农田水分利用效率研究进展及调控途径

农田水分利用效率是节水农业研究的关键指标。本文将农田水分利用效率分解为灌溉水利用率、降雨利用率和作物水分利用效率三个方面,分别论述其重要指标及其计算方法,构建农田水分利用效率的指标体系;同时,分别提出提高灌溉水利用率、降雨利用率和作物水分利用效率的措施,以提高整个农田生态系统内的用水有效性,为农业水资源的持续高效利用提供科学指导。     

作物高效用水生理生态调控机制研究

提高作物对水分的高效利用是解决我国农业水资源短缺的根本出路。本文从作物高效用水的品种差异、作物不同生育时期对水分的响应差异、气孔导度对作物叶片奢侈蒸腾的调控、不同抗旱类型作物在应对水分胁迫的生理生态策略差异等4个方面,主要对国内研究进展及发展趋势进行了综述。根据本研究组多年研究结果,提出了3项作物高效用水的配套栽培技术,主要包括:1)调整种植结构,提高作物周年用水效率技术。利用作物及品种的用水特性、产量差、效率差,根据地下水压采目标,构建合理的作物种植结构与轮作方式,提高作物周年对水资源的利用效率。以太行山前高产区为例,冬小麦-夏谷子/春甘薯两年3熟制是一种产量、水分经济利用效率均较高的种植结构。2)活化播期,拓宽播种阈值,提高作物雨水利用效率技术。通过选用合适品种拓宽播期、等墒、找墒、保墒拓展利用土壤水分的时空范围、播量变量调节等,提高作物雨水利用效率。通过技术组装与配套,冬小麦只要在11月底之前播种,产量与常规种植没有显著差异。3)覆盖保墒,提高旱地作物高效用水技术。其中,小麦-玉米土下覆膜一膜两用丰产节水模式通过调节土壤温度、水分、盐分、抑制杂草等多项调控,显著提高了雨养农田作物产量与水分利用效率。在环渤海低平原沧州地区,该技术模式在没有任何灌溉条件下的周年产量达15 910.20~16 965.90 kg·hm-2,比对照增产10.52%~41.44%。深入探讨作物高效用水的生理生态基础、进一步研发提高作物水分利用的新技术、统一作物高效用水的量化标准和充分利用非常规水将是今后相当长一段时期的重点研究方向。     

华北平原水资源供需与作物水分利用效率指征分析

水资源短缺,地下水位大面积下降,是限制华北平原农业可持续发展的重要原因。分析研究了可 持续农业水资源利用的内涵、农田水分利用效率的指征和调控指标等方面内容,为华北平原地区农业水资源高效利用及其可持续管理提供科学依据。     

华北平原水资源供需与作物水分利用效率指征分析

水资源短缺,地下水位大面积下降,是限制华北平原农业可持续的重要原因,分析研究了可持续农业水资源利用的内涵,农田水分利用效率的指征和调控指标等方面内容,为华北平原地区农业水资源高效利用及其可持续管理提供科学依据。     

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。     

半湿润易旱区农业节水技术研究

根据１９９１～１９９３年在河南“商丘节水农业持续发展实验区”的田间试验观测结果,研究分析了抗旱作物品种、农田秸秆覆盖和化学调控等农业节水技术与水分利用效率间的关系及其在节水农业中的作用。结果表明,选用抗旱作物品种,在相同栽培条件下,作物水分利用效率提高０．５４～０．５６ｋｇ／ｍｍ;实施农田秸秆覆盖,１ｍ土体内较对照多储水１６９．５ｍ^３,节省灌溉用水２１００ｍｍ／ｈｍ^３土壤储水有效利用率提高２６．９％;应用抑蒸保墒化学药剂,麦田耕层土壤含水量增高４．７％,叶片含水率增加４．９％,农田水分利用效率提高１４．４％～２５．５％。充分显示,实施工程措施与生物措施相结合的农业节水技术,合理、有效地利用有限的环境水资源和最大限度地提高作物本身用水效率,发展节水农业,是我国半湿润易旱区农业可持续发展的重要途径之一。     

