多水源灌区节水农业技术研究

太原理工大学工程硕士研究生学位论文摘要 I目录 V第一章绪论 11.1选题的背景及意义 11.1.1我国水资源现状 11.1.2我国农业用水现状 21.1.3农业水资源利用中存在的主要问题 21.2国内外节水灌溉技术的发展概述 31.2.1国外节水灌溉技术发展概述 31.2.2国内节水灌溉发展概述 31.3本文的研究内容、技术路线及研究方法 51.3.1项目研究区的确定 51.3.2研究内容 51.3.3技术路线 51.3.4研究方法 6第二章 项目区基本情况 72.1自然概况 72.1.1地形地貌 72.1.2自然资源 72.2水利工程概况 82.2.1渠灌工程概况 82.2.2井灌工程概况 92.2.3排水工程概况 92.2.4节水工程概况 92.2.5灌溉用水概况 102.3农业生产及社会经济概况 102.3.1农业生产概况 102.3.2社会经济概况 112.4水资源可持续利用与节水增产方略概况 122.4.1水资源可持续利用概况 122.4.2节水农业技术发展方向与对策概况 132.4.3提高粮食产量途径概况 15第三章项目区节水农业试验研究 173.1节水抗旱作物新品种的筛选 173.2作物水肥耦合关系及合理灌溉制度研究 183.2.1冬小麦农田水量平衡与消耗规律分析 183.2.2冬小麦水分生产函数研究 253.2.3冬小麦水肥耦合关系分析 303.2.4灌溉水资源优化配置中几个基本问题的探讨 343.2.5作物非充分灌溉制度优化的模拟模型 383.2.6示范区主要作物节水灌溉制度 413.3作物高效用水集成模式研究 423.3.1冬小麦玉米组合种植管灌高效用水模式 423.3.2大棚蔬菜滴灌高效用水模式 433.3.3大田作物管灌高效用水模式 443.3.4大田蔬菜覆盖微喷高效用水技术 45第四章井渠结合节水农业技术体系及其评价体系 474.1现代节水农业技术的内涵与目标 474.2井渠结合的节水农业技术体系 474.3节水农业技术评价体系研究 494.3.1节水农业技术效益评价指标 494.3.2节水农业技术评价指标体系 514.3.3节水农业技术评价结果与分析 52第五章结论 55参考文献 57致谢 59攻读硕士期间发表的主要论文 60PAGE60第一章绪论1.1选题的背景及意义水资源问题是全世界普遍关注的问题，它不仅影响、制约现代社会的可持续发展，而且将成为本世纪全球资源环境的首要问题。随着世界人口的增长和经济的发展，水资源将严重不足。全世界26个国家约2.32亿人口已经面临缺水，另有4亿人口用水速度超过水资源的更新速度，世界上约有1/5人口得不到符合卫生标准的淡水[1-3]。占世界人口40%的80多个国家，其淡水供应短缺已成为限制其经济社会发展的重要因素，预计在20~30年内淡水拥有量不足的人口数将达到15亿[4-5]。从古至今，人类的各项活动都离不开水，水作为一种不可替代的自然资源，为人类的基本生存提供了必不可少的条件。水资源是一种战略性经济资源，更是一个国家综合国力的重要组成部分，在国家经济和民生中起着举足轻重的作用。但如今随着世界人口和经济的增长，人类对自然资源过度开发，导致水资源不断遭到破坏，再加上基础设施投入严重不足等因素的影响，水资源的供应量已经远远不能满足人类生产和生活的需要，这严重制约了社会和经济的正常发展，如今水资源短缺问题已经受到世人的密切关注，成为21世纪亟待解决的全球性问题。1.1.1我国水资源现状我国是一个缺水国家，水资源短缺正在日益成为制约我国经济发展、人民生活提高及生态环境改善的重要因素。我国水资源总量2.8万亿m3，居世界第四位。但人均水资源量为2200m3，仅相当于世界人均占有量的1/4，被联合国机构称为处于严重缺水的边缘。预计到2030年，我国亩均水资源1900m3，相当于世界亩均占有量的4/5。而到那时，我国人口将达到16亿，人均水资源的占有量却将仅为1700m3，接近世界公认的缺水警戒线[3]。而且我国水资源在时空分布上也很不均匀，同时水资源在空间上的分布也与土地资源分布极不匹配，普遍存在着南丰北枯的现象，华南地区年降水量为1400~2000mm，而北方地区年降水量却少于800mm。黄河、海河、淮河三流域，土地面积占全国的13.4%，耕地面积占64.1%，人口占35%，而水资源占有量仅为7.7%，人均年占有量约为500m3，是我国水资源最为紧张的地区。而且水资源在时间上的分布也十分不均，江水过于集中，一般地区每年汛期（一般3~4个月）降水量占全年的70%左右，这意味着将有大部分水量形成洪水径流而流失[4]。同时，北方干旱地区年蒸发量约为1500~1.1.2我国农业用水现状我国是农业大国，农业用水比重过大，全国平均为73%，而发达国家平均为50%，农业与其它各行业用水矛盾十分突出。长期以来，由于技术和管理水平落后、灌溉设施老化失修等原因，目前我国灌溉水的利用率仅为45%左右,与发达国家80%的利用率相差甚远，农业节水潜力很大。节水灌溉是提高农业用水有效性的关键，它是科学进步的产物，也是农业持续发展的重要内涵[6-11]。根据预测，我国将在下个世纪中叶出现人口高峰值,突破16亿人。按人均每年400～440kg粮食计算，人口高峰时的粮食需求量为6.4～7亿t。因此，在未来的半个世纪内，我国粮食产量必须在现有5亿t左右产量的基础上再提高1.4～2亿t,才能基本满足人口增长和生活水平提高的粮食需求。