气候变暖导致干旱频发,加剧水资源短缺矛盾,威胁粮食安全。提高干旱条件下作物的水分利用效率（WUE）是缓解农业用水矛盾和保障粮食安全的重要途径。但目前全球多点试验中WUE响应干旱的结果因区域、气候、作物、管理因素等存在较大异质性;同时传统农业WUE通常以蒸散发（ET）而非真实耗水量——蒸腾（T）作为参考标准,因而不能合理指导农业水资源管理。为此,本文首先通过数据整合分析与挖掘,建立全球尺度干旱条件下作物WUE数据库,从作物类型、干旱类型、自然和管理因素等量化了作物WUE响应干旱的异质性来源;并以小麦为例,探讨了干旱条件下实现产量和WUE同步提升的宏观调控措施。通过厘清叶片和生态系统WUE之间的定量关系,建立了有效区分植被蒸腾和土壤蒸发的新方法,并将其应用到C3和C4作物农田。主要研究结果如下:（1）建立了干旱条件下各作物WUE的全球数据库,量化了干旱和作物类型对WUE的变异。通过数据整合方法,筛选提取了全球837组WUE数据,建立了以自然和管理因素为主要影响变量的全球各作物WUE数据库。总体而言,干旱条件下作物产量降低26.4%,而WUE提高1.5%。47%的作物WUE表现为对干旱的正效应。除谷类作物外,果疏类、块茎类、豆科类以及油料类作物WUE均表现为对干旱的正效应。干旱条件下C3作物WUE提高4.5%,而C4作物WUE降低26.7%。干旱强度、持续时长以及发生时间是导致WUE变异的重要因素。短期干旱（＜30天）以及营养生长阶段发生干旱降低作物WUE。建议根据作物自身抗旱特性因地种植或调整种植结构。（2）明确了干旱条件下引起作物WUE变异的自然和环境因素,定量了各因素对WUE变异的贡献度。区域、气候、土壤性质均是引起作物WUE变异的自然因素。优化的作物品种、灌溉以及良好的管理措施在一定程度上削弱了气候的影响。土壤容重在1.3～1.5 g cm-3、有机质含量在10～20 g kg-1时发生干旱有助于提高作物WUE。灌溉、施肥、除草及覆膜等田间管理措施是引起干旱条件下作物WUE变异的重要因素。总体而言,田间管理措施对作物WUE的影响要高于自然因素。灌溉（29.3%）是干旱条件下影响WUE变异最主要的因素,土壤性质（包括质地、容重和有机质）共计解释WUE变异的30%,管理措施（施肥、覆膜、除草）共计解释WUE变异的21.5%。据此,建议在无灌水资源的干旱地区,可以通过改良土壤性质并兼顾有效的田间管理措施提高作物WUE。（3）识别了干旱条件下同步提高小麦产量和WUE的主控因子,提出了实现小麦产量和WUE共赢的优化策略。为排除作物和干旱类型对WUE异质性的干扰,探讨干旱对小麦WUE和产量影响的规律。基于全球381组数据结果表明:在干旱条件下可实现小麦产量和WUE同步提升。在小麦WUE和产量双赢最大化且权衡最小化的目标区域,生育期总降水量＜200 mm的地区多于＞200 mm的地区,多年平均温度＜9℃和＞9℃的地区差异不显著。容重＞1.35g cm-3（46.3%）的壤土（50.8%）和沙土（50.0%）所占比例较多。亏缺灌溉有助于同步提高小麦产量和WUE,但需特别考虑灌溉方法。亏缺灌水量不宜低于充分灌水量的60%。畦灌、沟灌相较于滴灌、喷灌更适合实施亏缺灌溉。当相对灌水量为充分灌水量的79%时,小麦WUE达到最大。（4）通过量化叶片和生态尺度WUE关系,建立了有效区分植被蒸腾和土壤蒸发的新方法,为合理指导农业水资源管理提供了新参考。基于叶片和生态系统WUE关系,建立了生态系统蒸散发分离新方法。利用极端干旱区液流实测数据验证了该方法在旱区应用的可靠性。在全球25个通量站点的应用及与不同方法对比证实了该方法在全球通量观测站点具有更广泛的应用潜力。因此,将建立的新方法应用到不同环境和管理的C3和C4农田生态系统,并与其他2种基于WUE的蒸散发分离方法（Z16和N18）作对比。结果表明,玉米初级生产力明显高于大豆,ET因不同耕作方式（单作/轮作）和土壤水分条件（湿地/旱区雨养/旱区灌溉）存在差异。3种方法估算大豆和玉米T的季节特征一致,但T大小存在显著差异,其直接原因在于5种WUE季节特征存在显著差异。建议以作物各生长阶段实时耗水量（即作物蒸腾）为依据的WUE对农业高效节水更具有参考价值和指导意义。本文通过建立全球尺度干旱条件下作物WUE的数据库,定量作物类型、干旱类型、自然和管理因素的异质性来源,并分析了干旱条件下同步提升产量和WUE的宏观调控措施。量化了叶片和生态系统WUE的关系,建立了有效分离植被蒸腾和土壤蒸发的新方法,为旱区农业水资源可持续管理和粮食安全保障提供科学理论依据。