基于层次分析-熵权法的内蒙古农牧交错带农业用水水平综合评价

在我国北方干旱半干旱地区,农业灌溉是水资源消耗的主要途径,农业水资源利用效率的高低,直接决定着区域可利用水资源量。为探究我国北方农牧交错带农业用水水平,以内蒙古农牧交错带农业灌溉用水为研究对象,在综合分析用水现状的基础上,通过层次分析—熵权法和模糊综合评价相结合的方法,选取体现农牧交错带农业用水特征的代表性指标,构建农牧交错的农业用水水平综合评价体系,对2020年内蒙古农牧交错带农业用水进行综合评价。结果表明：内蒙古农牧交错带各旗县间农业灌溉用水量相差较大,整体呈现东高西低趋势,灌溉水量为582.41～4 905.86 m³/hm²,灌溉水利用效率为51%～84%;各旗县农业用水综合评价得分为2.26～3.67,农业用水水平整体处于中等偏上,29个旗县中较高水平占比44.80%,中等水平占比55.20%;与作物水分利用效率(WUE)对比,构建的综合评价体系可以更真实地反映出农牧交错带农业用水实际情况,对于农牧交错带中农业用水水平处于中等偏下水平的旗县地区,需加大力度发展农业节水措施,提升农业水资源利用效率。     

作物水分利用效率研究方法及尺度传递研究进展

提高作物水分利用效率（WUE）是缓解农业生产水资源匮乏压力的有效途径,而水分利用效率尺度传递是各尺度WUE相互表征、验证并应用于实际生产的基础。本文概述了作物叶片、植株、群体尺度WUE的主要观测技术,包括叶片气体交换测定、碳同位素判别、桶栽称重、涡度相关观测等,其中碳同位素判别法为研究作物水分利用的长期累积效应提供了新的思路,且适用于多个尺度;总结了各尺度WUE的影响因子及作物耗水的生理机制,阐明各尺度WUE均受气孔导度调控。讨论了叶片到植株、叶片/植株到群体的尺度传递的可行性,集中分析了尺度传递的主要限制因素,指出叶片到植株的传递研究难点集中于叶片分布和光分布的不确定性、植物夜间呼吸和蒸腾以及植物适应环境的生理调节机制等过程;而叶片/植株到群体的传递研究主要受冠层形态学差异、冠层阻力、土壤蒸发及植物同化物分配机制等限制。最后总结了尺度传递方法的现有研究成果。目前作物WUE尺度传递主要依靠模型的完善和观测手段的提高,叶片到单株的尺度传递需关注日间与夜间耗水的分离及作物各部分的光合特性;叶片/单株到群体的传递可先明确蒸散结构,了解耗水特征,再以气孔导度和冠层导度的关系为切入点,利用模型探究传递机制。     

宁夏半湿润偏旱区农田水分运动及利用研究

通过长期定位试验,研究了宁夏半湿润偏旱区农田水分运动规律、主要作物对农田水分的利用、水分对作物生长的影响以及降水资源的利用。结果表明,春小麦水分入不敷出,干旱缺水及降水的季节变化是该区农业生产的主要限制因子,作物水分利用效率低影响了降水生产潜力的发挥,因而开发降水生产潜力是提高该区农业生产力的关键。     

宁夏半湿润偏旱区农田水分运动及利用研究

通过长期定位试验,研究了宁夏半湿润偏旱区农田水分运动规律、主要作物对农田水分的利用、水分对作物生长的影响以及降水资源的利用。结果表明,春小麦水分入不数出,干旱缺水及降水的季节变化是该区农业生产的主要限制因子,作物水分利用效率低影响了降水生产潜力的发挥,因而开发降水生产潜力是提高该区农业生产力的关键。     

