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中国缺水问题在很大程度上要靠节水解决。发展现代节水农业，通过各种节水灌溉理论与技术的创新和采取综合节水措施来提高水分利用效率（WUE）是未来中国粮食安全保障和水资源可持续利用的根本途径，也是保障中国食物安全、水安全和生态安全的重大战略。目前，中国农业节水的最大潜力在田间，通过各种田间节水措施提高作物水分生产效率是节水农业发展的关键，也是节水灌溉发展的基础。田间是水分转化的场所，灌溉水输送到田间转化为土壤水后才能为作物所利用，最终转化为经济产量。作物吸收的水分中仅有1%～2%用于植物器官的形成，其他绝大部分水分以叶片蒸腾和棵间蒸发的方式向大气散失，因此田间蒸发蒸腾耗水是农业生产耗水的主要形式。从当前世界发达国家农业节水的发展趋势来看，传统的仅仅追求单产最高的丰水高产型农业正在向节水高效优质型农业转变，作物灌溉也由传统的“丰水高产型灌溉”向“节水优产型非充分灌溉”转变。目前人们已更多的考虑如何挖掘植物自身的生理节水潜力和创造高效用水环境，即利用作物遗传和生态生理特性以及干旱胁迫信号ABA的响应机制，通过时间（生育期）或空间（水平或垂直方向的不同根系区域）上的主动的根区水分调控，减少田间的蒸发蒸腾损失，以达到节水、高效、优质的目的 [148] 。基于生命需水信息的作物高效节水调控理论与技术正是实现上述目标的重要基础和有效途径。
作物在其生长发育方面存在着大量的冗余，包括株高、叶面积、分蘖或分枝、繁殖器官、甚至细胞组分和基因结构等，而且这种冗余随着辅助能量（如水、肥）的增加而增大。生长冗余，本是作物适应波动环境的一种生态对策，以便增大稳定性，减少物种灭绝的危险，但这种固有的冗余特性在人类可以对环境施加影响并对物种加以保护的条件下，则变成了高产栽培中的巨大浪费和负担 [149] 。植物生理学家研究提出的作物生长冗余理论、同化物转移的“库源”学说以及缺水对禾谷类作物不同生理功能影响的先后顺序（细胞扩张→气孔运动→蒸腾运动→光合作用→物质运输），从分子水平上为作物不同生育期亏缺调控灌溉定量化和可操作化的深层次研究提供了理论基础。合理的灌溉能够调控作物根系生长发育，使茎、根、叶各部分不产生过量生长，控制作物各部分的最优生长量，维持根冠间协调平衡的比例，可以实现提高经济产量和水分利用效率的目的。此外，适时适度的亏水不仅可以有效地控制营养生长，使更多的光合同化产物输送到生殖器官，而且节省了大量工时，便于田间的栽培管理及密植度的进一步增加。
任何一种节水方法在达到节水目的的前提下，必须保证对产量不会产生太大的影响。现代节水高效灌溉的技术瓶颈就在于如何通过系统的生命水分信息监测与诊断对作物耗水状况进行最优调控，从而最大限度地充分利用作物在经受水分胁迫时的“自我保护”作用和水分胁迫解除后的“补偿”作用。大量研究表明，水分胁迫并非完全是负效应，特定发育阶段、有限的水分胁迫对提高产量和品质是有益的。植物在水分胁迫解除后，会表现出一定的补偿生长功能，适度的水分亏缺不仅不降低作物的产量，反而能增加产量、提高WUE。因此，在作物生长发育的某些阶段主动施加一定程度的水分胁迫，能够影响光合同化产物向不同组织器官的分配，以调节作物的生长进程。例如，康绍忠等在陕西长武对玉米进行的调亏灌溉试验，苗期和拔节期均中度调亏相比于苗期重度调亏、拔节期中度调亏处理可在保持相同产量水平下使玉米水分利用效率显著提高。
根冠通信理论为在作物不同根系空间上进行亏缺调控灌溉提供了理论基础。20世纪80年代以后的大量研究表明 [150-153] ，植物在叶片水分状况无任何变化之前，其地上部对土壤干旱就已经有了反应，这种反应几乎与土壤的水分亏缺效应同时发生。由此可见，当土壤水分下降时，植物必定能够“感知”根系周围的土壤水分状况，并以一定方式将信息传递至地上部，从而调节生长发育的机制，使地上部做出各种反应。可以简单设想处于相对较干燥土壤中的部分根系会产生某些化学信号，这些信号在总的水流量和叶片水分状况尚未发生变化时就传递到地上部发挥作用。随着土壤继续变干，越来越多的根系产生更大强度的化学信号物质，从而使植物地上部能够随土壤水分的可利用程度来调整自身的生长发育和生理过程 [154] 。现在人们已经普遍接受气孔导度受土壤含水量控制是通过根的化学信号而不是依赖于叶水势这一观点 [153，155，156] 。根系化学信号是植物体内平衡和优化水分利用的预警系统，国内外学者对干旱条件下根源化学信号的类型、产生与运输进行了大量的研究，发现土壤干旱时根系能够合成并输出多种信号物质，这些信号能够以电化学波或以具体的化学物质而从受干旱的细胞中输出，它能够从产生部位向作用部位输送。
