为探究南方丘陵型灌区水稻的供水保障及粮食安全,收集马尾皂灌区长时间序列的逐日气象数据,以水稻生长期季内降雨量为对象,分析确定各典型年及其特征值;基于FAO Penman-Monteith方法、水量平衡法计算水稻作物需水量及田间净灌溉需水量;采用GIS技术分析灌区田块可供净灌溉用水量及供水保障空间特征;结合土壤含水率、作物测产试验,获得可供净灌溉用水量、土壤含水率及水稻产量相关关系。结果表明,以晚稻为例,平水年、中等干旱年、枯水年的田间净灌溉需水量分别为415、455、560 mm,枯水年可供净灌溉用水量与田间净灌溉需水量的比值在40%以下、40%~60%、60%~80%、80%以上面积分别占灌区总面积的26.11%、10.16%、13.33%、50.4%,粮食产量分别为0~200、200~300、200~300、400~500 kg/亩(1亩≈666.67 m²)。研究成果将为大中型灌区农业用水权确权及农业用水总量提供参考及借鉴。

为研究滴头端面倾角对滴灌管局部水头损失的影响,以内镶圆柱式滴头为研究对象,对滴头边壁端面进行改变倾角设计,设置15°、30°、45°和90°这4个水平,进行灌水试验和数值模拟。结果表明:滴灌管渐缩段和渐扩段流速及压力变化梯度随滴头端面倾角的减小而降低;通过量纲和谐原理及多元回归分析,构建了考虑滴头端面倾角的滴灌管局部水头损失计算模型,滴灌管局部水头损失与端面倾角余切值的0.706次方成反比;通过算例分析,管长60 m、滴头间距0.6 m,端面倾角分别为15°、30°、45°滴灌管较同规格端面倾角为90°的滴灌管局部水头损失分别降至原来的26.0%、44.7%、65.0%,滴头端面倾斜设计可显著降低滴灌管局部水头损失。研究结果可为滴灌设计及管网优化提供一定参考。

为了研究滴灌条件下覆膜对土壤通气性的影响,于东北半湿润区开展了玉米田间试验,设置不覆膜+施肥(NM)、覆膜+施肥(PFM)、不覆膜+不施肥(CNM)和覆膜+不施肥(CPFM)共4个处理,对滴灌条件下土壤氧化还原电位(Eh)进行了观测和分析。结果表明: 在小时尺度下,与不覆膜相比,覆膜可提高表层(0~10 cm)土壤氧化还原电位,表现为NM>PFM,差值为2.7~10.0 mV,提高了0.5%~2.0%。在耕作层(0~30 cm)内,覆膜措施对土壤氧化还原电位的分布均无明显影响,各处理土壤氧化还原电位的变化趋势一致,均随深度的增加而增大。覆膜与不覆膜条件下土壤氧化还原电位的生育期变化规律基本一致,随着生育期的发展逐渐降低。地膜覆盖可显著提高玉米生育前期耕作层的氧化还原电位,在拔节期和抽穗期,覆膜处理的Eh均明显高于不覆膜处理,差值为59.5~122.9 mV,提高了9.7%~22.8%。

农村供水系统受自然地理条件、水资源禀赋、经济发展水平区域差异的影响,部分地区农村供水工程抵御风险的能力相对较弱,在突发状况下可能出现断水、水质超标等供水风险。引入自然灾害风险理论,并从农村供水系统的致灾因子、孕灾环境、承灾体、防灾减灾能力4个方面构建了农村供水风险评估指标体系与评估模型,基于重庆市34个区县2020年农村供水工程信息,以区县为区域单元开展农村供水风险评估。根据各区县风险度计算结果,共划分低、中、高3个风险等级,中、高风险阈值分别为0.336 6及0.558 1。评估结果表明:5个区县(永川区、北碚区、万盛经开区、奉节县、涪陵区)属于低风险,主要分布在主城都市区;2个区县(巫山县、酉阳县)属于高风险,其中巫山县位于渝东北三峡库区,酉阳县位于渝东南武陵山区;其余27个区县属于中风险。风险评估结果可为重庆市农村供水风险预警与应对提供技术支撑。

