中国东北农业灌溉水资源保障及空间差异分析

区域农业灌溉水资源保障程度研究,对于促进农业水资源高效合理利用与提高农业生产能力有着重要意义。该文从供需两方面入手,把握影响灌溉可用水资源量与灌溉水资源需求量的主要因素,构建了农业灌溉水资源保障度分析模型。模型在中国东北农业灌溉水资源保障的实证研究中得到较好运用,计算结果显示,东北农业灌溉水资源保障度为95%,基本上能满足灌溉用水需求,但已迫近水资源供给紧张的边缘。同时,将地图分析与模型模拟结果相结合,揭示出东北农业灌溉水资源保障度呈显著的空间差异。     

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。     

水安全与粮食安全

水安全是粮食安全的基础,实现农业水资源的高效利用是保障水安全和粮食安全的根本途径。本文阐述了水安全与粮食安全的概念;分析了全球及我国水安全与粮食安全现状和未来形势;辨析了粮食安全的水资源保障战略的构成要素及我国节水农业的发展重点;并就粮食生产的水资源高效利用、水资源高效配置与调控、农业水资源消耗的生态环境效应以及应对旱涝极端气候等进行了讨论,进而对主要科学问题进行了归纳,包括作物理想耗水与多过程协同调控机制、强人类活动下灌区多尺度水循环与伴生过程、粮食生产-水资源-生态过程的互馈机制以及农业旱涝致灾机理与预警机制。     

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。     

智慧农业水田作物网络化精准灌溉系统设计

传统水田粗放型灌溉不仅对作物生长带来不利影响,而且不能够充分利用自然降水,在很大程度上造成了水资源的浪费。该研究设计了基于智慧农业技术的网络化水田作物精准灌溉系统。建立了通信节点最优部署模型、作物耗水预测模型、降水预测模型、最优化灌溉决策模型以及基于模糊控制理论的精准灌溉决策系统;提出了基于维诺图改进的飞蛾扑火优化算法（Voronoi Moth Flame Optimization,VI-MFO）的灌溉网络通信节点优化部署方法,以提升灌溉网络通信效率并降低通信能耗;最后,将水田状态信息及气象参数作为精准灌溉决策系统输入,经过系统决策,自适应控制水田灌溉设备进行精准灌溉。对江苏地区水稻田进行仿真,结果表明,所提出的智能灌溉系统与传统非智能决策系统相比,灌溉设备动作频次降低26.67%,灌溉量减少40.82%,排水量减少33.89%。所提出的智能灌溉决策系统节约了水资源。     

非充分灌溉条件下多目标整数规划配水模型构建

农业用水面临可用水资源匮乏、面源污染严重的现状,通过综合考虑非充分灌溉对经济效益、作物品质和环境效应的影响从而实现农业水资源合理配置具有重要的现实意义。该研究基于非充分灌溉和灰水足迹理论,建立不确定性下经济-品质-环境多目标整数规划模型,对河套灌区作物生育期内的灌溉水量进行分配,得出了经济、品质和环境3种不同偏好水平下的决策方案。结果表明：偏好于环境目标的情景灌溉程度主要为33%,67%的灌溉程度次之,亏缺灌溉的程度更大;偏好于经济目标的灌溉程度大部分为100%,亏缺灌溉的程度较小;偏好于品质目标时则介于前述两种情况之间。通过与仅包括经济、品质和环境单目标的模型对比可见,多目标模型更兼顾品质指标、经济效益和灰水足迹,可以使得各项指标均处于总体较好的情况,其中番茄品质-经济-环境多目标模型品质指标为8.7,经济效益为21.3×108元,灰水足迹为1.62×104 m3,灌溉水量为3.51×107 m3,瓜类品质-经济-环境多目标模型品质指标为[25.3,32.7],经济效益为[9.2×108,24.8×108]元,灰水足迹为[1.94×104,3.15×104] m3,灌溉水量为[6.32×107,7.62×107] m3,各指标表现更佳。模拟结果可为不同情景下灌溉水合理配置提供参考。     

