为了研究犁底层及作物根系影响下壤中流的形成机理，以我国东北黑土区大豆坡耕地为研究对象，实验设计测定有、无犁底层及大豆根系条件下土壤物理特性、土壤水分湿润峰迁移和鼓粒期大豆根系形态。结果表明，研究区降雨强度小于16.8mm h-1时，犁底层以上土壤含水量超过49.8mm产生壤中流；降雨强度大于16.8mm h-1时，假定在犁底层位置处土壤含水量超过田间持水量，湿润峰到达犁底层处且含水量等于田间持水量时土壤水分剖面形状相同，产生壤中流。基于以上假定构建壤中流产流时刻模拟模型，利用模型对裸土及大豆根系影响下壤中流产流时间进行模拟，相对误差为6.6%和0.4%，说明该模型适用于犁底层及大豆根系影响下壤中流产流时间的预测，同时也说明以上假定的合理性。

为探讨亏水处理对玉米气体交换与水分利用的调控机制，本研究分析了土壤逐步干旱条件下玉米叶水势、气体交换、木质部汁液与叶片ABA的变化，以及ABA与叶水势对气孔运动及水分利用的影响。结果表明：亏水处理2天后，玉米木质部汁液与叶片ABA含量同步升高。此时叶水势虽然维持稳定，但叶片积累的ABA已经有效地诱导了气孔收缩。由于这一阶段的气孔收缩能够显著降低蒸腾而对光合的影响不大，从而导致了玉米水分利用效率的升高。然而，随着土壤含水量的进一步减少，玉米叶片水势在亏水处理5天后显著降低。在叶片ABA升高与水势降低共同作用下，玉米光合与蒸腾同步降低，水分利用效率呈减少趋势。回归分析证实：整个试验过程中，水分利用效率与ABA含量相关（R2=0.470，P＜0.05），而与叶水势不相关。表明化学信号ABA在提高玉米水分利用效率的过程中发挥着重要作用。本研究揭示了亏缺灌溉的生理基础，为利用化学信号优化玉米水分利用提供了依据。

微喷带水量分布均匀性是影响微喷灌灌溉质量的重要因素，工作压力是控制微喷带喷洒均匀度的主要参数。以国内常见的一种机械打孔、内径为32mm和28mm的微喷带为研究对象，通过压力调节，分析压力对微喷带喷洒均匀度的影响，由垂直微喷带方向和沿微喷带方向上的水量分布情况得到喷洒均匀性最优时的压力值。结果表明，垂直微喷带方向上，Φ32微喷带Φ28微喷带都在压力23kPa处水量分布情况最好。沿微喷带方向，压力是逐渐减小的，水量分布情况决定于此处的压力值，使整条微喷带保持良好喷洒均匀度的条件就是让压力值保持在最优均匀度压力值附近。

压力水头是微润灌溉的重要控制指标，为研究其对土壤水分及温室青椒生长的影响特性，设计种植了由3种压力水头与2种管带埋深交叉组成的6组试验作物，并对不同压力水头下青椒根区土壤水分变化以及其株高、产量、灌溉水分利用效率进行了试验研究。结果表明：压力水头为150cm时，最适宜青椒生长发育；不同压力水头下，青椒株高增长随定植时间的变化曲线可以用Logistic函数进行拟合，拟合效果良好；压力水头为100cm，青椒灌溉水利用率最高。

通过室内试验研究了多次干湿循环下土壤干缩裂缝开闭规律，采用数字图像处理技术与Matlab测量功能，分析了不同含水率下土壤裂缝网络几何与分形特征，旨在研究干湿循环过程中裂缝形态特征、其网络复杂性及自相似性变化规律。结果表明，在干湿循环作用下，裂缝稳定时的土壤裂缝面积率和平均宽度逐渐减小，干湿循环对裂缝的作用效果随着循环次数的增加而减弱；稳定状态下的裂缝骨架长度几乎不受影响，且在裂缝发育过程中其长度较面积率、平均宽度提前到达稳定状态，表明裂缝发育后期主要以宽度增长为主；裂缝网络连通性增强，于第3次干湿循环后趋于稳定。首次干燥过程中裂缝网络分形特征曲线比受干湿循环作用后平滑，土壤经历干湿循环后，形成裂缝骨架网络时所对应的含水率提前，而稳定状态下的裂缝网络分形维数随着干湿循环次数增加呈递减的趋势。