尽管调控地上部的根源信号物质有很多，但最普遍、研究最多也最令人信服的是脱落酸（ABA）。大量研究表明，根系受到干旱胁迫时能迅速合成ABA，其含量因植物种类不同而成几倍甚至几十倍的增加，而且根系合成ABA的量与根系周围的水分状况密切相关。Zhang和Davies [156] 的研究结果说明根系ABA含量可作为测量根系周围土壤水分状况的一个指标。梁建生等 [157] 的试验结果也证明了这一点，而且进行复水处理，干旱诱导合成的ABA即迅速降到对照水平。Liang等 [158] 研究玉米和银合欢木质部ABA浓度与根系ABA含量间的关系时观察到，两者间存在近线性关系。这表明木质部ABA浓度可以作为根源ABA的定量指标，并用以直接反映根系感应土壤环境的能力。以上这些结果均表明，ABA具有控制气孔、感知土壤水分可利用状况、调控植物营养生长与生殖生长，从而实现最优化调节的作用。从这一意义上讲，根系化学信号物质的合成是根系对土壤不良环境做出的即时响应。据此，康绍忠等提出了以刺激作物根系吸水功能和改变根区剖面土壤湿润方式为核心，以调节气孔开度，减少“奢侈”蒸腾，提高水分利用效率，大量节水而不减产或提高品质为最终目的的根系分区交替灌溉（alternate partial root-zone irrigation，APRI）理论与技术 [148] ，并在甘肃民勤进行了连续多年的田间试验。结果表明，应用根系分区交替灌溉技术可以以不牺牲产量为代价，实现产量和水分利用效率的同步提高。
作物品质与品种、施肥、气候、水分生长环境等多种因素有关，而水分是实现对作物品质改善的媒体和介质。有关研究表明，在作物某些生育阶段通过控制水分，改善植株代谢，促进光合产物的增加，可以改善产品品质。例如，灌水虽然增加了西红柿产量却降低了果实内糖、有机酸等可溶性含量 [159] ；在桃树营养生长季节，仅维持较低水平的土水势，而在果实膨大期实行频繁的灌水，结果节约了大量的用水量，也改善了水果的品质 [160] 。陈秀香等 [161] 研究了4个水分处理条件下加工番茄的产量和果实品质，结果表明，加工番茄的产量、品质与土壤含水量密切相关。灌前过高或过低的土壤含水量会影响产量及茄红素、可溶性固形物、可溶性糖、可溶性酸等品质指标。灌前土壤相对田间持水量为70%～75%处理的加工番茄产量最高，品质较好，水分利用效率最高，既能实现高产高效，又可达到节水灌溉的目的。杜太生等在甘肃河西干旱荒漠绿洲区的田间试验结果 [138] 也表明，采用根系分区交替灌溉技术，灌水定额为37.5mm时隔沟交替灌溉棉花的霜前花产量较常规沟灌提高了35.5%，灌水定额为24mm时交替滴灌的霜前花产量较常规滴灌提高了10.63%。该技术明显增加了棉花纤维长度，改善了皮棉品质。2004—2005年进行的葡萄田间试验结果也表明，根系分区交替灌溉可显著提高鲜食葡萄的VC含量和可食部的比例，调整可溶性固形物含量和果酸含量，提高了葡萄的成熟度 [138] 。
在供水不足的条件下，把有限的水量在作物间或作物生育期内进行最优分配，允许作物在水分非敏感期经受一定程度的水分亏缺，把有限的灌溉水量灌到对作物产量贡献最大的水分敏感期所在的生育阶段，以获得最大的总产量和效益，即解决有限水量在生育阶段的最佳分配问题。因此，要确定各生育阶段缺水对产量的影响，尽可能减少对作物产量最敏感的生育阶段内的缺水，使减产降低到最低程度。同时对相同时段生长的作物，减产系数最高的要优先供水，允许牺牲局部，以获得总产量最高或纯收益最佳。该理论主要包括不同作物缺水敏感指数的确定、作物水分-产量模型以及优化灌溉模型等内容 [162，163] 。截至目前，虽然对非充分灌溉条件下的作物水分-产量模型进行了大量的研究工作，并相继提出了加法模型、乘法模型及加乘混合模型等，但它们大多是缺乏物理意义的统计回归分析模型，且水分敏感系数或指数在不同地区和同一地区不同水文年间的变化较大。关于有限灌溉水在作物间和作物生育期不同生育时段间的优化分配问题，国外在编制不同亏水度作物生长模拟模型的基础上，将作物水分-产量模型广泛地应用于灌溉系统的模拟，提出了各种不同配水计划的预测效果，制定了相应的作物非充分灌溉模式与实施操作技术。国内在这方面虽然也做了大量的研究工作，但大多数的优化配水结果多是针对某一具体作物或灌区，目前尚未形成较通用的非充分灌溉设计软件，更无基于网络、面向基层水管人员或农户使用的非充分灌溉设计软件，缺乏与实施非充分灌溉制度相适应的低定额灌溉的先进地面灌水方式及相应配套设备与产品的研究和开发 [164-166] 。同时，有限水量最优分配还需要考虑产量与品质和灌水量的关系，探讨基于需水信息和水分-产量-综合品质-效益模型的作物节水调质高效灌溉优化决策方法及灌溉控制阈值等科学问题，推动以作物水分-产量模型为基础的作物非充分灌溉理论，向以综合考虑水分-产量-品质耦合关系为基础的作物节水调质高效灌溉新理论的发展 [167-169] 。
