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。     

海河流域作物水分敏感系数空间分布

作物水分敏感系数是指导有效灌溉和优化配水的关键参数,研究其空间分布格局对流域水资源优化配置具有重要作用。该文通过空间统计建模,利用探索性空间数据分析技术,分别基于Moran′I统计量、Moran散点图以及空间关联局域指标(local indicators of spatial association,LISA)对作物水分敏感系数(Ky)进行全局、局部空间自相关分析,探索Ky在流域内的空间分布格局。结果表明,Ky在流域空间上呈现出东部平原地区较大,西部及北部山地较小的趋势,其值在0.749～1.668变化。Ky总体上存在显著的空间正相关关系(Moran′I为0.6009～0.6077,且p<0.0001),而且呈现明显的空间集聚特征;高-高集聚区位于北京、天津等东部平原地区,低-低集聚区位于承德、秦皇岛和大同等北部和西部山地,高-高和低-低集聚类型区占据整个流域的80%,其中约有一半表现显著(p<0.05),而低-高和高-低集聚区仅有少数;Ky空间自相关程度随距离的增加而减弱,在距离为240～280km时自相关系数接近于0。总之,Ky形成以东部平原地区为"高敏感核心区",逐渐向西部及北部山地发散并降低的核心-边缘空间分布格局。研究结果可为该地区节水灌溉和水资源优化配置提供指导。     

绿洲灌区小麦水分生产率在不同尺度上的变化

水分生产率是衡量农业生产水平和农业用水科学性与合理性的综合指标。文章根据民乐县洪水河灌区1995-2006年的气象、灌溉用水量、灌溉面积、作物产量资料,从田间、斗渠、干渠、灌区4个不同尺度分析了小麦灌溉水分生产率年份间的变化情况。结果表明：不同尺度上平均灌溉水分生产率不同,田间尺度为1.414 kg/m3,斗渠尺度为1.013 kg/m3,干渠尺度为1.089 kg/m3,灌区尺度为0.894 kg/m3,并且不同尺度上的灌溉水分生产率在年份间的差异也比较大。2001年洪水河灌区实施了节水灌溉工程,不同尺度上的平均灌溉水分生产率在2001-2006年较1995-2000年有所提高,田间、斗渠、干渠、灌区分别提高了7.9%、19.4%、16.5%、7.4%,说明目前斗渠、干渠尺度上节水力度大,节水效益明显,而灌区尺度还有较大的节水潜力,应成为未来农业节水研究的重点。     

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。     

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.     

中亚农业水资源脆弱性及其变化特征分析

农业用水是链接自然环境和社会经济发展的重要环节,研究农业水资源脆弱性的时空变化对揭示水资源的可持续开发利用、保障水资源安全、应对洪旱灾害具有重要意义。为研究中亚地区农业水资源脆弱性变化特征,本文以中亚五国为研究区,基于气象、土地覆盖、地形和社会经济数据,依据脆弱性概念框架,从暴露度、敏感度和适应度3个方面选取18个指标,建立了农业水资源脆弱性评价指标体系,采用等权重法和主成分分析法确定指标权重,对1992-2017年中亚农业水资源脆弱性进行了评价及特征分析。结果表明:1)中亚农业水资源脆弱性空间分布表现为"南高北低"的特征,5国中土库曼斯坦农业水资源脆弱性最强,其次为乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦,而哈萨克斯坦农业水资源脆弱性最弱;研究时段内农业水资源脆弱性空间分布格局变化较小。2)中亚农业水资源脆弱性随时间变化表现为"前期升高,中期降低,后期稳定"的态势,整个研究期内研究区农业水资源脆弱性变化类型以相对稳定为主。不同地区农业水资源脆弱性随时间的变化存在差异,吉尔吉斯斯坦西部和土库曼斯坦的农业水资源脆弱性升高,乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦以及咸海地区水资源脆弱性降低,其他地区相对稳定。3)不同地区农业水资源脆弱性对各指标的敏感性不同,北部农业水资源脆弱性动态变化对农田灌溉定额和灌溉指数以负敏感为主,对其他指标以正敏感为主,而南部对各指标的敏感性正负均有;相关性分析表明,森林覆盖率、农业用水比例、农田灌溉定额、水分胁迫指数、灌溉指数和农业水分生产率是导致中亚农业水资源脆弱性空间差异的重要因素。4)为降低农业水资源脆弱性,中亚地区需发展集约型农业,调整作物种植结构,推广耐旱品种农作物,进行节水灌溉。研究结果可为中亚农业水资源规划管理、农业生产布局调整以及农业可持续发展提供参考依据。     

