土壤中砾石会不同程度地改变土壤水分运移过程，对土壤水文过程产生重要影响。以曹娥江上游省级水土流失重点治理区内红壤为研究对象，运用室内垂直一维定水头土壤入渗实验，研究不同含量（0%、10%、20%、30%）砾石嵌套条件下红壤水分的入渗特征，并利用Kostiakov、Horton、Philip模型对入渗过程进行拟合。结果表明：土壤初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率均随砾石含量的增加而增加，但并非随砾石含量的增加而持续上升；嵌套砾石含量为20%、30%的红壤初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率并未表现出显著性差异（P<0.05）；砾石嵌套对土壤水分入渗的影响是多方面的，表现在：随着嵌套砾石含量的增加，容易形成土壤大孔隙，有助于土壤中优势流的产生，从而促进入渗，同时也使得水分入渗路径弯曲复杂，从而限制入渗；含砾石土壤到达稳定入渗率的时间较长，瞬变、渗漏、稳定入渗3个阶段变化清晰，无砾石红壤入渗曲线阶段变化幅度小，趋于稳定入渗的时间短；Horton模型能够更好地反映无砾石以及砾石含量为10%和30%嵌套条件下的红壤入渗过程，Philip模型能够更好地反映砾石含量为20%嵌套条件下的红壤入渗过程。研究一方面可丰富有砾石嵌套的红壤水分入渗机制，另一方面，也为土壤侵蚀地区水土流失预防与综合治理、加强生态修复提供科学依据。

水分胁迫对光合产物的积累与分配的模拟研究是作物栽培及灌溉管理的重要依据。基于山西霍泉灌溉试验站连续三年（2018年、2019年、2020年）水分胁迫试验资料，利用分配系数和分配指数两种方法进行冬小麦光合产物分配与转移的模拟研究，以确定性系数R ²、相对误差RE为指标，对其模拟结果进行了评价。结果表明：①水分胁迫对作物生长相关性有一定的影响，会导致茎叶比减小，穗茎比、根冠比增大；②水分胁迫对分配系数有影响，对分配指数影响不明显；③两种方法对地上干物重模拟结果没有影响，但对作物产量的模拟，分配指数法优于分配系数法；④水分胁迫使茎光合产物转移率增大，对叶光合产物转移率无明显影响。在作物生长过程的模拟中，分配系数法、分配指数法模拟效果均很好，从整体上看，分配指数法优于分配系数法。但是，分配系数法机理性强，有助于理解冬小麦生长过程。

揭示降水不确定性在水文过程中的传递特征是气象水文耦合预报研究的关键环节，可为进一步加强流域水资源管理、提高农业灌溉保障能力提供有力支撑。利用TIGGE 资料中心CMA、CMC、ECMWF、NCEP和UKMO 5个模式降水集合预报（127个集合成员）驱动分布式新安江模型，生成2010-2013年涪江流域汛期径流集合预报。在此基础上，从精度和锐度两个方面，定量分析降水不确定性在水文过程的传递特征及其随预见期的变化规律。结果表明，降水预报经过水文过程后，其精度和锐度在不同年份、不同预见期均大幅提升。但随着预见期的延长，对精度的改进效果逐渐减小，而对锐度的改进效果则不断增大。

季冻区普遍存在的积雪覆盖和冻融循环过程会导致包气带土壤水分运移更加复杂。针对上述现象，设计并开展了积雪-冻融耦合作用下非饱和土壤原位观测试验和室内土柱观测试验，探究不同深度、不同积雪覆盖条件对土壤水分运移的影响，定量计算融雪入渗量。结果表明：积雪覆盖下土壤水分运移受气象条件、积雪条件、土壤深度、土壤温度及盐分等因素综合影响；厚层、高密度积雪对土壤保温效果好，融化锋面更深、推移更快；雪层厚度增大2倍融雪入渗量是自然雪层入渗量的2倍，雪层密度增大2倍融雪入渗量是自然积雪入渗量的1.22倍。因此，合理改变积雪密度，可以影响季冻区融雪与冻融过程中包气带水分入渗补给，达到合理利用土壤水资源的目的。

准确估算蒸散量（ET）对水资源管理和干旱评估具有重要意义。评估了两种集成树类算法，XGBoost（XGB）和Random Forest（RF）对不同时间尺度下农田ET的表现。模型输入数据使用了通量站点的气象观测数据和MODIS卫星的叶面积指数（LAI）产品数据以及ERA再分析数据。结果表明，2个站点模型的偏差百分比（PBIAS）均在5%以内，整体上不存在高估或低估现象。在气象数据基础上增加LAI能提高模型预测精度，但气象数据与再分析数据作为输入时差异不大。在半小时尺度和日尺度下2个站点的XGB模型整体上优于RF模型。可为准确估算ET提供参考方法。

