掌握水稻灌溉需求规律是合理分配和高效利用水资源的科学依据。选取全国12个典型水稻种植区，构建田间水量平衡模型推求1960-2019年水稻逐年常规灌溉制度，采用Mann-Kendall检验分析水量平衡各要素趋势变化，同时利用Pearson相关系数和最大互信息系数（MIC）进行要素间相关性分析。结果表明：中国主要稻区水稻作物需水量ET_c 表现为中稻（556.39 mm）>晚稻（491.47 mm）>早稻（393.54 mm）；灌溉需求表现为中稻（435.94 mm）>晚稻（346.87 mm）>早稻（147.52 mm）；降雨利用率表现为晚稻（69.60%）>中稻（65.46%）>早稻（54.68%）。近60年来，水稻ET_c 主要呈下降趋势，华中、华南和东北稻区水稻灌溉量呈现明显下降趋势，而西南和北方稻区主要呈上升趋势。降雨对灌溉需求的影响在北方稻区由生育期累计降雨量主导，而在南方稻区主要由降雨分布特征主导。

为缓解关中地区水资源短缺与小麦生产高耗水的特征性矛盾，通过田间试验，设置垄沟覆膜还田（FMSR）、垄沟不覆膜还田（FNSR）、垄沟覆膜不还田（FMSN）、垄沟不覆膜不还田（CK）4种不同种植模式，分析了不同处理对小麦土壤养分及水肥利用效率的变化影响。结果表明，较于对照处理，覆膜秸秆还田各指标均显著提高(p＜0.05)，其中土壤含水率提升了2.73%~29.01%，土壤养分提升了38.41%~40.23%，作物茎干物质量提高了30.6%，水分利用效率提高了24.49%，氮肥偏生产力显著（p<0.05）增加了21.7%。综合土壤养分和水肥利用效率考虑，秸秆还田垄沟覆膜种植方式能够有效促进冬小麦的生长，综合考虑节水、增产的目的，在关中地区推荐垄沟覆膜秸秆还田种植模式为较优的种植模式。

明渠糙率是影响灌区输配水和排水过程的重要参数，获取准确的糙率值是提高明渠设计合理性、实现灌区水动力多过程高精度模拟、提升灌区用水管理质量的重要前提。为提高灌区明渠的糙率计算质量，从定量的视角回溯了糙率表征的发展历史，阐述了各类糙率计算公式的来源及其之间的逻辑关系，分析了工程和物理影响要素，其中，工程要素主要包括渠道断面尺寸、壁面粗糙度、水工建筑物形式、渠道平顺情况以及渠底比降等，物理要素主要包括傅汝德数和湍流状态。在此基础上，首先回顾了糙率的原型观测方法，因为其是其他糙率获取方法的基础，进而对系统辨识方法、基于水动力方程反算的糙率优化方法、基于数据同化的糙率同步求解方法等研究工作进行了阐述，讨论了GPU并行计算技术、大数据分析技术和web技术快速发展的背景下糙率计算方法的发展趋势，在GPU海量并发线程背景下，着重分析了人工智能技术强悍的图形图像识别能力与渠道水动力过程基础波形及其非线性叠加水波波形以及水工建筑物几何信息之间的结合方法，指出该方法具有能实时获取不同空间平均糙率的显著优点，具有巨大的理论与应用潜力。

为探明干旱区滴灌条件下不同氮磷养分组合对叶用枸杞土壤活性碳库、细菌多样性及群落特征的影响，该研究设置施氮量（40，60和80 mg/L）、施磷量（10，20和30 mg/L）2因素3水平试验，采用高通量测序等方法研究土壤细菌群落特征与土壤环境因子之间的关系。结果表明，滴灌不同氮磷养分组合通过改善土壤养分状况，从而影响叶用枸杞产量。施氮60 mg/L、施磷30 mg/L处理下，N2P3处理下，叶用枸杞产量最高。施氮60 mg/L、施磷10 mg/L，N2P1处理下叶用枸杞根际土壤细菌群落多样性和丰富度表现最佳。不同氮磷配施处理下根际土壤细菌群落相对丰度存在差异，门水平优势类群主要为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、芽孢菌门（Gemmatimonadetes）和厚壁菌门（Firmicutes）等。冗余分析（RDA）和相关性Heatmap 图表明，不同处理下土壤细菌群落多样性与有机碳（TOC）、易氧化有机碳（EOC）、水溶性有机碳（DOC）、微生物量碳（MBC）和硝态氮（NO₃-N）等环境因子显著相关。综上，滴灌条件下合理氮磷配施能有效改变土壤细菌群落结构，提升土壤肥力，为旱区叶用枸杞养分高效利用和资源可持续发展提供理论依据。