适度局部水分胁迫提高玉米根系吸水能力

局部根区灌溉可以刺激灌水区根系吸水的补偿效应。为了揭示局部灌溉条件下玉米根系补偿效应的动态变化及其影响因素,以聚乙二醇6000(polyethylene glycol 6000,PEG-6000)营养液的渗透势模拟水分胁迫,采用分根技术,通过水培试验模拟局部根区水分胁迫,设置3个水分胁迫程度处理(-0.2、-0.4、-0.6 MPa)和1个对照处理(无营养液),于处理后0、0.25、0.5、1、3、5、7、9 d连续动态监测各根区根系的生长及导水率。结果表明,局部根区受中度及其以下(≥-0.6 MPa)经水分胁迫0.25 d内,所有处理胁迫区根系总导水率和单位根长导水率均与非胁迫区和对照无显著差异(P0.05)。胁迫持续时间超过0.25 d,胁迫区根系总导水率和单位根长导水率均显著小于非胁迫区(P0.05),降低程度随水分胁迫程度而增大,各处理间胁迫区根系总导水率的差异随胁迫持续时间延长也逐渐增大。对于非胁迫区,轻度胁迫(-0.2 MPa)持续0.5 d,单位根长导水率较对照高10.11%(P0.05),1~9 d与对照持平;-0.4 MPa胁迫持续9 d,单位根长导水率为25.08×10-11 m2/(MPa·s),显著高于对照(P0.05);中度胁迫(-0.6 MPa)持续0.5~3 d单位根长导水率显著小于对照(P0.05),较对照低19.05%~40.11%,5 d后与对照持平。说明局部根区水分胁迫能有效刺激非胁迫区根系吸水的补偿效应,这种补偿作用在局部水分胁迫0.5 d时就已发生,受到局部水分胁迫程度和持续时间的影响,且根系吸水补偿效应的临界胁迫程度为≥-0.4 MPa。该研究可为更好的发挥局部灌溉在农业节水中的作用提供理论依据。     

猪场废水灌溉对冬小麦耗水和水分利用效率的影响

应用养殖废水进行农田灌溉是解决农业水资源不足的重要途径,特别在水资源严重短缺的华北地区。本文通过田间小区试验应用不同处理阶段的猪场废水稀释(分别应用原水、厌氧水和氧化塘水与清水进行1∶5稀释)和厌氧水不同量(830m3/hm2,简称"厌高";500m3/hm2,简称"厌中";160m3/hm2,简称"厌低")灌溉冬小麦,应用中子仪定期监测土壤含水量,结合降水量、灌溉量分析了冬小麦生育期耗水量和水分利用效率。结果表明:返青拔节水后,厌氧水不同量灌溉处理170cm土体贮水量和冬小麦耗水量分别呈现厌中厌高厌低和厌高厌中厌低的趋势;不同处理阶段的猪场废水稀释灌溉处理土壤贮水量差别较小,基本稳定在650～700mm之间。厌氧水不同灌溉量处理和不同处理阶段猪场废水稀释灌溉处理水分利用效率分别呈厌中厌低厌高和厌清1∶5塘清1∶5原清1∶5清水的趋势。耗水量分别与灌溉量、水分利用效率、灌溉水利用效率间达到5%显著相关水平。本文建议高效的养殖废水利用效率模式为厌氧水中量灌溉和厌清1∶5、塘清1∶5稀释灌溉。     

