华北平原是我国的主要粮食产区,主要农作物是小麦与玉米。但是因为作物需求,长期投入大量的水肥资源,导致生态环境遭到破坏且水肥利用率低,制定合理的农田的灌溉施肥制度将成为解决问题的办法之一。由于土壤属性具有高度变异,因此,研究土壤水分、养分的空间变异性、对产量的影响及土壤墒情监测优化布设方法都有着至关重要的作用。本研究主要以小麦、玉米为研究对象,测定土壤粒径含量、容重、水分、养分及作物产量,结合经典统计学与地统计学理论,分析各个土壤指标的空间变异规律。主要研究结果如下:(1)土壤有效最大含水量在0～40cm与0～80cm深度均满足正态分布,其变异系数分别是14.96%和13.56%,表现为中等程度的变异;运用经典统计学方法获得在置信区间90%、采样误差10%情况下,0～40cm和0～80cm深度的合理采样数分别为6个和5个,并采用地统计学方法确定了具体布设位置。以129个样点估算的区域含水量作为实测值,依据优化采样点估算的区域含水量误差均低于10%,因此基于有效最大含水量的土壤水分监测优化布设方法可以在保证区域测量精度情况下,大幅减少采样点数量。(2)试验区域内土壤粘粒、粉粒及砂粒含量均表现中等程度的变异,土壤容重表现为弱变异;粘粒、粉粒含量的空间分布基本一致,随着深度的增加,粘粒、粉粒含量逐渐减少,而砂粒含量随着深度的增加逐步增大,土壤容重各土层的分布情况基本一致。不同作物下土壤含水量、氨氮量均表现为中等程度变异,土壤硝氮量变异性较强。(3)在没有其他因素影响的单因素条件下,土壤含水量、土壤氨氮、土壤硝氮量分别能解释作物产量大约80%以上的变化,并且相对产量会随着水肥标准化变量值的增大而增大后趋于稳定的状态,并绘制产量比值的空间分布图。在没有缺乏水肥的条件下,土壤质地与容重对作物产量起着至关重要的影响,在相对缺乏地区,对产量的影响因素尚不明确,还需继续探究。