华北平原是我国的重要粮食产区，水资源严重亏缺和过高的氮肥投入带来了一系列环境问题，针对华北主要粮食作物冬小麦开展水氮耦合提高农田水分利用效率的机理和调控研究有重要意义。本研究在中国科学院栾城农业生态系统试验站于2010-2011、2011-2012冬小麦两个生长季开展了田间试验和桶栽试验，田间试验共设6个灌溉处理，从不灌溉到灌溉5次水;桶栽试验包括水氮耦合试验和水氮空间调控试验。水氮耦合试验，包括3个水分水平和5个N素水平，共设15个处理;水氮空间调控试验包括2种不同的施肥位置，3种不同灌溉位置和3个灌溉水平的9个处理。通过详细测定不同处理作物生长过程、耗水过程、产量形成过程、地上地下发育及其生理生态特征，研究不同水氮条件对华北主要作物冬小麦不同水平水分利用效率的影响及其相互关系，为农田水氮优化管理提供参考。两年试验研究结果显示:　　 冬小麦根系在土壤中遵循指数递减规律，主要分布在80cm以上土层，其中0-20cm土层所占比例最大，占总根量的50-70％。干旱最终会限制根系的生长，随着N肥用量的增加，总根重减小。根层上部施肥灌水和全部施肥灌水能够促进根系在土壤上层的分布。根系的吸水层次主要是土壤上层，灌溉较好的处理在0-80cm土层吸水较多，而灌溉次数少的处理在80cm以下土层吸水的比例较大。根系的吸水模式是由上而下，在根系集中的土壤上层吸水其水流通量大，水流通量中N素的浓度高。因此，保持主要根层较好的水分和养分条件能够促进水分和养分的吸收，而养分和水分在土壤剖面的分布也影响作物根系分布。　　 水氮通过影响气孔导度（gs）调控作物叶片的光合和蒸腾。田间测定结果显示，当100cm土层土壤含水量在65-68％左右的田间持水量时，可实现消减叶片奢侈蒸腾耗水，而对叶片光合速率(Pn)不产生影响，从而提高叶片水平的光合效率。在适度水分亏缺条件下，增施氮肥可促进叶片光合效率的提高。而根系吸水位置的土壤氮含量，影响进入到根系水流通量中的N浓度，水流通量中氮浓度越高，冬小麦叶片光合速率也越大。结果显示在水分适度亏缺条件下作物根系吸水的氮量增加可缓解水分亏缺导致的叶片光合速率的降低。　　 抽穗开花期是冬小麦生物量累积速率最大的时期，其次是灌浆期。阶段耗水量也表现出同样的趋势。冬小麦生育期蒸散量(ET)随着灌溉、降水和气候条件的影响变动在210-530mm之间，灌溉次数越多的处理ET越大，对土壤储水消耗所占比例越小。在低肥力的土壤上，N肥的增加会使ET增加，而在肥力较好的土壤上，N肥的增加有使ET降低的趋势。冬小麦整个生育期生物量累积和总耗水之间的关系受气象因素的影响表现为直线关系和二次曲线关系。阶段耗水和阶段生物量的积累关系同总耗水和总生物量的积累关系一致。在整个生育期的不同阶段，生物量水平水分利用效率（WUEbiomass）的变化表现为“W”型曲线，抽穗开花期达到最大。　　 在特别干旱的条件下，作物分配到根系的干物质明显增加，根冠比增加。当0-60cm土层土壤含水量维持在田间持水量的60％以上时，土壤水分条件对根冠比影响较小。随着氮肥用量的增加，冬小麦根冠比减小。说明在低氮条件下，作物为了获得更多的养分分配到根系的同化产物会增加，而在氮素充足时，不需要太大的根系就可以吸收足够的养分。根冠比与WUEbiomass以及整株生物量水平水分利用效率(WUEwhole)之间均为显著的负相关关系。因此，通过适度水氮供应，维持适中的根冠比对提高作物WUE有重要作用。　　 田间试验结果显示冬小麦产量和总耗水之间是二次曲线关系，当耗水量为最大耗水量的85％左右时产量最高。过多的灌溉增加了土壤蒸发和叶片奢侈蒸腾。而控制土壤蒸发的桶栽试验结果显示，产量和总耗水量之间呈显著直线关系，这种直线关系受到N素水平的影响，随着N素水平的提高，单位耗水生产力增加;当N素达到一定水平时，再增加N素供应，籽粒产量不再改变。上述结果显示农田耗水与产量是直线还是二次曲线关系取决于土壤蒸发的大小，在大田试验条件下由于土壤蒸发的存在，导致灌溉量大的处理土壤蒸发耗水多，增加了农田蒸散，并没有增加产量。因此通过优化灌溉制度和灌溉技术减少农田蒸发耗水对提高作物WUE有重要意义。　　 对冬小麦不同阶段WUEbiomass，叶片水平水分利用效率(瞬时水分利用效率WUEins和内在水分利用效率WUEint)，产量水平水分利用效率(WUEgrain)和碳同位素辨识(△13C)等之间的相关关系分析表明，拔节期和灌浆期冬小麦旗叶△13C和阶段WUEbiomass相关性显著，灌浆期籽粒△13C和WUEins,WUEint,WUEbiomass以及WUEgrain均呈显著负相关关系。随着灌溉次数的增加，gs增加，△13C增加，叶片水平水分利用效率和长期水分利用效率(WUEbiomass，WUEgrain)都降低;随着N素供应增加，叶片气体交换参数减小，△13C降低，叶片水平水分利用效率和长期水分利用效率都提高。叶片水平的水分利用效率与WUEgrain在灌浆期正相关关系显著，灌浆期叶片水平的水分利用效率可以表征生物量水平和产量水平的水分利用效率。　　 上述结果显示，根层水氮通过调控根系分布和吸水影响水流通量大小及水流通量中的N素浓度，进一步调控气孔开关，影响叶片光合速率，并通过调控生育期耗水、生物量的累积和干物质在地上和地下的分配影响WUEbiomass和WUEgrain。优化水氮供应可以提高作物不同水平上的水分利用效率。