基于根系层水分状态的旱区净灌溉需水量模型构建和应用

为更准确计算灌区净灌溉需水量,促进灌区水资源高效利用,针对降水过剩可能产生深层渗漏和地表径流,以及采用经验公式计算不同作物有效降水量可能错误估算净灌溉需水量的问题,该研究建立了基于根系层水分状态的净灌溉需水量模型。以景电灌区为例,计算了2000－2020年平均净灌溉需水量和有效降水量,并分析了各驱动因子对净灌溉需水量的影响,结果表明：不同作物年净灌溉需水量在319.4～732.3 mm之间,降水利用效率在39.2%～56.1%之间,夏秋作物的降水利用效率高于春夏作物。夏秋作物的年净灌溉需水量与年降水量相关性更强,春夏作物的年净灌溉需水量与作物需水量的相关性更强,所有作物的月净灌溉需水量仅与月作物需水量呈显著正相关。敏感性分析表明,净灌溉需水量与作物需水量呈正相关关系,与降水量和根系深度呈负相关关系。夏秋作物比春夏作物对降水量和作物需水量的敏感性更强。对净灌溉需水量贡献程度由大到小分别为作物需水量、降水量和根系深度,其中作物需水量贡献率占86.0%发挥主导作用,特定年份根系深度贡献率为12.0%,根系深度对净灌溉需水量的影响不容忽视。与传统净灌溉需水量模型相比,该研究所计算的净灌溉需水量充分考虑了不同作物降水利用效率的差异,计算结果可为灌区水资源管理提供参考。     

雄安新区上游农业种植结构及需水时空演变

本文利用作物模型模拟小麦、玉米灌溉需水量,结合蒸发皿法估算蔬菜、果树等其他作物需水量,回溯雄安新区上游1986-2015年农业种植结构及农业需水的时空演变趋势,摸清不同作物的需水量比例及时间变化,并推算了消除降水年际波动的1970-2015年农作物灌溉需水量,探讨单纯人类活动下的农业需水量变化趋势。结果表明,1986-2015年,研究区作物播种总面积总体呈上升趋势,耕地面积多年平均84.9万hm²,有效灌溉面积平均71.3万hm²,占总耕地面积的84%。其中小麦播种面积稍有下降,玉米、蔬菜播种面积显著增加,果树种植比例在山区增加、平原区减少。研究区多年平均灌溉需水量22.52×10⁸ m³,小麦、玉米、蔬菜、果树和其他作物分别占灌溉需水总量的58.6%、12.6%、5.8%、16.3%和6.7%,受播种面积增加影响,1970-2015年,蔬菜和果树需水显著上升。从空间上来看,灌溉需水总量在上游山区上升显著,而在平原区表现为下降;排除降水的年际波动后,研究区作物需水自1970年以来一直呈上升趋势,进入20世纪80年代中期,虽然整体上升减缓,但随农业播种总面积增加和蔬菜、水果需水增加影响,需水量整体呈缓慢上升趋势。因此,控制上游农业用水,种植低耗水作物、减少耗水作物的种植面积,是恢复雄安新区清水产流的关键。     

基于LMDI的灌溉需水量变化影响因素分解

为研究灌溉需水量的驱动因素,该文以甘肃省武威市为研究区,基于扩展的Kaya恒等式构建灌溉需水量因素分解模型,利用对数平均迪氏指数分解法(logarithmic mean Divisia index,LMDI)对武威市1995—2012年总体及不同时段灌溉需水量驱动因子进行因素分解,并计算灌溉需水量的影响因素的效应值。结果表明:近18 a来,武威市各行政区以节水高效为目的对武威种植结构进行了大幅调整,减少了高耗水作物小麦的种植面积,增加了耐旱的玉米、棉花等作物的种植面积;在1995—2012年间,武威市灌溉需水量减少了5.023×108 m~3,种植规模效应、种植结构效应、气候变化效应、节水工程效应分别为2.435×108 m~3、?3.994×108 m~3、?1.286×108 m~3、?2.178×108 m~3;不同作物对灌溉需水量增长的效应不同,其中小麦抑制灌溉需水量增长,是灌溉需水量减少的最主要影响因子;4个分解效应在不同时段对武威市各区县灌溉需水量作用不同,但除在2000—2005年对凉州区灌溉需水量增加有微弱的促进作用外,种植结构效应在不同时段均表现为抑制灌溉需水量增长的作用。研究结果为合理调控农业发展规模,制定武威市灌溉用水规划提供参考。     

