农业高效用水研究进展与成果回顾

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期基金项目国家计划重点项目国家科技支撑计划重点项目国家计划项目课题文章编号农业高效用水研究进展与成果回顾许迪高占义中国水利水电科学研究院水利研究所国家节水灌溉北京工程技术研究中心北京摘要在系统阐述农业高效用水研究进展与发展趋势基础上对农业高效用水研究领域取得的主要成果及创新进行回顾和综述在应用基础与前沿技术方面开展农田水土管理灌区节水决策精量灌溉预报决策精量控制地面灌溉喷微灌水肥高效利用农田氮素迁移转化与控制等方法和技术研究在关键技术与产品方面对喷滴灌地面灌管道输水灌溉灌区用水管理农田排水与涝渍灾害防治劣质水资源化灌溉利用农业水资源开发利用节水灌溉设备质量监测与评价等技术和产品进行研发在宏观战略与发展对策方面开展农村水利发展战略粮食安全与灌溉发展战略节水灌溉发展战略和农村水利科技发展战略等研究通过国家重大科技成果推广应用项目对取得的科技成果进行转化和推广应用为我国农业高效用水提供了新技术新方法和新产品关键词农业高效用水灌溉降水利用率水分生产效率精量灌溉灌溉水管理中图分类号文献标识码农业高效用水是以提高灌溉降水利用率和利用效率水资源再生利用率和保护农田水土环境为核心以灌溉降水土壤水作物水光合作用干物质积累经济产量形成的循环转化过程和区域农田水循环过程为主线从田间水分调控作物耗水生理调节水肥高效利用作物品种生理与遗传改良等挖掘节水潜力的措施以及从农业节水对区域农田生态系统产生的潜在影响出发重点开展与农田水分高效利用及调控田间节水灌溉与水肥高效利用农业节水对区域水土环境响应评估与调控水分胁迫对作物生长的影响及其提高水分生产效率的机理与方法等相关应用基础理论研究和关键技术及产品研发研究农田灌溉水循环和农田生态系统耗水中的水分运动与交换溶质运移与转化根系发育与植物生长能量交换等过程间的相互关系及各界面间的转化机制与规律探索在上述环节中有效提高水分转化效率和生产效率的途径及区域农田水土环境对节水灌溉的响应过程利用现代高新技术开展农业节水关键技术研究与新产品研发及新材料创制中国水利水电科学研究院建院年来水利研究所广大科研人员在农田水利学科领域开展了长期卓有成效的研究工作初期以河南新乡人民胜利渠灌区为基点开展黄淮海平原中低产田综合治理研究在灌溉除涝和防治盐碱化地下排灌技术等方面取得了丰硕成果曾获年度国家科技进步特等奖近年来水利研究所和国家节水灌溉北京工程技术研究中心与有关单位合作在农业高效用水应用基础与前沿技术研究关键技术与产品研发宏观战略与发展对策研究技术推广应用等方面获得了一批重大科研成果为我国农业高效用水的现代化和信息化建设以及快速发展提供了新技术新方法新产品和新专利提升了我国农业高效用水的科技创新能力促进了农业节水产品和设备的升级改造与更新换代为构建适合国情的现代农业高效用水技术体系制定相关政策与决策促进农业可持续发展提供了可靠的支撑条件应用基础与前沿技术农田水土管理方法与技术以减缓华北地区农业水资源供需矛盾改善农田生态环境为目的从田间水土管理和区域水管理与调控两个层次入手研究适宜华北平原应用的农田水土管理技术与方法及其应用模式在河北雄县和北京大兴农业节水灌溉试验基地长期开展小区试验观测田间参数测定在计算机数值模拟分析基础上利用等手段与分析方法对当地气象水文土壤作物地面水和地下水等数据进行收集和分析确定田间各类参数的时空变异分布特征采用数学模拟手段定量研究农田水土管理活动对田间水平衡过程的影响描述大气土壤作物地下水连续系统中农田水分循环特点与特征在验证对比各种计算参照作物蒸发量和作物系数方法基础上研究确定了主要作物的需水量及其相关参数利用改进的作物灌溉模型对现行灌溉制度进行分析评价模拟了不同典型气候条件下冬小麦夏玉米连作模式的节水灌溉制度与模式对影响地面畦灌特性的灌水技术要素进行分析模拟评价改进畦灌系统性能的节水潜力研究田间土管理措施对土壤特性土壤水分作物产量及其水分利用效率