以黄土高原耕作土壤为研究对象，进行了覆盖渗水地膜、普通地膜和不覆盖地膜三种处理下0-20cm土壤容重的跟踪监测，针对玉米生育期分析了裸地以及不同覆膜黄土表层容重的变化特性。结果表明：玉米生育期内，不同覆盖表层土壤都呈现出容重逐渐增大趋势，增大幅度在12.39%~18.58%；表层土壤容重值大小关系始终是裸地>普通地膜覆盖>渗水地膜覆盖；玉米收割时与播种时相比，三种处理方式下表层土壤容重变化率大小次序为裸地>普通地膜覆盖>渗水地膜覆盖；由此可见地膜覆盖能降低土壤表层容重，渗水地膜覆盖比普通地膜覆盖降低效果更明显。试验结果较好的揭示了玉米生育期内不同覆膜方式下表层土壤容重的变化特性，能为水力学参数的预测以及农田管理制度的制定提供理论依据。

针对过滤器水头损失大和造价高的问题，提出了微压过滤冲洗池。对微压过滤冲洗池进行了定时冲洗和连续冲洗两种形式下的泥沙处理能力研究，试验结果表明：当含沙量范围为3.1~3.6kg/m3时，微压过滤冲洗池的泥沙去除率都在81%以上，泥沙粒径范围为0.15~1mm时，级效率都达到100%，中值粒径D50都由0.23mm处理为0.058mm左右，粗端粒径D98都由0.97mm处理为0.125mm左右，说明两种排沙方式下微压过滤冲洗池的泥沙处理能力相当；但微压过滤冲洗池在定时冲洗时的过滤时间为420min，而连续冲洗式的过滤时间则为1470min。并分析了连续冲洗式过滤时间比定时冲洗式长的原因，提出了这两种排污方式在实际工程中应用的建议。

采用桶栽的方法，对3个不同灌水下限处理条件下全生育期玉米叶片脯氨酸（Pro）和丙二醛（MDA）的累积量与土壤相对含水率之间的相关关系进行了研究，旨在探索水分胁迫对玉米Pro和MDA的影响。结果表明：水分胁迫对不同灌水下限处理的Pro和MDA的影响较显著，Pro和MDA含量及其均值随着水分胁迫的加重而增加；不同生育期，玉米Pro累积量的均值大小分别为：抽雄灌浆期>成熟期>拔节期,MDA累积量的均值大小分别为：拔节期>抽雄灌浆期>成熟期;Pro和MDA累积量是相互制约的关系，Pro渗透调节作用的充分发挥有利于减小作物体内MDA的累积。

调亏灌溉是一种行之有效的节水灌溉方式，对于缓解农业用水紧张，提高农业用水利用效率具有重大意义。而一种灌溉制度的好坏很难直观评价，因此以大豆盆栽试验为基础，选择净光合速率、产量、水分利用效率和耗水量这四个具有代表性的指标采用灰色关联投影模型对调亏灌溉制度进行综合评价，通过对灰色关联度投影值（Di）排序得到各指标对综合评价贡献率的大小。试验结果表明，苗期和分枝期灌水为田间持水率的70%，开花结荚期灌水为田间持水率的80%，鼓粒期灌水为田间持水率80%对寒区黑土大豆生长最有利。

针对如何评价多种灌水方式的优劣，提出了一种评价模型。在传统的灰色平均关联度基础上，结合层次分析法确定各评价指标的权重，建立加权灰色关联综合评价模型，模型具有保序性，评价结果更加合理。先从产量、耗水和水利用效率3个方面对不同灌水方式进行评价，再将产量、耗水及水利用效率的评价结果作为评价指标再次进行灰色关联评价。评价结果表明：就产量评价结果而言，水分控制下限为80%的宽垄种植关联度最大；就耗水评价结果而言，水分控制下限为60%的宽垄种植关联度最大；就水利用效率评价结果而言，水分控制下限为70%的宽垄种植关联度最大。由最终评价可知，6种不同灌水方式中，水分控制下限为70%的宽垄种植关联度最大，关联度为0.613，即此灌水方式最佳。

为了探究在微咸水滴灌与微咸水微喷灌条件下的土壤水盐运移规律、分布特征、根区盐分盈亏状况，以及两种灌溉模式对冬枣效益的影响，在沾化地区建立微咸水灌溉试验。观测结果表明，经过一个冬枣树生长周期，微咸水滴灌可使表层土壤含水率上升2.6%，全盐含量下降0.815g/kg，微咸水微喷灌可使表层土壤含水率上升0.7%，全盐含量下降0.648g/kg；冬枣效益方面，两种灌溉模式在可食率、含水量、糖度上相差不大。因此，微咸水滴灌模式保障冬枣效益的同时，在保持土壤含水率及减轻土壤盐渍化程度上效果优于微咸水微喷灌模式，更适合当地冬枣种植。

