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中国是水资源极度匮乏的国家，人均水资源占有量不足世界平均水平的25％，已被列为严重缺水国家（Macedonio等，2012年提出）。与此同时，中国也是农业大国，农业年用水量占全国用水总量的60％以上。随着经济社会和第二、第三产业的快速发展，农业可用水量的比例只能是有减无增。现阶段，中国农业灌溉水利用率仅为50％左右，每立方米水的粮食生产能力仅为1.03kg左右，远低于发达国家，但这也意味着中国在农业用水方面具有较大的改善和提升空间。发展节水农业、降低农业用水量、提高单位水资源利用效率是今后中国农业发展的客观要求和根本途径。
干旱半干旱地区是中国乃至世界范围内农业生产的重要组成部分，也是粮油和林牧产业的主要基地。中国北方旱区的耕地面积约占全国耕地总面积的50％，然而其年径流量仅为全国的18％左右。为了保证农业产出，一般采用地下水进行农田灌溉。然而，由于长期频繁地对地下水进行过度开采，该地区已形成复杂的地下水降落漏斗，也导致地下水的更新速率和补给过程发生变化，同时也引发了一系列的生态和环境问题，如地面沉降、塌陷、土壤次生盐渍化等（Foster等，2004年提出）。研究发现，冬小麦-夏玉米轮作的高耗水种植模式，使得华北地区的浅层地下水下降到了30m以下（Zhang等，2003年提出）。华北平原大部分地区的农田灌溉用水强度已与其地下水承载力呈现出严重或极严重不适应的状况（张光辉等，2013年提出）。此外，由于目前的农田灌溉仍以传统的地面灌溉为主，灌溉水有效利用系数较低（张鹏，2016年提出）。因此，为了在提高农业产出的同时兼顾资源、环境的承载能力和强度，降水资源化成为现阶段干旱半干旱地区可开发利用的主要水分来源和重要战略方向。传统耕作条件下，自然降水的有效利用率普遍较低，尤其是10mm以下的降水。该类降水的发生频率高达70％以上，总量相当于2次左右的灌溉用水量，拥有4500kg/hm 2 的增产潜力（Deng等，2006年提出）。此外，干旱半干旱地区年降水总量少、变率大，且在年内分配不均匀，60％~70％的降水主要分布于7—9月。降水分布与作物生长需求的不同步，造成大部分降水以地表蒸发、径流等形式散失，而真正转化为作物产量的比例较小。因此，研究如何提高降水资源的保蓄率、改善土壤水分状况、协调作物需水与土壤供水之间的矛盾，以提高降水资源利用效率和实现现代生态型旱作农业的可持续发展成为旱区农业生产亟待解决的核心问题。
人口的持续增长，工业化、城镇化进程的加快和退耕还林的生态需求，使得有效耕地面积逐年下降。据中国人口与发展研究中心预测，到2050年，中国人口数量将突破15亿，达到历史最高峰。同时加之人们的生活水平正在快速提升，已经由解决温饱变为实现小康生活，也更加关注饮食健康和营养协调，对肉、蛋、奶等动物性食品的需求量逐渐提高。耕地面积的减少、人口数量的增加和生活水平的提高，对农业生产和粮食安全提出了新的挑战。提高单位耕地面积的作物产出已成为现阶段农业生产的根本途径和必然选择。
化肥的诞生和使用是现代农业的重要标志。20世纪70年代以来，作物产量的增加有近一半归功于化肥的施用。目前，在农业生产实践中，为了追求高产，普遍存在肥料投入量大、利用率低等现象。这不仅造成了资源的严重浪费，同时也带来了一系列的环境问题，如耕地质量退化、水体富营养化、地下水污染和温室气体大量排放等。氮是作物生长中需求量最大的营养元素。在中国农业生产中，2000年之前，氮肥的施用量与作物产量呈同步增长的态势，氮肥的施用为保障国家粮食安全做出了重要贡献；2000年之后，氮肥的施用量仍呈逐年增加的趋势，然而作物产量的增长速率则逐渐下降甚至出现了负值。研究表明，中国的氮肥年使用量占世界氮肥使用总量的25％左右（FAO，2016年提出），而氮肥的平均回收利用率仅约为30％。氮肥施入土壤后，其氮素主要有3种去向：约35％可被当季作物吸收和利用；约13％在土壤剖面中以硝态氮、铵态氮等无机氮的形式或以有机结合的形态残留；其余52％则以各种形式发生损失。因此，在保证作物产量和品质的同时，进行氮肥优化管理，以实现节本增效和环境友好的有机统一是农业可持续发展的必然选择，也是现阶段迫切需要解决的重要问题。
土壤水分和养分（尤其是氮元素）是作物生长的两大物质基础，也是影响干旱半干旱地区农业生产的主要制约因子。两者在作物产量和品质形成方面扮演着重要角色。采用合理的集雨种植和氮肥运筹调控技术，有助于实现资源的高效利用和环境的友好相处，这对节能抗旱和农业的健康、持续发展具有重要意义。