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。     

大规模灌溉对海河流域气候影响模拟研究

为保障粮食安全,海河流域常年灌溉水量200亿m3以上,而大规模灌溉对区域气候产生显著影响,为揭示大规模灌溉的气候效应,该研究构建海河流域区域气候模式WRF(weather research and forecasting model),在WRF陆面模块中,开发灌溉精细化模拟的新方案,设计关闭灌溉的控制试验与开启灌溉的敏感性试验,模拟分析大规模灌溉对海河流域气候的影响。结果表明,灌溉使得海河流域潜热通量增加,显热通量减少,4—6月变幅最大。灌溉导致流域3—11月气温降低,其中4—6月降温最大,且空间上总体表现为灌溉量越多的地区降温越大,4—6月平原区降温0.64℃,子牙河平原与大清河淀西平原交界地带降温超过1.0℃。灌溉主要影响对流性降水,导致海河流域年降水增加6.07 mm,集中在4—6月,空间上主要在大清河流域与子牙河流域,其中大清河山区4—6月降水增加15～30 mm。灌溉改变近地表气象要素,使得流域参考作物蒸散发量减少,单位面积作物需水量降低。因此,大规模灌溉的气候效应在供需两侧支撑保障流域水安全,在一定程度上缓解流域水资源供需矛盾。研究可为水资源优化配置与水资源安全保障布局等提...     

基于复杂种植结构多情景分析的灌区多目标多水源优化配置

为改善多水源灌区农业用水供需矛盾,通过合理调整种植结构,优化灌区水资源配置,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为研究对象,将农业灌溉缺水量最小和农作物经济效益最大作为目标函数,兼顾灌区生态安全约束,构建了基于种植结构优化的多目标多水源优化配置模型,针对作物熟制、作物种类、种植制度以及灌溉方式设置了8种不同的种植结构优化情景,通过自主改进的基于精英策略并协遗传算法（NSGAⅡ-S）对模型求解,获得不同情景下的水资源优化配置方案。结果表明：应用模型进行水资源配置后,各情景配水总量均有所减少,其中水库配水量高于其他水源的配水量,水库水、引黄水和引江水均达到用水总量控制目标,民有分区的各计算单元间的配水量变化明显,总配水量高于滏阳河分区;适当压减主要依靠抽取地下水灌溉的冬小麦的播种面积,变灌溉农业为旱作雨养农业,可以极大地减少地下水用量,增加灌区经济效益;最佳的种植结构优化方案为CS₄（削减冬小麦的种植面积,种植苜蓿,灌溉方式采取管灌或喷灌）,该方案冬小麦播种面积压减17.10%,地下水开采量减少了16.42%,灌区的经济效益增加了26.41%,在保证配水总量最小的同时,具有更高的经济效益。该研究所构建的多目标多水源优化配置模型和作物配水结果可为类似地区的水资源配置提供参考。     

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。     

北京市农田灌溉发展的现状与展望

系统分析了北京市水资源现状及农田灌溉的发展历史、现状、特点、发展趋势、存在的问题及对策与措施。介绍了北京郊区县几种典型节水灌溉方式。提出发展节水灌溉必须坚持水资源的用养结合,粮田要将田间节水作为重点,大力发展蔬菜和果树的节水灌溉,把水管理作为节水灌溉的重要内容,综合节水。     

