降水转化机理与调控途径研究——研究旱作农田降水入渗与土壤水分再分布机理、土/气界面及土/植界面水量转化过程，建立降水-土壤水-作物水转化的动力学模型，确定旱作农田降水转化效率；研究旱作区水量转化过程与作物结构、轮作方式的关系，建立旱作区降水转化与水分平衡模型；研究土壤扩蓄增容、覆盖保墒、等高种植、沟垄种植等典型调控模式对旱作农田降水转化过程的影响机理，探明不同措施下作物-水分相互作用关系，建立旱作农田水量转化过程对种植模式响应模型，确立适应区域资源环境特征的降水高效利用调控体系。

旱地作物高效用水过程调控研究——研究不同旱地作物（品种）高效用水的气孔调节机制和水分胁迫的细胞信号转导机制，探明作物抗旱性与水分利用效率（WUE）之间的关系及调控机制。研究水分亏缺下旱地作物的适应性、作物根冠调控及产量形成机理，探明作物水分供需平衡规律和作物产量-水分响应关系；研究旱地作物水分和养分耦合高效利用的生理学机制，建立水-肥-作物耦合系统的动力学模型；研究抗旱节水生化制剂对作物高效用水的生理调控机制，研制抗旱节水生化制剂产品，确定节水生化制剂的使用方法。

旱作农业生物多样性与农作制度优化机理研究——研究旱作农田不同物种（作物）和不同遗传基因（品种）组成的人工生态系统的空间结构和营养结构，揭示不同作物的水分适应性、生态稳定性和稳产丰产性能及特征；研究特色作物及其野生群落的生境与生态过程，揭示其特色、专用、抗逆的生物多样性基础和保持机制；研究旱作农田生物多样性的优化进程与调控机制，揭示旱作农田间作、轮作、套种等技术措施的生物多样性机理，发展多样化的旱作农田适水高效的种植制度和种植模式。