水和土地是粮食生产的战略资源，在我国尤其如此，农作物生产中灌溉面积上的生产占有举足轻重的作用，近80%的粮食产于灌溉农田。根据联合国粮农组织发布的《生产年鉴》分析，虽然中国耕地面积只占世界总耕地的7%，人均耕地也不足世界平均水平的1/3，但是中国灌溉面积却占了全球灌溉面积的21%，人均灌溉面积与世界平均水准相平。由此可见，中国农业发展前景很大程度上依赖于灌溉面积的发展，而粮食安全则与水资源利用紧密相关[12-19]。1.1.3农业水资源利用中存在的主要问题目前在水资源利用中存在的主要问题是：一是重视水利工程建设，轻视农业水资源管理。一些先进的农业节水技术和现代化的管理措施得不到大面积推广，大部分灌区灌溉水利用率低、灌水定额偏大，造成水资源的大量浪费；二是对农业生态环境重视不够。井灌区出现大面积的地下水位下降漏斗区，全国已经出现了56个地下水区域性下降漏斗，总面积大于8.2万km2。三是灌溉工程老化不配套，灌溉面积下降[20-22]。针对目前农业生产及农业水资源利用中存在的主要问题，本课题选取了典型的井渠结合灌溉灌区，就华北半湿润偏旱井渠结合灌区普遍存在的水资源利用不合理、水环境恶化、节水措施单一、节水效果得不到充分发挥、灌溉效益不高等一系列问题进行技术研究和探索，将对农业生产的进步、经济的可持续发展和水资源的可持续利用发挥重要作用，同时对类似地区也有重要的指导意义。1.2国内外节水灌溉技术的发展概述节水灌溉是根据作物需水规律及当地供水条件，为了有效的利用降水和灌溉水，获取农业的最佳经济效益、社会效益、生态环境效益而采取的多种措施的总称[23]。其最终目的是以最少的水量消耗获取尽可能多的农作物产量、最高的经济效益和生态环境效益。1.2.1国外节水灌溉技术发展概述近年来，许多学者进行了水资源优化配置研究[24-28]。经过不断发展和研究，逐步发展到喷灌、微喷灌、滴灌、渗灌、涌泉灌等节水高新技术。采用节水和节能的灌水方法是当今世界灌溉技术发展的总趋势。目前发达国家的管道输水技术应用已十分广泛，美国早在20年代就已应用管道输水技术，低压管道灌溉面积已占总灌溉面积的50%；日本已有30%的农田实现了地下管道灌溉，并且管网的自动化、半自动化给水控制设备也较完善；以色列、美国、瑞典等国也已有90%的土地实现了灌溉管道化[30-33]。第二次世界大战以后，西方国家经济恢复很快，喷灌技术和机具设备的研制也得到了迅速发展。在美国干旱的西部17个州喷灌得到了广泛使用，1996年美国喷灌面积达到了1082万hm2，占全美国灌溉面积的44%，其中圆形和平移式大型自走喷灌机的喷灌面积占全国喷灌面积的64%；罗马尼亚的喷灌面积占全国耕地面积的80%以上，绝大部分是移动管道式喷灌。滴灌技术随着塑料工业的发展而不断进步。20世纪50年代末期，以色列研制长流道滴头成功，使得滴灌系统在技术上有了显著的进展。到20世纪60年代滴灌系统已发展成为一种新型的系统，在美国、澳大利亚、墨西哥、英国、法国、意大利及中东地区、南非地区逐步得到推广应用。以色列是世界上滴灌领域的主导者，60％的农田使用滴灌技术；以色列回收水用于农业的比率世界最高，城市污水总量的70％被回收用于农业；以色列拥有水设备发展的前沿技术并提供多种多样的先进设备。世界上节水灌溉比较发达的国家，都是根据各自的国情，综合考虑社会、经济、资源、环境和技术因素，采取适合本国特点的农业高效灌溉措施[34-36]。1.2.2国内节水灌溉发展概述我国农业灌溉历史悠久，但旱田是大水漫灌，水田是串畦淹灌的传统灌水方法，不但浪费了大量水资源，同时，还严重影响着农作物产量。1950~1970年这20年间，我国基本上是充分灌溉的节水灌溉发展阶段，主要是开发新水源、建设新灌区和改建扩大旧灌区，采取渠道防渗技术，健全渠系建筑物，划小畦块，平田整地，按作物需水量进行灌溉，以及加强灌区管理，合理配水等节水措施。50年代末期我国开始从国外引进先进的节水灌溉技术和设备，但这时期推广使用的喷灌设备主要是柴油机或电机带动的单机单喷头的手台式或小推车式的轻小型喷灌机。70年代喷灌技术在我国受到普遍的重视，从而推进了我国喷灌技术的发展。到了80年代，在喷灌方面，我国已经具备了自己的一整套设备和技术，为喷灌的大面积推广创造了条件[37]。我国从1974年引进滴灌，在20世纪90年代后期开始得以较快发展，但其对技术要求比较高，投资也比较大，使得其在我国推广应用较少。截止2008年底，全国灌溉面积9.62亿亩，全年净增灌溉面积1061万亩；全国农田有效灌溉面积8.77亿亩，占耕地总面积的48%，全年净增农田有效灌溉面积1035亩。全国节水灌溉面积3.67亿亩，全年净增节水灌溉面积1421万亩。其中，渠道防渗节水灌溉面积15672万亩，占42.8%；低压管道输水灌溉面积8810万亩，占24%；喷微灌面积6107万亩，占16.7%；其他节水灌溉面积6066万亩，占16.5%。万亩以上灌区固定渠道防渗长度所占比例18.6%，其中干支渠道防渗长度所占比例35.1%。2008年全国灌溉用水量为3729.9亿m3，大型灌区灌溉用水量占总灌溉用水量的比例最高，达35.4%，中型、小型、井灌区的灌溉用水量分别占总灌溉用水量的25.6%、26.7%和12.3％。全国亩均灌溉用水量423.7m3。综上所述，可以看出，我国灌溉水利用率相对较低，水的利用系数仅为0.47。按现状估计，灌溉用水利用率提高一个百分点，可节约用水80亿m3。因此，大力发展节水灌溉，提高灌溉水的利用效率是缓解我国水资源紧缺状况、促进社会经济可持续发展的最有效、最根本的途径。