当前明渠自动化控制研究多以单渠池或串联多渠池为研究对象，而忽视了灌溉渠系中多级渠道间的水力耦合影响，难以保证灌溉输水效率及公平性。作者曾为小规模分岔灌溉渠系提出了一种基于交替方向乘子法的分布式模型预测控制算法，即ADMM-DMPC算法。为检验该算法的可扩展性和控制效果，以湖北省漳河灌区的大规模三级树状灌溉渠系为测试算例，并与工程实践中常用的经典PI复合控制及传统人工控制结果进行对比。结果显示，当控制对象的规模和复杂性大幅度扩展时，ADMM-DMPC算法仍能保证各级渠道各渠池各控制点水位均在安全范围内小偏差波动，且水位降速满足安全限制，控制性能远胜于经典PI复合控制和传统人工控制。充分证明了ADMM-DMPC算法在大型灌区多级树状灌溉渠系水力调控上的可行性和优势，在精准灌溉和灌区现代化方面有较强潜力。

过滤器是微灌系统的核心之一，过滤效率和水头损失是评价其性能的关键指标。为探究浮筒网式旋转过滤器在浑水条件下的最优工况,开展5组流量（260、295、330、365、400 m3/h）、5组含沙量（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L）、5组冲洗流量（17、19、21、23、25 L/min）和5组过滤时间（0.15、2、4、6、8 h）的物理全试验，利用极差、方差和主效应多重比较分析得到水头损失和过滤效率的影响因素排序，确定浮筒网式旋转过滤器在浑水条件下的最优工况。结果表明：影响浮筒网式旋转过滤器浑水条件下水头损失的因素排序为流量＞冲洗流量＞含沙量＞过滤时间；影响过滤效率的因素排序为含沙量＞流量＞过滤时间＞冲洗流量；本试验范围下浮筒网式旋转过滤器的最佳运行工况为：流量330 m3/h、含沙量1.5 g/L、过滤时间6 h，冲洗流量25 L/min。此工况下的水头损失为2.361 m，过滤效率为83.72%，可以保证有良好的过滤效率同时还有较小的水头损失，实现高效灌溉的目的。

为探究深松耕作方式对华北平原冬小麦畦灌灌水技术参数及土壤入渗特性的影响，设置冬小麦耕作模式（深松+旋耕PS、传统耕作对照CK）和畦灌灌水技术参数（畦宽1.7、3.4、5.1 m和入畦流量30、40 m³/h）处理8种组合，结合冬小麦拔节、抽穗期灌水数据，采用WinSRFR模型反演不同处理的土壤入渗参数并评价其灌水质量。深松较传统处理冬小麦拔节和抽穗期畦灌水流推进的总时长分别平均延长了5.58和5.87 min。WinSRFR模型能较好地对深松耕作后畦灌水流运动过程进行模拟，R ²均在0.93以上，深松较传统耕作冬小麦拔节期土壤入渗系数K和入渗指数a分别平均提高了20.72%、1.41%。深松后K值随着畦宽和入畦流量的增加而减小。深松耕作处理冬小麦拔节期灌水效率、储水效率和灌水均匀度分别较传统耕作平均提高了2.76%、5.95%和4.95%，深层渗漏损失量平均减小了15.05%。深松后畦宽3.4 m，入畦流量为40 m³/h的灌水技术参数组合的畦灌灌水质量的综合平均值最优，深层渗漏量最小。