为了探索如何提高玉米膜下滴灌的水肥利用率，研究了不同土壤水分和肥料调控的效果，连续两年（2019-2020年）进行了田间灌溉试验，设置不同灌溉定额和有机肥使用量处理T1（CK）、T2、T3、T4、T5共5个处理。结果表明：①不同处理对制种玉米产量的响应不同，2019-2020年不同施肥处理，T5产量最大为6 860.57 kg/hm²，较T1（CK）处理提高23.12%（P＜0.05），T2、T3、T4处理较T1处理，分别提高6.77%、14.8%、17.97%（P＜0.05）。②不同化肥使用量处理的增产率与CK呈线性拟合关系，表明化肥在合理使用范围内助于增产；不同灌溉制度增产率与CK拟合呈负指数关系，并非灌溉水量越大越好，应以作物需水规律为指导。③综合考虑农艺性状、果穗经济性状、作物产量及增产率等指标表明河西走廊制种玉米种植区最佳灌溉定额为5 400 m³/hm²，各生育期灌水定额分别为拔节期825 m³/hm²、大喇叭口期825 m³/hm²、抽雄期975 m³/hm²、扬花期975 m³/hm²、灌浆期975 m³/hm²、乳熟期825 m³/hm²。综上所述河西走廊绿洲灌区制种玉米高效节水栽培和产业化发展提供理论与技术参考，实现农户实行大面积推广复制，提高玉米产量带动农户脱贫致富。

灌区渠系优化配水研究对灌区从用水管理向需水管理转变具有重要意义。目前，天牛须搜索算法已被广泛应用于生产实际，而在渠系优化配水方面的应用较少。为探究天牛须搜索算法在渠系优化配水领域的可行性与合理性，以大功灌区西一干渠干支2级渠系输水过程中渗漏量为优化目标，渠道运行时间及输水流量为决策变量，构建渠系配水模型，并采用天牛须搜索算法进行模型优化求解。结果表明，天牛须搜索算法求解结果中配水时间较传统配水时间缩短7 d，配水效率提高35%。渠系渗漏量为34.99 万m³，占总配水量6.69%，干支2级渠系水利用系数提高为0.704。天牛须搜索算法在解决高维渠系优化配水问题上表现良好，能够贴近渠系实际运行情况并合理进行水资源配置。

为探明水稻再生水灌溉下的节水减排效果，在国家农业环境大理观测实验站开展了水稻再生水灌溉试验研究。试验设淹水灌溉（Flooding Irrigation， FI）及间歇灌溉（Alternate Wetting and Drying， AWD）两种灌溉模式，F1（全生育期清水灌溉+施全部化肥）、F2（分蘖期、拔节孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）及F3（返青期、分蘖期、拔节孕穗期再生水灌溉+施部分化肥）3种施肥模式。分析了再生水灌溉下稻田田面水、不同深度地下水氮磷及化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）浓度变化及其流失负荷量，并研究了稻田的氮磷消纳能力及再生水对清水、肥料替代率。结果表明，再生水灌溉下田面水氮素浓度峰值出现次数多但峰值均较小，氮、磷径流损失负荷量平均值分别为2.65及0.62 kg/hm²，比清水灌溉增加了26%及28.6%。地下水氮、磷浓度整体上呈随深度的增加而减小趋势，再生水灌溉下氮素淋溶损失比清水灌溉少11%。AWD下氮、磷径流、淋溶负荷较FI均减少，返青期灌再生水在淋溶损失方面与其他再生水灌溉处理相比没有明显差异。稻田对所灌的再生水中氮、磷的消纳能力分别为92%及81%；灌再生水后4~5 d，COD的去除率可达78.2%。采用再生水灌溉几乎不会对环境造成负面影响。再生水灌溉替代清水效率可达75%左右，FI模式下再生水带入肥量较AWD大，75%水平年氮素替代化肥效率达35.8%，而磷素的带入量和替代率均较小。

