京津冀地区位于华北平原,是我国的“首都经济圈”及粮食主要产区之一。由于降水量时空分布不均,该地区农业生产主要依赖于灌溉,其中设施农业生产使用地下水灌溉比例较高。近年来,全球气候变暖,工业发展及生活用水需求不断增加,灌溉可用水量呈现下降趋势,水资源供需矛盾日益突出,京津冀地区地下水位迅速下降,引起诸多生态环境问题。因此,为实现指导地区合理灌溉、改善京津冀地区农业供水矛盾、提高农业水资源利用效率、保障我国粮食安全等目标,亟需结合作物需水规律对农作物种植结构进行调整和优化、探索应用更高效的节水技术和模式。为此,本文综合采用气候倾向率、Mann-Kendall趋势检验法、Morlet小波、Pearson相关系数、反距离权重差值（IDW）等方法对近30年京津冀地区参考作物腾发量时空变化特征及影响因子进行分析,在摸清其变化规律及成因的基础上,面向大田农业,提出了基于NSGA-II多目标遗传算法、以水分利用效率和经济效益为目标的京津冀地区种植结构优化方案;同时针对设施农业,提出了集成设施膜面集雨、新型软体水窖储水和水肥一体化技术的新型农业节水模式,并从经济效益和社会、生态效益方面对其可行性进行研究,为区域农业产业调整和农业水资源高效利用提供技术支撑。主要研究结果与结论如下:（1）京津冀地区参考作物腾发量时空变化规律:在时间变化方面,近30年年均ET0呈下降趋势,且递减率为3.07 mm/10a,ET0年际最高值在1993年,为1010.80 mm,最低值在1990年,为896.24 mm。M-K趋势检验结果显示京津冀地区年际ET0在2016年发生了突变,降低幅度约为9.71 mm。ET0在1990～2019年演化过程中存在着22～28a的主振荡周期,ET0演化过程中存在3个较为明显的周期,它们依次从小至大对应着10 a、22 a和28 a的时间尺度,这3个周期的波动控制着ET0在整个时间域内的变化特征。在空间分布方面,年际ET0高值区主要分布在冀南、北京东南部及天津中南部地区,京津冀地区北部及偏西北部地区数值相对较小。（2）参考作物腾发量的影响因素:京津冀地区多年平均ET0与多年平均温度、风速、日照时数呈正相关,与相对湿度呈负相关。温度与ET0的直接通径系数最大,达到0.63,风速其次,为0.42。结合通径分析的结果表明,WS和T是影响京津冀地区ET0变化的主导气象因子,SSD和RH综合影响程度不高,各气象因子贡献率由高到低依次为WS＞T＞RH＞SSD。（3）面向大田的种植结构调整:调整后,北京市各县区的WUE和经济效益分别提高了0.02～0.03 kg/m~3和5.97～18.9万元。北京市各县区应当减少水稻、大豆、花生和棉花种植面积分别为5.36～-4.82 hm~2、22.05～70.57 hm~2、18.95～61.1 hm~2和0.04～0.26hm~2,增加玉米种植面积为39.52～127.03 hm~2。天津市经过种植结构调整后,各区WUE和经济效益分别提高了0.03～0.05 kg/m~3和1800.5～2213.5万元。天津市各区主要调整方案为适当增加水稻种植面积约997.59～1258.25 hm~2。同时,适当减少玉米、大豆、花生和棉花种植面积分别为156.73～230.07 hm~2、40.1～140.5 hm~2、15.47～58.51 hm~2和756.2～855.4 hm~2。河北省经调整,WUE有一定提高,但同时经济效益有所减少。（4）设施农业节水新技术的探索与验证:从技术可行性方面,通过集储水量与京津冀地区温室典型种植模式需水量比对,2000年上半年各月灌溉保障率在22.2%～100%之间,2010年上半年各月灌溉保障率在35.4%～100%之间;下半年各月集储水量均能100%保障灌溉。2010～2011连续两年灌溉保障率分析结果表明,通过多年连续集雨蓄雨,设施膜面集雨软体水窖水肥一体化技术可实现100%保障灌溉。此外相比于地表水与地下水,雨水的EC值与p H更低,适宜于水肥一体化技术应用,有助于减少滴灌系统堵塞,同时促进作物提质增产。另外,软体集雨窖具有造价低、容量大、使用寿命长、环境友好、可回收利用等优点,较传统砖石水泥集雨窖,成本降低50%以上,具有较高的经济与生态效益。