以一种三向流道灌水器为研究对象，通过分析流场、颗粒运动轨迹等方式来研究三向流道灌水器消能机理及抗堵性能，为后续改良优化提供参考。采用室内试验与数值模拟相结合的方法，发现灌水器的流态指数为0.483 2~0.518 2，当分水角为55°时，流态指数最优，随着分水角的增大，流道内为分为2种不同的流态分布，消能方式主要为低速区的漩涡消能和高速区的对冲消能。通过调整流道结构尺寸能够使汇流段流道内对冲流量比趋近1，提升对冲效果，提高水力性能。随着灌水器工作压力增大分水角大于45°的流道内对冲流量比没有受到影响，而分水角小于45°的流道内对冲流量比愈发偏离1。通过观察泥沙颗粒运动轨迹，发现流道内的大部分泥沙颗粒都随着高速区流动，分水角较小的流道内的泥沙颗粒运动轨迹会随着工作压力的改变而变化，可以通过这种方式使高速水流冲洗流道内各个角落，提升灌水器抗堵性能。研究结果可为灌水器多流道结构优化、消能机理分析等方面提供理论依据。

肥料和水分是山地果园作物生长和培育的基础，灌溉设施和水肥比例不精准会影响山地果园的经济效益，水肥一体机可以按照山地果园作物需肥规律和特点制定合理的施肥灌溉方案。为了解决传统水肥一体机存在的管理粗放，智能化水平低，精准性和实时性差的问题，设计了一套基于模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）算法的智慧水肥一体灌溉系统。该系统利用蓝牙mesh组网获取果园内信息，通过WIFI Halow技术实现数据上传，并通过MPC算法计算电动球阀的开度，实现远程精确控制水肥溶液电导率（Electrical Conductance，EC）。试验结果表明，该系统的调节时间为7.3 s，较群体智能优化PID控制缩短了82.4%，超调量为1.32%，较群体智能优化PID控制减少了80.9%。所设计的系统有效地提高了水肥灌溉过程混肥精度，能够节约灌溉所需的水量、减少人工成本、提升生产效率。

为探究微喷灌常用布置形式在不同土壤条件下对实际含水量分布和灌溉均匀度的影响，采用试验的方式，选取黄绵土、黄麻土、黑垆土3种黄土高原典型耕作土壤为研究对象，测定在1.30、1.35和1.40 g/cm³土壤容重条件下的土壤水吸力与土壤含水率的关系，并通过一维入渗试验获得土壤入渗参数，同时设置3种微喷灌布置形式，测定土壤含水率的实际分布情况与均匀系数，提出3种土壤适宜的微喷灌布置形式。结果表明：黄麻土有3种土壤中最强的持水性能；相同土壤中，土壤的持水能力与容重为负相关关系；黄麻土具有最慢的湿润锋迁移速率和最大的水分入渗累积量；黄绵土具有最快的湿润锋运移速率和最小的水分入渗累积量；3种土壤类型下的累计入渗量和时间的关系可以用Kostiakov模型精准拟合；黄麻土中，正三角形布置能够获得最佳的灌溉均匀性；在黑垆土和黄绵土中，正方形布置能够得到最佳的灌溉均匀效果。

土壤含水率是农田生态系统敏感性的重要表征，为提高近地遥感土壤含水率反演效率和精度，基于无人机多光谱影像数据，提取覆膜耕地、苜蓿和小麦3种地物特征的光谱反射率，通过覆膜干扰消除技术和红边波段特征重构方法优化光谱信息质量。采用变量投影重要性分析（Variable importance in projection, VIP）、灰色关联度分析（Gray relational analysis, GRA）与皮尔逊（Pearson）相关性分析，对5类光谱反射率特征及18个光谱指数进行敏感性评估。在此基础上，分别构建基于反向传播神经网络（BPNN）、支持向量回归（SVR）和随机森林（RF）算法的多场景土壤水分反演框架，通过模型对比验证揭示不同地物覆盖条件下的最优反演机制。结果表明，剔除覆膜背景对模型反演结果有所提升，VIP和GRA筛选后的模型精度明显优于Pearson相关性分析，反演结果波动较小，且敏感变量组反演结果优于全变量组反演结果；在3块样地中，覆膜耕地的BPNN算法相较于SVR和RF算法，展现出更优的非线性解析能力及模型结构稳定性，验证集决定系数R_v ²达到0.8以上，其结果能较真实反馈土壤含水率，SVR算法则更适用苜蓿、小麦此类植被覆盖度较高的土壤含水率反演；3种样地基于GRA筛选的土壤含水率反演模型精度最高，覆膜耕地GRA-BPNN验证集R_v ²为0.801、RMSE_v 为1.25%、MAE_v 为0.933%，苜蓿样地GRA-SVR验证集R_v ²达0.799、RMSE_v 为1.389%、MAE_v 为1.181%，小麦覆盖地反演结果验证集R_v ²为0.837、RMSE_v 为0.711%、MAE_v 为0.538%。

