农田生态系统每时每刻都与大气进行着热量、水分与二氧化碳的交换，消耗可利用水资源的同时生产人类生存所需粮食。陆面模式能定量刻画土壤-植被-大气间能量、动量和水汽交换，但其应用受到参数不确定性的制约。选取禹城站与栾城站2个华北平原典型农业生态系统试验站，采用拉丁超立方抽样法（LHS）基于Sobol方差分析检测了Noah-MP模型的42个参数对潜热通量（LE）、显热通量（H）、净生态系统碳交换量（NEE）、第1层土壤含水率（SM1）及第2层土壤含水率（SM2）5个输出变量的全局敏感度，筛选出高敏感参数。结果表明：若不考虑敏感性指标的精确排序，为节约计算成本，拉丁超立方抽样法的抽样次数可以取为参数数量的5倍左右；对这5个模型输出而言，敏感参数在站点间及不同气孔阻抗的土壤水分限制因子参数化方案下的表现较为一致，主要包含5个植被相关参数（LTOVRC、QE25、MRP、VCMX25、SLA）和4个土壤相关参数（BEXP、SMCMAX、SMCREF、SMCWLT），而土壤参数SMCMAX、SMCREF、SMCWLT与BEXP的全局敏感度在华北平原的不同站点间变异性较大；对比禹城站，在更为干旱的栾城站应用不同的土壤水分限制因子参数化方案时，BEXP的全局敏感度发生显著变化，因此干旱地区应重视对土壤参数BEXP的校准。

作物生长相关性及其对水分胁迫的响应是建立物质分配模型，模拟作物生长的重要依据。利用山西省霍泉试验站夏玉米（4 a）和文峪河试验站春玉米（2 a）资料分析得出：玉米茎叶比、粒茎比和根冠比随发育时间分别呈S形、指数函数和幂函数曲线变化，霍泉茎叶比、粒茎比和文峪河根冠比的实测值与模拟值的相关系数均在0.8以上，拟合精度较高。两站6 a都受到了不同程度的水分胁迫，且水分胁迫大多发生在抽雄灌浆期。水分胁迫指数σ可以很好地描述作物生长相关性对水分胁迫的响应，其中春玉米根冠比受水分胁迫影响最大（σ值最大，为0.166），夏玉米（σ值为3.7×10^-3）和春玉米茎叶比（σ值为1.5×10^-4）受水分胁迫影响均较小，霍泉夏玉米粒茎比（σ值为0.065）的受水分胁迫影响较文峪河春玉米（σ值为1.0×10^-8）大。

为解决河西走廊地区文冠果种植中因水资源短缺和土壤盐渍化导致文冠果生长及产量不佳的问题，在滴灌条件下研究不同土壤基质势（SMP）水平对文冠果果园土壤水盐分布特征的影响，以期为该区文冠果滴灌灌溉制度的制定提供科学依据。田间试验于2021年5-9月在甘肃省张掖市（河西走廊中部地区）开展，选择幼树期（1 a生）和结果期（5 a生）文冠果果树，均以传统地面灌为对照，在滴灌条件下设置不同SMP阈值处理，其中幼树期为-10、-20、-30、-40、-50 kPa，结果期为-5、-10、-15、-20、-25 kPa。结果表明：①滴灌条件下文冠果果园土壤体积含水率随着SMP阈值的降低而减少。随着SMP阈值逐渐降低，幼树期文冠果生长季末根区土壤体积含水率分别为0.14、0.13、0.13、0.12、0.11 cm³/cm³，结果期分别为0.21、0.20、0.17、0.16、0.12 cm³/cm³。②经过一个生长季的滴灌后，各处理土壤饱和泥浆提取液电导率（EC_e ）均显著降低。随着SMP阈值逐渐降低，幼树期文冠果生长季末土壤EC_e 由灌溉前的5.45 dS/m分别降低为3.69、3.85、4.23、4.61 dS/m和5.00 dS/m，结果期由灌溉前的6.96 dS/m分别降低为4.47、4.87、4.83、5.59 dS/m和5.71 dS/m。③与传统地面灌溉相比，滴灌灌溉能够有效减少文冠果根区土壤积盐，更有利于形成适宜作物生长的根区水盐环境。综合考虑文冠果耐盐性及水分利用效率，建议河西走廊地区文冠果滴灌种植时，幼树期SMP阈值控制在-30 kPa，结果期SMP阈值控制在-20 kPa。

