识别和预测土地利用时空格局演变规律对科学推进区域生态保护和国土资源空间规划的合理开展具有重要意义。以渭河中下游干流为研究区，利用转移矩阵、土地利用动态度以及土地利用程度指数为评价因子，分析1980-2020年土地利用变化，采用基于多评价准则（MCE）的元胞自动机和马尔科夫（CA-Markov）模型模拟自然发展情景、生态保护情景和统筹发展情景下2030年土地利用演变特征。结果表明：1980-2020年渭河中下游干流耕地面积占比最大为52%左右，其次是林地和草地，建设用地面积呈持续增长趋势。多年综合土地利用动态度为0.66%，建设用地面积变化最快，并以耕地转化为建设用地为主。基于CA-Markov模型模拟了2015年和2020年土地利用变化情况，模拟的土地利用空间格局发展态势与实际较一致，模拟的3种情景下2030年建设用地面积在自然发展情景下增幅最大，生态保护情景下林地面积增加了53.83 km2；统筹发展情景下各土地利用类型变化较小。在3种情景下，渭河中下游干流2030年土地利用结构仍然以耕地、林地、草地为主，建设用地面积均呈不同增幅的增加趋势，统筹发展情景下的预测结果更符合国土空间规划要求和经济社会发展的需求。

为了解不同机器学习算法在预测不同气候区参考作物腾发量（ET ₀）方面的表现，以中国干旱区和湿润区共计20个气象站点1960-2019年的逐日气象数据为依据，以PM和HS公式计算的ET ₀为参考，评价了多元逐步回归（SL）、支持向量机（SVM）和高斯过程回归（GPR）3种机器学习算法的ET ₀预测精度及其适用性。结果表明：①当分别以PM和HS公式计算的ET ₀数值为标准时，3种机器学习算法模拟ET ₀精度大小关系均表现为：GPR＞SVM＞SL，且GPR算法的模拟精度最高，其相关系数（R ²）均高达0.950以上。②当采用同一种机器学习算法时，其在以PM公式计算的ET ₀为参考值情况下的R ²范围为0.965~0.995、RMSE的范围为0.212~0.260 mm/d、MAE的范围为0.151~0.201 mm/d；以HS公式计算结果为参考值时，其R ²范围为0.935~0.984、RMSE范围为0.832~0.964 mm/d、MAE范围为0.596 ~0.745mm/d。③在不同气候分区，以同一参考公式计算结果为标准值时采用机器学习算法模拟干旱区的ET ₀精度均优于湿润区，其R ²提高了0.01。④对比不同机器学习算法的稳健性，SL和SVM算法在分别以PM和HS公式计算结果为参考值时的稳健性最高，其训练到模拟阶段的R ²变化幅度仅为0.16%和0.11%，而GPR算法稳健性均最低。⑤对比不同机器学习算法训练时间成本，SVM和GPR算法的计算成本显著高于SL算法。综合分析3种算法的ET ₀预测精度、稳健性和计算成本，SVM算法可推荐为中国干旱区和湿润区较为精准预测参考作物腾发量的方法。且机器学习模拟精度与气象因子的定量关系表明，日照时数（N）变化是影响各算法预测精度的主要因子。

农田暗管排水循环利用是缓解灌溉水短缺的有效途径之一，而具备净化水质作用的暗管外包滤料是保障回归水质量的关键。选取宁夏银北灌区暗管排水工程现场基土，配以3种吸附性材料和当地通用的1种无纺土工布，设计了仅敷裹土工布和铺设土工布+单一吸附性材料的初设方案，利用课题组研发的土柱渗透试验装置进行筛选试验并根据初试结果，进一步设计出土工布+混合吸附性滤料的改进方案。试验中分别测试了外包滤料不同铺设型式下的流量衰减过程、渗透系数变化规律、盐分去除率及吸附量达到饱和的持续时间。结果表明，在排水性能方面，铺设土工布+10 cm厚吸附性滤料的方式优于仅敷裹土工布方式；铺设土工布+混合吸附性材料的方式优于土工布+单一吸附性材料的敷设方式。在净化水质方面，经水洗处理的秸秆与炉渣混掺铺设，去除水中盐分效果明显，吸附量达到饱和历时长，能够同时满足滤土排水和净化水质的要求。