基于作物需水量的城市农业水资源评估——以贵州省贵阳市为例

[目的]对贵阳市城市农业绿水和蓝水的水足迹与灌溉效率进行定量研究,为科学定量评估城市农业用水和管理监测提供依据。[方法]利用实地调查数据、贵阳市气象数据与农业统计数据,基于作物需水量、水足迹的方法进行农业水资源评估。[结果]①作物水足迹极值取决于调查样地作物单位面积产量的极值。②贵阳市城市农业不同作物生长的消耗绿水量均高于蓝水量,绿水量和蓝水量的比例范围从最低53.81%(豇豆)到最高63.60%(番茄)。③贵阳市城市农业3种灌溉效率(沟灌、喷灌和滴灌)分别为27.23%,69.45%与80.32%。④2017年贵阳市城市农业蓝色水量灌溉需求量在4.81×10~5 m~3(完全滴灌)与6.93×10~5 m~3(完全沟灌)之间。[结论] 2017年贵阳市城市农业总用水需求为1.29×10~6 m~3,其中8.84×10~5 m~3为绿水,4.02×10~5 m~3为蓝水。灌溉方式对贵阳市城市农业用水有较大的提升空间,滴灌方式对贵阳市城市农业水资源管理贡献率达53.09%。     

降雨和蒸散对夏玉米灌溉需水量模型估算的影响

为揭示降雨和蒸散年际波动对作物灌溉需水量的影响机理,以华北平原南部地区夏玉米为研究对象,基于土壤水分概率密度函数建立灌溉需水量计算模型,分析了降雨、蒸散和灌溉需水量的年际波动特征,结合蒙特卡洛方法探讨了降雨和蒸散对灌溉需水量年际波动的贡献。结果表明:研究区夏玉米降雨参数年际波动显著,平均降雨量波动于4.958~25.003mm,变异系数为0.326;降雨频次波动于0.143~0.457 d-1,变异系数为0.170;平均降雨量和降雨频次均可采用Logistic分布描述:平均降雨量服从Logistic(11.273,2.022),降雨频次服从Logistic(0.318,0.029)。潜在蒸散量年际波动相对平稳,可采用对数正态分布描述:潜在蒸散量服从Log Normal(1.370,0.076)。灌溉需水量多年平均值为133.1mm,波动于8.1~381.8mm,变异系数为0.673,年际波动显著高于降雨和蒸散。平均降雨量对灌溉需水量年际波动的贡献率最大,其次为降雨频次,潜在蒸散量最小;在三者的共同作用下,灌溉需水量年际波动呈现出更大的不确定性。因此,在估算灌溉需水量时有必要对这种不确定性进行定量评估,针对不同降雨和蒸散条件制定合理的灌溉策略,为农业水资源管理和决策提供更可靠的科学依据。     

中国主要作物灌溉需水量空间分布特征

作物需水量和灌溉需水量的时空分布是科学地制定不同地区灌溉用水定额的依据。该文基于全国范围200多个气象站近30 a逐日的气象资料和不同地区作物生育阶段的调查统计资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith方法和作物系数法,计算了30种作物的需水量和净灌溉需水量,并用各地灌溉试验站的实测资料进行了检验。利用GIS的空间分析功能,采用反距离加权插值法得到主要作物多年平均作物需水量与净灌溉需水量的等值线图。选择种植面积最广的小麦、玉米、棉花和水稻4种作物,分析其作物需水量与净灌溉需水量的空间分布特征,得到不同地区主要作物的灌溉需求指数。研究表明：中国东北区、长江中下游区、华南区、川渝区和云贵区平均灌溉需求指数小于0.5,作物对灌溉的需求比较低;华北区、蒙宁区和晋陕甘区旱作物30%～50%的需水靠灌溉补充,水稻55%～80%的需水依靠灌溉;新疆地区主要作物的灌溉需求指数均在0.7以上,农业的发展完全依赖于灌溉。     

