农业灌溉水资源优化配置研究进展

水资源短缺是制约农业可持续发展的关键因素,因此农业灌溉水资源的优化配置对于保障粮食安全和水安全具有重要意义。该研究基于农业灌溉水资源优化配置的主要类型,对单一作物灌溉优化决策、多作物水土资源优化配置和灌溉渠系水资源优化调度3个方面的研究进展进行了系统综述。同时指出了当前农业灌溉水资源优化配置中存在的主要问题和未来研究方向,研究认为当前的农业灌溉水资源优化配置应在如下4个方面进行完善：1）建立更具生理意义的作物水分-产量-品质模型;2）在气候变化和人类活动的情景下实现农业灌溉水资源的优化配置;3）构建全面考虑水源、渠系、灌区面积、作物配置以及生育阶段的系统性农业灌溉水资源优化配置模型;4）建立以棵间蒸发最小为目标的动态灌溉优化决策模型。研究可为中国的粮食安全和水安全提供理论指导。     

区域灌溉水利用效率测算分析

在对内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗水资源利用现状和农业灌区用水现状进行实际调查与分析的基础上,根据首尾测算分析法的计算原理,选择代表不同灌溉方式的典型样点灌区,开展相关的田间测试试验,分别用水量平衡法和田间测试法对典型样点灌区灌溉水利用效率进行客观、科学的计算,从而得出科尔沁左翼中旗灌溉水利用效率。通过测试与评估农业灌溉中不同类型田块及不同灌溉技术下的灌溉水有效利用系数,得出样点灌区主要灌溉方式低压管灌、喷灌和膜下滴灌的灌溉水利用系数分别为0.865,0.874,0.906。在2014年的水文气象条件、灌区灌溉系统状况以及灌区的管理等综合因素条件下,科尔沁左翼中旗的灌溉水有效利用系数为0.880。计算结果符合灌区实际情况,为进一步提高灌区灌溉水有效利用效率、更好的发展灌区节水灌溉提供决策依据。     

土壤水库的功能和作用

在我国国民经济发展中，水资源不足的矛盾促使人们重新估价旱作农业的增产潜力和考虑灌溉农业中的节水灌溉问题。在这中间，土壤水库及其对作物供水的调节功能正日益被人们所重视。实际上，土壤水是一项重要的水资源，在解决农田供水、提高旱作产量和节约灌溉水方面，有其自身的特殊作用。本文拟就此问题以黄土高原南部塬区为例，做一阐述。     

平潭综合实验区农业用水效率分析与预测探讨

农田灌溉用水量和灌溉水有效利用系数是评价农业灌溉用水效率高低的主要指标,以平潭综合实验区为例,选取气候条件、地形地貌、作物种植结构、水资源供给条件等截然相反的平原镇、苏澳镇与中楼乡、芦洋乡、岚城乡进行灌溉耗水量及灌溉水利用系数的计算与趋势预测。结果表明,实验区单位面积农田灌溉用水量变动趋势与福建省及全国的变化趋势一致,比全国平均水平高,但略低于福建省平均水平;灌溉水有效利用系数预测值明显高出全国及福建省平均水平。     

新疆地区农业灌溉水利用系数分析

采用传统渠道断面测验法、典型灌区田间水利用系数测验、“灌区首尾”等方法,综合研究干旱灌区灌溉水利用系数。结果表明：引输水渠灌、提水井灌、喷灌、微灌、低压管道输水5种灌溉用水模式,灌溉水利用系数分别为0.370、0.687、0.795、0.860、0.800;5种模式2011年综合灌溉水利用系数所对应的全疆灌区、南疆、东疆、北疆片区分别为0.498、0.479、0.682和0.581。基于柯布-道格拉斯模型分析相关因素对综合灌溉水利用系数的影响效应,结果表明,灌溉系统大力推进渠道防渗、井灌和高效农业节水建设,对于提升灌区综合灌溉水利用系数贡献明显。研究结果为干旱新疆灌区农业用水效率和水资源总量控制管理提供了技术依据。     

