县域尺度农田水氮循环模拟与管理模式优化研究涉及农学、水文、地理、环境、计算机等多个学科，是一项系统工程。本研究从模型开发，模型与GIS的耦合，区域尺度模型参数获取，以及农田优化管理方案建立等方面开展研究，目的在于建立适宜于研究区河南省封丘县的县域尺度农业水氮资源优化管理方法，为黄淮海平原集约化农业种植区的农业发展提供理论支撑和技术支持工具。应用基于GIS的WNMM模型，本研究在技术和方法上进行了如下工作：(1)水氮运移机理模型的二次开发与优化，以及与GIS更为紧密的耦合。(2)应用地统计学、土壤转换函数等多种技术创建了区域尺度的模型空间参数数据库。(3)建立了耦合农田水氮亏缺动态判断因子和区域水氮管理模型WNMM的优化管理方法。以上述区域尺度农田水氮循环模拟与优化管理系统为工具，对封丘县域尺度农田水氮利用状况进行了评价，并提出了研究区的农田优化管理方案。主要研究结论和解决方案如下：　　 (1)以目前的管理模式，研究区农业虽然实现了高产，但同时也面临着资源和环境的严峻挑战。目前，农田灌溉水量和氮肥投入量很大，但配置并不合理。一方面灌溉、施肥后易发生土壤水分渗漏和氮素损失，另一方面在作物生长期间却仍存在干旱和缺氮，影响作物产量。在枯水(360 mm年降水)、平水(590 mm年降水)和丰水(818 mm年降水)条件下，大部分土壤(砂土除外)的水分年渗漏量分别为76～163 mm、129～214 mm和296～367 mm，而氮素年淋失量则分别为12～32kg N/hm2、20～40 kg N/hm2和50～66kg N/hm2。这意味着不同气候条件下，分别有超过14％、17％和25％的年输入水分和5％、8％和14％以上的年输入氮素以土壤深层渗漏方式损失；另外，8～20％的氮素还会以氨挥发形式损失。而在水肥保持能力差的砂土中，上述问题更为严重。　　 (2)影响研究区土壤水氮损失的最重要因素是降水/灌溉变化，施氮方式和施氮时间也会对其产生影响。分析土壤水分渗漏和氮素淋失的季节分布发现，土壤水分渗漏和氮素淋失多发生于夏季集中降雨期间或灌溉后，说明过量降水或灌溉、施肥措施不当是造成土壤水氮淋失的主要原因。　　 (3)以基于GIS的WNMM模型为工具，耦合了“支票簿”灌溉方案，建立了研究区在不同降水条件下的农业优化管理方案。根据优化方案，在平水条件下，大部分土壤(除砂土外)合理的年灌溉次数为5次，年灌溉量在290～350 mm之间；枯水条件下的灌溉次数增加至6～7次，灌溉量升至360～440 mm；丰水条件下仍需灌溉3次，年灌溉量在170～220mm之间；砂土由于持水能力太差，所需的优化灌溉次数和灌溉量均要明显高于其它土壤。研究中以维持土壤氮储量的长期相对稳定为原则指导氮肥施用，将单季作物的施氮量设为190kg N/hm2，并对施肥方法和施肥时间进行了优化。　　 (4)以WNMM为基础，采用动态判断方法建立的优化管理模式对于减少研究区的土壤水分渗漏和氮素淋失效果十分明显。枯水、平水和丰水条件下，大部分土壤(除砂土外)的水分渗漏量分别降到了25 mm、50 mm和240 mm以下，较当前管理模式减少了95％、60％和50％以上；砂土渗漏量虽然仍较大，但与当前模式比较，也分别降低了超过75％、60％和25％。氮素淋失变化与水分渗漏类似。枯水、平水和丰水条件下，大部分土壤(除砂土外)的氮素淋失量分别降至少于3 kg N/hm2、10kg N/hm2和30 kg N/hm2，较当前模式分别减少了100％、90％和50％以上；而砂土中的氮素淋失也分别减少了80％、75％和50％以上。但是，目前的优化管理方法对减少氨挥发的效果并不明显。　　 (5)优化管理模式下，研究区的灌溉水利用率明显提高，这一方面得益于作物产量的增加，另一方面得益于合理的水氮配置。枯水条件下灌溉水利用率由13～29(kg/hm2)/mm增加至21～37(kg/hm2)/mm，增幅在16～57％之间，平水条件下灌溉水利用率由19～33(kg/hm2)/mm增加至34～53(kg/hm2)/mm，增幅为37～76％，而丰水条件的大部分土壤中的灌溉水利用率均提高了1倍以上，由原来的23～34(kg/hm2)/mm增加至41～90(kg/hm2)/mm。氮肥利用率和作物产量也有不同程度地提高，尤其以枯水条件时增加最为明显，其中作物产量普遍增加了4％以上，而氮肥利用率增加了3％以上。可见，优化管理较之传统方法，能更科学地配置生产和人力资源，保证作物稳定高产，同时有效降低因不合理灌溉造成的水氮淋溶损失。尤其是对于提高干旱条件下的作物产量，降低湿润条件下的水氮淋失等环境风险等效果更加明显。