中美主要农作物灌溉水分生产率分析

灌溉水分生产率反映了作物的灌溉用水效率,是衡量灌区的农业生产水平、灌溉工程状况、灌溉管理水平的关键指标。该文在大量的调查数据基础上,采用分类计算、加权平均方法分析了中国和美国主要农作物的灌溉水分生产率。结果表明:美国籽用粮食作物、块茎类作物、草类作物、絮状作物的平均灌溉水分生产率分别为1.98、8.90、2.54、0.26kg/m3。上述4类作物喷灌灌溉水分生产率分别为2.26、9.44、3.2和0.36kg/m3,而地面灌溉条件下的灌溉水分生产率则分别为1.55、6.96、2.15、0.23kg/m3;美国13个州玉米、小麦和水稻平均的灌溉水分生产率分别为2.94、1.24和1.39kg/m3,而中国10省市226个大中型灌区3种作物平均灌溉水分生产率分别为2.04、1.19和0.80kg/m3;灌溉技术落后、节水灌溉面积小造成的灌区灌溉水利用系数低,是导致中国灌溉水分生产率低的主要原因。     

西安地区主要粮食作物水分生产率时空分布特性研究

水分生产率是农业水资源管理的一个重要指标。为从不同视角揭示农业水资源消耗与粮食生产的关系,以陕西省西安市地区为研究区,利用空间分析方法,分析了2001-2014年西安市主要粮食作物(小麦、玉米)的灌溉水分生产率、作物水分生产率、总流入水分生产率及经济水分生产率的时空分布规律,并通过灰色关联理论分析主影响因素对作物水分生产率的影响。结果表明：西安市水分生产率在空间上呈现显著聚集现象；各水分生产率指标均表现出空间分异性,同指标不同年份水分生产率空间分布类似；灌溉水分生产率值在1.5-2.5kg/m_³范围之间,年际间波动较大,2001-2010年随着时间而增大,2011-2014年有减小趋势；作物水分生产率在0.7-1.0kg/m_³范围之间,随时间增长无明显变化；灌溉水及蒸散水经济水分生产率均随时间呈上升趋势,且灌溉水经济水分生产率远大于蒸散水经济水分生产率；年均气温、化肥施用量、有效灌溉面积、作物播种面积及农业机械总动力依次是影响该地区作物水分生产率的前5位主要因素。     

中国灌区水分生产率及其时空差异分析

从粮食产出和广义水资源投入出发,计算了31个省区灌溉农田的水分生产率并分析其时空变化特征,同时建立广义水利用系数以评价水资源的有效利用率。结果显示:由于粮食单产提高和灌溉用水量的减少,1998-2010年各省区水分生产率值均呈增大趋势,全国平均值由0.67kg/m3增大到0.81kg/m3;空间自相关分析表明,水分生产率值相似的省区在空间上显著地聚集,全局Moran’sI的检验值都大于0.01的置信水平,高值省区以黄淮海平原为核心集中分布,长江以南和东北则密集了低值省区,局部自相关属性为高-高(HH)、低-低(LL)的省区超过了20个,13a来总体和局部的空间分异特征随时间变化均不明显;不同地区的广义水利用系数都随时间增加,省区间水分生产率和广义水利用系数大小关系无一致性,水分生产率高的省区亦存在较大节水潜力。从自然条件、农业生产特征、经济发展程度等方面宏观分析了水分生产率和广义水利用系数在空间差异的原因。该研究为灌区水资源管理宏观政策的制定提供依据。     

不同水文频率下关中灌区农业节水潜力研究

农业节水潜力研究对节水农业发展具有重要影响。本文将农业节水潜力分为资源型和效率型两类,分别代表了田间或灌区尺度和流域大尺度的节水潜力。以渭河流域关中段九大灌区为例,进行了灌区农业节水潜力分析;并针对典型灌区主要作物的不同节水方案,分析计算了在不同水文频率年下的农业节水潜力。结果表明:在25%、50%、75%和90%水文频率下,渭河流域关中段九大灌区年农业节水潜力分别达3 069万m3、11 167万m3、11 750万m3和12 521万m3,其中效率型节水潜力所占比例较大,除25%频率下仅有42%外,其他频率下均超过50%。最后,基于现状节水技术水平,根据九大灌区的种植结构特点,提出了提高农业节水潜力的措施和建议。该研究结果可为发展关中地区各灌区农业节水技术和提高水资源利用效率提供参考。     