以黑龙江省哈尔滨市为例，运用排列熵（PE）测度了该地区10个区域6年（2008~2013年）逐日地下水埋深序列的复杂性特征，并分析了下垫面条件对地下水水文系统的影响。结果表明：巴彦、宾县、依兰三个区域地下水埋深序列复杂性为Ⅰ级，说明这三个区域的预测难度大；市区、方正、尚志、通河、延寿五个区域地下水埋深序列复杂性为Ⅱ级，说明这五个区域的预测难度一般；木兰、五常两个区域地下水埋深序列复杂性为Ⅲ级，说明这两个区域的预测较为简单。通过将山地地形面积比例、水域比例与地下水埋深序列之间的相关分析，可知二者对地下水水文系统复杂性有重要影响。研究揭示了区域地下水埋深序列复杂性空间分布并分析可能影响的因素，为今后水文系统复杂性测度研究提供了新思路。

探索喷灌条件下冬小麦农田土壤中无机氮含量和分布特征以及对地下水环境影响，对控制农民化肥使用量，保护地下水环境具有重要意义。选择在保定市白庄村冬小麦农田进行灌溉与施肥试验，同时对地下水水位和水质进行了观测。结果表明：喷灌条件下冬小麦生育期内0~100 cm内土层土壤水分含量变化较大呈S型，100 cm以下其值较高且基本保持同一水平。氨氮在土壤剖面中变化受施肥影响较大，之后在氨氮土层中变化稳定。冬小麦生育期200 cm以内土层的硝态氮累积量呈逐渐递减趋势。硝态氮含量主要受化肥施用、灌溉和降雨作用影响，随灌水、降雨垂向迁移较快，灌水后第5天硝态氮变小，对地下水水质变化影响较大。

我国西北干旱半干旱区水资源供需矛盾日益加剧，重点区域的水资源承载力评价研究亟需开展。本文从城市、区域和流域的尺度，对水资源承载力的研究现状进行了总结，研究从针对于局部领域逐渐发展到对人地关系系统的综合分析；分析了水资源承载力评价方法及其适用性，从常规趋势法，到多承载因子综合评价的模糊评价法和主成分分析法，再到引进生态生产性土地进行间接评价的生态足迹法和进行整体最优化分析的多目标决策法，最后到引进计算机仿真技术动态模拟的系统动力学方法。本文还对西北干旱半干旱区水资源承载力的研究趋势进行了展望，认为水资源承载力的相关概念、理论和评价方法等基础研究还会持续进行，生态环境问题将会被更多地纳入研究范畴，评价方法的多元化和多技术结合将是未来研究的主要热点问题。

地下水作为干旱区的主要水源，研究其变化规律及其驱动因素对水资源的可持续利用具有重要意义。根据玛纳斯河流域典型灌区147团1996—2010年的地下水位监测资料，采用水均衡法对灌区地下水动态变化特征进行分析，并采用主成分分析法分析了影响地下水位变化的驱动因子。结果表明：该地区地下水动态处于正均衡状态，均衡差为246.322万m^3/a，地下水年内、年际变化的趋势都逐渐减小。人为因素的影响占64%，比自然因素对该地区地下水位变化的影响大，其中灌水量和开采量是影响该地区地下水埋深的主要因子，它们的荷载分别为0.945和0.930。

水资源是区域新型城镇化建设的最重要资源支撑，开展新型城镇化建设，就必须开展水资源支撑力研究。以新型城镇化建设作为巨系统，以水资源供应和经济社会协调发展作为子系统，以此构建相应的三级评价指标体系；以综合协调度模型作为评价方法，开展新型城镇化建设的静态和动态水资源支撑力评价。以达州市为研究区的实证分析结果表明，达州市水资源对新型城镇化建设的支撑力和发展都是呈线性逐年提高，但也需尽量保持经济社会的平稳发展。相应评价指标选择合理，模型方法得当，不失为水资源支撑力研究的有效方法。

针对节水灌溉效益评估中定性与定量指标不相容以及评价过程过度依赖主观判断的问题，借助动态可拓赋权并结合改进后的TOPSIS法增加客观性，开展了节水灌溉效益评估模型构建和实证分析。调整可拓法中简单关联函数的最优点位置，克服了传统可拓法存在的区间内逆向变化和权重未归一化问题；使用相对熵值替代欧几里得距离，增加了TOPSIS法的稳定性、准确性和可操作性；构建评估模型，并以常年灌溉地带为例，筛选指标、确立等级、输入数据，对其进行了分区域效益评估，评估结果与实际情况及类似研究成果[1]一致。