气候变暖背景下,极端干旱、极端湿润事件频发对作物生长带来极大威胁,研究极端干湿事件(干旱/湿润)对农业生产的影响对于地区粮食安全和水资源管理有重要意义。以湖北省水稻种植区为研究区,利用归一化植被指数(NDVI)刻画水稻生长状况,基于1990—2020年32个气象站的气象资料和标准化降水蒸散发指数(SPEI),分析极端干湿事件时空变化规律,基于2000—2020年NDVI分析水稻长势变化及其对极端干湿事件的响应。结果表明: 1990—1999年极端干旱事件7次,2000—2009年4次,2010—2020年后2次,频次有所减少;极端湿润事件1990—1999年5次,2000—2009年2次,2010—2020年5次,频次无明显变化但面积有所增加;重要生长期(6—8月份)总NDVI呈现出显著增加趋势(p=0.012),增速为0.007 8/a,生长情况变化呈良好态势;整体上极端干旱、极端湿润事件对水稻长势都有负效应,NDVI与SPEI相关系数最高分别达0.418、-0.358。为应对极端干湿事件,相关部门应加强水稻重要生长期内的气象监测,提高抗旱涝能力,确保农业高产稳产。

为揭示不同水文年型下水肥调控对水稻生长及需水规律的影响,于2020—2022年在江西省灌溉试验中心站开展田间小区水肥调控试验。结果表明:①不同水文年型下间歇灌溉下的稻田灌水量、排水量、渗漏量、蒸散发量总体小于淹水灌溉,平均分别减少20.82%、3.93%、16.68%、6.77%;分蘖后期和拔节孕穗期蒸散发较大,占全生育期蒸散发的40.2%。②不同水文年型下水稻株高、分蘖数、叶面积指数(LAI)、干物质累积动态变化规律一致,施肥处理均大于不施肥处理,且施肥水平对产量有显著影响。③干旱年间歇灌溉下的水稻产量小于淹水灌溉,且水稻株高、分蘖数、LAI、干物质累积、水稻产量和蒸散发均受到了抑制。④干旱年平均灌水量大于丰水年和平水年,平均排水量、渗漏量、株高都小于丰水年和平水年,平均蒸散发量表现为2020年>2022年>2021年,平均分蘖数、叶面积指数、干物质累积、产量表现为2021年>2022年>2020年。

为了揭示不同覆膜模式下调亏灌溉对土壤温度、玉米生长和产量的影响效应,于2021年在兰州市永登县试验站基地开展玉米覆膜与调亏灌溉试验,设计覆盖普通白色地膜(M1)、黑色地布(M2)、生物降解膜(M3)、液态地膜(M4)4种覆膜模式,设置充分灌溉(D1)和轻度水分胁迫(D2)2种补充灌溉制度,共8个处理。以普通白色地膜覆盖结合充分灌溉(D1M1)为对照,分析各处理对土壤温度、玉米生长和产量的影响。结果表明:普通白色地膜(M1)增温效果最好,液态地膜(M4)增温效果最差;相同覆膜模式下,不同水分胁迫处理间土壤温度差异不显著。不同覆膜模式对玉米生长和产量等影响有所不同,轻度水分胁迫对玉米产量影响不显著,覆膜模式和水膜交互作用对玉米产量影响极显著(P＜0.01),表现为覆膜模式的影响大于水膜交互作用的影响。D2M1(白色地膜覆盖结合轻度水分胁迫)处理产量最高,为19 761.32 kg/hm²,显著高于其他处理。D1M3(生物降解膜覆盖结合充分供水)处理产量稍高于对照,考虑环境友好因素D1M3种植模式有利于灌区可持续发展。