水土资源短缺制约经济社会发展，过量施氮导致土壤硝态氮累积，严重加剧生态环境恶化。探索适宜农业种植与管理措施，减少农田中硝酸盐的残留及淋溶，成为保护生态环境的重要途径。以枸杞||苜蓿系统为对象，设置4个灌水水平（W0：45%~55%田间持水量（θ_FC ）；W1：55%~65% θ_FC；W2：65%~75% θ_FC；W3：75%~85% θ_FC ）和4个施氮水平（N0：0 kg/hm2；N1：150 kg/hm2；N2：300 kg/hm2；N3：450 kg/hm2）。通过分析不同水氮调控下土壤硝态氮的时空分布及累积变化，研究水氮调控对硝态氮运移的影响。研究表明：硝态氮含量随土层深度的增加呈下降趋势。在营养生长期和盛花期，不同水分条件下，N1与N0、N2与N3之间的硝态氮差异不显著，但N2和N3的硝态氮含量和累积量分别较N0和N1增加了70%~318%（p＜0.05）和98%~201%。增加施氮量对80~100 cm土层的硝态氮含量和累积量没有显著影响。在枸杞秋果期，W1、W2和W3条件下，80~100 cm土层的硝态氮累积量较W0分别减少了47%~51%、33%~44%、22%~47%、2%~20%。W3条件下，硝态氮的淋溶深度有所加剧。在W1、W2和W3条件下，N0处理的硝态氮累积量依次为：30 cm > 90 cm > 150 cm > 120 cm，而在W0N1、W1N2、W3N3处理中，150 cm处的硝态氮累积量大于120 cm处。随着灌水水平增加，硝态氮呈向下淋溶的趋势，施氮量增加则导致硝态氮含量增加。土壤硝态氮含量的变异系数（CV）普遍为中等变异（0.1 < CV < 1.0）。硝态氮累积量随施氮量的增加显著增加，随机森林模型的预测精度显著优于传统回归模型。为了减少土壤硝态氮的累积与氮素淋失，建议枸杞||苜蓿系统采用轻度水分亏缺（W2：65%~75% θ_FC ）和中等施氮量（N2：300 kg/hm2）。

灌溉排水是盐碱地改良利用的基础性措施，它通过降低土壤盐分、改善土壤理化性质、促进土壤微生物活动等方式，为盐碱地可持续发展与生态恢复提供有效保障。基于CiteSpace软件对1992-2024年国内外关于灌溉排水改良盐碱地研究领域的文献进行可视化分析。结果表明：该领域发文量总体呈攀升趋势，发文较多的期刊有《Agricultural Water Management》、《农业工程学报》、《灌溉排水学报》等，发文较多的国家有中国、美国、澳大利亚等，其中我国在该领域的影响较为显著。当前该领域在暗管排水排盐、微咸水灌溉、滴灌控盐等方向较为活跃，未来将朝着精准控盐技术创新优化、综合改良体系构建等方向发展，以深入应对极端气候精准控盐挑战，并探索生态水文控盐技术等新型改良措施，助力盐碱地改良与土地生态的永续发展。

