上土层土壤水溶液中硝态氮含量有亏缺，层状土壤生育期前后无亏缺现象。　　(2)摸清了考虑地下水位控制条件下夏玉米水生长及氮运移:均质与层状土壤夏玉米株高与叶面积最大值分别为200.3、222.5cm和2.9、3.5。叶绿素含量最大值分别为57.0、59.9。土壤储水量变化水平均值分别为-2.6、-2.9mm。总蒸散发分别为321.2、344.1mm。均质土壤夏玉米根系吸水深度的最大值为82.5cm，出现在V12-VT，层状土壤夏玉米根系在200.5cm土层深度的吸收比例为0-59％。均质与层状土壤土壤每日地下水补给量均为0.2mm。均质与层状上壤夏玉米叶片含氮量均在大喇叭口期达最大值(3.3％、3.4％)。均质与层状土壤夏玉米生育期内土壤溶液硝态氮含量先增加后降低，生育期前后土壤剖面铵态氮含量无明显亏缺，硝态氮含量无亏缺反而增加。　　(3)查明了温度增加2℃条件下夏玉米生长及水氮运移，解释了夏玉米生长及水氮运移对温度增加2。℃的响应:均质与层状土壤夏玉米叶面积指数最大值分别为2.5、2.7和200.3、222.5cm，叶绿素最大值分别为57.0、59.9。土壤日储水量变化水平均值分别为-3.0、-3.1mm。总蒸散发分别为330.1、339.5mm。均质与分层土壤每小时蒸散发最大值均为0.3mm，平均值均为0.1mm。日尺度蒸散发分别为2.8、2.9mm。均质与层状土壤根系吸水深度最大值分别为100.5、140.5cm。均质与层状土壤每日地下水补给量均为0.2mm。均质与层状土壤叶片含氮量均在大喇叭口期达最大值(3.6％、3.7％)。生育期前后均质与层状土壤剖面土壤水溶液中硝态氮含量无明显亏缺现象。结果表明，温度增加2℃对夏玉米的生长具有正效应。　　(4)阐明了CO2浓度增至700ppm条件下夏玉米生长及水氮运移，解释了夏玉米生长及水氮运移对CO2浓度增至700ppm的响应:均质与层状土壤夏玉米株高和叶面积最大值分别为152.8、157.8cm和3.3、3.6。茎粗最大值分别为2.4、2.6。叶绿素含量最大值分别为598、60.1。土壤体积含水量变化基本分为:显著变化层(0-53cm)、缓慢变化层(53-140.5cm)、基本不变层(140.5-265.5cm)。均质与分层土壤每小时蒸散发平均值均为0.1mm。日蒸散发的平均值分别为2.6、2.7mm。根系吸水深度最大值分别为200.5、100.5cm。均质土壤每日地下水补给量均为0.2mm。叶片含氮量均在大喇叭口期达到最大值，分别为3.2％和3.3％。生育期前后均质与层状土壤剖面土壤水溶液中硝态氮含量有明显亏缺现象，且层状土壤亏缺较明显。结果表明，CO2浓度增至700ppm对夏玉米的生长是正效应。　　(5)系统阐明了不同条件下夏玉米生长及水氮运移的差异:北京正常年气候条件，与考虑地下水位控制条件相比，叶而积与株高均有降低趋势。温度升高导致玉米叶片叶绿素含量提高。生育后期叶面积下降明显，但株高和茎粗无显著的减小趋势。CO2浓度倍增使叶面积峰值分别增加了18.0％，14.0％。抽雄吐丝期之前叶绿素降低，到成熟期增幅分别为7.0％、24.0％。茎粗有增加的趋势，峰值增幅分别为-2.2％，1.4％，各生育期株高降低，峰值分别降低了-23.7％，-29.1％。　　北京正常年气候条件、温度增加2℃条件和CO2倍增条件下与考虑地下水位控制条件相比，平均日蒸散发强度增幅分别为13.2％、6.7％，-0.7％。温度增加2℃条件和CO2倍增条件下与考虑地下水位控制条件相比，平均日地下水补给量均增加了9.5％。北京正常年气候条件、温度增加2℃条件和CO2倍增条件与考虑地下水位控制条件相比，平均每日土壤储水量增幅分别为16.0％、9.1％，-1.5％。　　北京正常年气候条件与虑地下水位控制条件相比，均质土壤叶片和穗中氮含量降低，茎中氮含量增加，层状土壤夏玉米叶片、茎、穗的氮含量均增加。增温使均质与层状土壤夏玉米叶片、茎、穗的氮含量在整个生育期的平均值均表现出增加的趋势。CO2浓度倍增后，均质与层状土壤夏玉米叶片、茎、穗的氮含量均降低。　　(6)运用多重比较方法揭示了不同条件下夏玉米产量及水氮生产力的差异:北京正常年气候条件、温度增加2℃条件和CO2倍增条件与考虑地下水位控制条件相比，夏玉米的总耗水量分别增加了15.7％，0.6％，0.2％，水分利用效率的变化幅度分别为-12.4％，10.7％，1.7％，产量分别增加了0.9％，11.0％，1.6％。夏玉米的氮肥偏生产力也分别增加了0.9％，11.0％，1.6％。不同控制条件之间总经济产量和氮肥偏生产力差异不显著，耗水量和水分利用效率之间差异显著(p＜0.05)。