为实现树状灌溉管网低能耗、投资节约以及灌水均匀度高等目的，构建了树状灌溉管网非线性数学模型，设定压力、管径、流速为约束条件，设计了模拟退火与布谷鸟（SACS）混合算法，结合文献[14]资料数据分别采用遗传（GA）算法、模拟退火遗传（SAGA）混合算法、布谷鸟搜索（CS）算法、SACS混合算法4种优化算法对模型进行了求解。优化结果表明，采用SACS混合算法比GA算法灌溉管长减少了16.27％、投资节约了2.13％，比SAGA混合算法、CS算法，虽灌溉管长相等，但管径得到较大的优化，投资分别节约了3.76%、17.28%，验证了SACS混合算法的有效性。最后，以贵州省石阡县龙塘大屯茶叶园区216 hm²现代水利试点区喷灌工程为例，采用SACS混合算法对喷灌工程管网进行了优化，比传统设计方法灌溉管长减少了12.08 m，投资节约了17.93％，优化效果明显，为树状灌溉工程管网优化设计提供了新的思路。

为研究中小型矩形渠道平板闸门自由出流状态下的流量特性，利用渠道水力学测试平台，对渠道平板闸门过水性能进行试验研究。通过测试闸门开度、上游水位、流量，利用Garbrecht公式、杜屿公式、武汉水利学院公式对过闸流量进行计算，并与实测流量等数据进行对比，结果发现三者偏差均较大。为进一步提高过闸流量计算精度，采用最小二乘法原理对实测流量系数 {\mu }_{\mathrm{0}}与闸门相对开度 e / H_{\mathrm{0}}进行二次多项式拟合，获得了新的流量系数计算公式；比较分析该公式的计算结果与Garbrecht公式、杜屿公式、武汉水利学院公式，发现该公式的相对误差最大值、平均相对误差都减少了16.49%、17.23%以上，变差系数也位于一个较小值，且在标准的允许范围内。研究结果表明，对该类型的平板闸门，本文拟合的二次多项式公式精度更高，适用性更好，能够满足灌区量测精度要求。

针对当前灌溉设备控制系统智能化水平低等问题，设计了一种基于ARM嵌入式系统和电力线载波的智能灌溉控制系统。该系统由5个模块组成：数据处理控制模块、数据通讯模块、数据采集模块、控制驱动模块和人机交互模块。数据处理控制模块的中央处理器采用基于ARM Cortex-M3架构的32位微处理器STM32F103CBT6。数据通讯模块的电力线载波采用总线主站控制器PB620芯片搭建。软件采用实时操作系统μC/OS-II，内核版本V2.91。基于土壤实时墒情数据、短期气象预报等多源数据，构建土壤水分盈亏量预测模型和灌溉量估算模型，分别用于估算土壤墒情和作物适宜灌溉量。结果表明，该系统实现了土壤墒情监测、灌溉量智能计算和自动轮灌等功能。电力线载波实现了土壤墒情传感器、电磁阀供电和通讯功能，并节省了通信电缆。网络通信丢包率均值为0.09%，电力线载波误码率小于0.01%，电磁阀响应时间均值为0.497 s。在籽粒产量不降低情况下，模型生成方案比传统灌溉方案节水31.37%。相比设置灌溉上下限参数的自动化灌溉控制系统，该系统具有设备操作简单，安装成本低，运行可靠稳定，灌溉量自动估算和调节等特点，有效提高了大田灌溉效率和用水效率，具有良好的应用前景。

