水分是影响农业产量的重要因素。植物体含水量一般为70%～80%，有些植物则可达 90%以上；而种子含水量小于10%；细胞壁的含水量为8%左右（Stamm，1944）。水不仅是光合作用的原料，还是各种化学反应发生的必要条件。生物的一切代谢活动都必须以水为介质，而所有的物质只有处在溶解状态才能进出细胞，所以植物与环境之间时时刻刻都在进行着水分交换；水分还控制气孔开合、物质吸收与运输。合理的水分关系在生态农田管理中具有十分重要的作用。水利是农业的命脉，水分不足容易造成干旱胁迫，水分过多会造成涝害。生态农田水分管理就是要做到“旱能浇、涝能排”，满足作物对水分的生理生态需求。
3.1.1 雨养农业
降雨是指从天空降落到地面上的雨水，其来源为大气中凝结的水蒸气。未经蒸发、渗透、流失，在水面上积聚的水层深度即为降雨量，一般以毫米为单位，它可以直观地表示降雨大小。降雨量是区域水资源量计算的重要依据，也是生态农田水分管理的重要内容。在气象部门发布的天气预报中，经常听到小雨、中雨、暴雨等专业术语，它们之间的区别是：小雨是指 24 小时内降雨量不超过 10 毫米的雨，小到中雨为 5～16.9 毫米，中雨为 10～24.9 毫米，中到大雨为 17～37.9 毫米，大雨为 25～49.9毫米，大到暴雨为 38～74.9 毫米。24 小时内雨量超过 50 毫米的称为暴雨，超过100 毫米的称为大暴雨，超过 250 毫米的称为特大暴雨。零星小雨是指降雨时间很短，降雨量不超过 0.1 毫米；有时有小雨是指天气阴沉，有时会有短时降雨出现；阵雨雨时短促、降雨开始和终止都很突然，降雨强度变化很大的雨；雷阵雨则是指下阵雨时伴着雷鸣电闪；局部地区有雨是指小范围地区有降雨发生，分布没有规律。在农业中，小到中雨对作物有较好的呵护作用，而大到暴雨则会造成作物损害，如淹没、吹倒等；零星小雨对于干旱情况下的作物效益较小。
气象预报把下雨、下雪都称为降水，降水的多少称为降水量，表示降水量的单位通常用毫米。1 毫米降水量是指单位面积上水深1 毫米。1 毫米降水落到田地里有多少?每亩地面积是666.7 平方米，因此，1 毫米降水量就等于每亩地里增加0.667 立方米的水。每立方米水为 1 000 千克，这样，1 毫米降水量也就等于向每亩地浇了约 667 千克水。据测定，降 5 毫米的雨，可使旱地浸透 3～6 厘米，这些降水是保持一定土壤墒情的重要水分来源。
雨养农业最早定义的是一种单纯以天然降水为水源的农业生产方式。随着科技发展，在原有基础上人工汇集雨水，实行补偿灌溉的农业生产方式也称为雨养农业。在人类开展人工灌溉之前，农业都是依靠天然降水的，至今这一做法在干旱区或半干旱区还存在。我国的雨养农业早在公元前4500 年已形成，在精耕细作的小农经济时代能够实现“自给自足”模式的农业生产活动（Frasier，1985；Lavee et al.，1997）。当前，我国的雨养农业在北方干旱半干旱地区和西南季节性干旱地区都有分布，一些缺水地区的植物在长期的雨养农业实践中具备了阶段抗旱的特点。尽管产量不高，但在发展优质农作物方面依然具备优势。除此之外，还有一大部分地区由于地下水超采、土地超负荷利用等不合理利用造成农田减产、农田生态系统破坏等现象（黄伟和郭燕枝，2014）。
雨养农业区域在自然因素和人为因素作用下存在一定的旱灾风险，有人利用地理信息系统对雨养农业区进行的研究表明，我国中北区、华北区、东北区和西南区为雨养农业旱灾防御和抗御的重点区域，应因地制宜地实施防旱抗旱措施，在实践中只有同时实施多种措施才能收到良好的抗旱增产效果（梁书民，2011）。早在 20 世纪 80～90 年代，一种由雨水收集系统、节水灌溉系统和高效农作物生产系统组成的水资源综合管理的雨养农业被科学家提出，并在甘肃和西北其他半干旱地区进行实践、取得成功（Li et al.，2000）。
3.1.2 雨水管理
相对于传统雨养农业“靠天吃饭”的做法，现代雨养农业的内涵有所发展，包括人工汇集雨水，实行补偿灌溉、节水灌溉等。它不仅出现在半干旱或半湿润易旱区，还出现在雨量充沛的湿润地区。根据雨量多少，雨养农业可分为旱区雨养农业和湿润区雨养农业。旱作农业仅是雨养农业的一种，且仅指旱地农田作物种植生产。天然降水是雨养农业区水资源的主要来源，该来源面临全球气候变化的挑战。随着气温不断上升，土地干旱程度日益严重，雨水资源开发利用就变得格外重要。雨养农业因为有一定降水量湿润农田，灌溉具有补偿农田水分不足的性质，灌溉水量较小，水源主要靠当地降水形成的径流蓄积，表现为小型工程。因此，雨养农业是农业的基础，灌溉是对雨养农业的有效补充。随着干旱加剧和农业灌溉用水在整个水资源分配中比例减少，雨养农业在未来农业中的地位将越来越重要。围绕雨水有效利用，人们研发或改进的主要技术措施包括保水、蓄水和用水3 个方面。
