土壤水是土壤中的关键指标，其变化直接影响着作物生长，并影响着水资源利用的管理决策。因此，准确地预测土壤水分有利于对农业水资源进行合理的规划利用。使用深度学习算法进行土壤水分预测在当前的农业、水资源管理和生态学等领域具有重要性。深度学习算法能够从大规模数据中学习土壤水分的复杂模式和时空关系，为土壤水的准确预测提供了新的机会。为了探索新兴深度学习方法Transformer在土壤水分预测中的有效性，选择河套灌区义长灌域为研究区域，利用地下水位观测数据、气象数据、SMAP土壤水数据等作为训练数据，设置了1、5、10 d 共3种数据滞后情况，验证Transformer算法在土壤水时间序列预测任务中的有效性，并与目前广泛应用于时序预测任务中的LSTM进行对比。研究表明Transformer在土壤水分时间序列预测任务中具有更好的预测能力，相比于LSTM，其R ²平均提升约0.181，RMSE平均下降27.6%。同时，Transformer在应对滞后变化带来的影响时更具鲁棒性，在3种数据滞后情况下Transformer的预测平均R ²分别比LSTM高出了0.121、0.167、0.256，站点平均RMSE分别降低了30.7%、28.6%、23.5%。此外，Transformer对于土壤水序列中的非线性信息的提取能力更强，对于高频振幅的土壤水时间序列Transformer拥有更强的预测能力。

水质是决定水是否具备资源属性的主要因素之一。为了更好地评估区域地下水资源承载力，以赣抚平原灌区为例，构建包含水质参数的评价指标体系，基于AHP（层次分析法）-CRITIC（客观赋权法）和 TOPSIS（双基点法）评价地下水资源承载力，通过障碍度模型诊断其障碍因子。结果显示，赣抚平原灌区地下水资源承载力处于较高水平，分区域依次为进贤县＞南昌县＞青云谱区＞丰城市＞南昌其他市辖区。障碍因子主要包括农田灌溉单位面积用水量、降水入渗量、植被覆盖率、毒理学指标超标倍数、人均GDP、地下水动态水量。鉴于障碍因子空间差异较大，不同区域应采取差异化措施提升地下水资源承载力，包括灌区工程和城市供水管网改造、水质改良、生态修复以及优化用水管理等。研究表明，水质问题是地下水资源承载力评价的必要考虑因素，尤其是在地下水质量较差区域。

为揭示不同暗管间距与生物有机肥施用下盐碱地N₂O排放过程及机制，以苜蓿为植物材料，设计了4种暗管间距[不设暗管（CK）、6 m（S1）、12 m（S2）和18 m（S3）]，结合3种有机肥施肥量[3 000 kg/hm²（N1）、4 500 kg/hm²（N2）、6 000 kg/hm²（N3）]，观测了土壤N₂O排放通量、累计排放量、盐分、有机质、有机碳、总碳、C/N等指标，分析N₂O排放通量与可能影响因子之间的相关关系。结果表明：暗管排水过程有利于降低盐碱地N₂O排放通量，且暗管间距越小、施肥量越低，N₂O排放通量越低。各处理累计N₂O排放量为1.68~2.40 kg/hm²，占施氮量的0.70%~1.52%，不同处理以CKN3最高、S1N1最低，CKN3处理N₂O累计排放量比S1N1高43.5%。暗管排水降低了0~20 cm和20~40 cm土层土壤盐分，且暗管间距越小，盐分降低越明显；相同暗管间距下，增施有机肥使得耕层土壤盐分提升7.5%~19.3%。N₂O排放通量与0~20、20~40 cm土层盐分呈正相关，R ²分别为0.81和0.72；与C/N呈负相关，R ²为0.63；与其他因子之间的关系并不明显。研究结果说明暗管排水和有机肥施用主要通过影响浅层土壤盐分、C/N等指标进而调控N₂O排放，科学的暗管布局结合有机肥施用有利于降低盐碱地N₂O输出。

