本研究针对华北平原水资源不足、氮肥投入过多和水氮资源利用效率低等问题，在北京海淀区东北旺乡中德合作项目试验地开展了三年(1999-2002)的冬小麦．夏玉米轮作制度下不同水肥处理试验，另外分别在华北平原的北京东北旺乡、曲周和吴桥三个典型代表区于2005年进行了不同种植制度的水氮试验，应用土壤．作物系统水氮过程及作物生长联合模拟模型SPWS(Soil and Plant system，Soil Water and Solute transport)定量研究了传统灌溉、传统施肥和优化灌溉及优化施肥不同组合管理措施下以及40年不同降雨年型下对农田水氮利用效率及其环境效应，同时探讨了不同种植制度对农田水氮利用效率及环境效应的影响。全文主要结论如下： 在1999-2002连续三年华北平原冬小麦．夏玉米一年两熟轮作下，优化处理的水分利用效率和氮素利用效率均有不同程度提高，冬小麦的水分和氮素利用效率范围分别为1.14-1.44 kg/m<3>和 26-42 kg/kgN，比传统处理提升9-20％和34-75％：夏玉米水氮利用效率分别为1.5-2.4 kg/m<3>和42-52 kg/kgN，比传统处理提高了5-15％和63-90％，优化水肥处理的水氮利用效率在四个水肥处理中最高，节氮潜力明显。 优化灌溉和优化施肥对氮素损失(氨挥发、反硝化和硝酸盐淋洗)减弱作用上存在互作效应，1999-2002年冬小麦-夏玉米三年轮作下的年平均硝酸盐淋失量为7 kg/ha，为传统水肥的10％：氨挥发和反硝化损失分别为传统水肥的17-23％。 优化水肥处理在作物生长季结束后，能不同程度提高土体储水能力，冬小麦季明显减少了水分渗漏量，夏玉米季提高了土体湿润程度。优化水肥处理的作物根系有向下延展趋势，能充分利用深层次的氮素，与传统水肥1999-2002年三个轮作周期根层氮素变化量588 kg/ha相比，优化水肥处理作物根层氮素变化量为61 kg/ha，明显减少了氮素在土体的累积量，降低了硝酸盐向下淋失对地下水的潜在污染风险。 2005年华北平原东北旺、曲周和吴桥三个实验点优化水肥处理的夏玉米产量与传统水肥处理的产量对比下，吴桥优化水肥处理产量为9135kg/ha，增产3％。各地优化处理水肥利用效率均比传统处理高出2.5-8％，42-76％；春玉米单作以曲周试验地氮素利用效率最大，为39.7 kg/m<3>；东北旺春玉米轮作比单作的水氮利用效率要大。 在北京地区1961-2001年间，PS1和PS2条件下冬小麦产量平均值分别为10066和7193kg/ha，PS3条件下在干旱年各处理产量平均值最大，其中优化灌水传统施肥处理的产量为5304kg/ha，大于传统水肥处理。干早年，平水年和丰水年的最大水分利用效率分别为1.7、1.6和1.5 kg/m<3>。氮素利用效率最大值分别为34.7、34.1和30.3 kg/kg N。较优化作物产量和环境效应的冬小麦水氮推荐管理方案为灌水用量为263mm(分别灌越冬水，返青水，拔节水和扬花水)，氮肥用量为111-200kg/ha，冬小麦产量能达到6000kg/ha以上。