1.3本文的研究内容、技术路线及研究方法1.3.1项目研究区的确定晋中市是我省农业生产的主产区之一，其土地资源较好，但水资源极为匮乏。随着经济与社会的发展，水资源矛盾更加突出，传统的地面水源已不能保证灌溉的需求，从上世纪70年代开始，大量开发地下水用于灌溉，形成了多水源（河井双灌、井渠结合）的灌区。在这样一个地区开展节水农业技术研究，实现有限水资源条件的最大农业产出是非常必要的。所以本项目的研究试验区确定在晋中市范围内。1.3.2研究内容本文研究内容包括：(1)主要作物节水抗旱品种的筛选针对项目区的主导作物玉米和冬小麦，通过文献调研、小区试验、产量调查，对不同品种的产量、水分利用率进行分析，筛选适合于本项目区的冬小麦、玉米抗旱品种；(2)主要作物水肥耦合关系及合理灌溉制度研究以节水增产、增效为目标，进行坑测水肥生产函数试验及模型研究；在此基础上，制定主要作物的合理灌溉制度；(3)作物种植模式研究通过小区试验，比选主要作物的复播、间作、套种农作制度与种植模式；(4)选择适合晋中市井渠结合灌溉类型区的多种节水技术，以节水高效为目标进行技术集成组合，对所选定的典型组合进行田间示范，对产量、投入、效益等进行测试。提出各种技术集成组合形式的投入产出效益关系。1.3.3技术路线本文的技术路线如下：1.调查、筛选国内外与本课题技术集成有关的先进成熟技术，以农业高效用水和水环境改善为最终目标，拟定技术上可行，经济上合理、实用、简单而又具有超前性的技术集成方案、试验方案等；2、以既定的技术指标为目标，按试验方案对重点技术进行小区试验，实现各项技术达标或优化，为总体技术集成提供具体的技术支持；3、按照所拟定的技术集成方案，组合装配，进行技术集成试验和效果观测，实现技术集成。同时对各项集成技术有关的设备、设施进行引进、完善、配套和应用。形成可实施的、成龙配套的综合集成技术。1.3.4研究方法本试验采用理论与试验相结合、小区试验与大田示范相结合、软件和硬件措施相结合的方法进行研究。项目区基本情况2.1自然概况2.1.1地形地貌该项目区位于太行山脉西麓，属洪积倾斜平原地貌和冲积平原地貌，由潇河洪冲积物堆积而成。其东部边界与洪积倾斜平原相连。区内地形平坦，起伏不大。海拔高程在776m～803m之间。地势东高西低，由东北向西南倾斜，平均地面坡度1/1000，东西向坡降略缓于1/1000。由于长期引洪淤灌的结果，区内微地形起伏较大，多数地带形成了洪灌渠道地形高、向南两侧微倾斜的微地形。经实测，耕地南北向地面坡度在1/350～1/1500之间变化。2.1.2自然资源1）光热资源该项目区气候属温带大陆性半干旱气候，四季分明，光热资源丰富。总的气候特征为：冬季漫长，干冷晴朗；春季升温快，日温差大，干旱多风；夏季多雨；秋季短暂，天高气爽。一年四季气候分明，昼夜温差大。全年平均气温9.3℃，0℃以上，积温3988℃，10℃以上积温为3590.6℃。年均无霜期约171天，终霜日出现在4月下旬，初霜日出现在10月上旬。平均日照时数2639.5小时，作物生长季节太阳辐射的日照相当充足，且与高温多雨相结合，为农作物进行光合作用提供大量能源，光能利用潜力很大。年平均风速2.9m/s，风速的变化特点是：1～3月份为风速加大阶段，4月份达到最大值，5月份以后风速减小，9月份最小；风速的日变化周期也十分明显。2）土壤该项目区位于太行山西侧河流潇河、黑河和涧河下游的倾斜平原和冲积平原地带，土壤物质为河流洪积和沉积物及黄土状堆积物。受地形、母质、地下水位等因素的影响。主要分布有草甸土和褐土两种主要类型的土壤。土壤耕作层深度一般为20～25cm，质地粘壤到中壤。代表性土种为耕冲重壤质浅色草甸土，全剖面质地多为重壤或粘土，有时底土可出现壤质层次，出现部位较深。土壤粘粒比表面积大，粒间排列密实，毛管孔隙多，非毛管孔隙少，通气透水性差，好气性微生物活动受到抑制，有机质分解慢，田间持水量大，保水抗旱力强。耕层土壤肥力好，典型剖面土壤（0～20cm）的有机质含量0.97%，全磷含量0.049%，全氮含量0.069%，PH值8.2。3）水资源该项目区所处潇河灌区，流域共有大小河流12条，分别是潇河、涂河、龙门河、圪塔河、牛耕河、麻海河、涧河、黑河、白龙河、泉子河、河口河、涑水河，据榆次市水资源管理委员会的资料，该井灌区所在地榆次区水资源总量为13118万m3，其中地表水资源总量为5400万m3，地下水资源总量为9416万m3，重复量为1698万m3。人均占有水资源量为290万m3，只有全国占有量的12.6%，全省人均占有量的62.2%。亩均拥有水资源量为193m3，只有全国亩均占有量的10.7%，全省亩均占有量的77.8%。此外，还有榆次城区经处理的污水500万m32.2水利工程概况2.2.1渠灌工程概况该灌区属潇河灌区范围，渠灌灌溉水源的主体为潇河来水。潇河系汾河的第二大支流，发源于昔阳县沾尚乡马道岭，流经寿阳、榆次、太原的小店、清徐等市县，在太原市小店区洛阳、南马村间汇入汾河，全长137km，流域面积3720km2。潇河灌区取水枢纽位于榆次区东南源涡村，属于低坝引水枢纽。枢纽之上流域面积3090km2。潇河多年平均径流量13100万m3，年平均实际引用量2800万m3。该灌区渠道引水枢纽工程兴建于1951年，1962年又修复改造。枢纽由混凝土滚水坝、南北冲沙闸及南北引水闸组成。滚水坝全长347.2m，坝高3.25m，南、北冲沙闸各5孔，每孔净宽4.0m,总设计泄洪量500m3/s。