中亚五国棉花和冬小麦需水量的变化及预测

农业灌溉用水是中亚地区最主要的水资源利用方式,灌溉用水量的变化直接影响中亚地区水资源消耗量,进而影响水资源管理和配置。作物需水量是衡量农业灌溉用水量的直接指标,为此本文以中亚主要作物棉花和冬小麦为研究对象,分析了2006—2015年中亚地区灌溉农业用地,以及棉花和冬小麦的需水量变化,并利用CA_Markov方法预测了2030年灌溉农地的变化,进而分析了未来中亚地区农业需水量的状况。研究表明,2006—2015年,中亚地区灌溉农田面积总体增加492km~2,其中哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和土库曼斯坦均有所增加,但塔吉克斯坦和乌兹别克斯坦有所减少。2006—2015年,棉花需水量只在土库曼斯坦和哈萨克斯坦东部地区显著增加(2.5～4.3 mm·a~(-1)),在吉尔吉斯斯坦显著减少,并且是唯一呈现总体减少趋势的国家。冬小麦需水量在土库曼斯坦明显增加(10.0mm·a~(-1))。至2015年,土库曼斯坦的棉花总灌溉水量增幅最大(3.44%),其他4个国家变化较小。中亚五国冬小麦的总灌溉水量均呈上升趋势; 2030年,土库曼斯坦是唯一灌溉农业用地增加的国家,棉花和冬小麦的总灌溉水量均明显增加,棉花灌溉水量增加约28km~3,冬小麦增加约17 km~3。     

稻田水资源利用效用的灌排模式响应

为全面揭示稻田水资源利用效用,在观测浅水勤灌(FI)、浅湿灌溉(WI)、控制灌溉(CI)和蓄水控灌(RI)处理试验小区田间水量平衡的基础上,建立了灌溉水、降水消耗通量区分方法及其利用效用评价指标体系,分析了水资源利用效用的灌排模式响应。结果表明:田间灌溉水和降水消耗量、有效利用率及水分生产力均受灌排模式的影响;2017-2018年各处理水资源消耗量为695.9~999.1 mm,其中CI处理水资源消耗量最低,并且消耗结构更加合理。CI处理的灌溉水生产力(IWP,5.392 kg/m³)、降水生产力(PWP,1.539 kg/m³)以及水资源生产力(WRP,1.364 kg/m³)综合表现出其水资源产出能力最强;灌溉效率(IE)、降水利用率(PE)及广义水利用系数(GE)的平均值分别为0.472,0.406,0.693,且处理间[JP]的差异小于产出能力指标。基于灌溉水、降水消耗通量区分的水资源利用效用评价指标体系可以真实而全面地衡量农业生产中水资源表现,特别是在降水频繁的生育季。研究结果可为农业用水效率评价和稻田灌排模式制定提供理论基础。     

灌溉水质对土壤水力性质和物理性质的影响

本文研究了灌溉水质对田间原状土壤非饱和导率水率的影响及其机理，研究结果表明，灌溉水质对土壤导水率有显著影响，随灌溉水矿化度增加，土壤导水率变大，而灌溉水钠吸附比（ＳＡＲ）则有相反的作用，ＳＡＲ愈高，土壤导水率愈低，本文还研究了灌溉水非常低的矿化度对土壤导水率产生的不可逆效应以及表土和度土导水率的差异，同时还研究了灌溉水质对土壤物理性质的影响。     

基于区间多阶段随机规划模型的灌区多水源优化配置

灌区多水源灌溉系统中存在许多不确定性因素,随着系统环境的变化及不确定性因素的影响,导致其配水过程具有动态特征。针对灌区多水源灌溉系统的配水特点,该文建立基于区间多阶段随机规划的灌区多水源优化配置模型。同时,考虑灌溉水对作物产量的影响,引入水分敏感指数权重系数,并以黑龙江省和平灌区水稻不同生育阶段灌溉水资源优化配置进行实例研究。结果表明,在不同来水情境下,管理者可根据各个生育阶段水分敏感指数权重系数,判断作物不同生育阶段的需水敏感程度,当来水情境的来水量多时,会产生余水量,可调配给下一生育阶段;当来水情境的来水量少时,管理者可在减少灌溉水量与增加外调水之间进行权衡,并根据需水关键期与需水非关键期做出决策,使水资源在作物生育阶段间及作物生育阶段内进行分配,实现灌区多水源灌溉系统的动态配水。该模型的应用在确保作物产量的同时,使灌溉水资源在作物各个生育阶段进行合理配置,有效地避免了水资源浪费,对提高灌溉水利用效率、保证水资源的可持续利用具有重要意义。     