研究准确快速探测土壤含水率的方法，对实现农业生产灌溉、生态修复等具有重要的现实意义。通过物理实验获得不同土壤含水率的探地雷达信号，以AR功率谱为理论模型计算雷达信号功率谱并提取功率谱属性参数，利用互相关方法优化选择功率谱属性参数，将功率谱属性参数作为输入样本使用BP神经网络进行土壤含水状态预测。实验结果表明：基于探地雷达功率谱属性参数与BP神经网络相结合的土壤含水状态预测方法对土壤含水状态识别的准确率为96.3%，其土壤含水率反演结果与实际含水率的平均绝对误差为1.2%，均方根误差RMSE为0.015；在野外实测中利用该方法对16组土壤富水性识别出现1次错误，对土壤含水率反演的绝对误差和相对误差分别在3%、10%以内。该方法对土壤含水检测具有较高精度，预测误差较小，对土壤含水率快速探测具有一定参考意义。

为了探究干旱胁迫及复水条件下，冬小麦叶片生理指标和光合特性的变化规律，选用‘济麦22’为研究对象，在拔节期开始时以正常补水量的80%、50%、25%和0% 4个水平条件进行一次性灌水，之后不再补水，进入开花期后统一复水，并以正常灌溉管理的冬小麦作为对照，测定不同时段各处理冬小麦叶片抗氧化酶的活性、丙二醛（MDA）的含量，以及叶片的光合参数。结果表明，干旱胁迫条件下，冬小麦叶片超氧化物岐化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性和丙二醛（MDA）含量明显升高，冬小麦光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、细胞间隙CO₂浓度(Ci)和叶片水分利用效率（WUE）呈下降的趋势，气孔限制值（Ls）呈升高的趋势，并且干旱胁迫程度越重，变化幅度越大，在达到特旱条件时，SOD值、CAT值较其他处理略有降低，Ci值略有升高，Ls值略有降低。复水后的冬小麦产生补偿效应，干旱胁迫较轻的处理各项指标均能恢复到正常水平，而干旱胁迫较重的处理未能恢复到正常水平。

运用博弈论对中国小型农田水利设施建设资金供给主体的行为逻辑进行分析，探究当前中国小型农田水利设施建设资金供给困境的主要成因：一是各个供给主体追求的目标存在冲突，二是地方政府与农户进行小农水设施建设时的成本大于收益。在此基础上，依据组织行为学的激励→行为→目标范式，构建一种新型资金供给机制，提出“使用权按资分配”和“水利补贴”的激励机制，让产权激励经组织传导至个人，并给予具体实施建议。

以黄河流域为研究对象，基于地理变量相互关系法筛选了与灌溉用水强相关的地理变量，利用卷积神经网络实现了2000-2013年黄河流域内灌溉用水的空间分布式模拟，采用均方根误差、纳什效率系数与相对误差3个指标对模拟的灌溉用水量进行精度评价。结果表明：在空间集聚性上，2000-2013年均表现出正向的集聚性，且有随时间下降趋势；在时间演变规律上，不同地区的年均变化率不同，在山西晋城年增长率最高为12.14%，在甘肃甘南藏族自治州年减少率最高为-5.49%；在精度上，模型精度较高，误差在可接受范围内。