滴灌方式及定额对北疆冬灌棉田土壤水盐分布及次年棉花生长的影响

为探寻解决干旱区棉田冬季灌水问题,明晰北疆棉田不同冬灌方式及灌水定额对土壤水分、盐分分布以及翌年棉花生长及产量的影响,采用大田试验方法,以未冬灌大田作为对照(CK),设置滴灌和漫灌2种灌水方式下4个梯度的灌水定额(1 800、2 400、3 000、3 600、3600 m3/hm2)共9个处理进行冬灌试验,分析了冬灌灌水后到播种前0~300 cm土层的水分、盐分的动态变化以及翌年各处理棉花的出苗率、群体生理指标(群体光合势、群体净同化率、叶面积指数)和产量数据。结果表明,冬灌对次年播前土壤水盐分布及含量的大小均具有一定的影响,无论漫灌还是滴灌方式进行冬灌,随灌水定额增加土壤水分和盐分的影响深度也随之加深,灌水定额达到3 000和3 600 m3/hm2时,冬灌对土壤水盐影响深度可达300 cm。冬灌可显著改变次年播前土壤盐分的自然分布状态,有效淋洗并降低上层土壤盐分含量;相对漫灌方式而言,滴灌冬灌方式土壤水分入渗更加均匀且规律明显。冬灌对次年滴灌棉花的生长发育及产量均具有重要影响,冬灌后次年棉花群体指标与未冬灌处理的差异随冬灌灌水定额的增加愈加显著,灌水定额3 000 m3/hm2滴灌冬灌处理的次年棉花群体光合势与叶面积指数较未冬灌处理分别提升34.30%和42.60%;冬灌有利于次年棉花产量的提高,滴灌冬灌灌水定额3 000、3 600 m3/hm2处理时的棉花产量相对未冬灌处理分别增产10.66%和12.36%。综合考虑冬灌方式及灌水定额对次年土壤水盐分布及棉花生长和产量的影响,研究认为滴灌条件下灌水定额3 000 m3/hm2的冬灌在试验条件下比较适宜,既可淋洗盐分至耕层以下300 cm处,亦可获得6 107.75 kg/hm2的较高产量。     

水稻灌溉制度的计算机模拟

自动化灌溉或称智能灌溉是当前农业灌水技术发展的方向,该文研究了自动化灌溉中的关键,即灌水量预报中的有关问题,提出了解决的方案。所建立的广西青狮潭灌区水稻灌溉制度的计算机模拟系统,能比较准确地进行灌水量的预报,并能根据高产节水的“薄、浅、湿、晒”的灌水经验,制定出符合当地实际的灌溉制度。     

棉花微咸水膜下滴灌灌溉制度的研究

为寻求微咸水膜下滴灌的最优灌溉制度,利用2008和2009年田间试验结果,从棉花生长和产量的角度出发,分析11种灌溉处理各生育期的变化情况。测定了叶面积、干物质质量、棉花产量、土壤盐分等指标。结果表明：灌溉水量越大,棉花营养生长部分生长越快,生长时间越长;灌水盐分越高,盐分胁迫使生殖生长部分所占比例越大,越易衰老;试验区内灌溉定额3 750 m3/hm2（微咸水80%,淡水20%）的轮灌处理,2008年棉花产量达到5 190 kg/hm2,接近仅灌淡水5 250 m3/hm2处理（5 205 kg/hm2）,该轮灌处理2008年总盐为负增长（-0.95 g/kg）,2009年试验结果有力验证了该灌溉制度的节水增产、保护土壤环境的优越性。     

节水灌溉预报、管理与决策专家系统研究

从节水灌溉的基本原理入手,分析了灌溉预报中的各个参量,提出了节水灌溉管理、决策的依据与方法,并介绍了灌溉预报、管理与决策专家系统的理论基础,系统结构,即以框架库、规则组库和黑板3部分组成的综合知识体结构的知识表示技术。节水灌溉预报、管理与决策专家系统的研制、开发与推广、应用,将会促进我国传统农业向现代化农业的转变,为把高新农业技术送到亿万农民手中开辟了一条崭新的途径。     