贵州省农业净灌溉需水量与灌溉需求指数时空分布

农业用水需求时空分布规律可为区域抗旱减灾管理和灌溉水资源优化配置提供科学依据。基于贵州省及其周边国家气象站点长系列资料和1953-2012年贵州省9个市(州)水稻、玉米、冬小麦、油菜和烤烟的种植面积,计算贵州省9市(州)近60 a净灌溉需水量及灌溉需求指数,分析其时空分布特征。结果表明:1)贵州省的净灌溉需水量和灌溉需求指数分别在314.48~742.57 mm和0.34~0.68之间,60 a间农业净灌溉需水量的和灌溉需求指数呈波动变化,多峰值分布的特征,总体上峰值有所减小但波动周期延长;2)1993—2000年是净灌溉需水量和灌溉需求指数总体变化的转折时期,之前为下降期,之后为上升期;3)净灌溉需水量和灌溉需求指数的季节特征明显,分别为夏季和冬季最高;4)净灌溉需水量(IR)呈现东高西低的规律,灌溉需求指数(IRI)呈现东部、西北部高,西南部低的规律,全省9市(州)可分为3个风险区,东部、西北部的缺水高风险区是抗旱管理的重点区域;5)气候变化是贵州省净灌溉需水量和灌溉需求指数升高的主导因素,它主要通过降水减少来实现的。研究可为贵州省农业季节性缺水问题识别、农业水利工程布局和种植结构调整提供支撑。     

基于水资源高效利用的农业种植结构及灌溉制度优化——以民勤灌区为例

在非充分灌溉条件下,为解决灌区内作物之间和单作物生育期内不同生育阶段的灌水配置问题,依据大系统递阶分析原理,建立了一个能同时优化作物灌溉制度、种植结构和灌溉定额的双层模型。模型第一层以作物相对产量最大为目标,采用动态规划,优化了作物灌溉制度;第二层以灌区内农业净效益最大为目标,采用非线性优化,优化了作物种植结构和灌溉定额。该模型应用范围较广,既能为政府部门提供宏观决策,又能为农民提供具体的灌水办法。以民勤灌区为例,优化结果表明,在75%保证率下比现状节水1.29亿m³,农业生产总值和净效益分别增加5.99,4.25亿元。     

三江平原挠力河流域主要作物水分盈亏时空变化特征

明确中国粮食生产基地主要作物种植条件下的水分盈亏条件,有利于区域灌溉策略制定及保障国家粮食安全。该研究基于MODIS遥感数据和常规气象数据,运用Priestley-Taylor公式以及作物水分盈亏指数,以三江平原腹地的挠力河流域为研究区,揭示2000年以来该流域主要作物(中稻、春小麦和春玉米)的水分盈亏时空变化特征。结果表明:1)挠力河流域潜在蒸散量由2000年的910.25 mm增至2015年的964.04 mm,各作物需水量整体呈现不同幅度的上升态势;2)各作物表现出不同的水分盈亏特点。中稻水分亏缺明显,缺水量由东北向西南递增,天然降水不能满足其水分需求。春小麦水分亏缺程度低,灌溉需求量在空间上变化较小。春玉米多处于轻度缺水状态,且西北部的缺水量小于东南部;3)流域境内的中稻多处于轻旱状态,2000—2015年干旱区持续扩张,面积增长幅度达到143.46%。对于旱作物而言,春小麦的缺水量尚未达到轻旱的标准,而春玉米的轻旱区面积往复变化,2000—2015年间面积减少了79.90%。作物种植结构的快速变化,使得中稻种植区迅速扩张,加剧了该流域的水分亏缺态势,而春小麦和春玉米的种植区变化未对水分盈亏态势造成显著影响。研究可为挠力河流域的农业结构调整与农田灌溉措施制定提供支持。     