针对西南石漠化地区土壤贫瘠和生态修复困难的问题，以小麦秸秆为添加物，典型石漠化地区土壤为供试土壤进行实验，探究秸秆混掺对石漠化地区先锋物种苔藓生长发育特征以及土壤养分和微生物的影响。结果表明：①适宜长度和施加量的秸秆混掺更有利于石漠化地区苔藓植物的生长发育，不同秸秆长度或者不同施加量处理间苔藓密度与盖度差异较大。秸秆长度为粉末、1、2、3 cm时，秸秆施加量为1.4%时苔藓密度最高；施加量为0.7%、1.4%、2.1%时，1 cm秸秆碎屑混掺下的苔藓密度最高。秸秆长度为粉末、2 cm、3 cm时，秸秆施加量为1.4%时苔藓盖度最高；秸秆长度为1 cm时，秸秆施加量为2.1%时苔藓盖度最高；施加量为0.7%、1.4%、2.1%时，1 cm秸秆碎屑混掺下的苔藓盖度最高，但和其余长度相差并不大。②秸秆混掺处理提高了土壤饱和持水量，而秸秆混掺处理下仅秸秆长度为1 cm长秸秆碎屑，秸秆施加量为1.4％、秸秆长度为1 cm长秸秆碎屑，秸秆施加量为2.1％处理下累积蒸发量显著高于CK。饱和持水量对苔藓生长影响不明显，但累积蒸发量与苔藓生长成正比。③秸秆混掺处理下有效磷较CK提高（+149.92 mg/kg）；混掺秸秆为粉末状态时的土壤有效磷含量最高，而其他秸秆长度处理下的土壤有效磷含量较低；土壤中速效钾较CK则多有提高，秸秆粉末、1、2、3 cm长度处理均表现为随施加量增长土壤速效钾增加的趋势。④秸秆混掺下土壤微生物群落在门水平上以变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、浮霉菌门（Planctomycetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）为主，其中变形菌门占据群落物种的30.15%~53.42%，处理组对比CK显著提高了物种丰富度及群落多样性，对于石漠化地区土壤修复治理有积极作用。

基于HYDRUS-2D数值模拟模型，针对河套灌区地下水浅埋（1.5 m）膜下滴灌玉米农田土壤，探究0~100 cm土壤盐分均匀分布、100~150 cm土壤剖面不同盐分分布（“A-先增后减”、“B-一致”和“C-线性增加”）条件下，0~100 cm土壤生育期水盐运移规律及适宜秋浇灌溉定额。结果表明，不同初始盐分剖面水分运移规律一致，膜下滴灌后0~100 cm各层土壤生育期平均含水率呈锯齿状逐渐降低，平均含水率随深度加深而加大，浅埋地下水持续向上层补充水分。0~60 cm深度土壤平均含水率膜内高于膜外，其余深度膜内膜外基本相同。为避免水分在垂向上向下、在水平方向上向膜外的无效渗漏，应在玉米生育前期、末期减少灌水定额，在生育旺盛期加大灌水定额。3种初始盐分剖面生育期末土壤盐分均呈表聚型分布，膜外盐分浓度高于膜内，初始剖面盐分浓度重心越高，积盐范围越深，3种剖面的积盐深度（膜内/膜外）分别为C（65 cm/67 cm）＞B（72 cm/74 cm）＞A（78 cm/80 cm）。秋浇定额1 000、2 000和3 000 m³/hm²时可分别将盐分淋洗至40、60和60 cm以下，A、B、C三种盐分分布适宜秋浇灌溉定额分别为2 000、1 000和1 000 m³/hm²。