以河北省水-能源-粮食（WEF）系统作为切入点，基于系统水足迹模型和脱钩评价模型研究水资源利用与经济增长的脱钩态势，并对脱钩状态划分等级，最后通过扩展的LMDI模型把脱钩驱动因素分为5种脱钩因子，探讨脱钩因子对脱钩状态造成的影响。结果表明：在2011-2020年间，河北省水资源紧缺程度较高，水资源利用效率逐年提升；WEF系统下水资源利用与经济增长脱钩态势良好，能源子系统比粮食子系统的脱钩情况好；用水强度因子和耕地面积因子为负向脱钩因子，足迹结构因子、规模经济因子和人口耕地密度因子为正向脱钩因子。

为探索棉花-春玉米轮作下，棉花秸秆还田配合耕作措施对土壤性状和玉米水分利用效率的影响，通过4 a大田定位试验，以试验处理前土壤理化性质为参照，研究了翻耕秸秆还田（PT+SR）、旋耕秸秆还田（RT+SR）、翻耕秸秆不还田（PT+NSR）、旋耕秸秆不还田（RT+NSR）、免耕秸秆还田（NT+SR）、免耕秸秆不还田（NT+NSR）对土壤容重、水分、养分、微生物等的影响；不同处理方式对玉米产量、产量构成因素、水分利用效率的影响。结果表明，秸秆还田配合耕作措施可有效降低0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重，以PT+SR处理效果最优，与处理前相比，降幅达9.87%和7%。PT+SR处理在玉米生长中后期具有较好的蓄水保墒效应，玉米产量和水分利用效率最高，2 a平均玉米籽粒产量和水分利用效率分别达到了1.29 万kg/hm²和2.42 kg/m³。秸秆还田配合耕作措施可有效提高耕层土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量以及真菌、细菌和放线菌数量，其中以PT+SR处理效果最优，分别较试验处理前提高了11.9%、40.5%、32.8%、23.1%、24.6%、74.3%、72.1%和41.9%。通过多年试验证实，在棉花-春玉米轮作区，棉花秸秆还田配合翻耕，可以有效改善土壤物理特性，增加土壤养分含量和有益微生物数量，增强土壤蓄水保墒能力，进而显著提高玉米籽粒产量和水分利用效率。

探明水肥一体化技术对烤烟钾吸收及产质量的影响，为提高烟叶钾含量提供依据。以烤烟品种LY1306为试验材料，在田间采用单因素随机区组试验，设计空白对照（CK）、常规施肥（T1）和水肥一体化（T2）3个处理，对烤烟干物质积累、各部位钾素积累量和积累速率、烤后烟叶化学成分和经济性状进行比较研究。与CK、T1处理相比，T2处理的干物质积累量始终最高，干物质积累速率提高了70.03%、36.72%，最大干物质积累速率出现时间为53.370 d，较CK和T1处理提前了7.884 d和5.777 d；随生育期进程的推移，各部位钾素积累量呈明显的“S”形上升，处理间均表现为T2>T1>CK；T2处理各部位的钾平均积累速率、钾最大积累速率较CK和T1处理明显提高，最大钾积累速率出现时间整体上较CK和T1处理明显提前，且在烟草根系中表现最为明显，烟草根系中钾平均积累速率较CK明显提高64.67%，钾最大积累速率较CK和T1处理明显提高72.28%和33.72%，钾最大积累速率出现时间较CK和T1处理提前了7.28 d和8.78 d； T2处理各部位烤后烟叶钾含量、钾氯比均为最高，其中部叶钾含量较CK和T1处理显著提高了33.70%和20.59%，钾氯比较CK处理提高了31.60%；T2处理各经济性状指标均为最高，其中产值较CK显著提高了50.45%，较T1显著增加了9 521.25 元/hm²。水肥一体化技术能明显增加烟株的干物质积累，有效促进烤烟各部位钾素积累，协调烟叶各项化学成分，提高烤烟经济性状。

