华北平原是我国重要的粮食生产基地，但水资源严重短缺，地下水位持续下降等问题，已成为制约该区社会、经济可持续发展的瓶颈。作物产量形成是在一定气候背景下农田蒸散、渗漏和农业灌溉管理综合作用下的系统变化。在华北平原气候条件下探索灌溉、作物产量与耗水的关系，对指导该区农业生产和水资源高效利用具有重要意义。作物系统模拟技术是认识农田水分利用的基本方法。本文利用研究区域三个代表性试验站连续3～4年的田间试验资料，校准验证农业系统模型；利用校准的农业系统模型和气象资料，从站点到区域尺度上对气候波动/变化—灌溉管理—作物产量—水分生产力—农田水平衡进行了系统分析。主要的研究结论如下：　　 1.模型验证结果表明，APSIM模型能够较好地模拟华北平原小麦—玉米轮作系统下作物产量、生物量累积以及土壤水和农田水分消耗对不同气候、土壤和水分供应的响应，能够应用于该区气候条件下不同水分管理对小麦、玉米生长发育和农田水平衡影响的模拟分析。由于模型低估了严重水分胁迫条件下作物灌浆期碳水化合物的累积，从而造成雨养条件下作物产量模拟值与实测值存在一定的差异。APSIM模型对水分胁迫条件下作物生长发育过程的模拟还需进一步研究。　　 2.对栾城站小麦—玉米轮作系统多年(1961-2000)模拟结果表明，雨养条件下，小麦和玉米模拟产量年际波动幅度都很大，小麦模拟产量为0～4800 kg ha-1，玉米为0～9700 kgha-1。模拟的作物产量随灌溉量的增加而增加，并缩短产量变幅。小麦灌四水时模拟产量为4600～7600 kg ha-1，玉米灌两水时为4000～10200 kg ha-1。不灌溉时，作物水分生产力较低，75％的年份小麦水分生产力小于1.07 kg m-3，玉米小于1.66 kg m-3。作物水分生产力起初随着灌溉量的增加而增大，达到最大值后，再增加灌溉量反而下降，当灌三水时小麦水分生产力平均值达最大。受气候影响，作物灌溉需水量波动范围较大，高灌水情景下(小麦灌四水，玉米灌两水)，小麦灌溉需水量为140～420 mm，玉米为0～190 mm。年平均灌溉需水量随灌溉次数的增加而增大，小麦灌溉需水量在灌一水情景下为70 mm，灌四水情景下达到225mm；玉米从灌一水情景下的70 mm增加到灌两水情景下的110 mm。气候波动对作物产量、水分生产力和农田水平衡组成都具有重要影响　　 根据土壤水分状况，小麦多雨季灌一水(70 mm)，平雨季灌二水(150 mm)，少雨季灌三水(200 mm)；玉米多雨季不灌溉，平雨季灌一水(40 mm)，少雨季灌二水(90 mm)应为研究区域小麦和玉米以追求最大作物水分生产力为目标的最佳灌溉管理措施。　　 3.北京、天津、济南和郑州四个地区小麦季呈显著的变暖趋势，平均升温0.03℃a-1，玉米季在北部的北京、天津点升温显著：小麦季降水在北京点略增加，其余三个地区呈不显著的减少趋势，玉米季降水在北京、天津和济南显著减少，平均减少1.8 mm a-1；北京、天津、济南地区两作物生长季太阳总辐射均呈显著降低之势，小麦季减少速率为16.4 MJ m-2 a-1，玉米季减少7.6 MJ m-2 a-1；玉米季散射辐射比例(FDR)在四个地区均呈显著增加的趋势，平均增加0.1％a-1，小麦季在南部的济南和郑州增加显著，平均增加0.01％a-1。北部两个地区模拟的小麦减产45.3 kg ha-1 a-1，玉米减产51.4 kg ha-1 a-1。北部两个地区小麦水分需求平均减少2.4 mm ha-1 a-1，玉米平均减少2.2 mm ha-1 a-1。华北平原过去43年(1961-2003)作物生长季气候要素已发生变化。升温造成的生育期缩短和辐射减少降低了作物生产力，特别是北部地区。FDR的增加对作物生长的增益作用在郑州可以弥补辐射减少和升温对作物生长的负面影响，在其它三个地区弥补作用不足。太阳辐射的下降使研究区域，特别是北部地区的作物水分需求呈显著减少趋势，但这是以作物生产力降低为代价的。　　 4.模拟结果表明，华北平原栾城气候条件，每增加60 mm灌溉水，能使小麦—玉米轮作系统作物总产量增加1200 kg ha-1。当可供水量超过180 mm时，一定比例的灌溉水分配给玉米可以提高总产量。雨养条件下，单季小麦模拟产量为100～8600 kg ha-1，夏季休闲使小麦播前土壤水增加99.4 mm，这部分水分可提高小麦产量1700 kg ha-1。无灌溉时，单季玉米产量为0～10600 kg ha-1。较长的冬季休闲可使玉米播前土壤储水增加96.7 mm，从而使玉米产量提高1800 kg ha-1。明确气候波动背景下不同作物系统的作物产量对灌溉供应量的响应对制定水资源约束下可持续的作物系统具有重要意义。　　 充分灌溉情景下，模拟的全区小麦水分生产力变化在1.38～1.69 kg m-3之间，平均为1.53kg m-3；全区玉米水分生产力变化在1.69～2.05 kg m-3之间，平均值为1.83 kg m-3。非充分灌溉情景下，模拟的全区小麦水分生产力为1.14～1.79 kg m-3，平均值为1.41 kg m-3；玉米水分生产力变化在1.73～2.14 kg m-3之间，平均值为1.91 kg m-3。雨养条件下，模拟的全区小麦水分生产力为0.29～1.57 kg m-3，平均值为0.77 kg m-3；全区玉米水分生产力为0.86～2.03 kgm-3，平均值为1.47 kg m-3。华北平原小麦、玉米水分生产力分布特征响应于该区平均气候状况，具有明显的空间分布特征。研究区域冬小麦生长季饱和水汽压差北高南低，小麦水分生产力呈北低南高的趋势；而玉米生长季饱和水汽压差西高东低的趋势使玉米水分生产力呈西低东高的趋势。