华北地区是我国最主要的粮食生产基地之一，在保障国家粮食安全、维护社会稳定方面发挥着至关重要的作用。与此同时，华北地区位于干旱半干旱地区，全年中有65％-85％的降水量集中在6-9月份，而3-6月份的降水量只占全年的20％-30％，降水量少且年内分配不均匀性满足不了主要粮食作物冬小麦和夏玉米生育期内需水量的分配要求，所以灌溉用水对于华北地区的粮食产量具有重要保障。由于灌溉农业的持续发展已经引起地下水持续超采，华北地区目前已经成为世界上最大的地下水漏斗，由此也引发了地面沉降、海水入侵、河湖湿地萎缩、土地退化等一系列生态环境问题。农业灌溉是该区地下水消耗的主要途径，推行合理的灌溉决策已成为控制地下水继续下降的有效措施，实际上在节水的同时蕴藏了大量的节能潜力，通过合理灌溉控制华北平原地下水过量开采已成为解决华北地区生态环境问题以及实现农业节能减排的核心和关键。为此，本文对华北地区灌溉农业（粮食作物）发展对地下水及能源的消耗特征进行了分析，主要的研究结论如下:　　 (1)基于GIS空间分析原理以及气候倾向率、分形理论等分析方法，探索了中国农业生产水热状况的时空变异规律，研究发现:近半个世纪以来，全国范围内年平均气温总体呈上升趋势;降水部分区域变异较大、有增有减（增加的地区主要集中于西部），年尺度下全国降水Hurst指数只有黑龙江西部、内蒙古中部在0.5以下，这两个区域降水逐年变化存在着反持续性，这意味着在将来一段时间内变化趋势与过去相反;太阳辐射、潜在蒸散发普遍呈下降趋势，年尺度下全国潜在蒸散发、太阳辐射Hurst指数均大于0.5而分形维数均都小于1.5，年序列变化趋势持续性强，这说明两者在未来一段时间内还会持续下降。　　 (2)基于GIS空间分析原理及FAO Penman-Monteith计算方法分析了全国范围内栅格尺度上水稻（早、中、晚）、小麦（春、冬）、玉米（春、夏）三种主要粮食作物生育期需水量的空间分布规律。比较分析了从作物需水和作物实际耗水角度计算粮食作物虚拟水、水足迹之间的差异，发现整个华北地区冬小麦、夏玉米农业生产水足迹平均相对误差分别为12.57％、11.01％，对于实际耗水资料缺乏地区可以从作物需水角度计算水足迹、虚拟水贸易量，并利用该方法估算了全国三种作物虚拟水含量，探讨了华北地区灌溉农业生产对水资源消耗的比较优势;　　 (3)分析了2000-2009年间我国省际间虚拟水平衡与七大区间粮食作物虚拟水流动格局，结果表明:北方粮食产品总体表现虚拟水输出，粮食产品虚拟水总盈余量达734.35亿m3;南方虚拟水输入，粮食产品虚拟水缺口达到52.63亿m3;10年间，华北地区虚拟水贸易调出量平均为321.34亿m3，西北净调出虚拟水贸易总量为71.18亿m3，华北、西北虚拟水输出量超出2030年南水北调工程中北方区的供水量。　　 (4)提出基于GIS栅格计算的华北平原农业灌溉系统能源消耗估算模型，模型参数主要包括:地下水埋深、给水度、灌溉水利用系数、地下水灌溉比例、地下水灌溉量等，并借助GIS空间插值探索了模型参数空间变异特征，实现了华北平原农业灌溉能源消耗的估算。以2005年为现状年，整个平原冬小麦和夏玉米的灌溉能耗总量分别为4712.17TJ和831.71TJ，相当于1.309亿kw·h和0.231亿kw·h的电量。定量分析了单位面积、单位产量以及区域地下水灌溉能耗特征，发现单位公顷地下水灌溉能耗较大值位于河北平原和天津中部地区，较小值位于豫北和鲁北平原;区域地下水灌溉能耗较大值位于石家庄-邢台地区，其他地区处于较低水平。　　 (5)定量评价了“粮食产量-地下水灌溉量-地下水灌溉能耗”三者间的定量关系，并在此基础上探讨了华北平原化石能与生物能之间的转化效率。发现华北平原粮食作物多年评价生物能（以作物经济和秸秆产量为基础）约1707.21PJ;整个生育期内，冬小麦灌溉化石能与生物能转化效率k的变化在整个华北平原近似呈现出中间低、外围高的趋势，最大k值位于豫北平原，最小值位于河北平原中部;夏玉米灌水量极小，k值可近似为零（河北平原南部及鲁北平原中北部除外）。　　 (6)以减少冬小麦和夏玉米生长期的10％、20％、30％、40％、50％、80％和100％的地下水灌溉量为情景条件，估算农业节能减排潜力总量。例如，减少50％的地下水灌溉量，可实现节能2815.48 TJ，减少温室气体排放约779740 t。若不灌溉，可实现节能5543.17TJ，相当于节约1.54亿kw·h的电量，减少温室气体排放约1535000t。