为实现田间科学用水，优化灌溉渠系配水模型，发挥灌区用水调度决策能力，提高灌区现代化水平，针对现有的渠系优化配水模型与算法进行了梳理总结。灌溉渠系优化配水模型主要分为两种：以特定指标最优为目标函数和被配水渠道采用轮灌编组时输水损失最小为优化目标。在掌握国内灌溉渠系用水调度以及灌区管理规范的前提下，系统论述了两类模型的建模思想、目标函数以及算法机理的研究，重点分析当前主流的灌溉渠系配水优化目标函数，并总结了求解模型引用的智能算法。在深入探究应用实例的基础上，通过对渠系优化配水模型的综述，讨论未来研究新方向，旨在精炼出一种适用于我国灌区的多目标优化模型，拟解决当前渠系水利用率低等问题；研究结论还提出嵌入算法的渠系间形成远程管理、联合调度、智慧调控、高效配水的新思路，这为灌区构建输配水模型和落实信息化管理提供借鉴与理论指导。

基于淮北平原五道沟水文实验站1964-2020年实测气象资料，采用气候倾向率和完全相关系数方法开展了近57年水面蒸发量汛期（6-9月）、非汛期（10-5月）、年（1-12月）和年代多尺度变化特征及其差异性研究，并分析其成因。结果表明：①在全球气候变暖大背景下，近57年五道沟地区年均气温以0.27 ℃/10a速率上升，而蒸发皿实测蒸发量以85.8 mm/10a速率下降，该地区存在明显“蒸发悖论”现象；汛期、非汛期气温分别以0.05、0.27 ℃/10a速率上升，蒸发以41.49、30.39 mm/10a速率下降；“蒸发悖论”规律显著性排序为汛期＞年＞非汛期。②近5个年代中，20世纪80年代气温上升幅度最小且蒸发量下降幅度最大，“蒸发悖论”规律最显著；21世纪以来，较20世纪末悖论现象较不显著。③该地区“蒸发悖论”主要成因是风速减小、相对湿度增加以及日照时数减少。与1964-1989年基准期相比，1990-2020年各影响因子对蒸发量下降的贡献率为：年尺度上，风速（49.1%）＞相对湿度（35.4%）；汛期日照时数（34.9%）＞相对湿度（32.3%）＞风速（22.0%）；非汛期相对湿度（73.6%）＞风速（32.1%）。

为筛选适宜沙地栽培的高效水分利用效率（WUE）红枣品种，采用气体交换法和稳定碳同位素技术分别测定了榆林沙区引种的24个红枣品种叶片的瞬时和稳定WUE，并探讨了红枣成熟期、叶片光合生理指标，碳（C）、氮（N）、磷（P）含量及其化学计量比对红枣WUE的影响。结果表明：尽管不同品种红枣间瞬时WUE存在明显差异，但不如稳定WUE差异规律，与所有影响因子也无显著相关性。所有品种红枣稳定WUE总体表现为早熟>中熟>晚熟，其中早熟品种稳定WUE最高的是西农蛤蟆枣（105.4 μmol/mol）、清涧蛤蟆枣（97.3 μmol/mol）；中熟品种最高的清涧红枣（94.9 μmol/mol）；晚熟最高的是短枝冬枣（90.1 μmol/mol）。这些高WUE品种比稳定WUE比最低的临黄1号、秦宝冬枣、冷白玉高16.0%～35.7%。同时，早熟品种叶片N、P含量及δ¹³C分别比中熟和晚熟品种平均高出27.1%、33.3%、2.1%，但C/N、N/P、C/P分别比中熟和晚熟品种平均低21.2%、6.8%、27.4%。相关分析表明，稳定WUE与叶片N含量、δ¹³C达到极显著正相关，与净光合速率、气孔导度、叶绿素b呈显著正相关，但与叶片C/N极显著负相关。综上分析，榆林沙区引种的红枣以早熟品种WUE较高，并且高的叶片N含量、δ¹³C、净光合速率、气孔导度、叶绿素b以及低的C\N是形成高效WUE的关键因子。

