土壤含水率测定是现代农业的基础。为了验证利用土壤光谱特征快速测定土壤含水率的可行性和适用性，采用分光测色仪获取5种土壤在不同含水率条件下的三颜色L、a、b值，分析不同土壤在含水率改变时土壤颜色值的变化规律，并进行相关性及回归分析和验证。结果表明：①土壤颜色L、a、b值与其含水率之间具有一定的相关性。随土壤含水率升高，L值总体呈下降趋势，表现为土壤颜色逐渐加深；a、b值均为正值，但变化规律不明显。②土壤的L、a、b值与土壤含水率的相关程度随土壤质地变化而不同，沙壤土、沙姜黑土、火山灰土的L、b值与含水率相关度高，而砖红壤和壤土则为a、b值。③沙壤土的含水率对L值的影响达极显著水平，L值与其含水率的相关系数在0.77以上。④通过沙壤土含水率与其三颜色值建立的三元回归方程对砖红壤、沙姜黑土、火山灰土、壤土均具有一定的通用性，相关系数R² 均大于0.81。利用分光测色仪测定土壤含水率，节省人力，易于操作，有望为快速测定土壤含水率提供一种可选路径。

为探究原状盐渍土不同盐分含量对土壤水分特征曲线的影响，选用无、轻度和重度盐渍化地块土样测定其土壤水分特征曲线，采用 van Genuchten-Mualem 模型对无、轻度和重度盐渍化土壤土-水曲线及参数进行拟合分析，并分析不同盐分含量对累积当量孔径分布和土壤水分常数的影响。结果表明：原状盐渍土土壤水分特征曲线主要受盐分含量的影响，轻度盐渍化下的含盐量增加土壤持水性，但重度盐渍化下土壤中的含盐量则减小了土壤持水性；van Genuchten-Mualem 模型的参数n值随原状盐渍土盐分含量的增加先减小后增大，而进气值倒数α值则呈减小趋势；VG模型对于YZ1和YZ3地块60 cm土层土壤土水-曲线拟合精度高于YZ2地块；轻度盐渍化土壤较无盐渍化土壤40 cm、60 cm深度的极微孔隙和微孔隙占总孔隙的比例分别增加11.75%和19.25%，田间持水率分别增大32.6%、28.8%；随土壤深度增加，重度盐渍化土壤较无盐渍化土壤的极微孔隙和微孔隙占总孔隙的比例分别减小28.08%、40.61%和21.64%，田间持水率分别减小34.4%、34.1%和6.5%。研究可为盐渍土的预防和改良提供一定的理论依据。

季节性冻融作用加剧了土壤蒸发的复杂性，准确预测冻融期大田土壤蒸发量对干旱半干旱地区水资源高效利用具有重要意义。基于2017-2018年冻融期大田土壤蒸发实测数据和影响土壤蒸发的气象资料，利用主成分分析法对气象数据进行降维，选取7个主要气象因子作为模型输入变量，采用粒子群算法选取最优光滑因子建立PCA-PSO-GRNN土壤蒸发预报模型。结果表明：PCA-PSO-GRNN模型的预测值和实际值拟合效果较好，均方根误差为0.011 4 mm/d，决定系数为0.992 1，均方相对误差为0.002 9，平均绝对误差为0.007 mm/d，模型预测精度和泛化性能显著优于BP模型和标准GRNN模型，可用于冻融期大田土壤的蒸发预报。