土壤质地和灌溉水量对黑河中游地区甜高粱生长特征及水生产力的影响

甜高粱已成为干旱和盐碱等边际性土壤区农业可持续发展的重要作物之一,针对河西走廊荒漠绿洲区水资源短缺与土地贫瘠等问题,本研究以黑河中游边缘绿洲为研究区,通过5个土壤(砂壤土S1、S2,砂土S3、S4,壤砂土S5)和3个灌溉处理(28.6%节水灌溉,14.3%节水灌溉I2,常规充分灌溉I3)的田间试验,进行不同土壤条件下节水灌溉对甜高粱生长特征及灌溉水生产力的影响研究,探讨了河西走廊荒漠绿洲区甜高粱适宜种植土壤与灌溉措施。结果表明,在充分灌溉处理下,甜高粱生长特征指标、生物量和灌溉水生产力均低于节水灌溉(I1、I2)。其中,I1和I2茎秆生物量分别较充分灌溉处理增加了7.81%和3.57%,总生物量增加了6.30%和3.17%。此外,I1和I2甜高粱灌溉水生产力为3.63 kg·m-3和2.94 kg·m-3,分别较充分灌溉处理的2.44 kg·m-3提高了48.8%和20.4%。因此,充分灌溉不会提高甜高粱产量,却会显著降低灌溉水生产力。同时,除茎秆汁液锤度外,甜高粱其它生长特征和灌溉水生产力表现为S1 S5 S2 S4 S3。表明甜高粱适合种植于砂壤土和壤砂土,且适当的水分胁迫有利于甜高粱糖分含量的积累与生物产量的提高。     

2000-2020年玛纳斯河流域的作物种植结构与需水满足度

变化环境条件下干旱绿洲水土资源的高效利用一直广受关注。玛纳斯河流域分布着新疆最大、最典型的绿洲农耕区,其水土资源高效利用无疑应基于对种植结构和需水满足度（供水量/需水量）时空演变规律的了解。基于谷歌地球引擎（Google Earth Engine,GEE）平台并通过区域调查和调研,该研究利用面向对象的随机森林分类,建立流域地物遥感识别模型,分析当地2000-2020年种植结构的变化过程,探讨种植结构变化与膜下滴灌棉花水分供应状况和需水满足度间的关系。结果表明：基于GEE平台,融合简单非迭代聚类图像分割算法和随机森林分类算法可快速、准确识别流域地物,总体精度约90%;近20年,流域种植作物始终以棉花为主,占耕地总面积的80%以上,受益于膜下滴灌技术的节水、抑盐等功效,中、下游盐碱荒地不断被开垦为棉田,致使其面积以每年约101 km2的速度增长,但棉田面积增长与灌溉水资源供给的矛盾日益突出,棉花需水满足度显著下降,尤其是水资源相对匮乏的下游灌区及需水旺盛的夏灌期,2020年流域下游棉花夏灌期需水满足度已降至约46%,种植结构的调整和优化已势在必行。研究可为玛纳斯河流域水资源配置及农业种植结构优化提供科学依据。     

秸秆粉碎与残膜集条联合作业机的研制与试验

地膜残留已经成为影响新疆棉区可持续发展的一个主要因素,而现有的残膜回收机具大多存在适应性差、工作效率低、回收的地膜含杂率高、结构复杂等问题。针对上述实际情况,该文提出了先将地膜集条再捡拾回收的分步作业思路,设计了一种用于秋后的秸秆粉碎与地膜集条联合作业机,主要由悬挂装置、动力传递系统、秸秆粉碎装置、秸秆输送装置、地膜集条装置、脱模装置等部件组成。该机采用抛送式秸秆粉碎装置,将粉碎的秸秆后抛至集条后的地面上,有利于残膜回收秸秆分离;采用仿形式地膜集条装置,适应性好,集条率高。样机试验结果表明,机具作业速度为5～7 km/h、刀轴转速为1880 r/min、集条装置的转速在150～160 r/min时,平均工作效率可达到1.15 hm2/h,平均地膜集条率可达到92.6%;平均膜秆分离率可达90.5%;平均粉碎秸秆长度合格率可达97.5%,各主要参数均满足农艺和国家标准要求。该研究可为中国主要棉区的残膜污染治理提供参考。     