南北进水闸设计引水流量分别为22.91m3/s和潇河灌区以潇河为界分为南北两个灌区。南岸灌区为民生灌区，北岸灌区为民丰灌区。本课题所选灌区位于潇河北岸的民丰灌区上游，属北干二支、三支、四支及中三支的灌溉范围。北干渠长17.4km、设计引水流量17.10m3/s、梯形断面、防渗长度13.25km，防渗段完好率36.39%（4.81km）。5条支渠总长度53.95km，其中防渗长度7.16km，完好防渗长度2.99km，完好率为41.8%；斗渠75条，总长138.2km，农渠446条，总长359.40km潇河灌区具有悠久的灌溉历史，灌溉渠系完整，干、支、斗、农、毛五级灌溉渠系配套。由于骨干渠系建筑物多数修建于20世纪50年代，部分年久失修，老化严重，设备破损，在行水过程中常出现阻水、启闭不灵等现象，影响了灌区的正常输水，造成水资源的浪费。2.2.2井灌工程概况截止目前，灌区共有灌溉机井451眼，其中出水量大于30m3/h的机井110眼，占24.4%，出水量在20～29m3/h之间的机井169眼，占37.5%，出水量在10～19m3/h之间的机井109眼，占24.2%，出水量小于10t的机井63眼，占13.9%。日提水估计可达20万m3。现有井中有约50%为20世纪灌区95%的井灌渠道——管道系统与洪灌渠系分离，平行布设，很少有清洪共用渠道。但其布置服从洪灌渠系等框架。除现有的管灌管网外，井灌明渠的防渗率可达50%左右。但由于冻胀、维修跟不上等方面的原因，防渗损害严重。2.2.3排水工程概况项目区地形平坦，当地径流及城区污水通过退水区向项目区外排放。骨干排水沟道有榆次区一退、榆次区二退、使赵退水、主干退水。地面排水系统基本健全，但标准较低，特别是20世纪70年代以后，由于井灌井排使区域地下水位下降。地面涝灾威胁较小，致使区内地面排水系统维修跟不上，退排水沟道淤积较为严重，存在着一定的隐患。2.2.4节水工程概况项目区节水灌溉从20世纪90年代初开始发展，特别是高效用水模式与产业化示范工程实施以来，已发展节水灌溉面积52000亩，其中喷灌面积8000亩，微灌面积1000亩，管灌面积43000亩。已埋设各种地下输配水管道110.996km，其中固定式喷灌管道8.108km，管灌管道80.03km，滴灌管道1.1km，半固定式喷灌管道20.528km，微灌管道0.9km。拥有移动喷灌机组39台，井灌渠道防渗长度14.676km。表面上看，项目区节水灌溉面积较大，但由于工程建设标准低，管理不善等方面的原因，实际的节水灌溉水平还很低，管灌面积上的管网密度仅为3.24m/亩，离国家6～10m/亩的要求尚有较大差距。目前，所铺设管道的大部分用来解决无井地块灌溉水的远距离输送，或小流量井之间的并联，管灌面积的实际管网密度比3.24m/亩还要低。另外，管灌面积上的畦长仍与洪灌条件下的畦长一致，一般长度在150～220m之间，导致田间水利用系数仅达0.5左右。2.2.5灌溉用水概况项目区灌溉水源有洪水、城市污水和地下水三种水源。潇河灌区的水源工程为无调节引洪灌溉工程，灌水总面积33.24万亩，多年平均引洪量2800万m3，亩均洪灌水量84m3/亩，项目区地面水年用水量（洪水+污水）为1100万m3，亩灌水定额按150m3/亩计，地面水的年平均灌溉次数为1.2次。亩均毛用水量180m3/亩。据调查统计，项目区年地下水灌溉用量在1000万m3左右，亩均160～170m3项目区目前属于井渠结合灌溉类型，但它是在纯引洪灌区的基础上发展起来的，从灌溉工程的布局上看，以洪灌渠系为骨架；从微地形变化上来看，项目区大多数地块洪灌渠道双向控制，渠道所在地地形高，向两侧倾斜；从田面工程看，畦埂高大，畦宽4～6m居多，更有甚者畦宽可达10m以上，畦长在150～220m之间。2.3农业生产及社会经济概况2.3.1农业生产概况项目区主要以农业为主，农业以种植业为主，主要种植作物为小麦、玉米、棉花、蔬菜，小麦的种植面积约占42%～45%；玉米的播种面积约40.1%～44.1%；棉花的种植面积4%～6%；蔬菜等经济作物播种面积约26%～32%，其它豆类等种植面积约为5%～8%，复播指数接近30%，种植模式为：小麦复播豆类、蔬菜，次年种玉米，玉米收割后种小麦，这样一种种植模式。作为太原市和晋中市两大城市的菜篮子基地，近年来，设施农业得到了长足的发展，大棚、温室集中连片已经成为当地农业的支柱性产业，是当地农业的一大特色。农业灌溉基本靠地下水源，近年来发展了为数不少的喷灌、管灌等节水农业面积，地表水主要引用潇河来水。潇河灌区始建于20世纪50年代，没有调蓄能力，多年平均径流量为1.27亿m3，一般集中在汛期，属于比较典型的洪水灌区，灌区多年平均引水量为4545万m3，洪灌次数平均为0.9次。2.3.2社会经济概况榆次区为山西省“全省超前发展改革试点”县市之一，其模式为“轻纺型”工业和“城郊型”农业协调并重，共同发展。全市国民生产总值达到24.88亿元，年均递增25.7%；财政总收入达到1.35亿元，年均递增18%；农村经济总收入达到63亿元，年均递增20%以上；农民人均纯收入达到3000元，为全区第一；粮食总产量1.7亿公斤，人均产粮660公斤；蔬菜产量达6.2亿公斤；综合经济实力在全省排名第三。近年来，榆次区把建设生态市放在首位，这个发展方向既遵循了可持续发展的原则，又符合山西省建设生态农业的总体技术路线，被国务院确定为首批3000个节水增产重点县（市）之一后，又被国家环保局确定为全国56个县(市)生态示范市之一，被省政府确定为林业生态建设示范市和农业生态示范市。