的影响作用提出以增强降雨入渗和土壤贮水能力减少地面径流和表土蒸发为目标的田间土管理措施组合应用模式根据区域水量平衡计算制定人工回补地下水条件下以提高农业用水效率补充地下水资源为目标的区域水管理策略和模式灌区节水决策方法与技术以灌区节水决策技术创新促进农业增效改善农田水土环境提高农民生活质量为目标在研究节水决策关键技术和方法基础上重点研发节水决策管理核心技术与模型将田间尺度的农田灌排技术与灌区尺度的灌溉用水管理技术相集成针对黄河流域上游宁夏惠农灌区和下游山东簸箕李灌区的气象气候特点水土资源条件灌溉排水系统现状农业种植模式和经济社会发展状况等方面存在的共性问题采取室内外实验观测田间小区试验和数学模拟相结合的技术路线开展灌区农业经济社会状况调查与评价基于遥感数据的灌区资源状况分析评价渠系输水损失估算方法的改进地面灌溉技术要素制约下的灌溉制度模拟优化农田排水再利用效应模拟与潜力分析水管理措施对农田水盐动态和区域排水影响的模拟分析等类关键技术研究对基于节水多准则分析的田间灌溉需求与渠系输配水模拟决策和基于渠系输配水条件制约的干渠供水配置模拟等类核心技术开展研究构建起集干渠供水田间渠系输配水作物灌溉需求模拟为一体的引黄灌区节水决策技术应用模式为沿黄灌区制定合理的节水灌溉策略和灌区水管理运行方案提供科学依据精量灌溉预报决策方法与技术以我国北方冬小麦春玉米夏大豆作物为对象研究了土壤水分和作物生理生态两类指标响应作物缺水状况的能力及其相互依赖性确定了相关指标的临界阈值借助通径分析方法分析了冬小麦作物缺水诊断指标的敏感性及其在灌溉预报决策中的相对重要程度针对难以获得长系列气象数据的状况在对公共天气预报信息进行解析转换获得必要气象数据基础上建立了基于方法估算作物参照腾发量的实时预报模型以常规天气预报中的天气情况和日昀高气温作为输入项利用自适应模糊神经推理系统建立了作物参照腾发量实时估算模型开发出以作物需水信息诊断为基础综合考虑土壤和气象等环境因子影响的人工智能型灌溉预报决策支持系统在对田间作物土壤和气象数据进行实时采集分析和预测基础上根据水量平衡原理和作物缺水诊断指标阈值开展基于单一指标或多指标灌溉预报决策支持下的智能化灌溉用水管理方法及技术研究构建起基于作物水分信息采集系统智能化灌溉预报决策支持系统精量控制灌溉系统为一体的作物水分信息采集与精量控制灌溉系统精量控制地面灌溉原理与技术针对地面灌溉过程实时反馈控制基于实测的畦田地表水流运动数据依据基本遗传算法与地面灌溉模型构建起畦灌入渗参数与田面糙率系数同步优化反演算法在给定的相关参数值域范围内开展参数优化反演过程的自动化运作及其相关参数的全局性寻优基于田间试验和地面灌溉数值模拟手段分析评价田面平整状况对畦灌系统性能的影响定量研究田面微地形条件变化对地面灌水质量影响的程度及范围探讨了田面平整精度与畦灌系统性能和作物产量间的关系采用地质统计学方法分析各类畦块的田面相对高程空间变异结构特征建立起用于估算畦面相对高程空间变异特征参数的经验公式根据畦面相对高程分布既具有随机性又具有空间相关性的特点对利用方法随机生成的畦面相对高程进行数值修正基础上构建起随机模拟畦面微地形的方法在考虑随机生成的畦面相对高程昀小样本容量基础上借助二维地面灌溉模型和构建的畦面微地形随机模拟方法对微地形起伏幅度及其相应的起伏位置空间分布差异引起的畦灌系统性农业高效用水研究进展与成果回顾许迪高占义能响应进行数值模拟和分析评价喷灌水肥高效利用原理与技术在华北平原和西北干旱风沙区对喷洒水利用系数在小麦和玉米生育期内进行监测评价喷灌技术在不同地区的适应性开展喷灌条件下水分和氮在土壤中的时空变化特性的田间试验和模拟研究分析喷灌均匀系数对水分深层渗漏和氮淋失的影响探讨作物生长对土壤水氮分布不均匀性和土壤特性空间变异的响应特征根据不同喷灌均匀系数下监测的土壤水分空间分布状况研究喷灌条件下灌水量的空间变异和统计分布规律分析喷灌均匀性对土壤水分布特性以及喷灌施肥均匀性对作物产量的影响探讨喷灌均匀系数与喷灌分布均匀系数的关系研究冠