气候变化扰动的水资源稀缺性使得农业可持续水资源利用面临危机，节水农业是现代社会农业转型的主要方式，更是可持续发展的根本出路。黑河流域是我国第二大内陆河，中游绿洲是我国的重要粮食生产基地，了解黑河流域的作物种植信息与作物需水特征，对于指导干旱半干旱区农业高效用水及国家粮食安全具有重要意义。基于Google Earth Engine（GEE）云平台利用Sentinel-2影像，结合黑河流域作物的物候特征选取了6-9月的影像数据，根据作物的物候特征重要性完成了特征优选。研究运用随机森林、支持向量机、决策树及投票法分类器完成了作物的识别分类与结果对比。最后，研究通过CROPWAT模型估算了黑河流域作物的需水量与灌溉用水量。研究结果表明：①GEE能够快速完成影像数据的去云、特征构建等预处理；②基于决策树分类器的土地分类结果精度达到82.5%，平均Kappa系数为0.73；估算了作物各个时期所需水量及灌溉用水量。构建的分类体系及作物的需水量估算为精准化管理、灌溉控制系统提供了一种新思路。

蒸发蒸腾量（ET）是水文过程的重要组成部分，准确估算ET对水资源管理和干旱评估具有重要意义。以祁连山高寒金露梅灌丛草甸为研究对象，利用3种蒸散发模型（Penman-Monteith（PM）模型、Priestley-Taylor（PT）模型以及Shuttleworth-Wallace（SW）双源模型）计算2003-2010年的草甸日均ET，并与（通量站）涡度相关仪测定的实际ET值进行比较，优选出适宜祁连山高寒草甸的ET估算模型。采用祁连山海北牧业气象实验站（牧试站）的2003-2014年降水量等气象数据和土壤含水量验证草甸ET的估算模型，在年降水量验证的基础上，分析了祁连山草甸ET的年际变化及其对气象要素的响应。结果表明：通量站多年平均实际ET为1.58 mm/d，ET随季节变化先增后减，夏季多，冬季少。通量站的估算ET与实际测定ET的比较中，PM、PT和SW的决定系数（R² ）分别为0.79、0.83、0.84，一致性指数d分别为0.89、0.85、0.90，平均绝对误差（MAE）分别为0.46、0.72、0.43 mm/d，综合来看模型的模拟精度为SW>PM>PT。采用SW模型估算的牧试站多年平均ET为1.35 mm/d，ET模拟值与水量平衡法计算实际ET的决定系数（R² ）为0.87。通量站实际ET与环境因素决定系数（R² ）顺序为太阳净辐射>温度>相对湿度>风速，表明高寒地区草甸蒸发蒸腾量的主要决定因素为太阳净辐射（R² =0.65）。模拟了高寒草甸的ET，为研究祁连山地区高寒草甸的生态耗水量提供了科学依据。

针对灌水器流道易堵塞难题，以迷宫流道灌水器为研究对象，利用SolidWorks软件完成迷宫灌水器流道的建模设计，结合计算流体动力学软件Ansys Fluent模拟分析在0.10、0.12、0.14、0.16和0.18 MPa 压力下迷宫流道的水力性能，研究此灌水器的压力、流速、湍动能等湍流特性以及颗粒的运动轨迹，揭示其内部流动机理。结果表明：①流速受系统运行压力影响，但不完全随压力升高而增大，流体流速对压力的响应关系在一定范围内有效；②流道内部压降梯度随系统运行压力升高而增大，流道出口处出现负压，影响灌水器的工作性能；③各区域的湍动能基本稳定、差异明显，旋涡区水流湍动能随系统运行压力的提高而降低，其他区域湍动能有所升高；④颗粒粒径越大随水性越差，造成堵塞的概率越大，提高系统运行压力有利于小粒径颗粒运移，易引起大颗粒沉积，造成灌水器堵塞。模拟结果证明，在不同运行压力条件下，灌水器不同流道单元水力特性存在相似规律，其抗堵塞性能受系统运行压力的影响，在一定压力范围内有所提高。

为了研究生物炭施用对节水灌溉稻田甲烷排放的影响机制，采用荧光定量PCR方法研究了不同生物炭施用水平对节水灌溉稻田土壤中产甲烷菌基因（mcrA）与甲烷氧化菌基因（pmoA）丰度的影响。研究结果表明，生物炭施用能够提高节水灌溉稻田土壤pmoA和mcrA基因丰度，乳熟期高量生物炭添加效果更显著，而中等水平生物炭添加在分蘖期和拔节孕穗期效果更显著。控制灌溉在分蘖期和乳熟期能够显著增加稻田土壤pmoA和mcrA基因丰度。控制灌溉在分蘖期和乳熟期能显著增加pmoA/mcrA比值（p＜0.05），且施加生物炭能显著增加乳熟期稻田土壤pmoA/mcrA比值（p＜0.05），即控制灌溉和生物炭施加能够提高土壤的甲烷氧化能力，减少稻田土壤甲烷的排放。综上所述，生物炭和控制灌溉在一定程度上均能提高稻田土壤中甲烷氧化菌和产甲烷菌基因丰度，同时对于产甲烷菌的促进作用小于甲烷氧化菌，通过改变土壤中pmoA和mcrA基因的数量和比例可以有助于调控稻田土壤甲烷的排放。