针对传统普通地膜对环境和土壤的危害，以新型环保材料地膜覆盖与普通覆膜进行比较，以期为覆膜栽培的可持续发展提供参考依据。设置了生物降解膜（M3）、液态地膜（M4）、黑色地布（M2），并以普通白色地膜（M1）作为对照，共4个处理，进行大田试验。试验结果表明，不同覆膜材料在一天不同时间的增温效果不同，随着生育期推移，不同覆膜温差逐渐减小，生物降解膜在苗期增温效果显著。覆生物降解地膜的土壤含水率在玉米抽雄期前与普通白膜差距较小，具有良好的保墒作用。不同覆膜材料对土壤理化性状的影响不同，对速效钾的影响最显著，各覆膜处理速效钾的含量在各层都表现为M4＞M2＞M3＞M1；对速效磷的影响主要在0～10 cm层；对全磷的影响不显著。覆生物降解膜的籽粒产量为14 294.56 kg/hm²，与覆普通白膜差异不显著。覆液态地膜产量最低10 535.64 kg/hm²，与生物降解和普通白膜差异显著。覆盖生物降解膜的耕层土壤营养环境与玉米产量均较优，是甘肃中部地区玉米种植中适宜的覆盖材料。

及时准确地监测土壤含水量对区域精准灌溉和水资源管理至关重要，图像识别技术以其简单、快速的优势成为获取土壤含水量信息的有效手段。通过室内控制试验，利用手机相机采集了粗砂、细砂、粉砂质壤土、壤质黏土和粉砂质黏土等5种土壤不同含水量的图像，分析红（R）、绿（G）、蓝（B）、色调（H）、饱和度（S）、亮度（V）和全色灰度值（DN）等7种颜色特征参数与土壤含水量的关系，选取RGB颜色空间的R、HSV颜色空间的V和全色图像的特征参数DN为输入项构建了支持向量机土壤含水量反演模型。结果表明：各颜色特征参数与土壤含水量之间存在不同的非线性关系，其中仅有S与土壤含水量呈现正相关关系，其余特征参数与土壤含水量均呈现负相关关系。在RGB颜色空间，相关性表现为R>G>B，在HSV颜色空间，相关性表现为V>H>S，全色图像的特征参数DN与含水量之间的相关性仅小于R和V。相比于同类型研究提出的多元线性模型（R ²为0.600~0.990，RMSE为1.100%~8.000%），建立的支持向量机土壤含水量反演模型的R ²为0.986~0.997，RMSE为0.402%~0.911%，MAE为0.339%~0.831%，展示出更高的预测精度和稳定性，为获取土壤含水量提供了一种新方法，可为农田灌溉管理和水文循环等领域开展土壤含水量监测提供技术支持。

为有效提高番茄种植水肥利用效率，促进作物生长，提升番茄产量及品质，以番茄为研究对象，设置3个灌溉水量（100% E _p、75% E _p和50% E _p，E _p为作物蒸发蒸腾量，分别用W100、W75和W50表示）和3个硅肥施加量（0、1、2 mmol/L，分别用Si0、Si1和Si2表示）共9组处理，分析亏缺灌溉条件下增施硅肥对番茄生长发育、产量及品质的影响。结果表明，W75Si1、W100Si2、W75Si2处理的株高、茎粗和叶片干物质量最大，生长发育最佳，产量最高，株高、茎粗、叶片干物质量和产量均随着灌溉水量和施硅量的增加而增加，且灌溉水量和施硅量及其交互作用对株高、茎粗、叶片干物质量、水分利用效率（WUE）及产量影响显著（P<0.05），水分利用效率随着硅肥的增加和灌溉水量的降低而增加；番茄红素、可溶性糖和可溶性固形物均随灌溉水量的增加呈现出上升趋势，维生素C随硅肥的增加呈现出现先增加后下降趋势；施硅处理在促进番茄生长发育、提高产量和促进番茄红素合成的同时，也抑制了维生素C、可溶性糖和可溶性固形物含量的形成。隶属函数法表明，W75Si2处理能够提高水分利用效率，促进番茄生长，提升产量及品质，是试验条件下最优的灌溉方式。