为探讨加气灌溉及秸秆还田对水稻泡田期水质的影响，于2021年在江苏省南京市开展土箱模拟试验，研究CK秸秆不还田+常规水灌溉（常规水DO 2.85 mg/L）、ST秸秆还田+常规水灌溉（小麦秸秆风干、粉碎至3~5 cm，常规水DO 2.85 mg/L）和SO秸秆还田+微纳米加气灌溉（小麦秸秆风干、粉碎至3~5 cm，微纳米气泡水DO 8.04 mg/L）对水稻泡田期田面水、不同土层土壤溶液和渗漏水水质的影响，对TN、TP和COD 3类水质指标在泡田期内的变化情况进行监测分析。结果表明：秸秆还田会导致水稻泡田期田面水、各层土壤溶液以及渗漏水的TN、TP和COD浓度增加，且对水稻泡田初期田面水及浅层土壤溶液的水质影响较为严重，泡田期内秸秆还田会导致田面水的TN、TP和COD浓度峰值分别增加27.67%、27.27%和56.11%，0~10 cm土壤溶液的TN、TP峰值分别增加28.95%、57.34%，秸秆还田后0~10 cm土壤溶液COD平均浓度增加43.44%。微纳米加气灌溉可有效降低秸秆还田后泡田期内稻田水体中TN、TP及COD浓度，微纳米加气灌溉使秸秆还田后的田面水的TN、TP和COD浓度峰值分别减少10.65%、16.67%和15.69%，使泡田期内田面水TN、TP和COD平均浓度分别减少10.97%、5.88%和5.73%。研究表明，秸秆还田后会导致水稻泡田期田面水、各层土壤溶液以及渗漏水的TN、TP及COD浓度升高，秸秆还田后采用微纳米加气灌溉可以降低稻田水体中TN、TP及COD浓度。试验可以实现减轻秸秆还田导致的稻田水质污染的目的，同时可为控制稻田污染物扩散以及减少氮磷流失方面提供一定的理论依据。

研究土壤水与浅层地下水的交换特征，为淮北平原的地下水合理开发利用与保护、建立高效合理的节水灌溉制度提供理论依据。根据1986-2021年的土壤水分与地下水埋深等数据，采用相关分析法分析冬小麦和夏玉米根区层土壤水与地下水的相关关系；根据土壤含水量与田间持水量的差值计算底部渗漏量，用经验公式计算潜水蒸发量，对比分析作物主要根系分布层土壤水与浅层地下水的交换特征。结果表明：①作物主要根系分布层处底部渗漏量的值和次数都远低于潜水蒸发；潜水蒸发的变化趋势基本一致，2000年前较高，数值变化幅度较大，2000年后年产生量总体降低，趋于平稳；玉米平均潜水蒸发量为280.25 mm，平均5 d产生4次，小麦平均潜水蒸发量为314.16 mm，平均5 d产生4次。②玉米不同生育阶段的底部渗漏量随生育阶段呈先升高后降低再升高的趋势，小麦不同生育阶段的底部渗漏量随生育阶段呈先升高后降低的趋势，产生次数较少但单次产生量高；玉米和小麦不同生育阶段的潜水蒸发量随时间基本都呈先下降后平稳的趋势，玉米灌浆-成熟期的潜水蒸发最为活跃，7 d平均产生次数为5次，小麦拔节-抽穗期潜水蒸发10 d内平均产生次数为9次。夏玉米和冬小麦全生育期内土壤水与地下水的交换以地下水补给土壤水为主；作物生育期和不同生育阶段的单次潜水蒸发量随时间呈先下降后平稳的趋势，地下水补给土壤水的能力变弱，底部渗漏量则无明显变化。

为了研究新疆克拉玛依棉花干播湿出模式下不同出苗水灌水量对土壤盐分动态和棉花生长的影响，于2022-2023年设定不同出苗水灌水处理（T1: 825 m3/hm2，T2: 1 200 m3/hm2，T3: 1 425 m3/hm2，CK: 975 m3/hm2），对比分析了各处理对土壤含盐量、脱盐率和棉花株高、茎粗及产量的影响。结果表明：T2处理0~20 cm土层的脱盐率在2022年为30.86%，在2023年进一步提高至37.90%，2 a整体脱盐率达到43.52%，显著高于CK组的42.29%。在棉花生长指标方面，T2处理的棉花株高和茎粗在整个生育期内均表现优异，2023年吐絮期的株高最高，茎粗达到9.92 mm(比CK处理显著提高了5.37%)。在棉花产量方面，2022年和2023年T2处理的籽棉产量分别为5 317.45和6 539.94 kg/hm2，明显高于其他处理。此外，T2处理还在水分利用效率（IWUE）方面显示出最佳表现，2022年和2023年的IWUE分别为1.11和1.39 kg/m3，显著高于T1、T3和对照组。与其他处理相比，T2处理在棉花生长指标以及后期产量及其构成要素方面明显优于其他处理。当出苗时灌溉定额为T1时，棉花的株高、产量和收获密度均最低；当出苗水量等于T3时，棉花的产量及其生理指标随灌溉定额增加而降低。综合考虑各处理下的土壤水盐情况和棉花出苗及生长状况以及产量情况，T2为最佳出苗水处理。