为进一步提高黄河南岸灌区农田水肥利用效率，实现农田水肥节约的目标，于2023年开展了膜下滴灌玉米试验，设置3种不同的灌水水平：低水W1(1 200 m³/hm²)、中水W2(1 800 m³/hm²)、高水W3(2 400 m³/hm²)，3种施氮水平：低肥N1(140 kg/hm²)、中肥N2(210 kg/hm²)、高肥N3(280 kg/hm²)，并设一组不灌水不施肥对照处理(CK)。研究了水氮耦合对玉米生长性状、产量、水分利用效率、氮肥偏生产力的影响。结果表明：随着灌水、施肥量的增加，玉米叶面积指数与株高随着生育期的推进表现为先增加后趋于稳定。玉米在播种40 d后，各处理间干物质积累量无明显差异，出苗60 d后，处于玉米抽雄期，各处理干物质积累速率显著增加。且在相同灌水条件下，玉米产量随着施氮量的投入而增加，中肥处理较高肥处理增加10%，中肥处理较低肥处理增加22.4%。在同一施肥条件下，玉米产量随灌水也有显著增加趋势，其中高水处理与中水处理差异不明显。玉米水分利用效率随着灌水量的增加有先增大后减小的趋势，中水处理的水分利用效率在2.5 kg/m³左右，而高水水分利用效率在2 kg/m³左右。高水低氮处理下的氮肥偏差生产力最高，为74 kg/kg，低水高氮处理下的氮肥偏差生产力最小，为36.6 kg/kg，当施氮量相同时，氮肥偏差生产力与灌水量呈现正相关关系。建立灌水量、施肥量与产量回归模型，之后通过寻优过程，得出产量最大时的灌水区间为1 800~2 160 m³/hm²，施肥区间为210~250 kg/hm²。综合分析结果：①在研究中，W2N2（1 800 m³/hm²、210 kg/hm²）处理条件下，玉米株高、叶面积指数、干物质、产量等指标均达到理想状态，但并非最优灌水、施肥区间。②经寻优之后，W2N2处理灌水、施肥量仅保持在最优区间的左边界，可适当增加灌水施肥量。③寻优后的灌水施肥区间（1 800~2 160 m³/hm²、210~250 kg/hm²）比W3N3（2 400 m³/hm²、280 kg/hm²）处理灌水施肥量较少，该区间可满足产量较理想的状态的同时保证水分、肥料具有较高的利用效率。

目前WOFOST模型的物候模块并不能准确地模拟水分胁迫下作物的物候发展，进一步影响了水分胁迫下产量预测的精度。利用气象数据、作物参数以及实测的作物物候信息重建玉米的物候发展序列，修改WOFOST模型中的物候子模块以实现强迫法同化物候，基于2022年武汉大学灌排场的夏玉米试验数据来验证同化物候的WOFOST模型对于水分胁迫下的玉米生长模拟性能的影响。结果表明：同化玉米全生育期物候信息后，WOFOST模型模拟的叶面积指数、地上干物质重以及贮藏器官干物质重的RMSE和NRMSE分别下降了0.14 m²/m²、37.92 kg/hm²、832 kg/hm²和7.71%、0.57%、13.47%。研究为同化作物物候信息、提高WOFOST模型模拟胁迫条件下作物生长的精度提供了一个新思路。

探讨气候变化对宁夏引黄灌区春小麦灌溉需水量的影响。利用本地化处理后的WOFOST模型及优化后的CMIP6数据建立未来宁夏引黄灌区春小麦生长模型，通过模型模拟结果和气候土壤条件分析灌溉用水需求变化并对影响因素进行分析。降水量在研究区有明显的南高北低、东高西低的空间分布，在SSP126、SSP245和SSP585模式下平均月净降水量分别为惠农、惠农和银川最高，分别为0.025、0.351和0.410 mm；由于蒸发量的增加导致降低了未来夏季有效降水量；春小麦生育期所需的灌溉量随碳排放量的增加而增大，在SSP126、SSP245和SSP585情景下，分别为460~520、480~560和410~590 mm；各试验站春小麦生育期灌溉需水量整体波动幅度随碳排放量的增加而增大；预计宁夏引黄灌区SSP585春小麦未来总灌溉需水量为2.05~2.69 亿m³；春小麦灌溉需水量与生育期内平均风速、平均最高温、平均辐射量、土表总蒸发和作物总蒸腾呈显著正相关关系，与生育期内降水量呈显著负相关关系，其中受作物总蒸腾影响最大，相关性指数达0.81。气候变化导致的气象因素变化将对春小麦生育期灌溉需水量变化起较大影响，远期有增加趋势且总体随碳排放量的增加而增加。

