针对北方旱地频旱多变环境、水土过度利用、生产稳定性下降等问题，以提高农田系统干旱应变能力和水分适应弹性为目标，组织优势力量开展了16年的协同创新，揭示了北方旱地作物水分供需变化规律，首次确定了抗旱适水种植的技术适宜性和作物优先序，创建综合多目标的随机水文年型适水种植诊断模型；探明了土壤增碳扩容、地表覆盖抑蒸、冠层塑型提效的作用机理，建立了北方旱地土壤-地表-冠层协同调控的抗旱适水种植理论和方法；创新了集雨覆盖抗旱、秸秆适水还田、适水间作等关键技术，配套研制了专用肥、保水剂、作业机具等技术产品，建立了东北风沙半干旱区立体调控种植、西北半湿润偏旱区覆盖集雨抗旱、华北丘陵半湿润偏旱区秸秆适水还田等主导技术，农田降水利用率最高达75%，旱地春玉米水分利用效率每亩最高达到3.64 kg/mm。2017—2019年，抗旱适水种植技术在北方旱地3个类型区应用1.15亿亩，增产粮食45.9亿kg，增加产值86.5亿元，节约灌溉水12亿m³，经济、社会和生态效益显著。该成果为实施国家旱地农业规划和旱作节水示范提供了重要科学依据与关键技术支撑。该成果获得2020年国家科学技术进步奖二等奖。