起垄覆膜栽培技术的增产增效作用与发展

我国北方水资源短缺限制着农业的可持续发展。作物起垄覆膜栽培可以显著提高产量及水分利用效率。本文从起垄覆膜栽培技术的发展与现状、对几种主要作物的增产效果及其原因、未来发展等几个方面进行了综述,期望为推动起垄覆膜技术的进一步发展、缓解北方水资源紧缺提供指导。作物起垄覆膜栽培是垄作与薄膜覆盖的有机结合,是将地面修整成垄台、地膜覆盖于垄台之上,在双垄之间或双垄之上种植作物的一种栽培方式。其增产原因主要包括：1）提高土壤水的有效性。地膜覆盖抑制地表蒸发,通过集雨、水汽凝结提高土壤含水量。2）调节地温。垄作覆膜能够提高土壤温度,尤其是作物苗期的土壤温度,增加出苗率、成苗率,促进作物生长发育;提高昼夜温差,降低高温期地温,有利于作物产量的提高。3）改善土壤理化性质,改善土壤结构,调整土壤酶的活性,为作物生长提供良好的土壤环境。起垄覆膜栽培模式在华北地区未来发展方向：提高农机配套、新型无害地膜应用、构建不同作物技术规程。     

华北平原冬小麦面积遥感提取及时空变化研究

多年作物种植面积的时空变化可以反映种植结构的调整结果,并可用于进行驱动力分析。为解决连续遥感监测作物种植面积变化过程中,不同的训练样本或分类规则不能较好地反映作物种植面积时空格局变化的问题,本文首先根据研究区(华北平原)农业气象观测站提供的主要农作物物候观测资料获得主要农作物典型物候期特征,结合HANTS滤波后的NDVI时间序列数据提取不同地物类型的NDVI时序曲线,引入复种指数,探讨了CART算法在提取华北平原冬小麦种植面积的可行性,最后提取了2000—2013年华北平原冬小麦种植面积,并参考市级的农业统计数据进行精度评价。经检验,近13年的遥感监测种植面积与农业统计面积相关系数达到0.94(置信水平为95%),且各市13年面积一致性小于40%的概率仅为15%。利用遥感监测多年冬小麦空间分布信息获得其空间种植概率,能较好地反映研究区冬小麦的主要种植区,该方法可为大范围、连续年份冬小麦种植面积时空格局的遥感监测提供参考。     

提高农田水分利用效率的调控机制

提高作物水分利用效率是解决农业淡水资源匮乏的重要途径。本文从水氮调控作物叶片和群体耗水过程、根系调控提高土壤水分的有效性和遗传改良提升作物水分利用效率3个方面论述了国内外研究进展,并提出华北粮食作物生产中通过上述3个方面提升农田水分利用效率存在的问题及对策,为提升华北严重缺水区主要作物农田水分利用效率提供参考。主要包括:1)通过调控有限灌溉农田水分的时空分布,优化地上、地下干物质形成、分配,提高单位农田耗水的生产效率,是充分发挥农田节水潜力的一个重要途径;2)在华北对于压实严重且影响作物生长的土壤上,研究深耕深松结合轮作制度改良上层和下层土壤压实,促进根系生长,对改善长期大型机械耕种可能对作物产生的不利影响有重要意义;3)华北主要作物冬小麦和夏玉米通过品种更新来实现水分利用效率提高的幅度在减小,急需通过高水效品种选育突破,降低品种的生理需水量,实现进一步增产节水目标。     