对进一步认识淮河流域气候变化下的土壤水分资源，调节土壤水分的状况和提高作物产量提供有效的依据。以蚌埠站为例，利用五道沟水文试验站近33 a土壤水分观测资料和气象观测资料，采用M-K检验法和一元线性回归法，分析全球气候变暖背景下淮河流域土壤含水量和气温、降水的变化特征，研究了土壤含水量与气候因子的相关性。结果表明：近33 a来，淮河流域年平均气温和降水均有升高趋势，其中气温升高显著，气温的突变年为1994年；10 cm土层深土壤含水量呈上升趋势，30、50、100 cm深土壤含水量呈下降趋势；100 cm深土壤含水量在秋季与降水呈显著正相关，10 cm深土壤含水量在夏季和秋季与降水呈显著正相关。淮河流域土壤含水量受季节性影响较大，不同季节、不同深度的土壤含水量与气温和降水表现出不同的相关关系；表层土壤含水量主要受降水影响，随着降水增多，表层土壤含水量增大；深层土壤含水量受气温影响较大，随着气温升高，深层土壤含水量减少。

为探索灌排联合下土壤水盐运移规律，通过室内土柱试验，采用灌水量、排水模式二因素三水平完全处理，灌水设置3个水平：灌水定额分别为15、25、35 L（分别标记为W₁₅、W₂₅、W₃₅），排水模式设置3种：排水管d=7 cm、排水管d=5 cm、无排水管（分别标记为P₇、P₅、P₀），研究分析土壤水盐动态变化规律，并利用HYDRUS-1D模型对灌排联合下水盐运移规律进行数值模拟分析与验证。结果表明：灌水量相同时，土壤含水率和含盐量变化效果总体表现为：排水管d=7 cm>排水管d=5 cm>无排水管，且有排水管处理显著优于无排水管的处理（P<0.05）；经过3次灌水淋洗后，各处理0~20 cm土层内土壤盐分淋洗效果最显著，灌水定额35L及排水管d=7 cm处理下脱盐率达到最大值83.69%；经过实测值与模拟值的验证，随着灌水量、灌水次数、土壤深度和排水措施变化，土壤水分和盐分的均方根误差RMSE最大分别为1.321和0.912，决定系数R ²最小分别为0.813和0.842，土壤水盐含量的模拟值和实测值有较好的拟合性，该模型具有一定可靠性，这将为干旱区灌排联合模式下的水盐运移理论研究提供帮助。

为了研究双点源滴灌条件下土壤水分运动规律，为滴灌多点源系统的合理设计提供理论依据，基于非饱和土壤水分入渗理论和双点源滴灌条件下土壤水分分布特征，建立了滴灌条件下双点源土壤水分入渗数值模型，利用流体建模有限元分析软件HYDRUS-3D对数值模型进行了运算。将湿润区内土壤含水率运算与实测结果进行对比可得：实测与模拟值一致性较好，均遵循滴灌点源入渗土壤水分运动和双点源交汇湿润体的演变规律。用所建模型对一定灌水技术要素下的土壤湿润体水分分布状况进行数值模拟，结果表明：当q=1.2 L/h，滴头间距为30 cm时，湿润锋交汇时间为268 min。灌水时间增加，交汇区土壤含水率增大，最大值为0.32 cm³/cm³ 。远离滴头的湿润区内土壤等值线图融合为一条曲线，随着时间的推移，曲线向下移动，形状从屋脊形过渡为水平。当灌水时间相同时，湿润锋运移速率、湿润体剖面面积、滴头附近高含水区土壤湿润体体积及湿润体内相同位置处土壤含水率均随流量增大而变大。结论 滴头流量、灌水时间对双点源滴灌土壤水分入渗有一定影响，土壤水分入渗数值模拟能较准确反映双点源入渗条件下土壤水分运动规律。