为探究青海省不同气候分区（东部农业区、柴达木盆地、环青海湖区、三江源区）水面蒸发的变化特征及其影响因子，基于FAO-56 Penman-Monteith（PM）公式，利用青海省50个国家气象站点2018-2022年的气象资料，建立多元回归模型计算青海省各气候区水面蒸发量，分析不同时间尺度上青海省不同气候分区水面蒸发的变化特征，并利用通径分析方法对各气候区水面蒸发的影响因子进行剖析。结果表明：水面蒸发年际变化范围为2.58~2.92 mm/d，4个气候区均在2022年达到最大值；季节变化表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季；月变化最大值均出现在7月，为柴达木盆地>东部农业区>环青海湖区>三江源区。东部农业区，气象因子对水面蒸发的综合决定能力排序为VPD＞R_n ＞n>WS，VPD对水面蒸发变化的直接作用最大（决策系数为0.75），其次是WS，R_n 主要通过n路径对水面蒸发变化产生间接作用（间接作用系数为0.47）；柴达木盆地，各因子决策系数排序为VPD＞R_n >RH _mean＞WS＞T _min，R_n 对水面蒸发变化的直接作用最大（决策系数为0.50），其次是T _min，VPD对水面蒸发的间接作用最大（间接作用系数为0.51），通过R_n 路径间接影响水面蒸发，WS通过T _min路径间接影响水面蒸发（间接作用系数为0.18），RH _mean对水面蒸发的影响最小且为负效应；环青海湖区，VPD、R_n 和WS是驱动水面蒸发变化的最主要因子且起直接作用，决策系数分别为0.62、0.69和0.05，表明R_n 对水面蒸发变化促进作用比VPD明显；三江源区，VPD对水面蒸发的直接影响最大（决策系数为1.05），其次是WS。T _mean可通过VPD、R_n 和RH _mean路径间接影响水面蒸发（间接作用系数为0.76），R_n 和n分别通过T _mean和R_n 路径对水面蒸发变化产生间接作用（间接作用系数分别为0.48和0.69），VPD、R_n 、WS、T _mean和n对水面蒸发均有增进作用，而RH _mean对水面蒸发的影响最小且对水面蒸发变化有抑制作用（决策系数为-0.001）。总体而言，VPD和R_n 是影响青海省水面蒸发的主导因子。

为构建区域干旱的高精度简化估算模型，以中国北方农牧交错带为研究区域，选择该区域12个气象站点，计算不同站点3个月、6个月、12个月的标准化降雨蒸散指数（SPEI-3、SPEI-6、SPEI-12），以表征区域干旱，使用时间卷积神经网络模型（TCN）来提取序列数据的特征，同时输入到双向长短期记忆神经网络模型（BiLSTM）中进行进一步的处理，构建组合模型（BT），采用麻雀搜索算法（SSA）和Attention机制对组合模型进行优化，构建SSA-BiLSTM-TCN-Attention模型（SBTA），同时计算了SBTA模型精度，基于均方误差（MSE）、决定系数（R ²）和效率系数（E_NS ）以及GPI指数的模型精度评价体系进行精度验证，结果表明：SBTA模型MSE值仅为0.041~0.200，R ²和E_NS 在全区取值均在0.9以上，在全区的误差最低、一致性最高，在所有模型中精度排名第1，可推荐SBTA模型用于北方农牧交错带干旱估算当中。

我国西北干旱区监测站点稀疏、实测资料不足，导致区域尺度的蒸散耗水及农业用水效率难以精确评估。利用HTEM模型计算了近20 a渭干河流域的实际蒸散发量，分析其时空分布特征，结合降水量与引水量数据评价了2000-2020年膜下滴灌实施前后流域灌溉水有效利用系数。结果表明：①蒸散发存在空间尺度上的差异性，呈现西高东低，南高北低的空间分布格局，受植被分布等影响，植被蒸腾和土壤蒸发呈现显著的互补效应。②灌区蒸散发量总体随时间呈现增加趋势，多年平均农田蒸散发量为563.6 mm。其中，多年平均植被蒸腾为400.2 mm，占总蒸散发的71%；多年平均土壤蒸发为163.5 mm，占总蒸散发量的29%。③2000-2020年灌区灌溉水有效利用系数呈现增加趋势，2000年、2005年、2010年、2015年、2020年灌溉水有效利用系数分别为0.342、0.365、0.437、0.503、0.561。随着膜下滴灌的推广，渭干河流域灌区节水效果已逐渐显现，灌溉水有效利用系数与节水灌溉面积同步扩大的趋势是确定近远期灌区规模、优化节水灌溉制度的重要依据。