为揭示寒地黑土稻田节水灌溉减施氮肥配施生物炭对基肥、蘖肥、穗肥、氮肥总有效率和损失率的影响，以及土壤氮素盈亏状况。设置4个施氮量水平(110、99、88、77 kg/hm²)和4个生物炭施用水平(0、2.5、12.5、25 t/hm²)，采用¹⁵N示踪技术，以不施生物炭加110 kg/hm²氮肥处理作为对照，研究节水灌溉减施氮肥配施生物炭下基肥、蘖肥、穗肥、氮肥总有效率和损失率。试验结果表明：适量施加生物炭可以提高0~20 cm土层中基肥-¹⁵N、蘖肥-¹⁵N、穗肥-¹⁵N、肥料-¹⁵N的总残留量和残留率。合理的减施氮肥配施生物炭提高了基肥、蘖肥、穗肥和氮肥总有效率以及稻作产量，降低了基肥、蘖肥、穗肥和氮肥总损失率，而过量地减施氮肥或施加生物炭降低了基肥、蘖肥、穗肥、氮肥总有效率以及稻作产量，同时增加了相应的损失率。综合考虑，减施氮肥20%配施12.5 t/hm²生物炭的处理最优。

探究地区气温、降水等气候资源变化特征，可为气候变化下农业生产规划布局和气象灾害防御提供科学依据。利用1960-2020年海南岛7个气象站逐日气象资料，采用气候倾向率法、Mann-Kendal（MK）检验和Morlet小波分析等方法，对海南岛近61 a气温、降水及参考作物蒸散量（ET ₀）的时空变化趋势进行了系统分析。结果表明：在时间上，海南岛年平均气温以0.22 ℃/(10 a)的速率显著上升，年平均降水量以33.66 mm/(10 a)的速率不显著增加，ET ₀以-0.30 mm/(10 a)的速率轻微下降。MK检验表明气温序列未发生突变，而降水和ET ₀序列存在突变现象。小波分析表明气温存在55 a的变化主周期，降水和ET ₀存在56 a的主周期。在不同季节，气温均显著上升，降水和ET ₀的变化趋势不显著。在空间上，海南岛气温以中部琼中为低值中心向周边沿海地区增加，东南部气温整体高于东北部；降水量以中部琼中为中心向周边沿海地区减小，ET ₀呈从东北向西南递增的趋势。研究表明近61 a海南岛气候呈现暖湿化趋势，对全球变暖响应显著。预测未来几年气温、降水和ET ₀将处于偏低期，这将对该地区农业生产和生态系统等产生影响。

为了解拉萨河谷喷灌不同灌溉量对小黑麦生物量与品质的影响，以拉萨市小黑麦为研究对象，设置6个灌水处理，分析不同处理生长、生物量和品质指标的显著性；并基于熵值赋权法改进的灰色关联理论模型对各指标进行综合分析。刈割后各处理与充分灌溉对比分析，苗期—越冬期缺水小黑麦的根长、SPAD和越冬率分别显著减少10.5%、12.9%和5.5%；返青—拔节期缺水小黑麦的SPAD显著减小14.9%，粗蛋白显著减小13.8%；拔节—抽穗期缺水小黑麦的株高、LAI、SPAD和生物量分别显著减少23.5%、44.0%、13.2%和22.4%；抽穗—刈割期缺水小黑麦的LAI、SPAD和生物量分别显著减小24.0%、4.5%和23.8%。拔节—抽穗期为小黑麦的需水关键期，该时期缺水对生物量和品质影响最大，应充足水分灌溉；拔节期前缺水对其生物量和品质影响较小；抽穗—刈割期虽正值拉萨河谷雨季，但应适量补灌有利于确保小黑麦高产稳产。充足水分灌溉会造成水资源浪费导致水分利用效率较低，而中等水分灌溉性价比最高。各灌水处理综合分析，灰色关联度从高到低排序为：中等水分＞充足水分＞抽穗—刈割期缺水＞苗期—越冬期缺水＞返青—拔节期缺水＞拔节—抽穗期缺水。拉萨河谷小黑麦，以75%田间持水量为下限，100%田间持水量为上限，进行15次喷水灌溉，灌溉量352 mm，生物量最高；以65%田间持水率为下限，100%田间持水量为上限，进行10次喷水灌溉，灌溉量319 mm，综合品质最高。