准确的气象产量是正确评估气象条件对粮食产量影响的前提。为了探究湖北漳河灌区单季稻气象产量的时间序列变化规律,尝试通过三点滑动平均法、HP滤波法和一次指数平滑法、二次指数平滑法4种方法将漳河灌区1975—2020年的水稻单产数据分离为水稻趋势产量及气象产量,通过相关分析筛选水稻8个生育阶段的主要气象因子,然后与分离的气象产量构建水稻预测模型。结果表明:4种分割方法均能较好地反映气象产量序列与湖北省生产力发展水平的区域一致性特点,多年平均气象产量占总产量的比例约为3.39%,但2008年以后其占比达到10.1%。相关分析识别出抽穗开花期最低气温、拔节孕穗期最高气温、分蘖后期平均气温、返青期最低气温、乳熟期蒸发量和育苗最低气温是影响气象产量的主要因子,该模型在率定期(1976—2014年)和验证期(2015—2020年)的相对误差均在5%以内,模型的决定系数R²为0.994。预测模型有助于研究未来气候变化下的区域水稻产量的变化。

智慧农业发展背景下,农业信息化是农业发展的重要动力,研究农业信息化对农业产业结构升级的影响作用,对推动农业结构调整、促进农业产业结构升级具有现实意义。以中国省际面板数据为基础,引入农业信息化发展水平的二次项,探究其与农业产业结构升级之间的非线性关系,进一步采用面板平滑回归模型分析农业信息化与农业产业结构升级之间的门槛效应。结果表明:农业信息化发展水平对农业产业结构升级呈现“倒U型”影响,且“倒U型”的拐点为门槛值;结合我国农业发展实际情况,研究发现农业信息化水平的提升,将促进农业产业结构升级的发展,但随着农业信息化水平的逐步上升,该推动作用将会边际递减。

云模型可定量描述参考作物蒸散量(ET₀)的随机性和模糊性,基于云模型分析云南ET₀的时空变化,结果可为云南农业灌溉、水旱灾害等研究提供参考。以云南省31个气象站1958—2013年的逐日气象资料为基础计算ET₀,基于云模型并结合线性倾向、M-K趋势检验、偏相关分析等研究云南参考作物蒸散量及影响因素的变化特征。结果表明:1958—2013年,云南ET₀在时间和空间上分布不均匀,空间分布较时间变化更不均匀且不稳定。56 a间ET₀呈不显著增加趋势,2000年后ET₀显著大幅增加且分布极不均匀极不稳定;春季ET₀最大,冬季ET₀最小,冬春ET₀分散且不稳定;ET₀呈“中高东西低、南多北少”的空间分布和“西增中东减”的变化规律,滇中高值区ET₀变化不均匀且不稳定;湿度、日照时数和风速是影响ET₀的主要因素。

为了探究天地协同与深度学习的联合效果,利用灌区地面和遥感的天地协同序列观测数据,以降水、土壤湿度、地下水位历史观测量、哨兵-2遥感观测值作为地下水位的模拟因子,采用基于多层GRU网络的深度学习模型建立地面和遥感观测因子与地下水位的内在联系,进行灌区地下水位模拟的研究,并在南北方两处灌区研究区进行地下水位模拟试验和结果分析。试验结果表明,基于天地协同与深度学习的灌区地下水位模拟模型具有自行建立外界环境因素和灌区地下水位内在关系的能力,明显优于仅有地下水位观测值作为模拟因子的对比模型,具有较好的地下水位模拟效果,以及在不同地理环境下的模型适用性。该模型具有一定的应用潜力,能够为灌区的农作物种植和水资源管理提供决策信息支持。

为研究和分析河北省夏玉米水足迹变化规律,提高农业中水资源利用效率,基于水足迹理论和方法,选取河北省2002—2018年17个气象站点气象数据和相关农业数据,对河北省夏玉米水足迹时空演变规律和影响水足迹变化的因素进行研究。结果表明:研究期间,河北省夏玉米生产水足迹呈波动式下降,年平均值为759.03 m³/t;通过对比河北省夏玉米绿水足迹和蓝水足迹在枯水年2002年、平水年2003年和丰水年2013年空间演变特征,总体表现为研究年份绿水足迹值整体水平相当,蓝水足迹值差异较大;对选取的13个影响因子进行相关性分析后,得出蒸散量、有效灌溉面积与夏玉米生产水足迹呈显著正相关关系;夏玉米总产值与其呈显著负相关关系。研究成果对河北省农业水资源合理高效利用,优化夏玉米地域分布有参考价值。

