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华北平原是我国最大的农业主产区,近年来,其农业系统的整体表现备受关注。农业生产系统模拟模型作为一种工具,被广泛的用于分析华北平原作物的产量及其资源(水、肥)利用效率。本研究立足于华北平原冬小麦夏玉米轮作一年两熟区典型农田生态系统,以中国农业大学河北省吴桥试验站冬小麦不同水氮耦合试验数据为支撑,利用澳大利亚农田生态系统模拟模型(APSIM)对华北冬小麦植株临界氮浓度和根层分布进行模拟分析,并将作物生产力、环境效应置于长期气候波动背景下,分析长期不同灌水和施肥水平对农田生产力与生态效率的影响。主要研究结果如下：1.利用华北平原吴桥试验点的冬小麦实测数据对APSIM模型进行了参数修正和验证。模型验证结果表明冬小麦的生物量和产量的模拟值和实测值之间的决定系数(R2)分别为0.88和0.83,均方根误差(RMSE)分别为1.1和0.73t/ha,表明APSIM模型能够较好地模拟华北冬小麦的生物量和产量。2.本研究首次尝试用APSIM模型模拟华北平原冬小麦根系生长与根层分布。与吴桥地区冬小麦不同生育期实测的0-200cm土层的根干物重和根分布相比较,发现APSIM模型低估了冬小麦根的下扎速率和根深,约100-200%高估了成熟期的根干物重和根冠比。通过修改APSIM模型中根下扎速率和干物质向根的分配比例等参数,提高了APSIM模型对冬小麦根深动态和根干物质积累动态的模拟能力。与修改根参数前的模拟结果相比,修改根参数后冬小麦成熟期根干物重的模拟值和实测值之间的决定系数(R2)由0.28提高为0.39,均方根误差(RMSE)由1.05下降至0.39t/ha。在氮肥供应充足(400kg/ha)的情况下,修改根参数对模型模拟的地上部干物重和籽粒产量影响很小,可忽略不计；在氮素亏缺(80kg/ha)条件下,修改根参数后,APSIM模拟的作物产量、水分利用效率和氮肥利用效率分别提高了9%、5%和8%,土壤表层的有机碳含量减小了约0.02%。3.本研究得出的吴桥地区冬小麦地上部植株临界氮浓度在拔节期、孕穗期、开花期和成熟期分别为3.53%、2.34%、1.86%和0.67%。与吴桥地区冬小麦各生育时期的不同器官的实测氮浓度数据相比,APSIM模型中的冬小麦不同生育期叶器官的最高和临界氮浓度值较低。根据实测数据修改APSIM模型叶和茎器官的最高和临界氮浓度值,提高了APSIM模型对冬小麦氮积累动态的模拟能力,尤其提高了在低氮投入下的APSIM模型对冬小麦叶器官氮含量的模拟能力。与认为临界氮浓度由地上部干物重决定的传统研究方法相比,本研究认为临界氮浓度由生育期决定。本研究清楚的阐明了基于生育期的临界氮浓度关系显示了更好的稳健性,一方面它反应出了受生育期控制的结构组织的形成及碳水化合物的储存,另外它可以解释不同地区基于干物重推导的氮浓度稀释曲线之间的差异,这些都表明基于生育期推导出的临界氮浓度具有更广泛的应用。4.本研究首次通过试验数据与APSIM模型模拟相结合,对冬小麦-夏玉米一年两熟轮作体系进行长期不同灌水和施肥水平的情景模拟。APSIM模型高估了冬小麦早春阶段的生物量累积,低估了玉米产量,通过修改APSIM模型中小麦积温积累和辐射利用效率与三基点温度之间的关系曲线(由线性关系修改为非线性关系),以及将玉米的辐射利用效率从1.6g/MJ提高至1.8g/MJ,提高了APSIM模型对冬小麦干物质积累动态和玉米产量的模拟能力。从麦玉轮作系统整体考虑,模拟结果表明180kg/ha/year可作为夏玉米的最佳氮肥施用量,冬小麦最佳灌水量为每年225mm,周年纯氮肥投入量为330kg/ha(冬小麦季150kg/ha,夏玉米季180kg/ha),这种水肥投入可以使籽粒产量维持在16至18t/ha,并对环境的影响降到最低,使深层水分渗漏较小,使氮反硝化作用损失和氮淋洗损失较小。这些水和氮肥投入比当地许多农民的投入更低,表明了管理措施方面存在改善的潜力。在上述最佳水、氮管理措施下,作物周年耗水总量较少,APSIM模型模拟的1961-2012年轮作周年的多年平均下渗为117mm,氮淋洗损失为12kgN/ha,氮反硝化作用损失为28kgN/ha.本文所用的研究方法和本研究结果可以用来量化华北农业生产系统的生态效率和制定相应的管理策略来提高或维持作物产量,同时减少对环境的负面影响。