为了探究不同水分、沸石量以及沸石埋深对番茄光合特性的影响，以“奥冠8号”为试材，以水分（W_50-70、W_60-80、W_70-90）、沸石量（Z₃、Z₆、Z₉）和埋深（H₁₅、H₃₀、H₄₅）为试验因素，采用正交试验的方法，对番茄果实膨大期的光合参数净光合速率Pn、气孔导度Gs及蒸腾速率Tr进行了研究。结果表明：水分与Pn、Gs及Tr均为正相关。沸石量与Gs、埋深与Pn均为负相关，沸石量对Pn和Tr影响表现分别为先促后抑及先抑后促，埋深对Gs和Tr的影响表现均为先抑后促。此外，水分对Pn达到显著（P<0.05）影响，对Gs达到极显著（P<0.01）影响，但对Tr无显著影响。沸石量和埋深对各光合参数均无显著影响。三因素对Pn和Gs的影响表现均为W>Z>H，对Tr的影响表现为W>H>Z。W_70-90Z₆H₁₅为番茄光合特性的最优水平组合。

为揭示大豆旱涝急转条件下先期旱胁迫与后期涝胁迫的交互作用对其生长发育和产量造成的影响，开展了不同程度单一受涝和不同程度旱涝急转的对比试验。分析了不同处理下大豆株高、叶绿素含量的变化规律及产量减产规律，量化了旱涝相互作用间的效应，初步揭示了旱涝急转下的大豆减产规律。结果表明：旱涝急转对于大豆正常生长发育的胁迫作用和最终导致的减产要明显小于单涝组；前期轻度干旱对于后期涝胁迫对大豆正常生长造成的抑制有不同程度的缓解、补偿效应，且在一定受旱程度范围内基本呈现前期受旱时间越长，其后期补偿效应越大的规律；旱涝急转组相比单涝组产量有明显增加的原因，是因为前期适宜的轻度干旱对于大豆百粒重补偿了4.79%~20.00%、平均单株荚数补偿了4.28%~46.63%、单株实荚数补偿了9.72%~73.04%，同时结合株高和叶绿素含量的变化规律，说明短期轻旱增强了大豆对于外界水土环境的耐受性，缓解了后期涝渍对大豆生长发育造成的生理胁迫。研究成果可为探究旱涝急转致灾机理，制定合理的面向旱涝急转的减灾、防灾措施提供技术支撑。

保水剂是一种吸水及保水能力很强的高分子聚合物，在农业中应用可保持、提高土壤水分和养分的有效性，降低土壤蒸发，减少水的渗透以及肥料和重金属在土壤剖面上的淋溶，减少农药残留，提高土壤微生物活性，增加土壤颗粒团聚性，改良土壤结构，还可降低作物对土壤盐分的敏感性，提高作物抗旱、抗盐碱能力及水肥利用率，进而促进作物生长，提高产量，尤其对水、肥条件较差地区应用效果更加明显，效益显著，在农业中应用日趋广泛。由于SAP类型多，性能差异较大，其对土壤和作物的影响与SAP原材料、粒径、溶胀介质的pH值、浸泡时间、介质浓度、温度、电荷数和离子强度、施用方法、施用量及土壤含水量等多种因素有关，且各因素间存在交互作用，规律较复杂，研究成果差异较大。围绕SAP主要类型、吸水、释水性能、SAP对土壤及作物的影响方面展开论述，分析总结了SAP吸释水机理、影响吸释水的主要因素及影响规律、SAP对土壤物理性状及水力性能的影响规律、SAP对作物出苗和产量的影响效应及机理，并根据目前存在的主要问题，提出今后重点研究方向，以期为SAP更好地服务农业生产提供参考。