基于复杂适应系统理论的农业水资源优化配置——以三江平原为例

以对现有可利用的农业水资源进行优化配置为目的,从复杂适应系统理论的视角,研究其在农业水资源优化配置中的适用性,构建多层次的农业水资源配置复杂适应系统模型,并通过对模型的求解预测三江平原灌区2020年的供需水情况,给予分析,结果表明,三江平原地区应该加强对地表水尤其是地表径流的合理开发利用,从而缓解地下水开采过度问题。研究表明,复杂适应系统理论应用在农业水资源优化配置中是可行的。     

基于虚拟水流动均衡性的农业用水综合调控

为了解决密不可分的干旱区水资源和农业问题,使虚拟水流动与水资源量和经济规模相适应,该文借鉴基尼系数概念评价虚拟水流动的区域均衡性,并以尽量提高区域均衡性为目标,建立融合了粮食流通模型的农业用水综合调控模型,从而在控制灌溉水使用总量的前提下,通过调整粮食生产耗水和产量来改变粮食流通格局,进而优化虚拟水流动状态。在甘肃的应用研究证明该方法可在满足用水总量限制要求前提下,使虚拟水流动均衡性较调控前有明显改善,实现了干旱区实体水和虚拟水的统一管理。这对促进干旱区不同地区间的协作、缓解水资源利用与粮食生产间的矛盾,具有重要的理论指导意义。     

基于遗传投影寻踪模型的黑河中游地区农业节水潜力综合评价

农业节水潜力综合评价是进行节水规划的重要依据。目前,区域农业节水潜力的定量研究和综合评价研究仍存在不足。为此,本研究以地处西北内陆的黑河中游地区为研究单元,以流域统计资料和野外参与式农户调查资料为基础,借鉴层次分析方法原理,考虑区域社会经济发展水平、水文水资源状况、农业水资源开发利用、农业节水水平和生态环境对区域农业节水潜力的影响,建立了区域农业节水潜力综合评价指标体系。并针对各个单项评价指标的不相容问题,提出基于实码加速遗传投影寻踪的区域农业节水潜力综合评价模型,利用最佳投影方向判断各指标对综合评价目标的贡献大小和方向,通过投影指标值大小对黑河中游地区各区县(甘州区、民乐县、临泽县、高台县和山丹县)农业节水潜力实现水平进行评价。结果表明:水利投资占GDP比例、渠道防渗面积比和管道输水面积比等指标对区域农业节水潜力的影响较大,而人均粮食产量、人均水资源拥有量、供水量模数等指标影响较小;2005年,甘州区、民乐县、临泽县、高台县和山丹县的投影值Z(i)=(1.366 5,1.170 4,1.239 1,1.259 6,1.158 6),故甘州区、高台县和临泽县农业节水技术水平较高,山丹县和民乐县农业节水技术水平较低,节水技术应用潜力空间较大。研究结果可为区域节水农业技术持续发展提供科学依据和决策支持。     

基于LMDI-SD耦合模型的绿色发展灌区水资源承载力模拟

针对灌区大量引水导致的河道断流、生态环境恶化以及水资源利用效率不高等问题，开展绿色发展模式下水资源承载能力模拟研究。以宝鸡峡灌区为研究区，基于Divisia指数分解、Kaya恒等式以及系统动力学理论，提出对数平均迪氏分解与系统动力学耦合模型，从需水机理出发识别灌区用水量变化的主要驱动因子；运用情景分析法，考虑生态需水、高效节水、产业结构调整和外调水等情景设置5种模拟方案，对2017－2030年灌区需水量进行动态模拟；引入水资源承载指数探讨规划年2025年和2030年的水资源承载力水平。结果表明：灌区各部门用水定额对用水量变化起主要驱动作用；按方案1（现状发展模式），2025年水资源基本可承载灌区社会经济发展，但2030年出现轻度超载；方案5（绿色发展模式）通过对用水变化主要驱动因子的调控，到2030年，水资源承载指数均小于1，属于可承载状态。研究表明，通过合理的调控措施可有效地缓解灌区水资源供需矛盾、提升水资源承载能力。本研究可为干旱半干旱灌区绿色发展模式下水资源合理开发提供科学的决策依据。     