塔布河是内蒙古高原西部流域面积最大的内流河，也是北方生态屏障核心区，研究其水源供给服务对当地农牧业发展和生态环境保护具有重要意义。基于InVEST模型和情景分析法，揭示近20年塔布河流域产水量的时空格局及其对降水量变化和土地利用变化的响应规律，定量评价退耕还草工程对研究区水源涵养的影响。研究结果表明：2000-2020年，塔布河流域土地利用以耕地向草地转变为主，退耕还草显著促进产水量的增加；塔布河流域产水量年际呈波动减少趋势，多年平均产水总量为7 752 万m³，多年平均产水深度为8.63 mm；在空间上产水量整体为南多北少，山丘区产水量显著大于山间盆地平原区和一般平原区，产水量显著增加的类型是草地；流域产水量受降水变化影响较大，受土地利用变化影响较小，在月季尺度上与气温和潜在蒸散量存在较为明显关系。

灌区支斗两级渠道是灌区渠系配水由续灌转为轮灌的关键衔接部分，对实现灌区渠系优化配水和提高渠系水利用系数方面具有重要作用。建立了灌区支渠和斗渠两级渠道优化配水0-1规划模型，在分析利用离散二进制粒子群算法（BPSO）和遗传算法（GA）的优缺点基础上，研究提出了混合二进制粒子群算法（GA-BPSO），应用MATLAB对BPSO算法和GA-BPSO算法进行编程计算，并通过应用案例进行检验分析。研究结果表明，GA-BPSO算法比BPSO算法效率更高，其中GA-BPSO算法在迭代大约12代左右时可得到案例的最优解，而BPSO算法则在21代左右得到最优解。GA-BPSO算法在支斗两级渠系优化配水中具有快速收敛性，该算法还有进一步优化提升的空间。

降低工作压力已被广泛认为是最有效的减少滴灌系统维护和运行成本的方法之一。然而，使用高含沙水、回用水和微咸水等劣质水会增加灌水器堵塞的风险，因此探索了低压灌溉的可能性。使用高含沙水作为滴灌水源，分析了4个压力水平（50、80、100和130 kPa）对迷宫流道灌水器防堵塞性能的影响，并测量了灌水器中保留淤积泥沙和排放淤积泥沙的粒径分布。结果表明，工作压力对灌水器的防堵塞性能有显著影响。当工作压力低于80 kPa时，滴灌头中的淤泥积累速度更快（最终累计量达52.31 mg），灌水器的堵塞过程加速，防堵塞性能显著降低，灌水器在运行10.92~12.78 d后出现整体堵塞。工作压力大于80 kPa时，滴头抗堵塞能力逐渐降低，系统在运行17.87~27.96 d后，灌水器出现突发性堵塞。灌水结束后，灌水器中淤积泥沙V10（6.61~8.29 μm）和V25（13.54~20.93 μm）的含量呈下降趋势，平均粒径增加了12.41%~23.77%，且受工作压力影响较小；而增加工作压力有利于减少灌水器内V50（31.64~56.31 μm）的泥沙占比（下降约13.12%），粗颗粒泥沙V75（51.82~78.25 μm）、V90（80.76~118.13 μm）在4种工作压力下均不易排出流道，且在较小的工作压力下容易粘结成为更大的颗粒增加灌水器堵塞风险。工作压力对灌水器排出粗颗粒泥沙的影响较大，对微小泥沙的排出影响较小。因此，在高含沙量的滴灌系统中，迷宫流道灌水器在低压灌溉时的工作压力应控制在80 kPa以上。