为了优化农业管道输水灌溉中管网的组合方式,提高灌溉效益,节约灌溉成本,在不限定灌溉面积的假设下,以支、毛管的标准段数为决策变量,以系统允许的最大压力差和构成管网的最低管道数目为约束条件,以单位面积的管材成本最低为目标函数建立模型,采用支持向量机耦合遗传算法对模型进行求解,得到满足约束条件和目标函数的不同管径支管的标准段数最优组合。结果表明:当毛管双向铺设时,单位面积的管材成本达到最低,最低值为8 755.7 元/hm²,灌溉面积为24.15 hm²,管网水头差达到系统允许的97.6%~99.7%;与毛管单向铺设相比,每公顷的管材成本降低了6.5%,灌溉面积增加了103%。与已有文献相比,每公顷成本降低了5%,灌溉面积增加了23%。因此支持向量机耦合遗传算法可以较好地优化管网设计,为农业节水灌溉提供了可借鉴的依据。

为探讨外源腐殖酸对黏质农田土壤Cd活性的影响,选取2种典型腐殖酸,采用淋洗技术,通过测定农田土壤总Cd、DTPA-Cd、MgCl₂-Cd的含量,研究了2种腐殖酸及其淋洗时间对土壤Cd活性的影响。研究结果表明:2种腐殖酸处理后,土壤总Cd含量基本不变,土壤DTPA-Cd含量从0.421 mg/kg降低到0.313 mg/kg,MgCl₂-Cd含量从0.2 mg/kg降低到0.169 mg/kg;淋洗时间从1 d增加到5 d,土壤总Cd含量基本不变,土壤DTPA-Cd含量从0.325 mg/kg降低到0.265 mg/kg,MgCl₂-Cd含量从0.196 mg/kg降低到0.165 mg/kg。因此,2种腐殖酸均对黏质农田土壤镉有一定的去除效果。

以纯钛和2种不同钛合金(Ti-0.2Pd和Ti-6Al-4V)为基材,通过阳极氧化法制备了3种不同组分的钛基氧化物纳米管阵列。采用SEM,EIS,XRD,EDS,ICP,XPS和UV-Vis DRS等测试手段分析3种纳米管阵列的组装过程和性能。EDS和XPS测试表明Al和V以氧化物形式存在,其含量与初始基材基本一致。ICP测试确定了Pd的存在以及含量。3种纳米管阵列的光催化性能通过光催化降解硝基苯酚来测定。Al和V掺杂抑制了TiO₂纳米管阵列的光催化降解有机物性能,而Pd掺杂显著提高了纳米管阵列的光催化降解有机物性能。Pd掺杂不但可以增强光吸收性能,还能促进光生载流子的分离,而Al和V过量掺杂会引起结构缺陷并构成了复合中心,导致光生载流子难以分离。Pd掺杂的TiO₂纳米管阵列具有抗S毒化的特性和优良的循环性能。研究结果表明直接阳极氧化Ti-0.2Pd合金能制备出功能高效、适于环境领域应用的光催化材料。

气候变化改变了水稻的耗水过程和灌溉需水。基于高邮灌区历史气象资料(1955—2013年),利用稻田水量平衡和MK检验方法,分析了不同灌溉模式下稻田耗水与灌溉需水量的变化。结果表明:高邮灌区水稻全生育期积温随时间序列显著增加,而降雨量略有减少,但趋势不明显;不同灌溉模式下水稻需水量ET_c和渗漏量均随时间序列缓慢增加;节水灌溉模式能有效降低稻田耗水量;节水灌溉稻田灌溉需水量随时间序列缓慢降低,而常规灌溉稻田呈增加趋势,但趋势均不明显;节水灌溉模式能够有效降低稻田灌溉需水量,提高降雨利用率。因此,节水灌溉能够有效缓解气候变化给水稻种植带来的不利影响,是变化环境下灌区可持续发展的重要技术措施。

