华北高产粮区冬小麦-夏玉米种植体系内集约化生产中水氮过量投入导致地下水硝酸盐等面源污染问题突出,亟待解决。本研究选择1990年以来江北建成的第一个吨粮县-桓台县为研究区域,在课题组前期工作基础上,通过收集整理历史资料、实地采样测定等手段,并借助GIS技术完善并建立该县土壤基础理化性质数据库。利用数据库中土壤化学性质部分,借助GIS及地统计学方法相结合分析桓台县第二次土壤普查以来(1982-2011)耕层土壤有机质的时空变异特征及其成因,并为区域尺度模拟计算提供碳素初始值输入；整理分析1980-2010年桓台县年鉴统计资料化肥投入、粮食产量数据,对该县实际肥料投入、作物利用情况进行研究,初步确定该县合理施氮水平；在对模型校验的基础上,借助土壤属性数据库分析桓台县土壤物理和水力学参数空间分布特征,建立全县土壤物理和水分参数图层,完成区域尺度模拟所需的参数准备工作；在输入该县土壤理化参数图层的基础上,应用模型对县域尺度下农田的水氮迁移转化过程及作物产量进行了模拟,以探讨不同水氮管理方式对控制氮素损失及维持作物产量方面的效应及可行性,得到的主要成果及结论如下：(1)1982年、1996年和2011年桓台县表层土壤有机质的平均含量分别为13.24、15.06和18.73g kg-1,后15年较前14年增速加快了近一倍,人为因素对土壤有机质含量的影响在增强。1982-1996年土壤有机质的提高主要是土壤利用方式调整和农民种粮积极性改变带来的有机无机肥料投入,不同类型土壤中有机质含量差异显著。而1996-2011年土壤有机质的提高可能是秸秆的大量还田,而不同类型土壤中有机质含量差异逐渐减小。(2)分析1980-2010桓台年鉴中相关数据后发现,近30年来,桓台地区单播面积上化肥投入量很大,超过了全国高施肥量区平均值。近年来,该县化肥投入正逐步由复合肥替代传统氮磷钾化肥,氮磷钾肥仔施用比例上趋于平衡。肥效随施肥量增加而迅速降低,表明当地单纯依赖化肥投入增产的做法是不科学的。初步研究结果表明,桓台县氮肥投入210-284kg hm-2范围内均可维持粮食产量,并以此作为制定供区域尺度模拟的水氮管理方案的参考。(3)对WHCNS (soil water, heat, carbon and nitrogen simulation)模型的校验结果表明：根区内土壤水分动态以及作物地上部生物量的模拟值与实测值吻合较好,土壤剖面无机氮含量的模拟值与实测值总体趋势一致,校验效果在可接受范围内。为了解决在区域尺度上对土壤水氮运动数值模拟中土壤水动力学参数难以获得的问题,采用土壤传递函数方法(PTFs),根据容易获得的土壤质地等属性应用Rosetta及SPAW Hydrology模型对桓台县区域容重、饱和导水率、饱和含水量、残余含水量、田间持水量、萎蔫点等重要的土壤物理及水力学参数进行预测。研究表明,土壤粘粒含量分布受到成土母质影响较大,预测结果中各参数变异程度合理,可以作为模型在该尺度下运行的基础输入参数。(4)县域尺度下模拟结果显示,相比当地常规水氮管理方案,采取优化的水氮管理方案,虽然冬小麦和夏玉米产量分别下降了4.8%和0.7%,但是由此节约的水氮投入分别达到40%和33%(小麦)及33%和33%(玉米)：同时在冬小麦和夏玉米季的氮素利用效率分别提高了28.6%和17.3%,水分渗漏的减少使水分利用效率,尤其冬小麦和夏玉米季的灌溉水利用效率分别提高了60.9%和45.1%,且2m土体内氮素淋失和残留降低。通过优化氮素投入,可节约肥料投入成本436元/hm2,全县在轮作周年可节约成本投入1053.8万元,同时实现了经济与环境效益双赢的目标。