不同种植模式冬小麦产量与耗水量的模糊综合评判

产量和耗水量是作物节水高产栽培的参考依据。该文采用改进的模糊综合评判模型,从种植方式、灌水处理2个层次和7个指标对冬小麦的耗水量和产量进行了模糊综合评价。结果表明:在宽垄种植、水分处理为70%的控制下限的条件下,小麦的水分生产效率最高,即水分处理为田间持水量70%的宽垄种植方式为最优种植模式。水分处理为田间持水量70%的宽垄种植和水分处理为田间持水量60%的宽垄种植处理的水分生产效率分别为1.91、1.88 kg/m3,两者相差仅为0.03 kg/m3。因此,当水资源较充足时,种植灌溉方式采取水分处理为田间持水量70%的宽垄种植处理模式;当水资源较匮乏时,种植灌溉方式采取水分处理为田间持水量60%的宽垄种植处理模式。模糊综合评判方法得出水分处理为田间持水量70%的宽垄种植方式,冬小麦产能最优,与大田试验得出的结论相吻合,故而模糊综合评判方法可以应用于节水灌溉评价方面。     

屯留县农业节水浅析

屯留县是一个农业大县,70%的水量用于农业灌溉。全县灌溉水利用系数为0.47,农田水分生产率为0.8~1.0 kg/m3,均低于国家规范要求,农业节水潜力巨大。在农业节水方面应采取的主要对策:一是要建立完善的用水计量体系,核定用水定额,制定合理水价,按用水量收费,超额累进加价;二是要加大宣传力度,强化全民的节水意识;三是多渠道筹措节水工程建设资金,用政策调动社会投资的积极性;四是大力推广普及节水农业新技术。     

灌水对水肥一体化制种玉米产量和水分利用效率的影响

研发和推广应用高效节水技术是提升扬黄灌区制种玉米产量、支撑制种玉米产业增效和持续发展的重要途径。为了给建立制种玉米水肥一体化技术模式下的科学高效灌溉制度提供科学依据。在甘肃扬黄灌区滴灌水肥一体化条件下,研究了不同灌溉定额和灌水次数下制种玉米的产量表现和水分利用效果。结果表明,灌溉定额从2 250 m3/hm2增加到3 000 m3/hm2时,制种玉米增产幅度达33.84%,但灌溉定额高于3 000 m3/hm2并继续增大时增产效果不明显,生育期耗水量增加,水分利用效率降低明显。灌水次数从10次增加至20次时,制种玉米产量及水分利用效率均呈降低趋势,灌水次数多于15次并继续增加时,制种玉米减产显著。灌水次数和灌溉定额之间不存在互作效应。在灌溉定额偏低条件下,增加灌水次数会造成制种玉米严重减产。当生育期灌溉定额为3 000 m3/hm2、灌水次数为10次时,折合产量较高,为7 386.9 kg/hm2,较其余处理增产-2.77%～93.58%;水分利用效率最高,为17.83 kg/(mm·hm2),较其余处理提高5.32%～78.30%;种植纯收益较高,为29 683.6元/hm2,较其余处理增加-511.8～20 675.4元/hm2;产投比最高,为3.03,较其余处理增加0.07～1.38。可见,灌水10次、灌溉定额为3 000 m3/hm2时灌溉水利用效果相对优化。     

干旱沙漠区小麦田水肥管理效率模拟

干旱沙漠区小麦田水肥管理效率模拟试验研究结果表明,在干旱沙漠区30cm厚的黄河灌淤沙地中进一步降低灌溉标准至田间持水量的40%以下是可能的,更低的灌溉标准将有利于提高小麦的水分利用效率,并降低渗漏损失率.在目前施有效氮、磷、钾总量＜800kg/hm2的水平下,施肥差异不会导致水分渗漏、蒸发和小麦对水分利用比例的差异,但小麦籽粒产量随施肥量的增加而增加.0.12kg/m3的高肥水指数(有效氮、磷、钾施用总量/灌水总量)可获得近5500kg/hm2小麦籽粒产量和约0.74kg/m3的水分生产率.     