为了开展基于气温预报Hargreaves-Samani(HS)公式短期逐日参考作物腾发量预报评价分析,收集南京站2002—2013年逐日观测气象数据和2012—2013年预见期7 d的逐日天气预报数据,采用FAO-56 Penman-Monteith(PM)公式及2002—2012年气象数据计算逐日ET₀(参考作物腾发量),并对Hargreaves-Samani(HS)公式参数进行率定。采用率定后的HS公式开展2012—2013年预见期7 d的ET₀预报,并对预报结果进行精度评价和敏感性分析,结果表明:最低温度预报准确率要高于最高温度;校正后的HS公式各相关统计指标较好,HS公式ET₀计算校正值与PM公式计算值总体上一致,校正后的HS公式精度得到提高;ET₀预报精度随预见期增加而下降,且基于最低温预报的ET₀预报精度要高于最高温度;ET₀预报误差对低温预报的敏感性要小于高温预报,ET₀预报误差对夏季温度预报误差敏感性最大,而对冬季温度预报误差敏感性最小。

为准确模拟平原湖区土地利用变化对排涝模数的影响,选取湖北省四湖流域螺山排区作为研究区,利用构建的SCS-MIKE11耦合模型计算不同时期土地利用类型下的排涝模数,分析土地利用变化对排涝模数的影响,并通过设置不同水旱比、水面率和地面硬化率的组合,对土地利用变化条件下的排涝措施进行模拟优化。结果表明:在10 a一遇的1 d暴雨3 d排除和3 d暴雨5 d排除的标准下, 2011年土地利用方式下求得的排涝模数比1994年求得的排涝模数大,分别增加了159.3%和33.6%;在保持水旱比和水面率不变的情况下,地面硬化率每增加1%,1 d和3 d暴雨下排涝模数分别增加0.005 m³/(s·km²)和0.003 m³/(s·km²);在保持水旱比和地面硬化率不变的情况下,水面率每增加1%,1 d和3 d暴雨下排涝模数分别减小0.016 m³/(s·km²)和0.012 m³/(s·km²);在保持水面率和地面硬化率不变的情况下,水旱比每增加0.1,1 d暴雨和3 d暴雨下排涝模数分别减小0.004 m³/(s·km²)和0.003 m³/(s·km²)。因此,除了增加排涝泵站的排涝流量外,减少地面硬化率(例如采用透水路面)、增加水面率和水旱比也是除涝减灾的有效措施。研究成果可为土地利用变化条件下平原湖区排涝模数的确定和排涝措施的制定提供参考。

高效利用水资源已成为农业生产亟待解决的问题。为此,根据农业生态系统组成分析,影响农业用水效率的主要因素可以归纳为灌区的自然条件(气候、水资源条件、土壤质地)、灌区条件(包括类型和规模)、作物种植结构、灌溉工程措施、灌水技术、灌区基础设施和节水配套状况、灌区管理水平、经济政策和供水水价等几个方面。不同因素的影响机理是不同的,有些因素是可调控的,有些因素则短期内难以改变。重点分析了各因素对农田灌溉水有效利用系数的影响机理,同时从设施、制度、结构、技术等方面提出了提高农业用水效率的对策措施。

湖北省北部地区水资源短缺,有限降水难以满足水稻需水量,需要实施灌溉以补充水分。为此,根据长渠灌溉试验站水稻灌溉试验成果,基于ORYZA 2000模型构建了鄂北地区水稻生长模型。根据不同受旱阶段及受旱水平设置了多种受旱方案,利用构建的模型模拟分析了不同受旱方案水稻需水量和产量的变化规律。结果表明随受旱程度的增加,水稻需水量与产量呈现降低的变化趋势。在模拟成果分析基础上,根据最小二乘法原理,计算分析得到了Jensen模型中不同生育阶段敏感系数,构建了鄂北地区水稻水分生产函数,对指导当地水稻灌溉具有重要意义。