生活再生水含有大量植物生长所必需的营养元素，是一类城市绿地灌溉的良好水源，对于缓解城市用水紧张具有极高的利用价值。为探讨生活再生水灌溉对常见冷季型草根际土壤养分的影响，采用3种不同类型灌溉水质（分别为清水、再生水和50%清水配50%再生水混合水）对早熟禾草坪草进行了为期1年的灌溉实验。结果表明：①不同水质灌溉会导致土壤中营养元素的空间分布发生变化，全氮、碱解氮、速效钾的含量均随着土壤深度的增加呈现先降低后增加的趋势。②T0、T1、T2处理下，土壤中有机质和NO₃ ^-的含量均随着土壤深度的增加呈现先降低后增加的趋势，且在0~10 cm土层处，有机质含量均远高于实验期前(7.8 mg/kg)，分别为12.7、13.4、13.5 g/kg；其中，再生水处理0~10 cm土层处NO₃ ^-含量达到27 mg/kg，远高于混合水和清水的7 mg/kg。③再生水灌溉下土壤体积含水率最低，且在90 cm土层处土壤体积含水率波动范围最小(0.218 ~ 0.268 cm³/cm³)。与清水灌溉相比，再生水中的营养物质可被植物根系吸收，促进草坪草生长；但若长期使用再生水灌溉或不控制再生水浓度，水中大量化学物质会影响土壤孔隙度，对土壤造成一定的影响。

秸秆还田是西北地区普遍存在的一种改善土壤质量的农作措施之一。为明确秸秆不同还田方式对新疆盐碱土微观结构和理化性质的影响，于2020年进行田间试验，设置以不还田（CK）为对照，棉花秸秆翻压还田（H1）、油菜秸秆翻压还田（H2）、棉花秸秆覆盖还田（F1）、油菜秸秆覆盖还田（F2）共5个处理，分析0~20 cm土层电导率、含水量、有机质和团聚体粒径分布变化，并结合扫描电镜（SEM）探究其土壤微观结构变化。结果表明：较CK，H1、H2处理随着还田时间的增加电导率逐渐降低，含水量逐渐增加，效果优于F1、F2处理。第75 d，H1、H2处理电导率分别降低了5.30％和3.89％，含水量增加了8.93％和7.85％。相比CK，H1、H2处理土壤有机质分别增加了30.90％、29.80％。相比CK，H1、H2处理降低了土壤中小于0.053 mm团聚体比例，增加了0.25~2.00 mm团聚体的比例。秸秆翻压还田（H1、H2处理）相较于秸秆覆盖还田（F1、F2处理），土壤片状微观结构增多，颗粒之间由面与面接触转变为直接点接触，增加土壤孔隙数量。综上，秸秆翻压还田较覆盖还田更有利于改善土壤颗粒微观结构和土壤团聚体粒径组成，增强降盐保水的作用。为新疆地区秸秆还田提供理论支撑。

发展新型节水灌溉技术、更高效地利用现有水资源，是解决农业用水危机和发展现代农业的必然选择。基于温室盆栽试验，以“辣帝一号”为供试品种，设置2个保水剂施用量（干土重量的0.1%和0.2%）和2个保水剂埋深（10和15 cm，层施），并以不施加保水剂为对照，共计5个处理（CK, S10-1, S10-2, S15-1和S15-2）。通过对生育期内辣椒土壤水分、各生长指标进行观测，并统计产量、水分利用效率和经济效益等指标，研究不同保水剂管理模式对辣椒生长、产量及水分利用效率的影响，以期探索辣椒高效生产的保水剂管理模式。结果表明：①与CK处理相比，施用保水剂处理可显著促进辣椒生长和干物质累积，提高辣椒产量、水分利用效率和经济效益；②不同保水剂管理模式下，辣椒生长及产量指标均随保水剂施用量的增加而增大，随保水剂埋深的增大而减小；③对比不同处理，浅埋高施用量（S10-2）保水剂处理的表现最佳，其株高、茎粗、叶面积指数、干物质累积总量、经济产量和水分利用效率均为最高，较CK处理分别增大了8.17%、8.69%、6.43%、20.15%、42.22%和85.71%。综合分析产量、水分利用效率和经济效益等指标可知，S10-2处理可推荐为温室辣椒节水、高产、高效益的保水剂管理模式。