在城郊乡农业开发和产业化建设进程中，坚持因地制宜，发挥优势，大搞开发性项目，先后建成国家商品粮基地、北方旱作农业示范基地、北方淡水养鱼基地、高新技术示范基地、省级多样化果品生产基地、瘦肉型猪生产基地、无公害蔬菜生产基地、日光节能温室基地，有力地促进了农业产业化和农村经济的发展。粮食生产居全省十强县（市）之一；蔬菜生产连续六年夺全省之冠；禽蛋和肉类产量分别名列全省第三和第四；果品产量居全区第二。乡镇企业营业收入、农村经济总收入、农民人均纯收入、农村经济综合实力等主要指标均排名全省十强之中，被省委、省政府命名为全省首达小康市。示范区选择在张庆乡演武村和郭家堡王村、近城，其社经情况见表2-1。表2-1示范区基本情况表Table2-1DemonstrationareainTable村名人口耕地（亩）其中水地（亩）粮田面积（亩）经济作物面积（亩）亩产（kg）农村经济总收入（万元）人均收入（元）合计6823102471024770995240342.2488183583448演武1905335433541599226576848043323197王村26884230423042001175199.147459462797近城2230266326631300180066.3510808034672.4水资源可持续利用与节水增产方略概况2.4.1水资源可持续利用概况水资源持续利用强调的是水资源持久地利用，不仅要满足当代人的用水需求，而且又要为后代人继续利用创造条件，维持世世代代的持续利用。根据我国人口、经济的增长、生态环境的恶化，以及水资源紧缺和贫乏等基本国情，决定了水资源的开发利用必须走保护生态环境、保护水资源、合理利用和节约水资源的持续发展道路。因此，水资源持续利用是区别于传统资源利用的一种改革和新模式，是可持续的水资源开发、利用、保护和管理综合一体化的总称。根据水资源可持续利用的这一基本内涵，结合项目区在水资源利用中存在的问题，提出项目区水资源可持续利用方略：1)节水灌溉是水资源持续利用的基础。项目区多年平均降水量为436mm，降水量少且年际及年内分布极不均匀，具有夏秋多、冬春少、丰枯年悬殊的特点。年内降水多集中在6～9月份。绝大多数作物都需要不同程度的灌溉。干旱缺水限制了灌溉，也限制了农业和农村经济发展。项目区干旱缺水的现状决定了农业发展必须走节水的道路。目前水资源的紧缺，除与水资源本身特性有关外，还与水资源的浪费有关。农田灌溉用水是农业的主要耗水对象，农田灌溉用水占农业总用水的比例始终保持在90%以上的水平。节水灌溉是为了保证水资源的持续利用及农业的可持续发展。节水灌溉是本区水资源持续利用的基础，也是影响本区经济持续发展的关键因素。因此，必须坚定不移地坚持大力发展节水灌溉。2)实现井渠结合、地表水地下水联合利用的灌溉方式。项目区所在的潇河灌区是20世纪60年代建设的，其建设规模都是以当时的水资源条件决定的。随着国家经济建设的发展，对水资源的开发利用强度发生了较大的变化，加之降雨量的减少和上游水土保持工作的深入开展等，灌区的地表水资源量锐减，供需矛盾日趋严重。地下水资源是本区农业用水的主要水源之一，由于地表水资源的衰减、引水需求量的增加、洪水的不可调节性与作物需水不同步、水资源缺乏统一管理等，地下水位处于持续下降状态。在潇河灌区早年兴建的井片，凡是忽略河水灌溉或兴井废渠的地方，都已经形成了区域性的地下水位下降。井渠结合灌溉，可实现区域水资源的多年调节。在干旱年份加大地下水的开采量，增加井灌供水量；丰水年份通过降水或地面灌溉系统引用多余的水量回补地下水，便可实现区域水资源的多年调节，同时也提高了作物的供水保证率。3)实施引洪补源和拦蓄地表径流。根据资料分析，项目区在现状引水和依靠本区大气降水条件下，将不能够达到回补地下水的目的，地下水位将持续下降。为此，必须在汛期加大引洪灌溉力度，通过多种方式逐年定量进行回补地下水。回补方式以引洪田面灌溉为主，同时辅以渠道蓄存下渗和坑塘洼地回补。此外，要充分拦蓄利用本区降雨径流。4)要重视土壤水的利用。通过对示范区四水转化关系分析，土壤水占大气降水的87.7%，作为能够连续地供给作物吸收利用的土壤水库及土壤水，在四水中是不可忽视的重要组成部分。要有意识地调节土壤水，提高土壤水的有效利用率，建立和完善土壤内外水分循环体系，采取促进降水入渗的措施，促使降水尽可能多地渗入土壤之中，充分发挥土壤水库的蓄水作用，做到蓄水于土、取水于土。同时，对于渗入土壤之中的水分，要采取措施尽量减少非生产性无效消耗。可采用深松耕、秸秆覆盖、免耕等土壤水调节与利用措施。通过多种水资源的科学调配利用，在工程措施方面做到河、井、渠、坑并用，排、灌、蓄、滞结合，各项工程和措施相互联合运用，就可达到最佳水量平衡与可持续利用。2.4.2节水农业技术发展方向与对策概况1)重视井渠结合灌溉山西省有许多灌区采用井渠并用的灌溉方式，但并未合理地利用地表水和地下水。各地应根据不同的水资源分布特点，制定相应的井渠结合灌溉制度。如年度内可在河水枯季利用井水灌溉腾空地下库容，在汛期则引洪灌溉，补充地下水；在年际间的枯水年份可超采地下水，在丰水年份则需补足超采部分，实现多年均衡调节。2)充分利用天然降水采用平整土地、深翻松土、秸秆还田、增施有机肥、耙耱保墒、填筑畦埂等农业耕作措施，尽量增大土壤的降雨入渗能力和保水能力。降雨少的地区，通过人工集流场，把雨水集蓄于水窖中，作为春播点浇水源，有条件的可配上简易微喷、滴灌。