民以食为天，食以水为先，粮食安全与水资源安全是关系国计民生与可持续发展的重大问题。本文以水资源为主线，从水土平衡到虚拟水，系统探讨了我国粮食生产与消费过程中的水资源效应，研究结论对于促进我国水土资源高效利用、全面建设节水型社会，保障我国粮食安全、水资源安全与生态安全具有重要的科学价值和实践意义。论文的主要研究内容概括如下：　　 (一)构建了基于GIS的基础栅格数据平台：论文研究的基础层面都是在栅格尺度上进行的，基础数据的栅格化是整篇论文的基础。这项工作主要是利用全国731个基础气象台站1961～2001年的相关气象资料，在GIS环境下选择各种插值方法以及理论模型对各气象要素和非气象要素进行了空间化与计算，最终搭建了全国1km×1km的基础栅格数据平台，为水土平衡与虚拟水研究奠定基础。　　 (二)完成了粮食生产过程中的水土平衡研究：粮食生产过程中与水资源的关系表现为水土资源的时空耦合。针对国内外水土平衡研究进展和发展趋势，重新界定了水土平衡的概念和基本研究框架；在此基础上，构建了基于栅格的耕地水土平衡模型，并从气候、作物、农田三个层面揭示了我国耕地水土平衡的时空格局，实现了水土平衡的数字化与空间化。　　 (三)提出了基于水土平衡的粮食虚拟水理论与方法：在粮食生产形成产品之后，引入虚拟水概念建立产品与水资源的数量联系；通过建立基于水土平衡的虚拟水量化模型，从自然气候条件的角度精确计量了不同粮食产品虚拟水含量及其空间差异；从水分生产效率、水资源成本，水资源比较优势等不同层面评价了我国不同地区粮食生产与水资源的关系，形成了一套水资源利用效率评价的虚拟水理论与方法。　　 (四)完成了基于虚拟水的粮食消费的水资源效应研究：作为水资源密集型的产品，粮食消费必然导致相应的水资源效应：一是对水资源的间接消耗与占用，二是区域粮食生产与消费不平衡而带来的虚拟水流动。在虚拟水量化的基础上，引入水足迹的概念度量了我国分省粮食消费对水资源的真实消耗与占用，从粮食生产一消费的角度刻画了我国区域间粮食虚拟水流动格局，从而揭示了粮食消费过程中的水资源效应。　　 论文构建了基于GIS的水土平衡模型，从气候、作物、农田三个层面上刻画了中国耕地水土平衡的时空格局；提出了基于水土平衡的虚拟水理论与方法，通过水足迹和虚拟水流动，揭示了粮食消费的水资源效应，在区域水土平衡与虚拟水研究的理论与方法方面有所创新和发展。