不确定条件下考虑水循环过程的灌区多水源高效配置

灌区多水源配置涉及"大气水-地表水-土壤水-地下水"水循环过程，水文要素的变化增加了灌区多水源配置的复杂性，如何在不确定性条件下考虑农田水循环过程，将有限的不同来源的水量高效的分配到作物不同生育阶段，对促进灌区精准灌溉具有重要意义。基于此，该研究在径流与降水联合不确定性条件下，建立基于水循环过程的灌区多水源高效配置多目标模型，该模型耦合了Jensen模型与水短缺足迹模型，以实现节水增效的目的，并获得灌区高效配水方案对径流-降水联合不确定性的响应特征。结果表明：在不同径流与降水的组合情景下，基于各情景配水方案及发生概率，灌区主要生育期的综合配水量为2 241万m3，地表水与地下水的分配比例为6.5∶1，田间实际配水量占灌区可分配水量的95%；经济效益与田间配水量呈正相关关系，而水短缺足迹与田间配水量呈负相关，所构建的模型权衡了灌区经济效益、产量、蓝水利用量多个相互矛盾目标，与实际情况相比，灌区水分生产力可提高11%；不同情景下各生育阶段需要灌溉的程度不同，拔节期对缺水的敏感性最强，且水量分配变幅较大；分蘖期、拔节期和乳熟期采用以地表水灌溉为主，而抽穗期采用以地下水灌溉为主的方式可促进灌区节水增效；多水源配置方案使灌区灌溉的有效性在各情景下均呈现良好状态，可靠性在良好和中等水平之间，而灌区在灌溉的充分性方面有很大提升潜力。构建的模型能够反映水文要素的动态变化对灌区多水源配置的影响，明晰渠首引水与田间多水源配水的相互关系，并提出效益与用水效率同步提升的多水源配置方案，为灌区农业水资源的高效利用提供决策支持。     

施氮量与灌水上下限对黄秋葵产量和养分吸收的交互作用

探讨施氮量与灌水上下限对黄秋葵养分吸收的交互作用,为黄秋葵的水肥管理提供理论及参数依据。采用土壤盆栽试验,设置田间持水量的45%~55%即45%~55% FC(W1)、35%~65% FC(W2)、25%~75% FC(W3) 3种灌水上下限及0 kg/hm²(N0)、110 kg/hm²(N1)、330 kg/hm²(N2) 3个氮水平,观测不同施氮量和灌水上下限对黄秋葵生长发育、生理响应及养分吸收的影响。结果表明,相同施氮水平下,黄秋葵不同器官生物量、果实产量、灌溉水分生产率及氮磷钾养分积累量以W1最高。相同灌水上下限,黄秋葵不同器官生物量、果实产量、谷氨酰胺合成酶活性、灌溉水分生产率及氮肥偏生产力以N1最高,各处理之间差异显著。水、氮之间表现显著的互作效应,N1W1处理的黄秋葵总生物量、果实产量、灌溉水分生产率和氮肥偏生产力最高,分别为446.4 g、201.3 g、6.9 g/kg和108.7 kg/kg,显著高于最低处理N2W3(190.3 g、64.9 g、2.4 g/kg和11.7 kg/kg),分别提高了57.4%、67.8%、65.2%和89.2%。综合分析表明,高氮高水处理(N2W3)显著降低黄秋葵产量及水肥利用效率,黄秋葵产量、灌溉水分生产率及养分吸收综合体现的最优模式为110 kg/hm²的施氮量、45%~55%FC的灌水上下限(N1W1),此研究可为丰富黄秋葵高产栽培提供理论依据。     