层截留对喷灌水量分布的影响基于水量平衡原理分析冠层截留水量的大小及其与作物生长的关系采用植物热平衡茎流计称重式蒸渗仪波文比能量平衡系统和涡度协方差系统等先进测试手段构建喷灌水滴蒸发与作物冠层能量平衡的联合模拟模型对作物冠层截留水量损失进行定量评估分析冠层截留水量对喷灌作物水分利用率的影响微灌水肥高效利用原理与技术对微灌系统中常见的施肥装置水力性能进行系统测试研究施肥装置结构参数和系统运行参数对施肥性能的影响对地表滴灌和地下滴灌系统的灌水和施肥均匀性进行田间评估评价灌水器类型及制造偏差施肥装置类型毛管埋深对系统性能的影响研究灌水器堵塞程度对系统灌水均匀性的影响特征探讨土壤特性空间变异和系统水力学特性对地下滴灌土壤水氮分布和作物生长的影响开展室内试验研究土壤质地在剖面上变化及灌水器流量灌水量肥料溶液浓度对水分和氮在土壤中运移分布的影响通过田间试验系统研究地表滴灌系统运行方式和施肥频率施肥量等技术要素对土壤水氮运移分布和作物吸收及残留的影响探讨了作物产量品质及生理生态指标对水氮管理措施的动态响应特征对地下滴灌条件下施用氟乐灵农药抗作物根系堵塞及调控根系分布机理进行试验与模拟研究分析施药浓度和日期对滴头根系堵塞的控制效应及其对冬小麦和番茄作物生理状况产量及品质的影响探讨适宜的地下滴灌施药制度与模式利用地下滴灌土壤溶质迁移运动模型模拟分析氟乐灵在土壤中的动态变化规律分析滴头流量变化对氟乐灵分布状况的影响农田氮迁移转化模拟与控制方法在对比评价国内外较为广泛应用的土壤水热运动模型和基础上以其水热动态输出变量作为氮运移转化的驱动因子构建农田氮迁移转化集成模型用于模拟施用无机肥或有机肥条件下地表和地下排水中硝态氮流失的动态变化特性开展不同农田水肥管理措施及不同地下水位条件下施用氮肥对土壤作物和水环境影响的分析评价对影响农田氮运移转化过程的主要参数因子进行敏感性分析研究各种形态氮运移转化过程中主要参数的变化对氮动态特性影响和作用提出利用建立的集成模型开展水土环境定量评价时对参数进行率定的判别标准应用建立的农田氮迁移转化集成模型分析了影响氮淋洗流失的主要因素从施肥管理灌溉管理地下水控制耕作措施作物系统排水资源化利用等方面对氮流失量的影响效果进行模拟评价提出适宜的农田水土管理措施根据不同作物植被条件下径流试验小区观测数据研究农田地表径流及氮磷流失规律及特征探讨作物植被类型对农田地表径流土壤侵蚀和氮磷径流流失的影响作用采用地表径流模型对地表径流流失量进行分析研究基于建立的径流修正系数与降雨量的回归关系对模型进行改进探讨利用模型计算径流时确定参数值的方法灌区水盐监测预报理论与方法以河南省人民胜利渠引黄灌区为研究对象在积累了较长系列的历史观测资料基础上通过开展灌区水盐运动观测试验系统研究探讨了水盐运动规律利用建立的水盐动态预报模型开展实时预报为黄河下游引黄灌区防治土壤盐碱化改善作物生长条件提供技术支撑研究提出利用周期分析原理进行年月旬降雨量和蒸发量的预报方法通过对实测的降雨量和蒸发量序列进行周期排列及周期显著性判别选定降雨和蒸发预报周期并据此预报降雨量和蒸发量根据渠灌井灌降雨和蒸发等要素与地下水埋深间的统计规律建立了地下水预报模型对不同分区开展地下水动态预报以土壤含盐量和干旱度与地下水埋深间的关系为依据利用建立的土壤水盐动态预报模型进行分区土壤含盐量预报对观测点水位与均衡区平均地下水位之间的关系进行相关分析基础上得到观测点的水位预报值提高了均衡法预报模型的精度实现了基于均衡法和有限元法预报地下水位动态的目的根据观测数据的分布特性和数据自身的信息类型研究提出用于预报地下水和土壤农业高效用水研究进展与成果回顾许迪高占义盐分动态变化的时间序列组合模型和多层递阶模型探索了利用时间序列法预报地下水和土壤盐分变化的可能性在分析灌区盐碱地面积变化土壤盐分动态特征盐碱地分区及地下水埋深和矿化度的基础上采用灰色耦合随机模型开展土壤盐分动态和地下水质预报研究关键技术与产品滴灌技术与产品研发出适应国情的燕山滴灌技术包括半固定式滴灌技术全移动式滴灌技术利用黄