土壤水分和灌溉需水量是农田生态系统水循环过程和农业水资源管理的核心与基础,准确认知土壤水分动态过程和灌溉需水量变化规律并建立估算模型具有极其重要的现实意义和科学价值。土壤水分和灌溉需水量是大气、土壤、作物、地下水、灌溉等因子长期综合作用的结果,其动态过程具有强烈的非线性和不确定性,因此,有必要采用概率统计的思想进行研究。本文以华北南部山前平原夏玉米为研究对象,以土壤水分动态过程为核心,采用水量平衡原理、概率统计和微积分理论对农田生态系统的水分通量、灌溉需水量的变化特征及规律进行了系统的理论分析和定量模拟,主要结论如下:(1)系统分析了夏玉米生长季水文气象因子在年尺度上的动态变化特征和随机分布规律,探讨了土壤水分动态与气候波动的响应关系。研究结果表明,平均降水量(α)和降水频率(λ)年变异系数分别为0.323和0.178,年变化服从Logistic分布;日平均潜在蒸散量(Emax)年变异系数为0.088,年变化服从为Log Normal分布;土壤水分概率密度函数曲线在α、λ、Emax随机波动影响下呈现双峰现象,表明处于随机波动条件下的夏玉米SPAC系统可能会趋向于两个比较适宜的水分状态,一个为土壤相对湿润的状态,另一个为土壤相对干燥的状态。(2)基于Budyko水热耦合平衡假设和土壤水分动态随机模型定量分析了α、λ和Emax长期随机波动对夏玉米蒸散量(E)的影响。研究结果表明,α、λ和Emax长期随机波动导致夏玉米生长季的蒸散量减少,当干旱指数(Ep/P,Ep和P分别为潜在蒸散量和降水量)等于1时,蒸散量的减少量最大,蒸发比(E/P)的减少比率接近10%;E/P的最大减少比率分别与α、λ和Emax的变异系数呈线性递增关系;E的年变异性随着α、λ和Emax年变异性的增加而增加,且α对E年变异性的影响显著大于λ和Emax。研究区夏玉米生长季E、P和Ep的定量关系可采用基于Budyko水热耦合平衡假设的傅抱璞方程进行描述,方程的参数ω取值为5.3。(3)构建了具有一定普适性的农田土壤水分动态随机模型。通过引入土壤饱和导水率(Ks)和水力参数(β),建立了相对完整的土壤水分损失函数表达式,根据土壤水分概率密度函数与土壤水分损失函数的解析关系,推导出了不同灌水控制条件下的土壤水分概率密度函数表达式。(4)改进了灌溉需水量估算方法。基于土壤水分动态随机模型,建立了具有物理基础的灌溉需水量计算模型,模型综合反映了灌溉需水量与降水、土壤、作物、灌溉等因子的定量关系,克服现有经验模型的不足,为变化环境下适宜灌溉方式的选取提供了理论依据。(5)构建了潜水蒸发作用下的农田土壤水分动态随机模型。在分析了潜水蒸发与潜水埋深和土壤相对含水率定量关系的基础上,建立了潜水蒸发作用下的土壤水分损失函数,并根据土壤水分概率密度函数与土壤水分损失函数的解析关系,推导出了土壤水分概率密度函数的解析表达式,最终形成综合考虑土壤、作物、大气、地下水和灌溉等因素的农田土壤水分动态随机模型。