基于生命需水信息的作物高效节水调控技术的研究主要包括：对作物生命需水信息采集与估算方法进行筛选和改进，重点研究作物生命需水信息的时空变异特征与尺度转换技术，综合考虑土壤类型、水文年份及水源保证条件确定节水灌溉条件下作物生命需水指标与经济耗水量标准，建立主要作物的水分-产量-品质-效益模型，提出主要作物节水调质高效灌溉模式，在此基础上构建基于生命需水信息的作物高效用水调控技术体系，实现信息获取方法、指标体系、模式与规程、产品与设备以及管理系统的创新，形成较为完善的节水调质高效灌溉决策技术、小定额均匀高效施灌技术与设备、作物生理节水调控技术与制剂；研制出基于网络的数字化作物生命需水信息管理系统、数字化作物需水量图、智能式高效节水灌溉信息管理与预报器以及基于作物生命需水信息的高效节水灌溉决策支持系统。
该方面的研究包括综合比较不同尺度作物生命需水信号采集与估算的涡度相关法、波文比-能量平衡法、遥感监测法、茎液流+棵间蒸发测定法、水量平衡法、作物系数法以及理论模拟法，确定各种方法在不同类型区的应用条件，改进原有监测和估算方法，提出适合不同类型区、不同尺度条件下作物生命需水信息采集与估算的最优方法，研究节水灌溉条件下作物生命健康需水量的估算方法。研究不同尺度下作物生命需水信息的时空变异特征，在GIS支持下基于DEM获取宏观地形因子（经度、纬度、高程）和微观地形因子（坡度、坡向、遮蔽度），采用空间插值法完成各气象因子栅格数据库的建立，在此基础上分析气象因子、地形因子与作物生命需水信息之间的定量关系；研究考虑尺度效应的作物生命需水信息采样策略，确定合适的观测尺度，探索不同尺度条件下作物生命需水信息采样时间间隔和采样站点的空间分布；研究不同尺度、不同下垫面条件的作物需水转换方法 [163] 。
该方面主要包括利用先进的实验设施与土壤、作物、气象观测手段，开展节水灌溉条件下作物需水量试验研究；获取主要大田作物与特色经济作物节水灌溉条件下的生命需水过程、需水量指标体系以及保障一定产量水平和品质标准的不同生育阶段最低需水量；提出不同类型区、不同水文年份、不同供水保证率下主要农作物的经济耗水量标准。研究节水灌溉条件下作物水分-产量-品质-效益模型及其节水调质高效灌溉决策方法，建立基于综合考虑经济效益和生态效应的作物水分-经济-生态模型及相应的区域高效用水灌溉模式；开发与高效节水灌溉模式相配套的灌水技术与农艺措施，提出主要农作物对环境友好的节水优质高效灌溉技术操作规程。
该方面主要包括研究大田宽行作物（棉花、玉米）、果树与蔬菜细流沟灌及大田密植作物交替隔畦灌方式下的灌水技术参数与实施技术；研制和改进柔性和硬性多出口输水管、脉冲沟灌发生器等配套灌水器材；研制同时减少灌溉水入渗速率与土壤蒸发的制剂或产品；开发和改进适合大田小定额灌溉的透水软管、负压灌溉渗水管等产品。筛选可以较为真实地模拟植物叶片失水的材料，研制面向农户的简便式高效节水灌溉预报器，研究并确定不同作物各个生长时期内的高效节水灌溉预警阈值；开发基于先进的现代掌上电脑（PDA）、面向灌区基层技术与管理人员的智能式高效节水灌溉信息管理与预报器。
该方面的研究主要包括构建不同类型区、不同水文年份主要农作物生命需水量数据库与不同供水条件下的作物经济需水量数据库；研究建立不同类型区参考作物需水量计算模型库，主要农作物节水条件下作物生命需水量计算模型与作物、气象、土壤等参数库；运用GIS划定各分析单元，选择典型计算代表点，构建数字化主要农作物需水量等值线图及其网上查询与信息管理系统。以全国灌溉试验数据库为基础，筛选确定主要农作物的水分生产模型系统；研制高效节水灌溉条件下适合不同区域的土壤墒情及作物水分预报模型系统；构建不同尺度下作物需水信息的耦合识别及其定量模型，研究基于多指标智能决策技术和GIS支持下的非充分灌溉优化决策软件；以互联网为依托，采用专家系统构建技术和面向对象的语言，进行软件的二次开发与应用系统集成，形成一套基于网络、方便用户使用的作物高效节水灌溉决策支持系统。