3)将先进节水灌溉技术与高效农业增产技术组装集成山西省长期以来偏重于推广应用单一的节水灌溉工程技术，强调了节水但效益不高。从“八五”以后逐渐开始转入以节水灌溉工程为中心，农、水、土、肥相结合的综合农业节水技术研究与应用。今后要更加重视配套采用农业综合技术，注重各种高新技术的组合集成，使之成套化和系统化，达到事半功倍的效果。4)把渠灌区高效节水改造作为发展节水农业的重点灌溉水损失总量中的80%以上发生在从水源到田间的输水过程。目前我省全部有效灌溉面积中，纯井灌区仅占总面积的30%，河井双灌区17%，利用地面水的渠灌区占53%，渠灌区的灌溉水利用效率远低于井灌区。因此在继续抓好井灌区的节水高效建设的同时，应将渠灌区的高效节水改造作为农业节水建设的主战场，要采取渠道防渗、渠系配水、量水建筑物配套等工程技术措施。节水要抓大头，渠道防渗是减少输水损失的主要措施。但要因地制宜，例如，有回灌补源任务的末级渠道就不能防渗。低压管道灌溉在井灌区是行之有效的技术措施，有条件的渠灌区应推广应用，以减少渠系输水过程中的渗漏、蒸发、跑水、漏水等无效损失，提高渠系水利用率。5)把改进提高地面灌水技术作为节水农业田间建设的主攻方向和喷灌、微灌等灌溉方式相比，传统的地面灌溉在现在和将来一段时期内仍将是我省水浇地灌溉的主要形式。目前全省喷微灌面积仅占水浇地面积的12%，其余88%的面积仍为普通的地面灌溉面积，节水潜力很大。常规的园田化小畦灌溉、沟灌、隔沟灌、长畦改短畦、宽畦改窄畦以及水平畦田灌等行之有效的田间灌水技术仍应予以推广；先进的激光平地技术、间歇灌溉、闸管灌溉等技术应引进、试点、推广。清洪水灌区及水源不足采用大定额灌溉灌区的合理田面工程形式及田间灌水技术应认真研究。6)喷微灌在现有基础上有条件地稳步发展首先应巩固现有的喷、微灌工程设施，使之尽快充分发挥节水高效的作用。新发展该类工程面积应按照三优先的原则积极稳步发展，即：优先选择经济实力强、技术水平高、适度经营、统一种植、统一管理的城市郊区推广使用；优先选择经济作物、蔬菜、果树等作物在田间或大棚中应用；优先在有天然水头落差或实施地面灌溉有困难的地区采用。随着农村经济的发展、农业种植耕作制度的调整改变以及喷微灌技术的进步，这些灌溉形式将日益居于重要地位。7)节水农业在重视工程节水的同时，更要重视农艺节水和管理节水节水农业只有做到工程节水、农艺节水、管理节水三结合，才能真正达到高产、节水、高效。在农艺节水方面要注意调整作物种植结构、采用节水耐旱品种、利用秸杆覆盖地面保墒、培肥改土等措施减少无效地面蒸发。在灌溉管理节水方面，应从理念上明确，我省灌溉水源严重不足，农田灌溉只能实行非充分灌溉或调亏灌溉，要加强土壤墒情监测和预报，要在灌溉试验和多年灌溉实践的基础上，制定非充分灌溉条件下的优化灌溉制度，将有限的灌溉水资源用于农作物对缺水最敏感的生育期，提高灌区的水分生产率。有条件的地方要采用计算机遥感、遥测技术，土壤墒情和灌区用水的监、测预报系统，灌区用水自动化管理操作系统。应重视田间水管理、加强输水、配水、量水设施建设，并鼓励农民参与管理。为保证高效用水的执行，应制定严密的节水政策法规，实行严格的配水定额制和超额用水大幅度加价的水价调控政策。8)倡导用水户参与灌溉管理并建立和完善两套指标体系用水户参与灌溉管理是国际推荐的一个比较成熟的模式，我省进行了一些试点。今后应加快推广，加快组建用水户协会的步伐。协会作为一个经济实体，管理部门把斗渠以下经营权转让给协会。同时，要建立各个灌区的宏观可用水量分配指标和不同作物、不同地区灌溉定额，以此作为控制用水、推行节水的科学依据。2.4.3提高粮食产量途径概况项目区所在区域是晋中市及全省粮、棉、蔬菜及农副产品的主要生产基地之一，财政情况良好，农民收入较高，对于节水灌溉技术的应用具有较强的意识和积极性，并具有一定的运行管理经验。本项目区在全省具有一定的代表性。近年来，虽然在节水工程建设和高效农业用水方面有所突破，取得了一定进展，但总体来说，尚未形成适合于当地的节水农业模式，农业生产还达不到高产稳产。为了进一步提高粮食产量、提升农业生产水平，在以下几个方面必须给予足够的重视：1)解决好水资源不足的问题。项目区所在的潇河灌区是一个井渠结合灌区，地表水依赖于潇河上游河道径流，由于该灌区渠首为无调蓄低坝引水，而全年降水又几乎集中在年度的7—8月份，因而地表来水利用率极低。地下水是目前项目区的主要灌溉水源，但由于地下水补给量不足，致使地下水位逐年下降，地下水环境渐趋恶化。许多现有机井出水量不足，甚至有的机井逐步报废。近年来，项目区节水灌溉工程有了明显进展，低压管道灌溉、喷灌、滴灌等节水灌溉技术逐步应用。但节水效果仍不显著，水资源不足的问题依然存在。因此，只有通过全方位的采取多种水源的联合调配利用，充分解决好水资源不足问题，才能够从根本上达到提高粮食产量的目的。项目区可利用的水资源有潇河来水、本区降水、当地径流、地下水以及土壤水，必须在充分分析各种水源的特点和规律的基础上，结合项目区农业生产实际，调整种植结构，使各种水源的利用率得到最大限度的提高。2)节水灌溉工程的标准要提高。项目区通过多年农业节水工程建设，已有70%以上的农田实现了管道灌溉。虽然看起来节水灌溉面积比例较大，但实际节水灌溉水平还很低。主要原因，第一是管灌面积的实际管网密度不足3.24m/亩，与国家标准要求还有不小的差距，实际上许多管道只是起着远距离输水的作用；第二是井水灌溉仍沿用大水漫灌的灌溉方式，畦田长度在180—220m，使得灌溉时间长、亩次用水量大、浪费现象严重，田间水有效利用率仅为0.4—0.5。