农作区净灌溉需水量模拟及不确定性分析

净灌溉需水量是估算农业灌溉用水量的参考依据。该文以西北干旱内陆区石羊河流域上中下游的古浪县,凉州区,民勤县为研究对象,在分析农业净灌溉需水量宏观驱动力因子(1959-2005)的基础上,以关键因子作为输入项,区域农业净灌溉量为输出项,分别建立农业净灌溉需水量的多元线性回归模型、人工神经网络BP模型以及人工神经网络集成模型。并对不同模型的模拟效果进行比较;通过对时间序列的离散化蒙特卡洛(MC)设计,采用不确定性评价指数(d-factor)对3种模型模拟的不确定性进行分析。结果表明:与多元线性回归模型和神经网络BP模型相比,神经网络集成模型具有较高的模拟精度,并能合理地指示影响因素与净灌溉需水量的不确定性变化。     

基于气候变化的黄河三角洲非主粮作物需水规律研究

  目的  为保障黄河三角洲地区的生态安全和高质量发展,需“适水种植”调整作物结构,缩减农业用水占比,留足生态用水。  方法  基于气象站2006 ~ 2019年的实测气象资料,分析研究区降水和气温的变化趋势,利用Hargreaves-Samani法和FAO作物系数法估算当地7种非主粮作物各生育阶段及全生育期内的作物蒸散量,并结合有效降水量和淋洗需水量的计算得到典型干旱年和湿润年以及多年平均的灌溉需水量。  结果  黄河三角洲年降水量变化趋势不显著,春、秋和冬季的降水量呈现下降趋势,而夏季降水量呈上升趋势;年均气温呈现逐年上升趋势,夏季平均气温上升趋势最为显著。研究区非主粮作物灌溉需水由高到低分别为甜高粱、枸杞、黑麦草、苜蓿、菊芋、田菁和谷子,典型干旱年中7种作物均需补充灌溉,典型湿润年中谷子、田菁、菊芋和苜蓿降水量有盈余,平均年份中谷子和田菁降水量有盈余。  结论  作物各生育阶段的有效降水量分配不均,生育期内总降水量有盈余的情况下某些生育阶段依然会处于水分亏缺状态。研究结果可为该地区作物种植结构调整和灌溉制度优化提供参考依据。     

吉林省梨树县不同作物产能及产能水分利用效率研究

东北地区旱地作物水分来源是降水,基于产能及产能水分利用效率比较分析吉林梨树可替代玉米种植的主要作物对该地区未来种植结构调整具有重要意义。该文基于吉林省梨树县4种作物(大豆、小麦、谷子和马铃薯)2 a田间试验,结合各作物在不同降水年型条件下全生长季和各生育阶段的耗水规律及水分亏缺程度,以作物产能和产能水分利用效率为研究指标,对各作物在雨养及灌溉处理条件下的产能水分利用效率和水分经济效益差异性进行了比较。结果表明,在平水及丰水年,马铃薯产能显著高于其他作物,其他作物无显著差异,雨养条件下马铃薯及谷子均超过100 000 GJ/hm~2,不同降水年型条件下灌溉对马铃薯产能提升效果显著但提升幅度存在差异。比较各作物不同年型条件下的产能降水利用效率、产能灌溉水利用效率和产能农业水分利用效率,马铃薯均达到20 GJ/mm以上,显著高于其他作物,且不同作物的产能水分利用效率受降水年型及水分处理影响的程度不同。对比作物需水量与降水量的耦合程度,马铃薯水分亏缺最严重,其次为大豆和小麦;谷子产能降水利用效率及丰水年产能农业水利用效率仅低于马铃薯,且在全生育期各生育阶段发生水分亏缺现象较少,具有极好的抗旱能力。比较而言,基于作物产能、产能水分利用效率及经济效益的作物结构调整,马铃薯和谷子相对于小麦和大豆有更大优势;基于作物抗旱能力,谷子具有绝对优势。     

