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保障粮食安全和农业可持续发展是我国农业发展的根本目标。随着我国人民生活水平的提高和人口增速的减缓,对口粮的需求趋于稳定,而饲料用粮和工业用粮需求还在不断增加,70%以上的玉米被转化为饲料。华北平原是我国重要的小麦、玉米生产基地,水资源短缺、养分效率不高等问题已经成为制约农业可持续发展的主要限制因子之一。本研究以河北省曲周县为例,分析了华北平原当前传统种植模式冬小麦-夏玉米体系(W-M)和冬小麦／春玉米／夏玉米(W/M/M)及春玉米-夏玉米(M-M)等三种种植体系的作物产量和养分水分利用效率,并在此基础上探索技术优化的潜力。探讨通过华北平原种植体系的调整和作物合理搭配来实现粮食增产、资源高效的可能途径。主要研究结果如下：(1)在传统管理模式下,三种种植体系中W-M种植体系能获得最高的产量,两年周年平均产量可达17.1 t ha-1。W/M/M种植体系和M-M种植体系均能获得较高的玉米产量,其中M-M种植体系周年玉米产量最高,可达15.0tha-1。玉米产量的增加是以牺牲小麦的种植面积和小麦产量来获得的。(2)在传统管理模式下,不同种植体系养分资源利用显著不同。W-M种植体系的氮素和磷素利用效率最高,分别为49.1 kg kg1和297.4 kg kg-1。从养分的表观平衡来看,W/M/M种植体系周年N和P205的盈余最少,较W-M种植体系N盈余减少80 kg ha-1,P205盈余减少17 kg ha-1。从肥料利用来看,W/M/M种植体系氮肥和磷肥利用效率较W-M种植体系高18.6%和9.0%。(3)在传统管理模式下, M-M种植体系周年耗水量最少约为657 mm,灌溉需求最少约为224 mm。较W-M种植体系耗水减少约200mm,灌溉需求量减少100mm以上。同时M-M种植体系水分利用效率最高。(4)优化管理使小麦的平均产量提高20%以上。因此W-M种植体系和W/M/M种植体系周年产量显著提高。优化管理使W-M种植体系和W/M/M种植体系N和P205盈余有减少的趋势,其中W/M/M种植体系盈余最少。优化管理后W-M种植体系和W/M/M种植体系水分利用效率显著提高20.9%和26.2%,而M-M种植体系水分利用效率没有显著变化。优化管理使三种种植体系灌溉水需求都有所减少,其中M-M种植体系灌溉水需求最少低至177 mm。在本试验的条件下,在这三种种植模式中W-M的种植模式可以获得最高的产量,对于保证粮食安全是比较合适的选择。W/M/M种植模式有较高的肥料利用效率和肥料偏生产力以及较少的养分盈余,有利于养分资源的高效利用。M-M种植模式对灌溉水的需求少,有利于水资源的可持续发展。通过对三种种植体系进一步优化能够在实现增产的条件下提高养分和水分资源的利用效率。