宁夏引黄灌区井渠双灌节水效果研究

定量研究了宁夏引黄灌区地表水与地下水联合利用的节水效果。引黄灌区的大引大排是造成渠系输水损失、农田地下水位高和潜水蒸发严重的主要原因，在整个黄河流域用水十分紧张的现状下，以引黄灌区地下水可开采量为基础，根据现有的机井条件并有计划的布设发展一批机井，考虑开采一定数量的地下水用于农业灌溉，在灌区逐步实现基于井渠双灌的水资源高效利用。研究结果表明，随地下水利用量的增大，可有效的降低灌区地下水位0.5～1.0 m、使引黄灌区的总耗水量从39.64×10⁸ m³降低到29.95×10⁸ m³、渠首引用水量从81.71×10⁸ m³降低到64.79×10⁸ m³。     

鲁中南山区樱桃渗灌补水效应与节水增产机理

探讨干旱缺水地区果树渗灌补水效应,为提高果园灌溉水资源利用率提供科学依据。通过樱桃园渗灌和漫灌两种灌水方式与不同灌水量的补水试验,对樱桃渗灌补水效应与节水增产机理进行了研究。结果表明:(1)渗灌和漫灌的土壤容重和孔隙度指标存在着明显差异,土壤容重渗灌比漫灌降低6.71%;土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度渗灌比漫灌分别提高11.62%,8.72%和43.84%。(2)各土层的地温渗灌均比漫灌高,且以表层差异显著,0,5,10,15,20cm土层平均地温渗灌比漫灌高1.7,1.1,0.7,0.4,0.3℃。(3)与漫灌相比,渗灌平均节水55.6%,灌溉水生产效率提高7.92～12.30kg/(m3.hm2)。(4)渗灌不同灌水量对土壤含水率的影响明显,随着渗水量的增加,各层土壤含水率随之提高,且明显高于对照,除80-110cm土层外,其他处理土壤层含水率与对照差异均显著。(5)樱桃需水关键期渗灌补水,增产效果显著,平水年份和干旱年份,每次渗水80～320m3/hm2,樱桃产量分别提高10.35%～30.72%和8.74%～34.87%。     

东新村农业水资源的开发与节水灌溉现状调查

通过对东新村的水量平衡分析表明:该村农业水资源供需矛盾日趋尖锐,在当前生产水平下,年缺水约50万m³,必须大力推广节水灌溉技术,维持地下水采补平衡,以维持该村农业的持续稳定发展.     

微咸水滴灌对黄瓜产量及灌溉水利用效率的影响

试验主要研究了华北半湿润地区微咸水滴灌条件下,滴头正下方0.2 m深度土壤基质势分别控制在－10～－50 kPa时,不同盐分浓度微咸水(2.2～4.9 dS/m)对黄瓜产量、灌水量及灌溉水利用效率(IWUE)的影响。研究发现当灌溉水电导率(EC)大于1.1 dS/m时,黄瓜的产量随着EC的增大而降低。当滴头下0.2 m深度土壤基质势控制在－25～－35 kPa时,黄瓜表现出来的耐盐性最强,EC每升高1 dS/m产量大约降低3%。总的趋势是土壤基质势控制越高(－10 kPa)处理的灌溉量越多,IWUE越低,而土壤基质势控制越低(－50 kPa)处理的灌溉量越少,IWUE越高。通过研究,在年降雨量大约为600 mm的半湿润地区,当没有足够的淡水用于作物灌溉时,可以在采用一系列灌溉与栽培管理措施条件下,利用2.2～4.9 dS/m的微咸水来灌溉黄瓜等对盐分中等敏感的作物。     

冬小麦微咸水灌溉制度的研究

通过中科院南皮生态试验站冬小麦微咸水灌溉试验,研究不同灌溉定额对土壤水分利用效率、盐分运移规律以及作物产量的影响,并进一步探讨灌区适宜的灌溉制度。研究结果表明,从水分利用效率大小、年内盐分平衡以及作物需水规律综合考虑,小麦生育期适宜灌溉定额为120 m³/667 m²。该研究结果为灌区地下微咸水的合理开发利用提供了依据。