南疆丰收灌区水资源多目标优化配置方案优选

针对灌区水资源多目标优化配置模型求解算法的不确定性和最优方案选择问题,以新疆阿克苏地区阿瓦提县丰收灌区为研究对象,以灌区可持续发展为目标,建立基于优选算法的灌区水资源多目标优化配置及方案优选模型。对比改进的NSGA-II算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,带精英策略的非支配排序遗传算法)、NSGA-III算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-III,基于参考点的非支配排序遗传算法)、MOEA/D算法(AMulti-Objective Evolutionary Algorithm based on Decomposition,基于分解的多目标进化算法),最终选取性能最好的CNSGA-III算法作为优化算法对水资源配置模型进行求解;建立水资源配置方案评价体系,利用熵权-TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,优劣解距离法)综合评价模型对符合决策制定者期望的配置方案进行对比筛选,选出灌区水资源最佳配置方案。结果表明:优化后的方案相较于传统配置方案,在"三条红线"用水限额下,经济净效益增加1.0%,灌区总缺水量减少8.4%,碳吸收总量增加4.5%。建立的灌区水资源多目标优化配置及方案优选模型可为管理者制定灌区水资源配置方案提供参考,也可适用于其他干旱灌区,有一定的理论意义。     

A model for estimating soil moisture changes as an aid to irrigation scheduling and crop water-use studies: I. Operational details and description

Abstract. A model was developed to predict evapotranspiration and soil moisture changes, which could be used either for scheduling irrigation or crop water-use studies. The general form of the model is reported here, and its validation for sugarbeet and potatoes is described in a subsequent paper. The soil characteristics required are depth of topsoil, texture or available water capacity of topsoil and subsoil, and whether a significant slope exists. The plant characteristics required are species and planting date. Meteorological data used to calculate potential evapotranspiration are obtained from the Meteorological Office synoptic network, but local rainfall data are preferred.
The model estimates potential evapotranspiration of a reference crop, and uses this to model canopy and root development for all crops at each location. Available options allow for observed data on canopy or root development to be incorporated into the simulations. Estimates of potential evapotranspiration for each crop are then adjusted to allow for the effects of water stress, taking soil characteristics, root depth and evapotranspiration demand into account.
The model enables growers to reduce the risks of under- or over-watering their crops and has proved successful in irrigation management.     

华北平原小麦－玉米两熟制节水潜力与灌溉对策

利用详细校正的农业系统模型可以综合土壤、气候及作物等因素综合评价节水灌溉制度,为农田水分优化调控提供理论和技术支持。该文利用根系水质模型（RZWQM-CERES）模拟分析了华北平原2个代表性站点（禹城和栾城）小麦-玉米两熟制下作物产量、农田蒸散和灌溉需水量多年的变化特征（1961－1999）,结果表明栾城站小麦季农田最大蒸散量与灌溉需水量多年平均分别为632和496 mm,明显高于禹城站,而玉米季最大蒸散量相近,分别为395和384 mm。2个站点灌溉需水量都集中在小麦季（3－5月）,但在栾城站播种期（6、10月）灌溉需水量较高。由于2站点气候和土壤条件的差异,作物产量对水分胁迫的响应特征明显不同,在获得相似目标产量时,禹城站灌溉需水量低于栾城站。以作物水分胁迫指数为基础的节水灌溉制度模拟评价表明2个站点冬小麦水分敏感期为孕穗期,但播前灌溉的产量效应差异明显。综合以上结果初步建立了2个站点高效用水和环境友好型的节水灌溉策略。