为探究不同作物生育期内旱涝急转时空演变特征，使用安徽省淮北平原6个气象站1958-2023年数据，基于标准加权平均降水指数结合游程理论方法识别冬小麦和夏玉米生育期内旱涝急转，将整个研究期等分为2个时期，分析了作物生育期内的时空变化规律。结果表示：①标准加权平均降水指数结合游程理论方法适用于旱涝急转的识别判断；②冬小麦各生育期旱涝急转频次和受灾风险，整体上高于夏玉米，冬小麦面临旱涝急转威胁高于夏玉米；③时空上，安徽省淮北平原旱涝急转频次、平均强度和受灾风险大部地区呈现上升趋势；④冬小麦播种-出苗、出苗-返青和返青-拔节期旱涝急转风险较高，其中播种-出苗期和返青-拔节期有恶化趋势，夏玉米在拔节-抽雄和灌浆-成熟生育期旱涝急转风险较大，且在拔节-抽雄生育期有上升趋势。将各生育期旱涝急转特征与旱涝急转对农作物影响综合考虑，需要对以下生育期及相应地区进行重点防御：冬小麦播种-出苗、返青-拔节和夏玉米拔节-抽雄时期，冬小麦拔节-抽穗期的蚌埠、蒙城和亳州地区，以及夏玉米灌浆-成熟期的蚌埠地区，这些时期和相应地区将面临较高的旱涝急转风险。

为了探究基于附壁点位置的负压反馈射流喷头的设计方法，采用理论分析、数值模拟、正交试验、水力性能试验相结合的方法，找到了不同压力条件下结构参数对附壁点位置的影响规律，建立了通过结构参数计算附壁点位置的经验公式。结果表明：基于最优附壁点位置和经验公式计算出的负压反馈射流喷头最优结构参数为：位差s为1.9 mm、深宽比k/w为2、侧壁倾角β为8°、控制管宽度f为4 mm、弯曲过渡段曲率半径r为21 mm、劈距H为9 w。通过验证试验可得试验数据与模拟数据变化趋势均具有良好的一致性，且其偏差率均不高于8.4%，因此证明本文模拟精度有效可靠，该研究能够为负压反馈射流喷头科学研究、产品研发提供理论与技术支撑。

在水资源短缺的背景下，分析调亏灌溉对玉米产量和水分利用效率的影响，识别调亏灌溉的最佳策略对于玉米高产高效用水具有重要意义。从44篇文献中收集了调亏灌溉和充分灌溉两种处理下的429对玉米产量观测数据和277对玉米水分利用效率观测数据，利用Meta分析方法探讨了调亏灌溉对玉米产量和水分利用效率的影响，比较了不同的调亏比例、气候条件和土壤质地下调亏灌溉效果的差异，并分析了调亏灌溉下玉米产量和水分利用效率之间的关系。结果显示，与充分灌溉相比，调亏灌溉总体使玉米的水分利用效率提高7.43%，却使产量下降了8.74%。然而，调亏灌溉的效果因调亏比例和土壤气象条件而异，调亏比例小于0.2的调亏灌溉可在不显著降低玉米产量的同时使水分利用效率提高6.65%，在年降水量400~800 mm和年平均气温小于12 ℃的地区以及粉壤土和壤土上实施调亏灌溉更有可能实现玉米高产和高效用水的双赢，并最小化玉米减产与水分利用效率提升的权衡。

提高水分生产力是提高作物产量和实现可持续农业发展的重要途径。以河南省夏玉米为研究对象，采用偏最小二乘分析和模糊c-均值聚类的方法，量化表征了河南省夏玉米水分生产力的时空特征和主要制约因素，确定了河南省夏玉米种植区域最佳分区数，提出了河南省夏玉米水分生产力的提升途径。结果表明：2011-2020年河南省夏玉米水分生产力呈现递增的趋势，变化范围为1.10~1.98 kg/m³；在空间上，总体呈现出东北部高于西南部的现象；根据相关性分析和偏最小二乘回归分析得到土壤全钾、日照时数和施钾量为河南省夏玉米水分生产力的主要影响因子；基于水分生产力空间分布特征确定了河南省夏玉米种植最佳分区数为5；河南省夏玉米水分生产力提升途径：通过增加适量的全钾和有机质、减少一定量的施钾量可以使夏玉米水分生产力提升0.02~0.18 kg/m³。研究结果可以为河南省节水农业的绿色、高效发展提供参考。