为了探究新型插入式灌水器的入渗特性，为灌水器结构优化及田间应用提供理论指导。试验在沙壤土条件下，以供水压力（6、8、10、12、14、16 m）为变量，对埋深为20 cm的新型插入式灌水器进行室内入渗试验，分析湿润体形状、湿润锋运移及累积入渗量与供水压力的关系。结果表明：供水压力水头H=14 m是湿润体内部是否产生冲蚀通道的临界压力；规定入渗时间内，供水压力显著影响湿润体形状，H≤10 m时湿润体近似球体，H＞10 m时湿润体呈不规则状。建立了供水压力、入渗时间与湿润锋运移距离的预测模型，水平方向、垂直向下模型的预测精度优于垂直向上的预测精度。土壤累积入渗量与供水压力和入渗时间均呈正相关，构建了描述土壤累积入渗量（I）与入渗时间（t）、供水压力（H）之间关系的数学模型，实测值与模型预测值之间的平均相对误差（ARE）和均方根误差（RMSE）分别为5.90%、0.045 3 L。插入式灌水器在田间应用时，供水压力应低于临界压力；本试验条件下的湿润锋运移距离与累积入渗量的预测模型可用来估算湿润体范围、入渗时间和入渗水量，为新型插入式灌水器田间灌溉制度的制定提供参考。

风力作用易引起喷灌水滴的漂移，造成喷灌水利用系数和喷洒均匀系数的降低。采用2D-Video-Distrometer实测了通过风场水滴的轴比、速度与落地角度等微物理特征，构建了风场中的水滴漂移模型。结果表明：风力作用导致水滴形状发生改变，水滴粒径越大，变形越明显。受风力驱动，水滴具有水平分速度，落地角度产生明显的倾角；风场中不同粒径水滴受风力、空气粘滞阻力的影响程度不同，合速度变化趋势存在差异。采用喷洒水滴弹道轨迹模拟的方法构建的水滴漂移模型具有较高计算精度，与实测值吻合良好。粒径小于3mm时各因素对水滴漂移距离影响程度大小顺序为水滴粒径＞下落高度＞风速，水滴粒径大于3mm时下落高度成为影响水滴漂移距离的最主要因素。

为了探究蓄水坑灌下不同灌水上限对苹果树吸水根系、产量和灌溉水利用率的影响，以12 a生矮砧红富士苹果树为研究对象，设置3个灌水处理（灌水下限均为田持的60％，蓄水坑灌处理T1、T2的灌水上限分别为田持的100％和80％，地面灌溉处理CK的灌水上限为田持的80％），对全生育期果树吸水根系根长密度、根表面积密度以及果实产量进行测定。结果表明：各处理吸水根系均随着土层深度的增加呈现先增大后减少的趋势，大小整体表现为：T1>T2>CK。CK处理吸水根系主要集中在0～60 cm土层，不同生育期根长密度和根表面积密度分别占整个吸水根系根长密度和根表面积密度的82.1％~85.3％和82.1％~86.3％；T1和T2处理主要分布在20～80 cm土层，其中不同生育期根长密度分别占整个吸水根系根长密度的66.3％~74.3％和67.3％~78.1％，根表面积密度分别占整个吸水根系根表面积密度的65.7％~73.5％和67.3％~78.4％。CK处理灌水量比T2处理多25％但减产4.55%，并且灌溉水利用率显著小于T1和T2处理。T2处理灌水量比T1处理少33.33％，但产量仅减少8.82％，且灌溉水利用率显著大于T1处理。综合对比可知，T2是本试验最优处理，蓄水坑灌法能诱导果树根系生长和深扎，降低灌水上限能够达到节水稳产的目的。

为探索适用于微孔陶瓷根灌水肥一体化的高效水氮模式，以青海柴达木地区枸杞为对象，研究了微孔陶瓷根灌条件下不同施肥方式和施氮量对土壤含水率、土壤硝态氮含量和枸杞产量的影响。结果表明：在灌水量相同情况下，微孔陶瓷根灌的湿润体与枸杞根系的高密度区匹配较好，在降低渗漏损失的同时有利于根系吸水。在施氮量相同情况下，微孔陶瓷根灌穴施施肥和微孔陶瓷根灌水肥一体化处理分别较地表滴灌处理增产20.3%、10.9%；微孔陶瓷根灌水肥一体化进行减氮处理时，中氮和低氮下的土壤硝态氮量分布更均匀，氮肥利用效率更高，但减氮处理会降低土壤硝态氮的含量，影响枸杞产果，中氮和低氮处理的产量分别为高氮处理产量的87.7%和79.7%。因此，枸杞微孔陶瓷根灌时，建议采用穴施施肥方式，施氮量为390 kg/ hm²，这样有利于枸杞获得较高的产量。

