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我国的西北地区是全球最典型的干旱地区之一，光热资源充足，但水资源严重短缺并由此引发了一系列的生态环境问题。现代绿洲是一个自然、社会和经济的复合系统。近年来，随着人类社会经济的发展，自然绿洲正在逐步被以农田为主的人工绿洲所代替，维护绿洲的稳定和健康发展是西北干旱区对抗荒漠化和干旱化的主要手段之一。充分利用充足的光热资源，合理配置水土资源，建立自然资源合理配置的高效绿洲是开发西北干旱区农业的重要科学途径之一。因此，研究绿洲生态系统的水热状况，分析水热资源的平衡，在调节水热资源的基础上充分提高水资源的利用效率，在理论上可加深对干旱区SPAC理论的认识和理解，在实践上可促进水资源的合理利用和生态环境的改善。
本研究选择在西北干旱区内陆河流域中具有代表性的黑河流域，在流域中游的张掖绿洲建立农田能水平衡研究观测点，通过对典型作物农田能水平衡方面的试验和测定，掌握区域农田水热分布状况，分析其水热平衡变化规律，通过与区域内草地和荒漠下垫面能水平衡特征的对比以及对农田能水平衡的模拟，为更好地了解该地区农田能水平衡规律，认识能水过程机理，寻求该地区农业生态系统的水热结构优化模式奠定基础。
1.绿洲农田水量平衡规律
绿洲农田系统水量平衡中，灌溉是水分的主要输入项，占水量收入的70-90﹪，降水只是农田水分收入的一个补充。蒸散是农田水分消耗的主体，占水分总收入的80-90﹪。2004年间作农田作物生长期水分平衡中，灌溉量和降水量分别为815mm和84mm，蒸散量约为740mm，深层渗漏量约160mm。渗漏量与灌溉次数和灌溉间隔时间关系密切。先进灌溉方法的使用是未来绿洲农田节水的关键。
影响农田蒸散的因素中，作物生物学特性和种植结构是内部控制性因素。2004年小麦一玉米间作农田蒸散量约为740mm，而2005年玉米净作条件下蒸散量约为510mm。气象条件和土壤水分状况作为外部因素对农田蒸散起着影响和限制作用。气象条件中，气温、辐射和地温等与蒸散的关系密切，而风速和湿度与蒸散关系不密切。土壤层含水量大，水分胁迫小，蒸散量大。
近50a来，由于人为和自然因素的影响，黑河流域作物需水量和灌溉需水量呈现下降趋势。在未来气候变化情景下，黑河流域灌溉需水量有较大变化。现有种植结构条件下，未来温度上升1℃时，黑河干流中游地区每年增加作物灌溉量0．15×108m3，相当于国家给黑河中游干流区分水量的2.4﹪。当温度上升4℃时，每年因气温升高而增加的灌溉需水量将占到分水量的10﹪，灌溉水利用系数以0．65计，增加的灌溉引水量将占到分水量的16﹪，黑河分水计划将面临更大挑战。
2.绿洲农田生态系统辐射收支和能量平衡规律
农田生态系统的辐射收支平衡结果表明，作物生长期内太阳辐射的分配中，净辐射约占51﹪，地面有效辐射占32﹪，反射辐射约占17﹪。作物生长期内热量的分配以潜热通量为主，占60-75﹪；感热通量次之，为15—30﹪；土壤热通量约占10﹪。不同生长阶段辐射和热量分配比例差异较大。
3.不同下垫面能量一水分平衡对比研究
在太阳辐射相差不大的情况下，由于地表植被的不同，反射辐射和地面有效辐射的差异造成了农田、草地和荒漠下垫面辐射平衡特征有很大差异。作物或牧草的生长期，荒漠下垫面与农田和草地下垫面在热量分配上体现出了截然不同的特征。
潜热是绿洲能量消耗的主体，草地和农田年潜热通量分别占各自净辐射收入的65﹪和72﹪。在作物或牧草的主要生长季节，草地和农田潜热通量的消耗分别是荒漠的4倍和5倍。感热是荒漠能量消耗的主体。从年总量上看，年感热通量总量占荒漠净辐射年总量的76﹪。热量分配上的差异造成了绿洲的“冷岛效应”。
农田、草地和荒漠不同下垫面水分来源不同，其水分平衡特征特别是蒸散特征也有很大区别。在参考作物蒸散构成中，农田70﹪的蒸散量来源于以净辐射为主导作用的辐射项，而草地和荒漠近70﹪的蒸散量来源于以风和水汽压差为主导的空气动力学项。绿洲蒸散量远大于荒漠，体现了绿洲的“湿岛效应”。
4.绿洲农田能水平衡的模拟研究
SHAW模型可较好地模拟深层土壤温度和土壤水分；在能量平衡中，对净辐射、潜热通量、感热通量的模拟效果也较好；S姒W模型对水量平衡的模拟效果好。