为了定量分析河北省农业过量施用化肥造成的严重面源污染，应用灰水足迹理论与评价方法，对河北省各地级市2005～2014年期间的冬小麦、夏玉米、蔬菜、水果等4种主要农作物生长过程灰水足迹时空变化进行了分析评价，结果表明：各地级市冬小麦、水果生长过程灰水足迹均呈下降趋势；秦皇岛、沧州、廊坊、衡水4地级市在10年期间夏玉米灰水足迹变化不明显，其余7地级市夏玉米灰水足迹呈下降趋势；蔬菜生长过程灰水足迹除衡水市上升1.02%外，其他各地级市在2005～2014年期间均呈下降趋势。10年期间，各作物每公顷施氮量并未呈下降趋势，所以产量增加是导致河北省各地级市4种作物生长过程灰水足迹下降的主要原因。10年期间，冬小麦生长过程灰水足迹最大的是唐山（2005），为1.076m3/kg，最小的是衡水（2014），为0.526m3/kg。夏玉米生长过程灰水足迹最大的是唐山（2005），为0.727m3/kg，最小的是张家口（2012），灰水足迹为0.251m3/kg。蔬菜生长过程灰水足迹最大的是邯郸（2005），为0.125m3/kg，最小的是张家口（2012），为0.029m3/kg。水果生长过程灰水足迹最大的是张家口（2005），为1.24m3/kg，最小的是衡水（2014），为0.298m3/kg。最后从技术和政策两方面提出了降低施氮率和作物生长过程灰水足迹的措施。

农业用水效率的评价直接影响区域农业用水效率。基于区域农业用水的特征和内涵，从用水状况、节水技术、人力资本和用水效益四个维度，构建区域农业用水效率评价指标体系。该评价指标体系的构建对建立科学高效的区域农业用水效率评价模型提供理论参考，并为农业用水效率的提高提供一定的现实依据。

参考作物蒸发蒸腾量是影响作物需水量的关键因素，对农业生产、灌溉指导等具有重要意义。利用四川省内11个国家级地面气象站点1991-2010年逐日气象观测数据，探讨基于Hargreaves的四川省蒸发蒸腾量估算方法。以Penman-Moanteith公式为标准对Hargreaves公式计算结果进行拟合，获取线性修正参数，并对修正后的Hargreaves公式进行验证，分析修正前后相对误差，运用ArcGIS探讨参考作物蒸发蒸腾量及修正参数的川内空间分布规律。结果表明利用线性拟合获得的修正参数可有效减小相对误差，川内蒸发蒸腾量自西向东在空间上呈现递减趋势。修正后的Hargreaves公式可反映参考作物蒸发蒸腾量实际状况，为作物需水量、农业水资源利用及农田灌溉提供理论指导。

在新疆，滴灌技术已经被广泛推广应用，滴灌系统设计也日趋成熟完善。作物设计耗水强度在滴灌系统设计中是一个非常关键的技术参数。该文探讨了设计耗水强度的确定方法，分析了它对滴灌系统工程造价、后期运行管理、经济效益发挥和生态环境可持续发展方面的深远影响。提出了应加强滴灌系统运行管理期对作物设计耗水强度的实时观测和分析研究，进一步开展对不同地区、不同作物、不同生育期作物耗水强度变化规律、影响因素及其敏感性等方面的科学研究。

为解决目农田灌溉技术中存在的过度灌溉、浪费水资源等问题，以实现根据土壤水分灌溉，结合无线传感器网络技术，设计开发了一种基于UWP技术的智能节水灌溉系统，利用土壤湿度的控制方式实现实时适量的灌溉，可以实施到多种平台上运行。系统由信息管理、灌区模块、历史数据和视频监控等组成，对土壤氮磷钾和土壤水分及状态参数实时监测反馈。该系统设置了参数设定、主参数显示和视频监控等界面，系统具有操作方便灵活，易于扩展升级和成本低、节能等特点。

提出基于蒙特卡洛方法和数字图像处理结合的土壤含水量检测技术，摄像头采集土壤图像，对采集的土壤图像进行处理、提取土壤图像灰度平均值，建立土壤图像灰度与土壤含水量关系的数学模型，应用蒙特卡洛方法计算土壤含水量。试验结果表明，用蒙特卡洛方法测量土壤含水量，减少了复杂非线性测量模型的分析，减少计算一些附加的一阶或高阶灵敏度系数，当使用足够多的蒙特卡洛试验次数，可获得土壤含水量的最佳估计值，使得土壤含水量检测值与真实值之间的误差很小，为土壤含水量的检测提供技术参考。

在进行智能滴灌控制系统的研究与设计时，为了使系统的滴灌效果更佳精确，更高程度的地满足作物生长对土壤湿度的需求，在考虑到大棚土壤湿度的不均衡性，以及难以建立准确的数学模型的特点，本论文对灌水器部分采用模糊控制方式以实现对土壤湿度的有效控制，可以达到节约水资源，促进作物生长的目的。