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黄淮地区农业生产中面临着两大问题,即水资源匮乏和氮肥利用率低。本研究在三种土壤肥力条件下设置小麦-玉米周年定位的水氮运筹试验,分析了水氮运筹对根系分布的影响及其与地上部和水、氮素利用的关系,并探究了土壤硝态氮运移规律、土壤-小麦系统氮素表观平衡特征和氮肥流向以及植株氮代谢与转运特性等。主要研究结果如下:1、探明了冬小麦土壤硝态氮运移规律及氮素表观平衡与土壤-小麦系统氮素流向。灌水、施氮增加冬小麦地上部植株氮素积累量,N240处理籽粒中氮素的分配量和比例最大,高氮处理（N300）不利于营养器官中积累的氮素向籽粒转运,但氮素表观盈余量迅速增加,收获后土壤NO3-N残留量却显著增加,且向土壤深层下移（连续3年处理后,土壤NO3-N峰值点下移至60-80 cm土层）,大田小区试验和15N微区试验均表明中肥力麦田氮素下移较高肥力麦田明显。在高肥力麦田,收获期小麦植株地上部吸收氮素来自肥料氮和土壤氮的比例分别为15.8%-20.6%和79.4%-89.2%,中肥力麦田分别为22.1%-25.0%和75.0%-77.9%。高肥力条件下,肥料氮的吸收率、土壤残留率和损失率分别在31.17%-33.80%、32.62%-45.36%和20.84%-36.21%范围,而中肥力麦田分别在33.68%-39.12%、25.49%-34.83%和26.05%-40.83%范围。在同一施氮量条件下,高肥力麦田肥料氮的吸收率和残留率均低于中肥力麦田,而损失率高于中肥力麦田。2、阐明了不同水氮运筹对冬小麦根系生长的调控效应及其与水氮利用的关系。灌水增加冬小麦根重密度（RWD）和根长密度（RLD）,较不灌水处理平均增加50.4%和35.8%。施氮对RWD的影响与土壤水分条件有关,在干旱胁迫条件下（W0）,施氮降低RWD;在土壤水分较好条件下（W2）,N180处理根系生长迅速,RWD最大,继续增加施氮量（N240）,地上部的同化物优先分配给地上部,产量增加,根冠比（R/S）减小,RWD显著下降。在两种水分条件下,RLD均以N180处理最高。RWD与产量、耗水量和氮素利用率均显著正相关,发达的根系有利于产量和氮素利用率的提高,但较大的根系同时造成耗水量增加。从不同土层看,适宜的水氮运筹（W1和N180）能同时利用上层（0-40 cm）和下层（80-100 cm）的土壤水分和氮素;而过多灌水（W2）和施氮（N300）,根系主要吸收上层土壤（0-40 cm）的氮素和水分,减少对深层土壤水、氮的需求,导致土壤残留氮增加并下移。适宜的水氮运筹通过调控根系生长,提高深层土壤的水分和氮素的吸收比例,从而实现产量和水、氮素利用率的协同提高。3、明确了氮素同化关键酶活性的变化规律及在氮胁迫响应中发挥重要作用的关键基因。小麦旗叶和倒二叶中硝酸还原酶（NR）活性和谷氨酰胺合成酶（GS）活性表现为:高肥力>中肥力>低肥力,随灌浆进程推进整体呈下降趋势。施氮增加NR和GS活性,以N240或N300处理较高。与N0处理相比,在高肥力条件下,施氮处理旗叶和倒二叶的NR活性分别增加45.8%-65.8%和51.0%-87.0%,在中肥力条件下分别增加56.7%-72.6%和69.5%-103.8%,在低肥力条件下分别增加57.0%-76.7%和100.5%-139.3%。在高、中肥力条件下,灌浆后期适宜施氮倒二叶的NR和GS活性接近或者高于旗叶,表明适宜施氮下小麦旗叶和倒二叶可能在花后氨基酸的合成和转运中均起重要作用。正常施氮处理TaNRT1的表达量均呈现先升高后降低,在开花期最大。氮素胁迫抑制了小麦灌浆期旗叶中TaNRT2.2、TaNRT2.3、TaNRT2.4和TaNRT2.5的表达,而显著增加孕穗期旗叶TaNRT1.5、TaNRT1.6、TaNRT2.1和TaNRT2.2的表达量,在小麦响应氮饥饿过程中发挥着更为重要的作用。4、确立了不同年型、不同肥力（产量）水平麦田水氮管理策略。灌水的增产效应与土壤播前含水量和当季降水有关,在播前土壤墒情较好时,拔节期灌水75 mm（W1）产量显著增加,较全生育期不灌水（W0）增加3.6%-45.6%,在开花期再增加灌水75 mm（W2）,小麦产量增加不显著,而耗水量（ET）显著增加,水分利用效率（WUE）显著降低。在干旱年份,W2处理产量、ET和WUE同时增加。施氮增产效应随着定位试验时间进行逐渐增加,在定位试验进行3年后,高、中和低肥力麦田施氮分别增产36.1%、125.3%和288.2%。因此,在不灌水条件下应减少施肥量,以施氮180 kg hm-2时产量最高;灌水条件下以施氮240 kg hm-2产量最高。在高肥力土壤,应注意控氮(施氮180 kg hm-2),以增粒为主;中肥力麦田应提倡稳氮(施氮240 kg hm-2),以促穗为主;低肥力麦田（砂土）土壤漏肥严重,前期氮素盈余大,应少量多次施肥。小麦生育期灌2水（拔节水+开花水）结合施氮180-240 kg hm-2在干旱年份能获得较高产量,而在正常降水年份,全生育期灌1水（拔节水）即可获得较高的产量和水、氮利用效率。