因此，进一步提高田间管网密度、实行小畦灌溉，是实现井水集约灌溉的关键。另外，项目区为井渠结合区，田间工程的布局要满足洪水灌溉和井水灌溉两者的需要，通过本项目的实施，认真研究解决井渠结合的田间工程问题。3)研究节水高产灌溉制度。通过项目的实施，研究各种作物的节水高产灌溉制度，根据多年降水资料和试验的田间平均耗水量及土壤干旱指标，拟定出不同水文年型的节水高产灌溉模式。同时，要加强节水农业技术的应用，包括蓄水保墒的耕作技术、适雨种植的作物合理布局、提高作物抗旱能力的栽培技术、秸秆或地膜覆盖的保墒技术、限额灌溉及节水抗旱作物品种选育等。4)节水灌溉技术应向综合方向发展。目前，在项目区采用的节水灌溉技术主要是低压管道灌溉、喷灌、滴灌等。因此，节水灌溉技术的应用基本是单项性的。应在单项技术成熟之后，向综合方向发展。如管灌和田间改进地面灌水技术结合，渠灌、管灌与喷灌的结合，各种节水灌溉技术和农艺技术如耕作技术、覆盖技术等结合，形成节水的综合体系和集成技术。5)建立农业高效用水管理制度。一般认为灌溉节水的潜力50%在管理方面，只有科学的管理才能使其它节水措施得以顺利实施。节水管理技术应按对地表水、地下水资源进行统一规划、统一管理、统一调配并根据作物的需水规律控制、调配水源，以最大限度地满足作物对水分的需求，实现区域效益最佳的农田水分调控管理。灌区用水管理不善,在很大程度上与管理体制有关，因此，要重视运用经济杠杆和政策实现对水资源的合理分配与有偿使用。迫切需要开展农业高效用水投入机制、政策、法规及管理服务体系研究,以节约灌溉用水,实现灌区水资源的合理调配。第三章项目区节水农业试验研究3.1节水抗旱作物新品种的筛选针对项目区的主导作物玉米和冬小麦，通过文献调研、小区试验、产量调查，对不同品种的产量、水分利用率进行分析，筛选适合于本项目区的冬小麦、玉米抗旱品种。在调研的基础上选取了适合当地的玉米品种6个（晋单35号、晋单42号、农大108、农大3138、沈单10号、沈单16号），并进行了相应的灌溉试验。玉米生育期内降水较多，灌水相应较少，主要试验结果见表3-1。最终确定在项目区推广的玉米品种为晋单35号、沈单16号、晋单42号及沈单10号。表3-1不同春玉米品种产量试验结果Table3-1springmaizevarietiesyieldresults玉米品种灌1水产量(kg/亩)水分生产率（kg/m3）晋单35号701.92.59沈单16号6552.54晋单42号6492.52沈单10号594.72.22农大108551.72.15农大3138516.52.10对于冬小麦品种筛选，在2003~2005年期间，先后试验示范了长6878、石家庄8号、晋麦47、西峰20、中旱110、中麦326、中麦190、西农2911、西农1043、临丰536、临丰615、节优218、旱优112等18个小麦抗旱节水新品种（系），筛选出适合当地生态条件的抗旱节水小麦新品种（系）6个，推荐选用石家庄8号和临丰615。以当地现行品种京411为对照，抗旱节水新品种（系）的增产效果及水分利用效率（WUE）提高幅度如表3-2。表3-2不同春冬小麦品种产量试验结果Table3-2springandwinterwheatvarietiesyieldresults品种（系）名称比对照增产（%）比对照WUE提高（%）临丰53614.1-38.334.9-41.1长687812.7-25.116.4-32.4晋麦4710.2-25.017.5-39.3西农291110.8-23.516.9-29.4石家庄8号12.9-19.86.5-9.2节优21811.7-19.315.1-29.03.2作物水肥耦合关系及合理灌溉制度研究冬小麦水肥耦合技术的小区试验工作，设置了不同的水、肥组合处理，在30个小区（20m23.2.1冬小麦农田水量平衡与消耗规律分析1)农田水量平衡模型水量平衡模型是一种概念性模型，根据一定时段内土壤水分的输入和输出来确定土壤水分的变化。田间水量平衡要素主要包括降雨（P）、灌溉（I）、腾发（ET）、根系层底部水分交换量（Q，以渗漏为正）、地面径流（R）等，如图3-1所示。农田水量平衡的基本方程为： (3-1)式中，W1、W2分别时段始、末的根系层贮水量，ΔW为其变化量。在水量平衡要素中，阶段降水量可根据气象观测得到；灌水量是人工控制与可测量的；其它各项则需要根据一定的方法进行估算。在半干旱、半湿润地区径流量一般比较小，且主要出现在汛期，可以根据一定的产流机制来估算。因此进行农田水量平衡模拟的关键是估算腾发量与根系层底部的水分交换量。田间腾发量取决于大气蒸发能力（以参考作物腾发量表示）、作物类型及生长状况（以作物系数表示）、土壤供水情况（以土壤水分胁迫系数表示），采用单作物系数计算腾发量的公式为：(3-2)(3-3)式中，为不受水分胁迫时的农田潜在腾发量。与气象因素有关，可根据FAO推荐的Penman-Monteith公式计算。对于一定的作物，与作物生育阶段和生长状况有关，为简化可将其近似视为生育时间的函数，采用下式进行估算：(3-4)式中为生育期最大作物系数，为对应的时间，为形状参数。水分胁迫系数是计算作物腾发量和模拟土壤水分状况的一个关键因素。通常认为的大小由土壤含水量和一个介于田间持水量和凋萎含水量之间的临界含水量决定。当时，，即作物不受水分胁迫；当时，，作物受到一定程度的水分胁迫。通常情况下，被当作一个常数处理(记作)。