通过大田定位试验研究了全膜双垄沟播栽培（T1）和留膜留茬免耕栽培（T2）2种处理方式对旱地春玉米产量及耗水特征的影响。结果表明：留膜留茬免耕栽培处理对旱地玉米产量和耗水特征存在显著影响，并与降雨年型密切相关。与全膜双垄沟播栽培（T1）相比，季节性干旱平水年，留膜留茬免耕栽培（T2）能有效调节玉米耗水进程，花后和全生育期土壤耗水量显著增加9.3%和4.2%，穗粒数和百粒重显著提高了85.2%和7.0%，产量和水分利用效率显著增加16.3%和14.7%，明显提高了灌浆期叶面积指数4.7%，节省部分生产资料和劳动力投入，纯收益增加2.3%，节本增效和生态环境效应明显。因此，在本试验条件下，留膜留茬免耕栽培能显著提高季节性干旱平水年玉米花后耗水量和灌浆期叶面积指数，优化产量构成，显著提高产量和水分利用效率，可作为甘肃中部旱作区减灾栽培模式推广应用。

为节约灌溉用水，采用垄沟集雨覆盖种植技术与滴灌技术相结合（MFR-DI），并对使用该技术种植的青椒进行作物需水量预测。根据多年气象资料、青椒冠层温度以及逐日作物需水量资料，构建了以冠层温度、气象因素为输入因子的预测MFR-DI种植模式下青椒作物需水量的GA-SVM模型，使用2017年的数据对模型进行了测试，结果表明：在输入相同气象因子时，GA-SVM1（RMSE=0.901 0 mm/d，MAE=0.673 5 mm/d，NS=0.971 8）比SVM（RMSE=0.960 7 mm/d，MAE=0.769 1 mm/d，NS=0.9680）预测模型具有更高的精度性能。此外，在输入相同数量的因子时，将冠层温度作为GA-SVM的输入因子之一，比仅输入气象因子的GA-SVM模型预测精度更高，其RMSE，MAE，NS值分别为0.781 7 mm/d，0.583 8 mm/d，0.978 8。结果说明采用GA优化的SVM预测模型，提高了模型的收敛速度，使模型的精确度更高。另外，在作物需水量预测模型中引入冠层温度，可以提高模型的预测准确性，为实现高效智能节水提供参考。

为进一步给山西省干旱、半干旱地区的科学灌溉提供理论依据，进行了不同灌水上限对玉露香梨树生理生长、光合特性及品质的影响的研究。试验以同一灌水下限60%，不同灌水上限70%、80%、90%，设置3个水平处理，以地面灌溉作为对照开展。结果表明：不同灌水上限对玉露香梨的新梢生长量、干周增长量、光合特性及品质均有不同程度的影响，综合分析各项指标得出：滴灌条件下处理2，即灌水下限为60%田间持水量，灌水上限为80%田间持水量时，更适宜玉露香梨树的生长。相比地面灌溉，滴灌可以有效节约水资源，减少环境和果品污染，大大提高了果农的经济效益，进而推动果品产业可持续发展。

探讨北疆地区棉花生育期需水量和灌溉需水量的变化趋势进而分析了变化趋势与气象因子的关系。选用北疆26个气象站1961-2016年的逐日气象数据，参考作物蒸散量计算方法和相关作物系数，计算北疆棉花56 a来的作物需水量和灌溉需水量，并分析了对气候变化的响应。结果表明：近56 a北疆地区棉花需水量和灌溉需水量都呈下降趋势，尤其是花铃期下降趋势很显著，气候倾向率依次为-0.635、-0.643 mm/a；棉花花铃期平均需水量为305.02 mm，灌溉需水量平均值为289.95 mm。气象因子与棉花各生育期作物需水量和灌溉需水量相关，其中，降雨对灌溉需水量的影响最大。从气候变化来看，北疆地区棉花作物需要水量呈减少趋势，随着降雨量的增加，灌溉需水量也呈减少趋势。

