位于半湿润—半干旱过渡带的华北平原，自1970年代以来，粮食生产形势发生了巨大变化，由“南粮北调”的调入地，变成了“北粮南调”的输出地。以居于华北平原北部的河北省泊头市为例，粮食单产从1949年到2005年增产843%，达每公顷4784 公斤; 在位于华北平原南方的怀远，从1980年到2004年，单产增产1.26%，达每公顷5685公斤。

粮食单产的增加，伴随着作物耗水相应增加。据估计，从1960s至1990s，小麦生长季耗水增量达130mm，玉米耗水增量为90mm，冬小麦-夏玉米一年两熟轮作体系的年耗水量从约700mm增加到目前将近1000mm。黄淮平原南缘年降水量与此耗水量基本相当，而华北平原北部降水在500-600mm左右，灌溉需求极大。因此华北平原大部分地区地表水难以保障一年两熟耕作制度的用水需求，农田灌溉依靠抽取大量地下水维持，导致地下水位持续下降，产生了一系列环境问题。水已成为华北平原农业发展的关键限制因素。在过去的50年里，华北平原降水呈下降趋势（-3.0 mm/年），温度呈上升趋势（+0.02度/年）。粮食生产与水资源的矛盾在未来气候变化情景下是否会加剧？粮食产量对未来气候变化到底如何响应？这些问题已成为，还将成为国家粮食安全和水安全决策长期关注的焦点。

迄今为止，针对华北平原作物产量对气候变化的响应，已开展了诸多研究。得到的结论不外乎是或增产或减产，在作用机制的深入揭示方面尚待加强。有鉴于此，中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室莫兴国、刘苏峡、林忠辉及研究生团队和合作者，近年来在国家自然科学基金、科技部863和973项目、世界银行“黄淮海农业对气候变化的响应和适应计划行动”等项目资助下，基于田间实验，开发了立足华北平原的VIP分布式生态水文动力学模型，针对华北平原冬小麦-夏玉米作物轮作系统，采用南北比较、多站比较和区域分布式模拟，考虑华北平原土壤本底对作物生产力影响的空间分布，区别灌溉和雨养农田，揭示了作物生长、水量平衡、能量平衡和碳循环过程耦合机制，对华北平原作物产量对包括气温、降雨和大气二氧化碳肥效的气候变化情景的响应做了深入的研究。通过对历史的模拟，我们发现，去掉化肥等农业管理技术进步措施的影响，华北平原建国以来产量逐年增高仍与较适宜的温度、降水和CO₂浓度等气候条件相关。通过对未来的模拟，我们得到如下认识：

第一，         若温度增加，特别是夜间温度增加，总体上将导致华北平原作物减产，作物生长季缩短是导致减产的主要因素之一。

第二，          大气CO₂肥效、灌溉、降水增加将减缓甚至扭转升温给作物产量带来的负效应。

第三，         上述减缓和扭转将带来小麦增产，玉米的减产幅度减小。作为C4作物的玉米对CO₂肥效的反应不及作为C3作物的小麦强烈，是导致这种差异的主要原因。从这点意义上讲，小麦可能更容易适应气候变化。

第四，          华北平原北部的减产效应小于南部。这是因为光合作用更易在CO₂反应更充分的条件下发生，大气CO₂的“施肥”效应对增温的抵消作用在干旱的华北北部强于湿润的南部。因此，南部的水资源虽然较北部丰富，但在气候变化情景下，南部农业产量应对气候变化未必有绝对优势。基于此，南水北调对充分发挥北部粮食生产潜力的作用具有重要的意义。

第五，         在IPCC气候变化A1和B2两种情景下，华北平原冬小麦产量将增加, 最大增幅为19%，发生在A2情景的2070s年代。夏玉米产量将下降，最大减幅为15%，发生在A2情景的2090s年代。

这些结论与全球农田开放式CO₂ 浓度升高系统平台 (Free-air CO₂ Enrichment,简称FACE)实验结果基本吻合，已被世界银行“黄淮海农业对气候变化的响应和适应计划行动”采纳，为制定农业的气候变化适应措施、保障国家粮食和水资源安全提供了科学依据。