华北平原的引黄灌区是我国重要的粮食生产基地，面临着严峻的水资源短缺问题。农业活动耗水多且未来引黄水配额减少，严重威胁了我国社会经济可持续发展和国家粮食安全。引黄灌溉是缓解水资源短缺的重要手段且已成功实施多年。它不仅改变了农田生态系统各水分要素之间的相互关系，还将农田和引黄渠道紧密联系起来。因此，科学量化引黄灌区农田水运移过程，揭示区域引黄渠道水文过程的变化规律，对在引黄灌溉背景下优化现行灌溉措施、加强农业水资源管理具有重要的科学价值和实践意义。本研究以“引黄灌区典型农田生态系统水运移”为主题，选择引黄灌区典型农田（冬小麦和夏玉米）（中国科学院禹城综合试验站）和典型引黄渠道水为研究对象，利用高频率原位观测数据分析土壤水分动态变化特征及降水和地下水对其影响;通过田间采样和室内分析，综合运用氢氧稳定同位素、探地雷达和模型计算等方法揭示降水入渗及其土壤水和地下水的响应过程，量化冬小麦-夏玉米轮作制度下作物吸收土壤水深度和比例;在引黄灌溉的背景下，利用氢氧稳定同位素进一步估算典型引黄渠道水的蒸发和补给比例，量化黄河对区域水分过程的空间影响。获得的主要研究结论如下:　　(1)从时空角度分析了土壤含水量的动态变化特征，并将统计学的聚类分析方法用于土壤水分的层次划分。在2 m土体中，10 cm处土壤含水量最低，150 cm处土壤含水量最高。2013、2014和2015年2m土体年平均含水量分别为31.69％、34.85％和34.84％，三年土壤含水量并无显著性差异，但玉米季土壤含水量高于小麦季。基于三年土壤含水量数据，利用层次聚类方法将土壤水分划分为0～20cm、20～40 cm、40～120 cm和120～200 cm四个层次，为作物吸收土壤水深度的确定奠定了基础。　　(2)描述了降水的稳定同位素特征，阐明了土壤水和地下水对降水入渗的响应。根据禹城站2015年6月到2016年7月收集的大气降水样品，得出当地大气降水线δ2H=7.04δ18O+2.29。通过比较小麦季（δ2H=6.29δ18O+4.44）和玉米季（δ2H=7.36δ18O-3.07）大气降水线的斜率，得出小麦季降水比玉米季降水的蒸发强度更大。分析了不同降水量下入渗过程、深度及影响时间。小雨量降水(0.4 mm和4mm)被作物截留，并未入渗到土壤中，土壤含水量及其同位素值无明显变化。10～20 mm降水最多可以入渗到20 cm土壤，影响一天时间。特大降水(153.4 mm)发生后直接到达土壤深层，持续影响三天。同位素结果显示，较为稳定的地下水同位素值对降水的响应多发生在6～8月特大降水频发时。　　(3)完整解析了冬小麦和夏玉米轮作制度下全生育期作物吸收土壤水的深度及其比例，并据此提出了优化的灌溉措施。通过分析茎秆水和土壤水的同位素值获得了不同生长季、不同土壤层次的土壤水蒸发线和茎秆水蒸发线。根据同位素值混合模型得到冬小麦和夏玉米全生育期作物吸收不同层次土壤水的比例。冬小麦和夏玉米都遵循浅-深-浅的吸收土壤水方式。2015年玉米季吸收土壤水的主要深度从三叶期(77.8％)和拔节期(48.6％)的0～20 cm到孕穗期(33.6％)和抽穗期(32.6％)的20～40 cm，延伸至吐丝期(32.0％)和灌浆期(36.7％)的40～120 cm，最终又返回到成熟期(35％)和收获期(52.4％)的0～20 cm。2015～2016年小麦季在越冬期(86.6％)、返青期(83.1％)、拔节期(45.2％)、孕穗期(51.4％)、抽穗期(28.8％)和成熟期(67.8％)主要吸收0～20cm土壤水，仅在扬花期(34.8％)和灌浆期(25.2％)主要吸收20～40 cm土壤水。作物吸收土壤水深度发生变化可以由根系干重密度比例和土壤含水量解释。小麦根系干重密度比例与其吸收土壤水比例呈正相关关系(r=0.72，p＜0.01)，玉米根系干重密度比例与其吸收土壤水比例不存在相关关系。夏玉米和冬小麦吸收土壤水比例与其土壤含水量均呈负相关关系，关系式分别表示为CWU=-0.91×SVWC+57.75和CWU=-2.03×SVWC+92.73。根据上述同位素解析的吸水特征，小麦季的其中一次灌溉可以推迟到需水较多的扬花期。　　(4)基于氢氧稳定同位素量化了引黄灌溉区的引黄渠道水蒸发和补给比例及其沿流程变化特征，量化了黄河对区域水分过程的空间影响。根据瑞利分馏方程，引黄渠道水的平均蒸发比例为14.4％。漳卫新河、马颊河、德惠新河、徒骇河、新赵牛河、土马河、卫运河、赵王河、六五河和无名河的平均蒸发比例分别为19.0％、13.2％、12.2％、12.4％、16.2％、4.1％、14.5％、18.1％、13.6％和10.7％。不同的补给来源（黄河水和地下水）及其对引黄渠道水的补给比例是导致漳卫新河、马颊河、德惠新河和徒骇河蒸发比例沿流程并未线性增加的主要原因。采样点到黄河的距离每增加10 km，基于δ18O、δ2H及二者平均值估算的蒸发比例分别增加1.02％、0.79％和0.90％，而黄河水对渠道水的补给比例分别下降7.68％、5.51％和6.59％。此外，回归方程表明，基于δ18O的结果比基于δ2H的结果更为可靠。敏感性分析显示，蒸发估算模型对同位素值比对环境因子更为敏感。