猪场废水灌溉对夏玉米生长及水分利用效率的影响

为了缓解农业水资源紧缺的状况,通过小区灌溉试验,研究了不同水平的氮肥与不同灌溉量、不同灌溉次数的猪场废水配施条件下夏玉米主要生长指标的变化,探讨了水肥耦合对夏玉米产量和水分利用效率的影响,建立了夏玉米产量的水肥耦合模型,以期为制定合理的猪场废水灌溉制度提供理论依据。结果表明:相同施肥水平时,株高、叶面积指数表现为养殖废水高灌>低灌>对照处理,拔节期差异达到显著水平,收获后养殖废水高灌处理的产量和淀粉含量也显著高于低灌和对照处理。相同养殖废水灌溉条件下,不同施肥处理的株高、叶面积指数以及产量差异不显著。低灌处理水分利用效率要显著高于高灌处理;综合产量、水分利用效率等指标来看,猪场废水高灌(900 m3/hm2)、低水平施肥(30 kg/hm2)处理不仅节约肥料,而且能够保障产量。     

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。     

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。     

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。     

基于主成分分析和Copula函数的灌溉用水效率评价方法

灌区灌溉用水效率评价,对推行最严格的水资源管理制度具有重要意义。该文在构建评价指标体系的基础上,尝试将Copula函数应用于灌溉用水效率评价。针对多元变量导致Copula函数参数求解困难的问题,采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)提取主成分因子,形成新的指标体系,从而建立PCA-Copula评价方法,对灌溉用水效率进行综合评价。对7个灌区灌溉用水效率为例进行评价,从灌区地形地貌、规模大小、供水类型、降雨多少、作物结构以及灌溉成本几方面分析评价值的影响因素。根据各灌区灌溉水有效利用系数的高低,经过Spearman等级相关系数检验,表明PCA-Copula评价方法的评价结果与熵值法以及突变理论评价方法的结果排序相差不超过2个名次的比例为100%,评价结果具有一致性,能够客观反映灌区灌溉用水效率的高低。同时,PCA-Copula评价方法的评价值在0~1之间分布均匀,最大差值为0.622,明显高于另外2种方法,且相邻排序的综合评价值梯度明显,有利于更直观地区别灌区灌溉用水效率的高低。     

水足迹分析中国耕地水资源短缺时空格局及驱动机制

为全面评估区域农业水资源供需关系,基于水足迹理论构建了耕地水资源短缺指数(arablelandwaterscarcity index,AWSI)。在分析1999-2014年中国AWSI时空分布格局的基础上,借助偏最小二乘法揭示了AWSI的主控因子。结果显示:中国AWSI的年均值约为0.413,总体上处于高度水资源压力状态,且有随时间加剧的趋势;各年份AWSI以华北平原为中心向外递减式扩散;面临极高水资源压力(AWSI0.800)的省区均分布在北方地区,长江以南省区均面临中度水资源压力(0.100AWSI0.400);降水量与日照时数是与耕地水短缺最为密切的气象因子,农业机械总动力、粮食面积比重以及人均GDP是影响AWSI的主要社会经济条件。农业生产水平较高的粮食主产区应以水足迹调控为重要内容进行农业水管理策略的制定。     

滴灌模式对棉花根系分布和水分利用效率的影响

理解膜下滴灌参数对土壤盐分运移和作物生长的影响是制定科学滴灌制度、合理利用水资源的重要环节。毛管布置方式和滴灌水质是膜下滴灌的重要参数,为研究其对土壤盐分变化、棉花根系分布及水分利用效率的影响,设计了2种毛管布置方式（一管四行（Ms）和一管两行（Md））和3个滴灌水质水平（淡水0.24?dS/m、微咸水4.68?dS/m、咸水7.42?dS/m）。结果表明,滴管布置方式对土壤盐分变化和根系分布有显著影响。在相同滴灌水质条件下,Ms处理有利于降低棉花根区土壤含盐量。所有处理根系主要分布于0～40?cm土层内,矿质水滴灌时Md中根系受抑制程度明显高于Ms,但其主要影响根系密度δR＞0.5?kg/m3区域的分布范围,对δR＞0.2?kg/m3区域范围分布无明显影响。生育期内棉花总耗水量随滴灌水矿化度的上升而降低,与滴管布置无关。相对淡水滴灌而言,矿质水滴灌时Ms处理产量有所降低,但其水分利用效率随灌水矿化度上升而升高;而Md处理产量和水分利用效率均随灌水矿化度上升而下降。