为研究剔除土壤背景对无人机多光谱监测土壤含水率的影响，通过无人机飞行拍摄得到多光谱影像数据，运用监督分类剔除土壤背景，并分别提取剔除背景前后各6个波段的光谱反射率。将反射率与深度10 cm、20 cm和30 cm的实测含水率分别构建一元线性回归模型、逐步回归模型、偏最小二乘回归模型和岭回归模型，以R ²、RMSE、RE为指标进行模型精度评价。结果表明：剔除灌浆期玉米的土壤背景后，数据的相关性和回归模型的精度始终比未剔除土壤背景数据的相关性和模型精度差。剔除土壤背景的反射率与各个深度含水率的相关系数绝对值在0.01～0.33之间，未剔除土壤背景的反射率与各个深度含水率的相关系数绝对值在0.08～0.54之间。未剔除土壤背景模型的效果在任何深度均高于剔除土壤背景的模型，其中在各深度处偏最小二乘回归模型的精度均为最优。

地表植被的地上部分主要是植被的茎部，植被的根茎能有效降低泥沙的输送能力，有助于植物的水肥管理。采用雷诺应力湍流模型，借助三维软件FLUENT，对不同根茎大小的刚性植被进行了数值研究。模拟设计了3种不同根茎大小的的植被，分别是3.5、5.0、6.5 mm，同时保持相同的植被密度，在相同流量条件下进行试验。结果表明：在淹没状态下，随着植被粗度的增加，植被间流速逐渐减小，通道处流速逐渐增加，尾旋和涡流逐步变大。植被粗度的不断增大，导致平均流速逐渐减小，与3.5 mm粗度相比，粗度为5.0和6.5 mm的平均流速分别降低了6.3%和10.6%。湍流动能和强度与植被的粗度呈正相关关系。这些结果对优化农田保护中的坡面植被分布具有重要意义。

大区域农田墒情遥感定量监测对当代精准农业应用意义重大，但如何提高监测精度一直是该领域的关键问题。融合多源遥感的方法可以充分发挥各种遥感的优势，是提高监测精度的重要技术手段。以河南省中东部为研究区域，利用MODIS 、Sentinel数据，结合实测土壤含水量，根据植被覆盖、地表粗糙度和不同湿度的土壤对后向散射的贡献，利用BP神经网络模型构建上述参数的关系，分别对研究区2016年3-6月冬小麦高植被覆盖时期0~10 cm、0~20 cm深度土壤墒情反演。根据地表粗糙度参数的性质，提出了地表粗糙度不变假设，并结合遗传算法优化BP神经网络方法（GA-BP），进行对比实验。结果显示：①植被茂盛期，后向散射系数（σ）及其差值（?σ）与土壤墒情均具有一定的相关性，VV极化优于VH极化，差值优于原值；②在反演0~10 cm与0~20 cm深度土壤墒情时， BP _σ 、BP_{? σ} 、GA-BP_{? σ} 模型得到的结果精度均依次提高，其中GA-BP_?σ模型的均方根误差0~10 cm为4.07%，0~20cm为3.42%；③3种BP神经网络模型皆与0~20 cm深度土壤墒情相关性较好，预测精度较高。研究表明：中原地区冬小麦全生育期地表粗糙度不变假设是成立的，后向散射系数差值（?σ）与土壤墒情的相关性更好，0~20 cm的根部墒情的遥测敏感度更高，

为研究三维光谱指数预测土壤含水率的效果，以期能为精准农业地表土壤含水率的快速精确测定提供参考。以浙江永康地区采集的不同含水率土壤样本为研究对象，利用ASD FieldSpec 3光谱仪在室内对土样进行光谱反射率测量，并基于原始光谱反射率（R）及其对应的一阶微分光谱（FD）、二阶微分光谱（SD）进行一维二维及三维光谱指数的提取。再通过偏最小二乘回归模型（PLSR）对不同光谱指数建模，并对比分析不同模型的反演精度。结果表明：三维光谱指数相比于一维二维光谱指数对土壤含水率更加敏感；基于三维光谱指数（TBI ₂）偏最小二乘回归模型具有最佳的预测效果，其R_v ² =0.92，RPD可达3.32；对于土壤含水率反演而言，三维指数（R-TBI ₁）相比于其他的光谱指数更具重要性，其变量投影重要性（VIP）达1.04。该研究表明利用三维光谱指数建模为高光谱遥感对表层土壤含水率的快速有效监测提供了一条新途径。