黄土高塬是我国西北地区的粮食来源基地,土壤养分贫瘠和水分不足限制了该区农业的发展。中国科学院长武农田生态系统国家野外科学观测研究站是中国生态系统研究网络(CERN)36个国家级野外科学研究站之一,承担对当地气象、水文、土壤、生物以及农业经济等要素进行长期动态监测。本研究以长武站长期试验监测场为基础,结合野外采样、走访调查以及室内分析的研究方法,深入探讨了农田生态系统不同施肥以及不同地形条件下土壤养分要素的长期动态演变以及相应的生物效应响应;并针对不同降雨年型下的作物水分利用效率及土壤含水量变化做了研究,探讨养分、水分和作物产量之间的关系;最后,对DSSAT模型在该研究区域的适用性做出了评价,模拟预测了不同氮素供应下的小麦产量。本研究得出的主要结论如下:(1)各施肥监测区经过10年的长期施肥管理后,土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均得到不同程度的提高。对于化肥监测区(HF),土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了1.97 g/kg、0.13 g/kg、8.42 mg/kg和8.4 mg/kg;化肥有机肥监测区(HM)各土壤养分含量分别增加了2.2 g/kg、0.06 g/kg、11.86 mg/kg和0.9 mg/kg;农民地监测区(NM)分别增加了1.44 g/kg、0.05 g/kg、3.06 mg/kg和27 mg/kg。对于无肥区(CK),长期不施肥必然会导致土壤各养分元素含量降低,土壤肥力退化。在该研究区域有机肥增加了土壤硝化、反硝化作用以及土壤微生物活性,使得土壤碱解氮只在化肥监测区(HF)出现增长,而在其它监测区均降低。在黄土高塬沟壑区,除了施肥水平外,小麦产量受生育期降水及其合理分配以及>0℃积温影响较大。(2)长期施肥可以改善塬面和梯田农田土壤的养分状况。相比于试验前,塬面土壤的有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量分别增长了0.72g/kg、0.02g/kg、1.23mg/kg和34.06mg/kg,有效磷含量出现降低;梯田土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量分别增加了2.42g/kg、0.1g/kg、15.0mg/kg和2.49mg/kg,速效钾含量出现降低。整体看出,长期施肥对梯田土壤的改良效果较塬面更加显著,这主要与梯田土壤理化性质初始水平较低有关。塬面监测区的小麦产量显著高于梯田监测区,这说明梯田土壤性质有待于进一步提高,可通过采取相应的培肥及工程措施改善梯田土壤质量,提高作物产量效益。(3)作物耗水量与小麦生育期降水量呈现正相关关系,作物水分利用效率则与生育期降水量呈现负相关关系,塬面土壤的作物耗水与水分利用效率显著高于梯田土壤。夏闲期降水对土壤水分的补给作用与降雨年型关系密切,塬面土壤的水分补给作用相对于梯田较高。在黄土高塬沟壑区农田生态系统中,0-300cm土层土壤含水量受降雨影响较为明显,各监测区在不同降雨年份0-300cm土层土壤水分的活跃层、次活跃层和稳定层深度不同。对塬面土壤来说,平水年土壤水分活跃层出现在0-100cm之间,次活跃层出现在100-180cm之间,180cm土层以下为土壤水分稳定层;干旱年份各土壤水分变化层次均出现明显上移;丰水年土壤水分活跃层较平水年深度明显增加,基本达到300cm土层以下,次活跃层不明显,0-300cm未出现水分稳定层。梯田在平水年土壤水分的波动程度分界土层为160cm;干旱年份土壤水分稳定层明显上移,为100cm土层以下;丰水年土壤水分活跃层深度明显增加,0-300cm未出现稳定层。(4)DSSAT作物生长模拟模型对黄土高塬沟壑区塬面农田生态系统中冬小麦的生长发育具有良好的适用性。通过模拟预测不同氮肥处理试验发现,在该研究区域N4M2(氮肥135kg/hm2、有机肥30000kg/hm2)为当地农田最佳的氮肥用量配比,可在减少氮肥用量的基础上维持小麦高产,进一步提高资源利用效率,降低环境潜在污染。