近年来,水资源匮乏已成为限制华北平原农业可持续发展的主要问题之一。传统冬小麦-夏玉米一年两熟制耗水量较大,寻求新的种植模式,探讨不同模式资源利用情况,在降低耗水量同时维持较高产量水平很有必要。一年一熟制玉米能有效减少地下水消耗,但产量也大幅降低。两年三熟将一年一熟与一年两熟相结合,两年总产量较一年两熟仍有一定程度降低,但水分消耗也显著减少。归结起来,以麦玉为主的新型种植模式产量能否进一步提升,关键在于玉米产量潜力的发挥。因此,本研究结合多年试验数据,通过优化播期、密度等栽培措施提高玉米产量,在此基础上,综合分析评价了几种不同轮作体系产量、经济效益、地下水消耗等指标,以期筛选出适应该地区水资源状况的节水高效农作制度,旨在为该区农业高产高效可持续生产提供理论和实践依据。主要研究结果如下:1.播期调整可改变生育期内光温生产条件,对产量形成有重要影响。5年田间试验结果表明,早播花期前后高温和晚播成熟前低温均对产量有显著影响。不同播期下,花前5天平均最高温与相对产量呈显著负相关关系;花后5天平均最高温与相对产量呈极显著二次曲线关系,当花后5天平均最高温为31.8℃时能够达到最高相对产量;成熟前5天和10天平均最低温与相对产量均呈极显著二次曲线关系,成熟前5天和10天平均最低温分别为13.0℃和13.6℃时,能够获得最高相对产量。通过分析多年气象数据发现,早播花期前后高温发生概率高于中播和晚播,而晚播成熟前低温发生概率明显高于早播和中播。因此,中播处理为最佳播期选择,以吴桥地区为代表的华北平原玉米最佳播期在5月中旬至6月上旬。2.增密是提高玉米产量的重要栽培措施。随种植密度增加,郑单958和华美1号春、夏播玉米产量均表现为先增加后降低的趋势,叶面积指数呈显著增加趋势,但穗位层净光合速率和透光率则呈明显降低趋势,倒伏率亦呈显著增加趋势。综合密度与相对产量相关关系及产量、净光合速率和倒伏率三者关系可以得出,当郑单958春播密度在9.0-9.2万株/公顷,夏播密度在8.25-8.6万株/公顷时,能够获得较高产量;华美1号春播密度在10.5-10.6万株/公顷,夏播密度在9.7-10.5万株/公顷时,能够获得较高产量。3.轮作周期总产量以冬小麦-夏玉米一年两熟传统模式和吴桥模式最高,且显著高于其他处理。最小灌溉模式和双季玉米模式产量虽低于传统模式和吴桥模式,但显著高于两年三熟和一年一熟模式,尤以一年一熟模式产量最低。生物量与产量变化趋势一致,以传统模式和吴桥模式最高,一年一熟玉米模式最低。不同轮作体系光温资源利用情况仍以冬小麦-夏玉米一年两熟3种模式利用率最高,其次为一年两熟双季玉米,以一年一熟玉米模式利用率最低。4.灌溉量的增加会显著增加作物耗水量。一个轮作周期下总耗水量以传统模式耗水量最高,其次为吴桥模式和最小灌溉模式。相比于冬小麦-夏玉米一年两熟3种模式,两年三熟、双季玉米和一年一熟模式耗水量显著降低,水分利用效率显著提高。根据地下水消耗量在150 mm范围内时能够维持地下水平衡的原则,以最小灌溉模式、两年三熟、一年两熟双季玉米和一年一熟模式符合要求,能够维持华北地区地下水平衡。5.冬小麦-夏玉米一年两熟传统模式和吴桥模式表现为高投入、高产出和高收益。最小灌溉模式在灌溉费用降低的同时周年产量也有显著下降,经济收益与传统模式无显著差异,但显著高于两年三熟、双季玉米和一年一熟模式。一个轮作周期下总体环境效应表现为双季玉米模式影响最为严重,其次为一年两熟传统模式,其他处理对环境影响相对较小。综合考虑粮食安全、地下水平衡及环境影响等,传统模式和吴桥模式地下水消耗量较高,未来不可持续;一年一熟模式地下水消耗大幅降低同时产量也显著降低;双季玉米模式环境影响严重,且早春播玉米易遭受低温冷害。综上所述,以两年三熟和最小灌溉模式最适宜华北地区现有资源状况,且能够兼顾粮食安全和地下水平衡,为现阶段最佳轮作模式。