井渠结合灌区用水效率指标尺度效应研究框架

现有灌溉用水效率尺度效应的研究大部分集中在地表水灌区,而较少涉及地下水利用灌区,该文针对井渠结合灌区存在地下水回归利用的实际情况,以河北省石津灌区为背景,在国际水管理研究院（IWMI）提出的水收支方法的基础上引入回归水利用指标,提出了在井渠结合灌区进行用水效率指标尺度变化规律研究的工作框架。在所提出的框架中,评价指标选择IWMI体系,数据获取手段主要为资料收集和试验观测,尺度划分方式按照现有灌区管理模型分为灌区,干渠,分干,支渠和田间5个尺度。研究成果展现了灌溉用水效率尺度效应研究所涉及到的指标选取、尺度划分、水收支解析、水平衡要素数据获取方式、回归水分析5个方面的工作过程。该框架对于开展中国北方井渠结合灌区的节水灌溉尺度效应研究有着一定的参考价值和借鉴意义。     

灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时空分布量化分析

作物生产水足迹度量作物生产过程对不同类型水资源的消耗,为实现农业水资源管理与评价提供了更全面的新视角。该研究通过耦合土壤水分动态平衡模块,考虑输配水损失,构建灌区蓝、绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度分布式量化模型;以宝鸡峡灌区为例,定量评价不同典型年灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度演变规律。结果表明:宝鸡峡灌区蓝绿水资源总量在2008-2017年呈上升趋势。各作物对绿水资源利用效率均持续上升,而小麦蓝水资源利用效率呈下降趋势;玉米、小麦生产总水足迹整体呈上升趋势,多年平均值分别为573和779 m3/t;作物生产绿水足迹在拔节-灌浆期占比较高,成熟期占比较低;作物生产水足迹在日尺度波动幅度最大;平水年、丰水年灌区用水存在不合理现象,枯水年作物生产单产水平最高,总水足迹最低,水资源利用效率最高。该研究所构建模型可移植适用于无排水渠系灌区水文模拟,准确量化灌区农业生产耗水,解析日-月尺度作物生产水足迹演变特征,有助于明确灌区作物耗水规律,进而高效利用绿水资源,合理配置蓝水资源,提高作物产量,实现高效生产。     

基于田间调查数据分析漳河灌区水稻灌溉水生产力分布异质性及其影响因素

在漳河灌区农田尺度的基础上,基于农户调研结果和文献调研的大田数据,分析当地水稻灌溉水生产力及其影响因素的空间异质性,利用相关性分析和偏最小二乘回归分析进行灌溉水生产力关键影响因子的筛选。结果表明：（1）漳河灌区总、四干渠控制村组水稻产量最小,灌溉水生产力则表现为三干渠控制村组最大而总干渠控制村组最小;（2）灌溉水生产力与单位面积灌水量、生育期日平均太阳辐射和土壤粉砂粒含量呈现极显著负相关,与日平均气温和土壤黏粒含量呈现极显著正相关;（3）灌溉水生产力受单位面积灌水量、施氮量、生育期内日平均气温、日平均太阳辐射和土壤黏粒含量的影响较大。因此,管理措施和气象因素是改善漳河灌区水稻灌溉水生产力的关键因素。研究结果可以为改善当地水稻管理水平、提高灌溉水生产力提供数据支持。     

河网区灌溉水利用系数的尺度转换

大尺度灌区灌溉水利用系数的测定条件难以保障,而小尺度灌区的灌溉水利用系数可以通过试验测定,如何通过小尺度灌区的灌溉水利用系数来预测大尺度灌区的灌溉水利用系数,就有必要对灌溉水利用系数的尺度转换问题进行研究。河网灌区的特点是没有统一的水源引水口,通常是由若干个小灌区合并成一个大灌区,是一个典型的自相似系统。论文以地处里下河水网地区的盐城市水稻灌区作为研究对象,于2012-2013年对9个县区不同规模的样点灌区进行了灌溉水利用系数的试验观测,利用分形理论研究了河网灌区的分形特征,运用盒维数法计算了盐城市河网灌区和不同尺度灌区的盒维数,其盒维数介于1.703~1.996之间,并随着面积尺度的增加而增大。基于灌溉水利用系数与灌区面积、盒维数的相关性,建立了河网灌区灌溉水利用系数尺度转换模型,并通过验证,表明该尺度转换模型能够较好地预测河网灌区灌溉水利用系数,同时也能够很好地实现灌溉水利用系数的尺度转换,为分析河网灌区灌溉水利用系数及其尺度效应提供了新途径。     