潜在蒸散发与气象因素间关系复杂，研究由多个气候区组成的甘肃省潜在蒸散的时空变化规律及影响因子，对探明气候变化对水文循环的影响具有重要意义。基于甘肃省及周边31个气象站点1961-2020年逐日气象资料，对甘肃省8个气候区通过Penman-Monteithm模型，应用Kriging插值法、Mann-Kendall检验和偏相关分析等分析方法，分析了研究区不同气候类型的潜在蒸散发时空变化特征及其影响因子。结果表明：①1961-2020年甘肃省各气候区气象因子变化差距明显，其中各气候区平均温度、最高温度、最低温度在60 a来均呈显著上升趋势；平均相对湿度除河西西部暖温带干旱区和祁连山高寒半干旱区以外，均呈下降趋势；平均风速除河西西部暖温带干旱区、河西冷温带干旱区和陇中北部冷温带半干旱区外，均呈上升趋势；年降水除陇中南部温带半湿润区外，均呈显著上升趋势，年日照时数差异微小。②在蒸散发空间分布格局上，年均潜在蒸散发在春季、夏季、秋季总体为西北高，东南低的特点，年均波动范围710～1 363 mm；而冬季略显不同，则呈现出东南高、西北低的特点。③1961-2020年各气候区73.42%的区域潜在蒸散发变化趋势在0.05水平上显著相关，变化趋势波动范围在-2.62 mm/a到3.01 mm/a之间。④ 甘肃省各气候区潜在蒸散发与气温、日照时数和风速呈正相关关系，其中对温度的相关程度最高，A、B、C、D干旱及半干旱区潜在蒸散发对风速的相关程度高于湿润气候区，而相较于干旱及半干旱区来说，日照时数对潜在蒸散发的相关程度在湿润区更高。所有气候区均与相对湿度呈负相关关系，降雨则对各气候区潜在蒸散发变化的作用最小。

为促进冬小麦的高效生产，采用大田试验，研究了滴灌水肥耦合和漫灌条件下5个施肥处理（空白对照(CK）；配方无N施肥（PK）；配方无P施肥（NK)；配方无K施肥（NP）；配方施肥（NPK））对冬小麦生长及水肥利用率的影响。结果表明：与NPK配施相比，缺氮、缺磷和缺钾的冬小麦株高和叶绿素含量有所降低，但差异不显著，不施肥处理株高和叶绿素含量显著降低；滴灌下不施肥、缺氮、缺磷和缺钾处理的冬小麦产量较NPK配施分别降低了30.71%、3.75%、16.74%和10.66%，漫灌下不施肥、缺氮、缺磷和缺钾处理冬小麦产量较NPK配施分别降低了35.20%、4.99%、10.28%和8.28%；滴灌条件下，相比于NPK配施，缺氮、缺磷、缺钾和不施肥处理水分利用效率分别降低了7.67%、13.44%、21.54%和36.67%，漫灌条件下缺氮、缺磷、缺钾和不施肥处理水分利用效率较NPK配施分别降低了9.59%、12.02%、12.98%和39.97%；氮、磷、钾肥其中一种的缺施都会降低其他两种肥料的表观利用率和偏生产力。研究结果为提高冬小麦水肥利用效率提供参考。

为研究不同高标准农田管理措施对流域排水影响，以芳溪湖流域为研究对象，以2019-2020年连续2年的径流和水质（总氮、总磷和产沙）监测数据为基础，率定并验证了SWAT模型的适用性，并基于率定后SWAT模型对典型区域高标准农田综合管理方案进行了模拟和优化。结果表明：①率定的SWAT模型模拟效果总体较好，构建的灌区分布式水文及面源污染模型适用于芳溪湖流域；②高标准农田建设可以实现流域节水减排，最大径流排放减少可达6.93%，最大总氮、总磷、泥沙排放减小均可达7.81%以上，适当提高塘堰汇流面积比例，增加生态沟的建设密度和长度，能有效减少地表径流及总氮、总磷负荷，最大径流排放减小可达18.92%，最大总氮、总磷、泥沙排放减小均可达20.37%以上；③不同轮作模式中，水作模式与现状条件相比能有效减少流域径流、总氮、总磷和泥沙的排放；④高标准农田建设综合管理优化方案下，流域排水总量减少可达24.59%，总氮、总磷和泥沙减少均可达36.36%以上。合理的沟塘系统设计和种植结构调整能有效减少流域面源污染排放。

