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本研究选择以曲周为代表的华北平原为研究对象，在五个不同轮作（冬小麦/夏玉米一年两熟传统管理种植体系(Con.W/M)；冬小麦/夏玉米一年两熟优化管理种植体系(Opt.W/M)；冬小麦/夏玉米-春玉米两年三熟优化管理种植体系(W/M-M)；冬小麦/夏大豆-春玉米两年三熟优化管理种植体系(W/B-M)；春玉米一年一熟优化管理种植体系(M)）长期定位试验中，设置15N微区，利用15N示踪技术，分析优化水肥管理、增加土壤碳归还、固氮作物种植等措施对作物氮吸收、土壤残留及损失的影响及内在关系，探讨不同轮作体系中化肥氮的“作物吸收-土壤残留-损失”的变化，解析作物花前花后氮素利用、转移规律，分析肥料氮、土壤氮与作物氮之间的关系，追踪分析氮肥在当季及后茬作物中的去向，寻找既能满足华北平原粮食需求又能减少地下水消耗的可持续种植体系，为该地区高产体系氮肥优化管理提供合理依据及技术支撑。主要结果如下：（1）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，本试验中冬小麦、夏玉米、夏大豆及春玉米土壤氮的累积量分别占74%、70%、90%和80%。本研究中小麦籽粒氮素大部分来自于花前积累；与小麦不同，夏玉米和春玉米各器官向籽粒中的氮素转移量占籽粒氮素的34.63%-57.74%，玉米籽粒中氮素只有50%左右来自于花前积累，基施高氮对作物产量形成作用不大；与干物质累积量相一致，夏大豆花前各器官累积氮素较少，花后各器官向籽粒的贡献率仅有16.80%。（2）Con.W/M处理硝态氮含量随土壤深度先增加后减小，传统处理高施氮肥，40-140cm硝态氮含量显著高于其他优化处理，出现了向下淋洗现象，其中40-60cm处出现累积峰，峰值为71.96mg/kg。Opt. W/M表层含量较高为55.17mg/kg，随土壤深度的增加硝态氮含量逐渐减小，大量氮肥累积在土壤表层。夏玉米和夏大豆收获后，两处理自上而下硝态氮含量变化幅度不大，各土层处理间差异不明显；W/M-M处理表层0-20cm硝态氮含量最高为33.88mg/kg，100-120cm处出现小的累积峰，峰值为13.66mg/kg；W/B-M处理呈现40cm以下先增加后降低的趋势，140-160cm处出现累积峰，峰值为13.72mg/kg，部分硝态氮随水向下运移。M处理在6.40-10.59mg/kg之间波动，由于春玉米的多次分期优化追肥使得肥料被作物高效利用，随水向下运移很少。Con.W/M原子百分超在40-100cm出现了明显的累积，高量施氮导致高残留；而且40-140cm显著高于其他优化处理，肥料氮发生了明显淋洗。其他轮作体系均表现为原子百分超随土壤深度增加而逐渐减小，与剖面硝态氮不同的是W/M-M轮作体系自上至下15N丰度均较小，肥料氮低量残留。（3）一个轮作结束后氮肥三条去向均表现为：土壤残留>作物吸收>损失。随施氮量的增加，土壤残留量及损失量均增加，但作物吸收量增加到一定值就不再增加。Con.W/M处理作物吸收、土壤残留和损失的比例约为2:6:2，Opt.W/M、W/M-M和W/B-M三轮作比例约为3:5:2，M轮作为3:6:1。适当的减少施氮量及增加追肥次数可实现作物高产下的肥料高效利用。（4）W/M-M轮作与其他轮作相比，作物收获后土壤氮库处于低水平盈余状态，盈余量21.22kgN/hm2；W/M-M轮作中当土壤氮库达到平衡时，春玉米、冬小麦及夏玉米施肥量应控制在100kgN/hm2、150kgN/hm2及170kgN/hm2左右；W/M-M轮作在高产的前提下，也能及时补给土壤氮库，具有成为可持续高产体系的可能性。（5）在本试验条件下，各轮作体系两年内总产量表现为：W/M-M> Opt.W/M>Con.W/M> W/B-M> M，分别为32249kg/hm2、31700kg/hm2、26399kg/hm2、21643kg/hm2和21094kg/hm2；综合考虑水氮投入及产出，冬小麦/夏玉米-春玉米是华北平原较为理想的轮作体系。从单季作物水氮投入及产量来看，玉米季的水氮投入低于小麦季，但产量高于小麦，玉米具有更高的生产潜力。