大型灌区节水水平评价指标体系构建与实证

灌区是中国农业节水的主战场,对灌区节水水平进行评价可为灌区现代化改造提供借鉴与指导,合理适用的评价指标体系是进行灌区节水水平评价的核心内容。针对当前灌区评价指标选取存在的冗余、不完备的问题,为构建满足简洁性与完备性的反映灌区节水水平的评价指标体系,该研究从工程节水、田间节水、用水管理、水资源保护及用水效益5个方面初步建立了大型灌区节水水平评价指标体系,利用筛选模型从70个指标中优选出了23个灌区节水评价指标,表达了86.42%的信息,使最终的指标体系兼具简洁性与完备性,并对河南省沿黄渠村灌区、彭楼灌区、广利灌区、大功灌区4处大型灌区进行了节水水平实证研究。结果表明,4处灌区相应的节水评价指数分别为0.666、0.730、0.657、0.616,其中彭楼灌区由于具有较高的骨干渠系配套程度和明显的工程节水优势使其整体节水水平较高,渠村灌区和广利灌区的节水水平次之,大功灌区的节水水平相对较低;受益于大型灌区续建配套与节水改造项目4处灌区在工程节水方面表现相对较好,评价结果与实际情况相符,表明该研究构建的节水水平评价指标体系科学合理;为进一步提升灌区的节水水平,4处灌区需加强用水管理水平、增加用水效益以及注重水资源保护建设。研究成果为科学评估大型灌区节水建设提供了一种有效的方法,并对推进农业节水化进程具有积极的指导作用。     

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。     

农业灌溉节水评价指标与尺度问题

该文探讨了农业灌溉节水的评价指标与尺度问题，指出产生节水灌溉尺度现象的原因是由于灌溉过程中回归水的重复利用。讨论了在不同尺度下的水平衡要素及其在节水尺度效应中的作用；说明随尺度的增大，水平衡过程变得复杂化，节水尺度效应现象也更突出。指出由于尺度效应的存在，传统灌溉效率指标在节水效果评估及水资源调配决策中的局限性，并对近年来国际上提出的相关评价指标进行评述。结合两个实例就评价指标随空间尺度的变化规律及灌区尺度节水策略问题进行了讨论。     

时间尺度对农田灌溉设计保证率的影响

设计保证率是灌溉系统设计的重要参数之一,以年尺度为计算时段选择的典型年,存在对降雨的年调节估计过高的可能。该文以河南省郑州市1951—2015年的气象数据为基础,对其年降雨量、月降雨量及旬降雨量等进行排频计算,分析了不同灌溉设计保证率下对应典型年的降雨分布。以冬小麦、夏玉米需水关键期对应的4月、7月和8月为典型时段,研究了同一保证率下降雨的变化情况,并按照不同的计算时间尺度制订出相应的灌溉制度,讨论了时间尺度对灌溉定额及降雨利用量的影响。结果表明:1)在相同灌溉设计保证率下,各典型年、月和旬的降雨量均相差较大,同一月份的降雨量相差5倍以上;降水量的极差由大到小依次为年尺度、月尺度、旬尺度。2)利用水量平衡法,制订了不同时间尺度下典型年冬小麦-夏玉米连作的灌溉制度,在25%灌溉设计保证率下,季尺度下的年灌溉定额显著高于日尺度;与季、月和旬尺度相比,日尺度下的年灌溉定额分别降低了34%、23%和3%;偏干旱年灌溉定额随降水计算尺度减小而减小,但差异不明显。考虑不同的时间尺度具有不同的节水潜力和效果,完善灌溉排水工程中相应标准及其选取方法,选择合适的计算时长,既有利于落实灌溉设计保证率,又能提高各种水资源的利用率。