针对旱区土壤水盐运移具有明显的季节性特点，但不同造林树种对盐碱土水盐运移及土壤养分的影响存在差异的实际问题。采用野外调查与室内检测相结合的方法，进行不同造林树种对土壤水盐运移及养分的影响，研究结果表明：①盐柳和9901柳小区土壤水分随时间推移向下迁移累积于60 cm以下土层，柽柳小区随时间推移土壤水分由60 cm土层向上迁移，盐柳、柽柳、9901柳小区土壤剖面盐分由波浪型变化为“V”形分布，柽柳小区土壤盐分最低；②种植树木后土壤pH低于空地，柽柳小区土壤剖面pH最低；③种植9901柳可提高0~40 cm土壤有机质、速效磷含量。研究结果揭示了不同造林树种对宁夏银北地区土壤水盐运移及养分的影响，可为同类地区盐碱地植被恢复提供理论依据。

为探究微润灌溉下施肥浓度和压力水头对土壤水氮分布的影响，进行了室内土箱模拟试验，试验设置2个压力水头H1（1.0 m）和H2（1.5 m），4个施肥（硝酸铵钙）浓度N0（未施肥）、N3（300 mg/L）、N6（600 mg/L）、N9（900 mg/L），进行2×4双因素分析，对湿润锋运移、累计入渗量、土壤水分和硝态氮含量变化进行了测定分析。结果表明：在1.0~1.5 m水头，0~900 mg/L施肥浓度下，随着压力水头增大和肥液浓度提高，湿润锋运移距离和运移速度、累计入渗量及湿润体内相同位置处土壤含水率和硝态氮含量都会增大；湿润锋的运移距离与时间呈幂函数关系（R ²>0.9），运移速率随试验进行变慢；土壤含水率在微润管附近含量最高，远处逐渐减少，随着入渗的进行土壤最大含水率所在位置逐渐下移；硝态氮会在远处积累，与含水率的分布规律相反，硝态氮易随水流失，最大值多出现在远处深层土壤处。当压力水头为1.5 m、硝酸铵钙浓度为900 mg/L时，湿润锋运移最快，湿润体中含水率和硝态氮含量最高，在应用于农业种植时为较适宜的处理。

“万元GDP用水量”是国内外现行的衡量用水效率的重要指标之一，但是该指标在反映区域用水结构和产业用水效率的不均衡性上存在不足；区域GDP的快速增长会掩盖部分低效用水对象。通过“生活、生态、生产”以及“第一、第二、第三产业”用水结构的分析，基于“生产用水结构”构建了新的区域用水效率综合评价测度——“万元GDP综合用水量”。以2019年全国省级区划用水为例，运用指标相关性、“K-均值”聚类、系统聚类以及集合相似度分析等方法，对“新测度”的有效性与合理性进行了分析与验证；发现“新测度”在综合反映区域用水效率上存在优势，能够更好地识别低效用水对象，找出重点节水区域或领域。应用“新测度”，中国用水效率的空间分异特征（2019年度）显示：京津、贵州及黄河下游省份等资源型或工程型缺水地区的用水效率较高；新疆、西藏及北方经济欠发达省份的区域用水效率较低，节水潜力很大；上海、江苏、广东等经济发达省份，以及安徽、湖南、江西等中部省份的农业用水效率偏低，比其他同类省份有着更大的节水空间。“新测度”可以作为现行“万元GDP用水量”的替代指标，提升低效用水对象的识别水平与改造力度。

为改善吐哈地区极端气候条件对葡萄生长环境和果实品质的影响，以“无核白”葡萄为材料，在葡萄棚架不同高度设置微喷（WP1：棚架上50 cm，WP2：棚架下50 cm，WP3：地上30 cm），以常规滴灌作为对照处理（CK），分析了不同处理对葡萄棚架下温度、相对湿度及葡萄品质的影响，以期为当地葡萄优质生产栽培提供依据。结果表明：微喷处理与对照处理相比，日最高温度降低1.15~2.94 ℃，日最低相对湿度增加2.32%~3.21%，微喷开启后6 h平均温度降低1.34~2.62 ℃，平均湿度增加2.93%~3.99%，温差降低1.80~3.40 ℃，湿度差降低0.50%~2.61%，温度与相对湿度呈线性负相关；微喷处理可显著增加果实中的可溶性固形物含量、可溶性糖含量以及还原型Vc含量，降低果实中的总酸量。其中WP2处理的可溶性固形物含量较CK提升22.2%，糖酸比较CK提升17.28，且差异极显著。经综合分析温度、相对湿度和果实品质，果粒膨大期时在棚架下方50 cm处每天14:00喷水1 h能提高“无核白”葡萄的品质，适宜在吐哈地区推广。