为探究含砷(As)水滴灌对小白菜中As累积及无机砷赋存形态的影响，通过改变灌溉方式（漫灌、滴灌）、灌溉液中总砷含量或滴灌液中As(Ⅲ)/As(V)的比例等条件，进行了盆栽土培模拟实验。结果表明：滴灌方式下小白菜地上部和根部中总As含量、As(Ⅲ)与As(V)的比例（As(Ⅲ)/As(V)比例）均大于漫灌方式；随着滴灌液中As(Ⅲ)/As(V)比例的增加，小白菜体内总As含量及As(Ⅲ)/As(V)比例均不断增大。与灌灌相比，滴灌方式促进了小白菜中总As的累积，且增加了总As中As(Ⅲ)赋存形态的比例；滴灌液中As(Ⅲ)赋存形态比例的增加促进了小白菜对总As的累积，同样增加了总As中As(Ⅲ)赋存形态的比例。滴灌方式能够造成含砷水灌溉的生态和健康风险放大效应。

为解决区域农业节水灌溉模式优选问题，根据矩估计法的基本原理建立了基于矩估计法的最优组合权重模型并赋予指标权重；运用TOPSIS模型结合灰色关联法对TOPSIS方法进行改进，建立了改进TOPSIS法的节水灌溉模式优选模型，并用实例加以说明。然后把所得结果与灰色关联投影法、TOPSIS方法、集对分析、可变模糊集理论这四种方法的评价结果作对比分析，评价结果基本相同，说明该方法用于节水灌溉模式优选是有效的，并且有效解决了TOPSIS模型数据波动较大和评价模型等距处理难问题。

针对灌区农业供水价格测算工作代价较高、农业水价低于实际供水成本、农业水价与农业生产资料市场价格变化过程脱节、农业水价动态调整参考依据不足等问题，考虑农田灌溉用水的商品属性，以黑龙江省木兰县香磨山灌区为例，通过实地调研和收集年鉴统计数据，将农业生产资料价格指数引入到灌区农业水价改革问题研究中。结果表明，在2004-2019年间，香磨山灌区农业水价呈现12年恒定不变、突兀增长、再保持恒定的趋势，与同期的全省农业生产资料价格指数总体呈稳步上升的趋势偏离严重；在前期科学定价基础上，以农业生产资料价格指数变化率为依据动态调整水价，可以使香磨山灌区农业水价与全省农业生产资料价格指数变化保持同步，且适当上调农业水价总体上不会增加灌区农民负担。

评估黄河流域农业用水效率和节水潜力，有助于推进黄河流域农业水资源集约化利用。基于超效率SBM模型，在全国视角下测度分析2008-2018年黄河流域9省的农业用水效率及其分解，在此基础上深入分析流域各省的农业节水潜力。结果表明：黄河流域农业用水效率较低，与长江经济带和全国平均水平有较大差距。黄河流域农业用水规模效率接近最优水平，纯技术效率低是黄河流域农业用水效率较低的主要动因。黄河流域农业用水效率的省际差异显著，农业用水效率较高的省份受纯技术效率影响较大，而农业用水效率较低的省份受规模效率影响较大。宁夏、甘肃、内蒙古和山西4省的农业可节水比例都超过了40%，节水潜力巨大。黄河流域及其各省需从全流域的层面健全农业水资源利用的监测、协调和优化机制，同时从节水技术、节水意识和水价机制等角度因地制宜地调整节水措施，提高流域各省农业节水潜力。