探究滴灌不同灌水水平下苹果树的茎水势连续变化及其对环境因子的响应程度，为基于茎水势变化构建滴灌果树水分亏缺诊断方法提供依据。采用PSY1原位茎水势测量仪实现滴灌苹果树茎水势(Ψs)的连续监测，同时监测果树周围环境因子变化，分析不同灌水水平（充分灌溉FI，非充分灌溉NI）下苹果树茎水势(Ψs)的典型晴日及生育期变化特征，探讨滴灌苹果树茎水势受环境因子影响程度。 ①在典型晴天，不同灌水水平下苹果树Ψs日变化均呈昼低夜高的倒“几”字形趋势，但NI处理的茎水势恢复速率降低；而雨天苹果树Ψs日变化呈“V”形曲线，且降雨后的Ψs日谷值升高了0.4 MPa左右。②较FI处理，NI处理在果实膨大期经过持续水分胁迫后，其黎明前的Ψs降低了0.20~0.38 MPa，且出现了黎明前Ψs无法恢复到前一天水平情况，但当降雨和灌水之后，NI处理的黎明前Ψs有逐渐增大趋势。 ③各生育期典型晴天不同灌水处理下Ψs与太阳辐射(SR)、饱和水汽压差(VPD)、大气温度(TA)之间呈极显著的负相关性，其中Ψs存在明显滞后于SR的时滞效应，通过建立Ψs与SR的时滞椭圆方程并且计算其面积后表明，NI处理时滞圈面积比FI处理增加49.17~64.46，相应NI处理时滞时间比FI处理延长15~30 min。滴灌苹果树茎水势变化特征与灌水条件、SR、VPD、大气温度密切相关，黎明前的Ψs是诊断苹果树水分亏缺可靠的指标，可利用Ψs与SR之间的时滞效应进行滴灌苹果树水分状况诊断。

研究腐殖酸添加下微纳米加气灌溉对加工番茄产量品质、经济效益与土壤温室气体排放的影响并兼顾增产提质、提高经济效益与温室气体减排进行综合评价，优化加工番茄肥气耦合方案。采用双因素完全随机试验设计，设置2个腐殖酸施加量[占肥料总质量比例：0%（H0）、0.5%（H1）]，以常规地表浅埋滴灌（S）为对照，进行微纳米加气灌溉（O）。研究4个处理对加工番茄产量品质、经济效益与土壤温室气体排放指标的影响差异，同时，采用Topsis评价体系筛选兼顾增产提质、提高经济效益和温室气体减排的最优处理。微纳米加气灌溉下，加工番茄产量指标显著提高，其中，产量、单果重显著提高34.96%和21.06%（P<0.05）；品质指标除可滴定酸显著降低6.07%外（P<0.05），其余指标也显著提高（P<0.05），其中，维生素C和番茄红素分别显著提高41.54%和41.94%（P<0.05）。添加腐殖酸处理也使得加工番茄产量和品质指标显著提高，除可滴定酸显著降低10.82%外（P<0.05）。微纳米加气与腐殖酸施加下经济效益均提升。微纳米加气下土壤CO₂与N₂O累积排放量分别显著提高32.67%与58.87%（P<0.05），添加腐殖酸下分别显著提高20.54%和46.82%（P<0.05）；微纳米加气灌溉和添加腐殖酸下土壤CH₄累积排放量分别显著降低31.46%和19.37%（P<0.05）。经Topsis综合评价得知，H1O处理兼顾增产提质、提高经济效益和温室气体减排的综合得分最高，H0S得分最低。因此，微纳米加气灌溉下施用添加腐殖酸肥料条件下可同时兼顾加工番茄增产提质、提高经济效益与土壤温室气体减排的较优方案。