绿洲是干旱区发展的基石,水资源是影响绿洲可持续发展的关键因素。干旱区降水稀少,水资源短缺,绿洲内部农业规模和生态规模存在此消彼长的关系。如何在社会经济—水资源—生态环境复合系统中通过发展面向生态的适度农业规模和高效的农业结构实现农业水土资源高效利用的目标,从而缓解农业用水与生态用水之间的矛盾,保证绿洲农业和生态可持续发展成为亟待解决的关键科学问题。本研究探讨了绿洲适度农业规模的概念和内涵,系统分析了绿洲水土资源与生态经济及农业规模之间的相互关系。提出了面向生态的绿洲适度农业规模研究框架,从“数量适度”、“结构适度”和“空间适度”三个维度描述绿洲适度农业规模,构建了基于生态健康的适度农业规模模型、基于节水高效的种植结构优化模型和种植结构空间布局优化模型。并针对我国西北典型绿洲区黑河流域中游提出研究区绿洲农业的适度发展规模、最优发展结构和高效空间发展模式。主要研究成果如下:(1)提出了面向生态的绿洲适度农业规模研究框架基于绿洲水土资源—生态系统—经济社会复合系统内部组成的相互关系分析,建立了以水资源高效利用和绿洲生态健康为目标的绿洲适度农业规模研究框架。该框架认为“适度农业规模”具有“三维”特征,其一为“数量适度”,即通过确定绿洲生态健康的定量表征形式,从理论分析和实践应用两个角度探讨生态健康的适度农业发展规模;其二为“结构适度”,即农业规模内部的作物种植结构,从节水高效的优化目标出发,确定适度农业规模的最优发展结构;其三为“空间适度”,即作物种植结构空间布局优化,以种植结构调整结果和作物种植适宜性最大化为主导,在灌区尺度上研究作物空间布局优化,获得绿洲适度农业规模的高效空间发展模式。(2)建立了基于生态健康的绿洲适度农业规模模型,确定了黑河中游绿洲适度农业规模在确定绿洲生态健康的定量表征的基础上,从理论分析和实践应用角度探讨了生态健康的适度农业规模计算方法。首先从理论分析方面,以地下水埋深、农田防护比例、植被覆盖率和大风发生频次作为评价因子评价绿洲生态健康,构建了基于绿洲生态健康评价和风沙动力学原理的适度农业规模计算模型(SASM-EHA);从实践应用方面,构建了基于绿洲圈层结构和绿洲沙漠化土地整治实地试验结果的适度农业规模计算模型(SASM-OCT)。通过理论研究和实地试验两方面探讨不同来水情景和生态需水情景下绿洲适度农业规模。研究结果表明:SASM-EHA模型和SASM-OCT模型计算的黑河中游适度绿洲规模分别为2079~2458 km~2和2059~2387 km~2,适度农业规模分别为1663~1967 km~2和1642~1921 km~2,两种方法计算的结果较为接近。因此,SASM-EHA模型可推广用于中国西北其他无实地试验资料的绿洲区适度农业规模的确定。按照SASM-EHA模型计算黑河中游现状2015年农业规模应该减少210 km~2,黑河中游绿洲生态防护规模应该控制在20%左右才能保证绿洲系统的生态可持续发展。(3)构建了基于节水高效的种植结构优化模型,获得了不同来水情景和价格波动情景下种植结构优化方案为发展节水高效的农业模式,建立了以单方灌溉水净效益最大和单位种植面积效益最大为目标的种植结构优化模型,采用粒子群优化算法求解得到不同来水情景的种植结构优化方案。通过设置节水情景计算未来节水灌溉面积比率提高情景下灌区及整个黑河中游绿洲区的农业节水量。考虑到作物种植结构除了决定于自然资源条件,同时也受市场经济行为的影响,研究了未来价格波动下的种植结构。研究结果表明:种植结构优化调整后,农业净效益提高0.52亿元,农业用水量减少1.02亿m~3;未来价格波动对种植结构有一定的影响,粮食作物的价格波动对种植结构的影响较小,经济作物价格的波动对种植结构的影响比较明显;节水灌溉面积比率增加10%,黑河中游绿洲区可节水2.63亿m~3,节水灌溉面积比率增加20%,可节水3.08亿m~3,减少的农业用水可以用于弥补生态用水的不足,或减少地下水的开采量以恢复地下水的均衡状态。本文提出干旱区农业应该推行“发展高效节水”与“节水—生态补偿机制”并举的政策,以避免出现越节水越缺水的现象。(4)建立了绿洲农业种植结构空间布局优化模型,获得了玉米和小麦的空间优化布局以种植结构调整结果和作物种植适宜性最大化为主导,建立了基于最小交叉信息熵的种植结构空间布局优化模型。基于ArcGIS平台耦合作物种植适宜性空间分布数据、现状农业土地利用数据以及人口空间分布数据等多源遥感信息数据确定综合作物种植适宜性空间分布,确定模型的先验分布概率;将种植结构优化结果作为约束条件,利用最小交叉信息熵原理,确定作物种植面积可分配概率,得到种植结构空间优化布局。该模型耦合了多源遥感信息数据和统计数据,实现了种植结构数量和空间的优化统一,为解决作物种植结构空间布局优化提供新的手段。研究结果表明:黑河中游玉米适宜耕种区与现状玉米面积分布大体一致,小麦的适宜耕种区与现状分布差异较大,同时玉米适宜耕种区远远大于小麦适宜区;优化后玉米和小麦高分配概率较优化前更加集中;优化后玉米种植面积在临泽县和高台县应调减,甘州区应调增;优化后小麦种植面积主要分布在甘州区和临泽县。