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水资源严重短缺对粮食安全产生了直接影响,而农田生态系统中水资源主要通过蒸散(ET)的途径来消耗。全面了解蒸散发生的规律,明确水分消耗的特征、转化过程和水分来源,定量区分ET的组分及其在生育期内的变化规律,可明确农田生态系统的水分利用、分配与传输,为实现水资源的可持续利用与保证粮食安全提供理论基础。本研究以农田SPAC(土壤-植物-大气)系统的水分运移规律为中心点,在华北平原(冬小麦-夏玉米)和东北平原(春玉米)开展农田水文过程同位素试验研究,明确了主要种植体系下氢氧稳定同位素的分布特征及SPAC系统水分动态变化以及不同处理对其影响,并分析了多年耗水结构特征,为今后发展适水种植和提高作物水分生产力提供科学依据和参考。论文主要研究结论如下：(1)系统分析了冬小麦-夏玉米及春玉米生育期内不同水源的(降水、土壤水、地下水和植株茎水)818O和8D含量组成、分布规律及其影响因素。在818O-δD分布图上,0-5cm的土壤水蒸发线斜率均低于当地大气降水线的斜率,说明表层土壤水经历了强烈的蒸发作用；土壤水的同位素值也随着深层向表层越来越富集,且不同处理的土壤剖面氢氧稳定同位素变化程度也不相同,强弱依次为裸土处理>常规处理>秸秆处理>覆膜处理。(2)作物根系吸水过程中没有发生氢氧稳定同位素分馏,可将作物茎水的氢氧稳定同位素值视为各土层深度水分来源的线性组成。通过利用直接对比法和基于同位素质量守恒的Iso-Source模型得出作物不同生长期的主要吸水深度,同时估算主要吸水深度的水分利用比例。冬小麦在抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期主要是利用10-20cm、20-40cm、0-10cm和10-20cm的土壤水；夏玉米在拔节期、抽雄期、灌浆期和完熟期主要是利用0-10cm、0-20cm、10-20cm和40-100cm。(3)以水量平衡为基础理论,定量研究了2011-2013年华北平原夏玉米蒸发蒸腾量的变化。借助同位素质量守恒(Isotope mass balance)和AquaCrop模型两种不同的方法对农田地表蒸散通量ET进行了分割及比较研究。同位素质量守恒(IMB)和AquaCrop模型在夏玉米的苗期.拔节期和灌浆期计算的蒸散通量(蒸腾量比蒸散量,即mt/mET)比例较一致,分别为40%左右、90%以上和80%左右,但在夏玉米的收获期,AquaCrop模型的mt/mET比例仍在90%左右,而IMB的mt/mET比例为85%。说明这两种方法对ET分割为E和T的结果具有可比性。(4)综合考虑长期气候因素和不同地下水位埋深对水分生产力(WP)的影响。采用1980-2010年(30年)华北山前平原北京地区(上庄试验站)气象数据,运用AquaCrop模型对夏玉米的耗水结构进行分析,分别设置两种不同的地下水位埋深进行模拟,即有地下水补给(地下水位埋深为1-1.5m)和无地下水补给,从而确定在不同情况下WP的差异。结果显示,在该区域的干旱年份,有地下水补给的WP变化不明显,分别为2.49kg·m-3和2.24kg.m-3；而没有地下水补给的WP明显降低,分别为1.92kg.m-3和1.97kg.m-3。该区域干旱年份的降雨量将满足夏玉米的水分供给,但是如果想获得高产和高的WP,那么补充灌溉是必不可少的。