基于水足迹的中国农业用水效果评价

为兼顾灌溉用水效率和总量控制评估区域农业用水效率,结合水足迹与灌溉发展状况构建了农业用水效果评价指标(agricultural water use effect,AWE),AWE越小农业用水效果越好。在核算2000—2014年间31个省区农作物水足迹的基础上,分析了中国AWE的时空格局及其与灌溉用水效率指标之间的关系。结果显示:中国年均农作物水足迹为1.097 2×10~(12) m~3,蓝水、绿水足迹分别占13.1%和86.7%,且均随时间增加;单位耕地面积农作物水足迹及绿水比例均呈现由东南向西北递减,研究时段内灌溉效率稳步提升,而由于灌溉用水规模的扩大和蓝水足迹比例的增长,AWE由2003年的0.113增长到2014年的0.137,中国农业用水效果呈恶化趋势;AWE空间差异大,且在不同年份均表现为黄淮海平原和西部省区较大而东南沿海较小;经济发达地区农业用水效果有明显改善趋势,而粮食增产任务加大的黑龙江省AWE的增速最大;AWE与传统灌溉用水效率评价指标无空间一致性,灌溉效率和水分生产率高的北方农业主产区应注重农业生产用水效果的评估与提升。农业用水效果评价可为区域灌溉用水效率提升与总量控制的科学研究与决策实践依据。     

基于模糊综合评判模型的东北三省水资源承载力研究

[目的]定量分析东北三省(辽宁省、吉林省、黑龙江省)2012—2016年水资源承载力的具体情况,为东北三省水资源开发利用和生态保护提供科学依据。[方法]基于2012—2016年东北三省的水资源条件、社会经济发展水平以及生态环境状况3个方面相关数据,选取人均水资源量、水资源利用率、供水模数、人均GDP、人均日生活用水量、万元工业增加值用水量、万元农业增加值用水量、耕地灌溉率、生态用水率以及森林覆盖率10个主要影响区域水资源承载力的因素作为评价因子,应用模糊综合评判模型进行研究。[结果]东北三省2012年—2016年综合评分均值分别为:辽宁省0.468 6,吉林省0.684 0,黑龙江省0.550 2。[结论]东北三省的水资源开发已有一定规模,虽然水资源供给在一定程度上能满足各省份的发展需要,但仍存在水资源短缺的现象。     

集流节灌是雨养农业持续发展的主要支柱

水资源缺乏、供需错位、土地条件差和人本素质低、农业投入少、技术含量低是雨养农业区农业生产长期处于低而不稳、资源利用率差的主要影响因素.集流与节灌配套,是雨养农业持续、快速、优质发展的生长点,集流节灌技术既必需又可能.采用混凝土处理的地表(坡度10°)的降雨集水效率达58%,集水成本为0.52～0.70元/m~3.与常规灌溉相比,采用集水灌溉技术省水效率达60%～90%,同时还可降低空气、地表土壤湿度,减少土壤蒸发,降低植株发病率,提高土温,促进根系发育,消除或减缓供需错位和供需矛盾,增产效益达30%～100%.果园滴灌,当年增收是总投入的2.94倍;农田、果园补灌,当年增收分别是总投入的4.33和8.55倍.     

转换灌溉方式对农户种植决策和经济的影响——以河北省张北县为例

国内外研究表明节水灌溉技术具有田块尺度上的节水效益和对作物的增产效果。但从社会-经济-生态复合系统的角度,灌溉方式的转变是否会改变农户的种植决策和农业生产行为仍有待深入研究。本文以河北省张北县为例,通过实地调研建立了柯布-道格拉斯生产函数等模型,研究了转换灌溉方式对农户种植决策和福利的影响。结果发现,高效率的灌溉方式可以使旱作作物、低耗水作物和普通耗水作物的水分生产力提高25.0%~347.7%;但同时也促使了研究区域88.9%的农户种植用水强度更大、收益更高的经济作物,以期获得投资的回报;灌溉方式改变会影响农业生产的投入和产出,高效率的灌溉方式会增加灌溉设施建设成本（6.6%~16.2%）,增加农药投入（2~4倍）、减少劳动力投入（20.6%~59.3%）。研究结果证明转换灌溉方式后,农户作为农业生产的基本单元,在追求利润最大化的动机驱动下,会改变其种植决策和农业生产行为,从而改变农户的经济效益。本文的研究结果可为进一步深入分析节水灌溉对区域农业生产的用水影响提供科学依据。