目的:棉花是新疆最重要的经济作物,但水肥管理不当正制约着棉花产业的健康发展。蒸腾作用可以调节农田生态环境,对棉花生长也具有重要意义。有效施肥可以提质增产,水分是影响肥料吸收与利用的关键因素,水肥调控对棉花生长表现出协同与拮抗的双重作用。目前,基于水肥耦合效应的棉花蒸腾特征与肥料利用研究有待进一步充实。方法:于2019年棉花生育期内开展膜下滴灌桶栽试验,设置了3个灌溉水平,分别为360、420、480 mm,标记为I1、I2、I3;3个施氮水平,分别为210、280、350 kg·hm-²,标记为N1、N2、N3。结果:揭示了棉花蒸腾及氮素吸收利用对水肥耦合的响应特征,并建立了基于空间分析的棉花生产多目标优化方程,提出了科学高效的水肥管理策略。结论:（1）在盛花期,盛铃期与吐絮期,水氮交互作用对棉花叶片净光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、蒸腾速率（T_r）及细胞CO₂浓度（C_i）均有极显著的影响（P<0.01）;在相同灌溉水平下,叶片P_n、G_s、及T_r随施氮水平的提高先增大后减小,在相同施氮水平下,叶片P_n、G_s及T_r随灌溉水平提高而增大。茎流计对棉花茎流速率（M_p）持续监测结果表明,7:00-19:00间,棉花M_p随时间呈现先增后减的单峰曲线趋势,12:00-16:00是一天中M_p峰值区间。（2）水氮交互作用对棉花日累计蒸腾量（W_t）有极显著影响（P<0.01）,在相同灌溉水平下,棉花W_t随施氮水平的提高先增大后减小,在相同施氮水平下,棉花W_t随灌溉水平提高而增大。在盛花期、盛铃期与吐絮期,I1N1处理棉花W_t最小,分别为573.38、390.40、297.05 g·d-¹;I3N2处理棉花W_t最大,分别为922.68、803.22、646.23 g·d^-1。从盛花期到吐絮期,叶片P_n、T_r、G_s与棉花W_t呈减小趋势。（3）0-60 cm土层深度内,土壤全氮含量与¹⁵N丰度呈降低趋势。从盛花期到吐絮期,棉花根系与棉铃的全氮含量、¹⁵N丰度、肥料贡献率（NDFF,表征器官征调氮素能力）呈升高趋势;茎秆与叶片的全氮含量、¹⁵N丰度、NDFF呈降低趋势。在同一生育期,棉花各器官全氮含量、¹⁵N丰度、NDFF表现为:棉铃>叶片>茎秆>根系。水氮交互作用对各器官全氮含量影响极显著（P<0.01）,但对¹⁵N丰度与NDFF影响基本不显著（P>0.05）。（4）水氮交互作用对棉花总吸氮量、总吸收土壤氮量、氮素利用率（NUE）影响极显著（P<0.01）,但对总吸收尿素氮量、氮肥偏生产力(N_PFP)影响不显著（P>0.05）,而单因素灌水、施氮对其影响极显著（P<0.01）。棉花总吸氮量在2.19-3.32 g/株之间,总吸收尿素氮量在0.34-0.61 g/株之间,总吸收土壤氮量在1.85-2.77 g/株之间,NUE在23.78-39.77%之间,N_PFP在13.92-27.08之间,灌溉与施氮水平过高并不利于棉花吸收氮素,NUE下降。（5）I3N2处理的叶面积指数（LAI）、铃重、生物量、产量达到所有处理中最大值。I3灌溉水平下棉花纤维品质最好,I2灌溉水平下水分利用效率（WUE）高于I1与I3灌溉水平。I3灌溉水平下的经济效益是I1灌溉水平的1.86-6.07倍。当灌水区间为430.88-445.08 mm,施氮区间为269.18-295.76 kg·hm-²时,WUE、NUE、产量和经济效益可以同时达到其最大值的90%以上。