绿洲是世界内陆区农业系统的精华，一般生活着内陆地区95％以上的人口，聚集了90％以上的物质与能量产品。石河子绿洲分布在玛纳斯河中下游的荒漠戈壁，形成了石河子市、下野地、安集海、莫索湾四大子绿洲，是中国生产力水平最高的农业区域之一。由于对农业系统结构与功能的认识不足，管理不善，引发了一系列生态、社会与经济问题，如耕地次生盐碱化、沙漠化、土壤污染等，制约了绿洲农业系统的可持续性，在全球农业系统中具有代表性。本项研究以石河子绿洲内石总场、下野地和莫索湾三个子绿洲的农业系统为对象，采取农场调查访问与田间试验相结合的方法，测定农业系统整体及各组分能量、经济与有机碳、氮、磷等物质的投入和产出，明确基于经济产量、能量效益与经济效益的水分利用效率，确定农业系统的能量、经济与物质平衡特征及其相互关系，以期揭示石河子绿洲农业系统的结构与功能特征，并尝试构建农业系统结构优化模式。研究结果表明：1．各子绿洲，化肥的能量投入占各种作物人工辅助能量总投入的77.6％-90.8％，平均85.0％。棉花的能量总产出与净产出均最低，平均分别为110.5±5.0GJ／ha和51.7±7.6GJ／ha；饲用玉米平均最高，分别为307.6±15.5GJ／ha和260.5±16.8GJ／ha。作物的能量利用效率依次为：苜蓿＞葡萄＞饲用玉米＞小麦≈番茄＞棉花。三个子绿洲作物生产系统单位面积的能量投入依次为：石总场＞下野地＞莫索湾；能量总产出依次为：下野地＞石总场＞莫索湾；能量净产出下野地最高，石总场因为能量投入过高，净产出最低。下野地、莫索湾、石总场分别有37.3％、65.6％和21.1％的能量净产出来自棉花，分别有54.0％、19.5％和43.8％来自冬小麦，石总场另有30.0％的净能量来自番茄。2．三个子绿洲中各种作物的资金投入，棉花以人力最高，占43.4％-49.3％，平均46.5％，其次是肥料与灌溉；三项投入占资金总投入78.7％-81.2％，平均80.2％。小麦生产的资金投入以肥料最高，种子或灌溉次之，三者平均占资金总投入的82.1％±0.2％。饲用玉米总投入，下野地和莫索湾依次为：肥料＞灌溉＞机械，石总场依次为：灌溉＞机械＞肥料，三者平均占总投入的88.7％±0.2％。葡萄资金总投入一半以上购买肥料，其次是灌溉，然后是农药或机械，前三项占总投入的82％左右。苜蓿投入最多的依次为：灌溉＞机械＞肥料，三者合计超过总投入的86％。番茄的资金投入以人力为主，占57.9％，其次是肥料和灌溉。饲用玉米的经济总产出和净收益均最高，分别为9.0×10~4￥／ha和3.7×10~4￥／ha；其次是棉花，分别为2.5×10~4￥／ha和1.3×10~4￥／ha。经济产投比最高为玉米，棉花和小麦最低。三个子绿洲，作物生产投入资金和总产出均以石总场最高，下野地最低；但净收益依次为：莫索湾＞下野地＞石总场。莫索湾和下野地分别约93％和88％的收入来自棉花；石总场为62％，番茄贡献30％的收入。3．单位用水，经济产量、经济总收入和净收益最高的作物均为玉米，最低的作物分别为棉花、苜蓿和小麦。单位用水能量总产出和净产出最低的作物是棉花，其次是苜蓿，棉花分别低于苜蓿49.2％和72.1％。三个子绿洲中，经济产量的水分利用效率石总场最高，为3.42￥／ha，下野地最低，为1.12￥／ha，石总场高出莫索湾1.5倍；经济总收入的水分利用效率莫索湾最大，为3.83￥／ha，高出最低的石总场1／4；经济净收益的水分利用效率下野地和石总场差异不大，平均为1.94￥／ha，低于莫索湾13.2％。基于能量总产出的水分利用效率下野地最高，为22.13MJ／ha，与莫索湾差异不大，高于石总场15.3％；净能量产出的水分利用效率，莫索湾最高，为15.02MJ／ha，接近下野地，比石总场高49.9％。4．三个子绿洲0-40cm土壤有机碳密度，均以棉花地最高；全氮、速效氮、全磷和速效磷密度，则以苜蓿地最高。作物地土壤有机碳、全氮、速效氮、全磷和速效磷贮量依次为：石总场＞莫索湾＞下野地；氮的产投比，莫索湾最高，为0.77，石总场其次，为0.69，下野地最低，为0.43；磷的产投比，3个子绿洲差异不大，平均为0.27±0.01。5．三个子绿洲，饲草供给仅能满足草食家畜代谢能需求的13.0％±2.2％，家畜生产净产出仅为作物的9.8％±1.6％，具有典型专门作物生产系统的特征。6．所有作物的环境负载率，苜蓿最低，棉花最高，可持续指数相反；三大作物中，玉米的环境负载率平均最低，可持续性指数平均最高。三个子绿洲的环境负载率石总场最高，莫索湾最低；可持续性指数相反，石总场不及莫索湾的一半。石河子各子绿洲是以棉花种植为主体、灌溉为支撑、化肥投入为主要驱动力、家畜生产严重不足的专门化生产系统。作物生产具有劳动密集型和资金、技术密集型的双重特征。由于种植结构中，缺乏饲草作物，作物生产与家畜生产不匹配，具有作物专门化生产系统的典型特征。种植业结构优化应压缩棉花种植面积，饲用玉米与苜蓿表现出优越的经济与生态效益，应予以重视，以修复和加强作物生产与家畜生产的有机联系。加强家畜在石河子绿洲农业系统中的地位。