基于植被遥感信息的作物蒸散量估算模型--以华北平原冬小麦为例

本文基于作物系数法并结合植被遥感信息(MODIS/NDVI),提出一种能反映作物空间分布和土壤供水差异信息的作物蒸散量估算模型。利用该模型得到2000—2013年华北平原冬小麦的蒸散量,模拟结果与遥感蒸散产品吻合度较高(R2=0.952,RMSE=1.3×107 m3),并分析了冬小麦蒸散量和灌溉耗水量的时空变化。结果表明:1华北平原冬小麦蒸散量呈南高北低的格局。基于250 m空间分辨率上来看,山东省、河南省的黄河灌区以及太行山前平原的冬小麦蒸散量可达400 mm以上,中部平原区冬小麦蒸散量350 mm,滨海一带蒸散量200 mm。2冬小麦灌溉耗水量与其蒸散量格局相一致。在太行山前平原、河南省和山东省的引黄灌区,灌溉耗水量可达250 mm以上;河北平原北部由于冬小麦种植比例较低,灌溉耗水量100 mm。3近14年河北平原北部冬小麦播种面积下降明显,区域灌溉耗水量减少,地下水位下降趋势得到明显缓解。本文提出的作物蒸散量估算模型能够较好地用于确定较大区域作物蒸散耗水量,并可应用于区域作物灌溉量的评估与管理中。     

基于虚拟水战略的农业种植结构优化模型

以往灌区水资源优化配置研究着重于经济效益而忽视了社会效益和生态效益,这不适于生态环境及人类生存环境极其脆弱的西北干旱缺水地区。该文在总结原有优化模型基础上通过设置当地人民生产生活条件及环境改善对物质水需求的刚性约束条件,提出基于虚拟水战略的区域农业产业结构优化模型,并以民勤县为例进行模拟计算。结果表明,随着虚拟水贸易系数的增加,粮食作物的种植面积有所减少,而蔬菜类作物的种植面积大幅度增加;其经济效益与用水效益都明显提高,区域粮食依赖性也随之加剧。方案7、8在贸易基础上实施技术节水,在一定程度上保证了粮食安全,节约了宝贵的水资源,有利于旱区生态环境改善。该模型求解出的优化方案为制定合理有效的旱区农业产业结构调整政策有一定的借鉴作用。     

土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建

定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律,对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。该文在总结前人研究成果的基础上,引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块;借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论,并在其基础上进行了修改与完善,构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS(soil water heat carbon and nitrogen simulation)。该模型以天为步长,考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述,源汇项中考虑碳氮循环的各个过程(有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等),在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及作物产量的模拟,通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。最后应用华北地区(山东泰安)冬小麦-夏玉米轮作体系2 a的田间观测数据对该模型进行了校验。结果表明,剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好,模拟误差均在合理范围之内,特别是对产量的模拟较好,均方根误差为206~319 kg/hm2,相关系数为0.90,模型效率值均大于0.75,一致性指数值均大于0.9。WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程,表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。     

中国农业用水存在的问题及节水对策

水资源紧缺及社会工业化和城市化的发展导致中国农业水资源严重不足，与此同时，农业用水中的水浪费现象还普遍存在，因此，节水农业是解决中国缺水问题的唯一途径。该文分析了中国当前农业用水存在的主要问题，从农艺节水、抗旱品种选育以及农业用水管理创新等方面论述了目前国内外节水农业上的研究进展，并由此提出了中国进一步发展节水农业的战略性措施。     

华北高产粮区基于种植制度调整和水氮优化的节水效应

冬小麦/夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物主要的种植方式。冬小麦生育期降水少,春季灌溉是保证其高产的必要措施。基于上述问题,在华北平原高产粮区设置田间试验,研究了调整种植制度和水氮优化等措施下的节水效应。结果表明,将一年两熟的冬小麦套种夏玉米调整为冬小麦直播夏玉米,并结合水氮优化等措施,能降低作物耗水15%,提高灌溉水利用效率52%～54%,而产量并没有下降;而将一年两熟调整为两年三熟和一年一熟,尽管能降低作物耗水24%～31%,且能提高灌溉水利用效率58%～172%,但产量却下降16%～27%。综上所述,该区将现行的一年两熟制中的套种调整为直播,并加以水氮优化等措施,是目前较为适宜的种植方式。考虑到该区水资源严重短缺的现实,两年三熟制可能是未来的种植趋势,但需要挖掘其产量潜力。