基于1979-2014年三江源地区ET ₀计算值结合NCEP再分析数据建立统计降尺度模型SDSM，通过模型验证发现该方法在三江源地区ET ₀预测具有较好的适用性；然后通过率定的模型将2015-2100年CanESM5模式中ssp1-2.6，ssp2-4.5和ssp5-8.5情景模式下的预测数据降尺度处理为站点数据，最终分析计算出了三江源地区13个气象站点近36年来作为基准期的ET ₀变化特征，以及ET ₀值在未来不同情景下相对于基准期的变化。结果表明：①基准期空间分布上呈现南部和东北部高，西北和中部地区低的分布格局，其中年平均ET ₀为855 mm，以0.043 mm/a的增长率增加；②2015-2100年夏季和冬季的季节平均ET ₀在空间分布上与基准期一致，但春季、秋季都以五道梁为低值区中心，存在低值区范围缩小、扩散的分布变化；年平均ET ₀在3种情景模式下均呈现显著增长趋势，ssp5-8.5增幅最多，其次是ssp2-4.5，ssp1-2.6增幅最少；③ssp1-2.6和ssp2-4.5情景模式下的ET ₀增量秋季大于春季，与ET ₀值春季高于秋季的季节分布特征存在差异。总体来看，2015-2100年年平均 ET ₀空间分布特征和基准期保持一致，ET ₀值均有明显上升趋势，但区域增量存在地区差异，玛多、班玛可能成为未来ET ₀高值区。ET ₀的不断上升可能导致区域水资源短缺进一步加剧，干旱发生频率增加，需要加强区域生态需水指标构建、作物气候生产潜力以及干旱分布研究等工作，以便提前做好应对措施。

蒸散发（ET）变化的归因分析对理解蒸散发的控制机理具有重要意义，是建立可靠的蒸散发模型和预测蒸散发变化的基础。通过贝叶斯方法，用差分进化自适应都市（DREAM）算法对双源蒸散发模型(SW)参数优化，使其模拟值与在玉米农田中获得半小时ET观测值达到最佳模拟效果。然后将涡度相关法与SW模型相结合，利用泰勒偏微分方程定量评估了黑河流域大满站玉米区域气候和植被变量对土壤蒸发(ET_s )和植物散发(ET_c )的相对贡献。与2016年相比，2017和2018年平均ET_s 分别增加了2.56 W/m²和72.90 W/m²，2017年ET_c 增加了24.41 W/m²，2018年减少了13.38 W/m²。2017年和2018年土壤表面可用能量(A_s )对ET_s 变化的贡献分别为124%和95.4%，冠层阻力( r_s^c)对ET_c 变化的贡献分别为68.8%和71.9%。参数优化后的SW模型与实测值拟合良好，能够反映ET的动态变化。ET的年际变化受气候和植物的复杂相互作用的影响，A_s 和饱和水汽压差是驱动ET_s 年际变化的主要因子，而冠层上方可用能量和 r_s^c是驱动ET_c 年际变化的主要因子。

为有效应对气温升高对小麦生产系统的不利影响，寻求消减气温升高的适应性栽培途径，2019-2020年在山西临汾采用微喷带灌溉模式的田间大区对比方法，开展了灌溉未覆盖麦田（I）、灌溉覆盖麦田(IM)、未灌溉覆盖麦田(CK)对不同生育阶段5、10 cm地温、产量和水分利用效率的影响研究。结果表明：5、10 cm地温与气温均呈现正相关且相关系数表现为CK＞I＞IM。在越冬期至成熟期5、10 cm土层日平均地温IM＜I＜CK，I、IM与CK相比其地温降低率则表现为IM＞I；各个生育阶段I、IM与CK相比其地温降低率均表现为越冬期＞拔节期至成熟期＞返青期至拔节期，且IM＞I。各类麦田不同土层地温低于0 ℃的时间IM＞I＞CK，其中5 cm土层＞10 cm土层，灌溉未覆盖麦田5 cm土层地温（I-5）＞灌溉覆盖麦田5 cm土层地温（IM-5）＞未灌溉覆盖麦田5 cm土层地温（CK-5）、灌溉覆盖麦田10 cm土层地温（IM-10）＞灌溉未覆盖麦田10 cm土层地温（I-10）＞未灌溉覆盖麦田10 cm土层地温（CK-10）；同类麦田越冬期至成熟期地温5 cm土层小于10 cm土层的时间表现为CK＞I＞IM，不同类麦田越冬期至成熟期5 cm土层地温，I-5小于CK-5时间＞IM-5小于CK-5时间＞IM-5小于I-5时间，10 cm土层与5 cm土层趋势一致。籽粒产量表现为I＞IM＞CK，其中IM较I减产22.73%。水分利用效率I＞IM＞CK，灌溉水利用效率I＞IM。该项研究为消减气温升高提高产量而进一步开展覆盖技术体系研究及开发降低地温（气温）新型覆盖材料提供了理论依据。