水资源短缺是制约我国北方农业生产的主要因素之一,黄土高原是我国最重要的缺水地区和半干旱地区之一。作为我国最主要的旱作农业区之一,该地区长期受到水资源短缺的影响。近年来,在人口不断增长、水资源短缺和全球变暖等多重因素的压力之下,当地农业生产受到极大的限制,对该区域的经济社会可持续发展特别是消除贫困的工作形成持久的挑战。因此,对于黄土高原地区粮食作物水资源利用效率的研究十分重要。在已有的研究中,大多聚焦在单一农作物水资源消耗规律和水分生产率研究以及大尺度宏观评估方面,而对于区域尺度上的多种作物水资源效率的系统研究仍然比较匮乏。如何科学地了解黄土高原地区的农作物水分消耗规律,准确认识农作物水资源利用效率,是实现该区域农业可持续发展的重要前提。本文首先对国内外农业用水效率、农作物耗水规律和水分生产率以及黄土高原农作物水分生产率的相关研究进行了梳理和总结,通过系统学习相关研究成果和研究进展后发现,国内外相关研究在单一作物水分循环和利用研究、定点农田实验研究和大尺度宏观评估研究方面获得了许多重要发现,而对县域级中等尺度研究方面缺乏足够的关注。本研究首先以甘肃省定西市安定区作为试验点,从2015年至2017年在该试验点连续进行了3年的野外实验,开展了不同农作物耗水规律研究和联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO）作物水分消耗模型适用性的评价研究。通过将FAO模型计算结果与实际耗水量之间进行对比后发现:实验测量的4种粮食作物（马铃薯、玉米、高粱和荞麦）之间的耗水规律具有显著差异,在耗水量方面,耗水最高的高粱为329.98 mm,耗水量最小的荞麦为186.68 mm;4种作物耗水量的FAO模型计算值与实际耗水量之间的均方根误差分别为:马铃薯10.94 mm,玉米15.10 mm,高粱29.52 mm,荞麦15.22 mm,平均误差为17.70 mm,平均误差比例约为7%。这表明FAO作物水分消耗模型在黄土高原地区具有较好的适用性。在实验研究和FAO模型性能评价研究的基础上,本研究采用FAO模型方法系统评估了陕北地区4个县区的9种主要粮食作物的水分生产率（CWP）和水热生产率（CCWP）。结果表明:（1）该地区粮食作物的水分生产率（CWP）为6.333 kg mm^-1 ha^-1,水热生产率（CCWP）为17683.81 kcal mm^-1 ha^-1,生产性水分生产率（CWP-P）为8.837 kg mm^-1 ha^-1,生产性水分的水热生产率（CCWP-P）为24769.07 kcal mm^-1 ha^-1。（2）玉米、高粱和马铃薯的水分生产率最高,但马铃薯的水热生产率最低。（3）从水资源高效利用角度来看,陕北地区的粮食作物种植结构依然存在调整优化的潜力。本研究与已有研究成果具有较好的互补性,在大尺度农业水资源利用规律和特定作物水分生产率研究之间,探索了一种中等尺度的农作物耗水规律和水分生产率研究方法,对已有研究具有补充价值。将气象数据、水文数据、社会调查数据和统计数据相结合,将农业水循环过程和农业生产活动之间建立关联,对进一步全面认识黄土高原地区的农业水循环过程提供了重要研究基础。