保水与水土保持和环境治理紧密结合，蓄水与降低蒸发和发挥“土壤水库”作用的农田耕作紧密结合，用水则与农田栽培管理紧密结合。保水与蓄水技术是雨养农业的基础，也是水土保持和综合治理的重点。无论是多雨地区还是干旱缺雨地区，水土流失都是造成农田干旱缺水的重要因素。因此，水土保持是提高雨水有效利用的重要保证，其措施包括库、坝、塘、窖拦蓄雨水，以及梯田建设等水土保持工程措施；也包括水土保持耕作技术和覆盖保墒技术。在坡耕地上，由于水、土、肥的流失量随着坡度的增加而增加，尤以雨量集中又多暴雨的半干旱地区为甚，常在缓坡地和沟谷修筑梯田、坝地或集水沟等保持水土。在风蚀地区则营造农田防护林、植树种草以防风固沙。农田休闲期间的深耕、耙和春季播种前的浅耕也有利于保蓄部分降水，避免土壤水分散失。
高效用水技术是雨养农业的关键，核心是提高农用植物的用水效率，其措施包括节水抗旱的植物种类、品种选育及其有效的栽培耕作管理。在栽培耕作管理中，培肥地力尤为重要。雨养农业地区的土壤一般比较瘠薄，增施有机肥和种植豆科牧草，是提高土壤水分的有效措施。据测定，在年降水量为 300～500 毫米的地区，如果能采用抗旱耕作培肥土壤，1 米深的土层可接纳雨水 200～300 毫米，2 米厚的土层可蓄 300～600 毫米的雨水。从土壤生产能力看，有机质含量 1%以上的旱地麦田，每毫米降水可生产小麦 0.68 千克，而瘠地麦田每毫米降水仅能生产小麦 0.26 千克。
常见的雨水集流系统包括集流面、输水渠、沉沙池、拦污栅、进水管、蓄水设施、放水口、田间节水灌溉系统，而常见的集流面有庭院、层面、沥青路面、公路面、塑膜覆盖、原土夯实等多种形式，面积一般为 100 平方米以上。蓄水设施有水窖、水窑、水池、涝池四大类，用于解决人畜饮水的蓄水设施，其容积多为 20～30 立方米，而用于发展节水灌溉或补充灌溉的蓄水设施容积较大，多为50～100 立方米。田间雨水灌溉技术多采用喷灌、滴灌或微喷灌（张光辉 等，1997）。
3.1.3 内蒙古有机农业水分管理案例
在半干旱区开展传统农业耕作方式导致土地严重退化，这是因为草原原本是不适合耕作的，而是传统的畜牧区。要修复草原，发挥草原生态屏障作用，一方面要开展退耕还牧试点，另一方面要发展有机雨养农业，尽量不动用地下水而提高经济价值。在半干旱区，改变当地传统生产方式，提高单位土地面积产出是解决该问题的重要途径。鉴于此，美国大自然保护协会与本团队合作，于 2012～2014年在内蒙古开展了半干旱区有机农业生产关键技术研发项目，旨在通过严谨的科学试验设计，探讨生态修复与经济发展相平衡的高效生态旱作生产方式。科研人员通过设计、指导、监测和结果评估，与内蒙古和盛生态育林有限公司合作开展生态旱作农业试验示范工程，开发了土壤生物碳改良、有机肥合理施用、农林废弃物综合利用、生态防虫与除草、节水农艺、种养结合等生态旱作雨养农业技术体系。
研究发现，在半干旱区采取用生物碳截获雨水，可保持土壤墒情，延缓干旱。该成果是在有机模式下实现的，即利用有机肥替代化肥，用物理＋生物方法替代农药，生产有机食品。见表 3-1，玉米收获后 0～120 厘米土层土壤质量含水量基本上较播种前出现下降，因为进入旱季，而施用生物碳有一定的缓解作用，含水量下降 20.9%，而未施生物碳的处理下降了 21.5%。从其土层表现来看，在种植前后与收获前后，施入生物碳处理的土壤含水量大体上高于未施入生物碳处理，可见施用生物碳有一定的保墒效果。
项目区 0～40 厘米耕作层土壤种植前及收获期间均属于重旱或极旱水平，除了施用生物碳，还需应用其他旱作技术，如纳雨蓄墒、深松蓄墒、垄盖沟播、梯田保墒、秸秆覆盖等，从而实现“蓄水保墒、高效用水”的目标。试验区位于内蒙古半干旱区，水资源缺乏是限制当地农业生产力发展的重要因素。施用生物碳在一定程度上降低了作物播种至收获期间土壤质量含水量的下降幅度。为进一步改善土壤墒情，提高产出，在不利用地下水的前提下，仍需要采用一些辅助措施将雨水利用效率最大化。采取的其他主要措施有：①纳雨蓄墒，即作物收获后及时深耕灭茬，耕后立土晒垡，以便熟化土壤和拦截径流；②深松蓄墒，即作物收获后及时深松不翻土，深松机深松一般需达到 30～35 厘米，播前再旋耕一次，然后耙平。深松蓄墒和纳雨蓄墒可隔年交替使用；③秸秆覆盖技术，即通过收割机对作物秸秆高茬收割（留茬高度为 30 厘米左右），粉碎的秸秆均匀铺撒地表，高留茬利于固定碎秆，并和碎秆交织形成拦水网络，在多风地块，秸秆覆盖后用石磙碾压 1～2 次，使秸秆紧贴地表；④在选用以上旱作技术的同时，选择抗旱品种。
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