为巩固塔里木河下游输水成效，需探明最适宜胡杨根蘖苗生长的灌溉模式，以促进区域生态恢复。根蘖苗作为胡杨种群的主要增殖方式和生态恢复的先锋物种，其功能性状是反映生存策略的重要指标，但相关研究仍较为有限。因此，研究在昆阿斯特生态闸口附近，进行了不同灌溉模式对胡杨根蘖苗功能性状影响的野外试验。通过设置3种不同的灌溉梯度，研究灌溉频次、灌溉水量和灌溉持续时间对土壤理化性质及胡杨根蘖苗叶片功能性状的影响。研究结果表明：在F2灌溉模式下，土壤的全氮、全磷含量以及根蘖苗的叶面积（LA）、干物质含量（LDMC）和氮磷比（LN/LP）均显著高于F1和F3灌溉模式。相比之下，F1灌溉模式导致土壤全盐含量较高，进而引起根蘖苗LDMC和LN/LP的下降，同时比叶面积（SLA）有所上升。进一步研究表明，土壤全氮对叶面积的正向影响最为显著，贡献率达到52.4%。相反，土壤全盐含量对LDMC和LN/LP产生了抑制作用，但对SLA具有促进作用，贡献率为31.6%。土壤全磷、pH和含水率对根蘖苗功能性状的总体贡献率较低，仅为16%。因此，根据不同灌溉模式下根蘖苗长势及土壤理化性质对根蘖苗功能性状的影响，确定出F2灌溉模式（灌溉频次23 d，每10 m断根沟每次灌溉水量6 m3，灌溉持续时间2 d）更有利于土壤养分积累，进而有效的促进胡杨根蘖苗的生长。这一研究结果为塔里木河下游胡杨林的生态恢复提供了有力的参考。

为探究在寒地黑土区不同灌溉模式对稻田产量和土壤有机碳、铵态氮和硝态氮的影响。试验在黑龙江省佳木斯市七星国家农业科技园区进行，采用大田试验，以“龙粳31”为种植品种，设置了控制灌溉（KG）、常规灌溉（CG）和浅晒浅灌溉（QG）3种灌溉模式，研究了水稻全生育期内不同灌溉模式下0～60 cm土层铵态氮（NH₄ ⁺-N）、硝态氮（NO₃ ^--N）、有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）和易氧化有机碳（LOC）含量的变化情况，以及对水稻产量的影响。研究结果表明：KG模式下水稻产量相对QG模式和CG模式分别提升3.2%和7.7%。KG模式和QG模式耗水情况相较于CG模式分别降低14.2%和10.3%。SOC、DOC和LOC共3种碳素含量变化情况主要集中在0~20 cm土层，40~60 cm土层变化幅度较小。不同灌溉模式下，KG模式稻田土壤中SOC相对QG模式和CG模式分别降低4.9%和9.1%，DOC相对降低3.8%和4.1%，LOC含量相对降低12.3%和13.6%。3种灌溉模式下NH₄ ⁺-N含量两次变化拐点均出现在分蘖期以及抽穗开花期，KG模式和QG模式下NH₄ ⁺-N含量随着深度的增加而逐渐小于CG模式；NO₃ ^--N含量变化拐点与NH₄ ⁺-N变化情况相似，NH₄ ⁺-N含量在浅层变化较为明显，KG模式NH₄ ⁺-N含量增多了3.3%和9.8%。节水灌溉模式下有利于土壤中有机碳的分解为水稻生长提供有机质，改善土壤肥力，提高土壤的固氮能力。

为了系统研究玉米植株对降雨的再分配和拦截效应，探求降雨截留量、截留率与叶面接和降雨强度之间的相关数学模型，进而为提高玉米栽植的水土流失防治效果、提高水肥管理效率提供参考。采用人工降雨模拟的方式，用自制人工降雨设施、茎秆流收集设施等测量装置，系统研究了玉米幼苗期、拔节前、拔节中、拔节后、抽雄前、抽雄后等6个典型生长节点，不同降雨强度（20~120 mm）下植株对降雨的再分配和拦截情况。玉米植株对降雨的拦截量与叶面积、降雨强度之间总体呈线性增长关系，其线性关系式为F=-51.598 6+0.020 5 LA+0.716 3 I；玉米植株对降雨的拦截率与叶面积之间呈典型的幂函数增长关系，从幼苗期到抽雄前，拦截率可从5%增加至78%；降雨强度对拦截率的影响不明显，特别是在玉米植株生长初期，但在玉米生长后期，随降雨强度增加，拦截率呈现一定的下降趋势。玉米植株对于降雨具有很强的拦截和再分布影响，通过合理栽植方式，能够有效降低降雨和灌溉造成的坡耕地水土流失。