这样，被表达成、、的函数，其中一个常用的指数经验公式为 (3-5)实际上，作为一个反映作物所受水分胁迫的综合性指标，其大小是由多方面的因素决定的。不仅与土壤因素(、、)有关，也与作物因素(种类、生长阶段、长势、根系分布、耐旱抗旱能力)和气象因素有关。概括的说，同时决定于两方面的因素：一方面是土壤供给作物水分的能力，、、正是反映这方面的因素；另一方面是作物潜在腾发量的大小，作物因素和气象因素是反映这方面的因素。FAO56认为的计算应同时考虑土壤供水能力的大小和作物潜在腾发量的大小，并据此提供了一套具有更为明确的物理意义的计算公式(以下简称FAO法)。首先建立与、之间的关系，由于，所以可以表示为两者的加权平均，即：(3-6)上式表达了与土壤因素的关系。从中可以看出，越小，越大，越接近田间持水量，则作物在土壤水分消退过程中越容易遭受水分胁迫；反之亦然。其次为了使能够体现与作物因素及气象因素的关系，FAO56提出了通过作物潜在腾发量计算权系数的公式：(3-7)式中是一种标准状况（）时的值，其值主要由作物种类决定，可查阅FAO56表22。对于冬小麦，。从式(3-7)可知，作物潜在腾发量越大，越小，越大，越接近田间持水量，从而作物在土壤水分消退过程中越容易受到水分胁迫的影响。所以(3-6)、(3-7)两式全面的表达了土壤供水能力和作物潜在腾发量两方面的因素与的关系。最后建立与之间的关系。当时，FAO56认为和之间是一种线性变化关系，即： (3-8)将(3-6)、(3-7)两式代入(3-8)式中，整理得(3-9)式，这就是FAO法计算作物水分胁迫系数的最终公式：(3-9)上式右端第1项表示作物因素和气象因素对作物水分胁迫的影响，第2项表示土壤供水能力对作物水分胁迫的影响。根系层底部水分交换量可以采用不同的方法进行估计，如简化法（近似认为）、零通量面法、经验方法等。在水量平衡模型中采用经验方法比较合适，模型中采用文献经验方法计算：(3-10)式中、为经验参数；为根系层田间持水量；为根系层底部水分交换的临界贮水量，与土壤持水能力、地下水埋深等因素有关，在地下水位变化不大时，可近似视为常数。以上建立的农田水量平衡模型中，土壤水分胁迫系数可以利用式(3-5)或式(3-9)来确定，相应的水量平衡模型分别称为指数模型和FAO模型。根据土壤特性及实测的土壤水分动态变化过程，可以确定以上公式中的参数，即可对冬小麦农田水分消耗与转化规律进行分析。2)冬小麦农田水量平衡模型参数的确定和模型检验在以上农田水量平衡模型中，FAO模型有7个待定参数，而指数模型有9个待定参数，其取值范围列在表3-3中。利用潇河灌溉试验站（位于山西省晋中市榆次区，112.7°E，37.4°N）冬小麦试验资料对以上参数进行优选，得到的参数见表3-4。表3-3FAO模型和指数模型的参数及其取值范围Table3-3oftheFAOmodelandexponentialmodelparametersandtheirrange模型Wp(mm)Wj(mm)nKcmtm(d)cadWc(mm)FAO模型150~160－－1~1.5200~22040~1000~10~10240~300指数模型150~160200~3000~11~1.5200~22040~1000~10~10240~300表3-4FAO模型和指数模型的参数优选结果Table3-4oftheFAOmodelandtheexponentialmodelparameteroptimizationresults模型Wp(mm)Wj(mm)nKcmtm(d)cadWc(mm)FAO模型150－－1.3209500.031252指数模型15824811.28210500.031255利用以上模型模型对不同灌水处理下的土壤水分动态过程进行模拟，土壤1m贮水量实测值与模拟值的比较见图3-2。由图3-2可以看出，实测值与模拟值基本一致，表明以上所建立的两个水量平衡模型和参数是适用的。3)冬小麦农田水量平衡模拟结果分析表3-5给出了不同灌水处理下水量平衡模拟结果。图3-3则给出了冬小麦生育期0-1m土壤临界含水量和潜在腾发量的动态变化曲线。表3-5两种模型的田间水量平衡结果Table3-5Fieldwaterbalanceresultsofthetwomodels模型小区P(mm)I(mm)ΔW(mm)ET(mm)Q(mm)P/ETI/ETΔW/ET-Q/ETFAO模型16114.8225.079.4378.640.630.3%59.4%21.0%-10.7%6114.8105.068.8301.8-13.338.0%34.8%22.8%4.4%23114.845.0117.3275.41.741.7%16.3%42.6%-0.6%13114.80.094.9236.2-26.548.6%0.0%40.2%11.2%指数模型16114.8225.080.3389.330.829.5%57.8%20.6%-7.9%6114.8105.068.6309.9-21.537.0%33.9%22.1%7.0%23114.845.0116.2282.1-6.140.7%16.0%41.2%2.2%13114.80.092.3239.6-32.547.9%0.0%38.5%13.6%图3-2不同灌水处理下土壤水分模拟结果Figure3-2Thedifferentirrigationtreatmentsundersoilmoisturesimulationresults(a)0-1m深土壤临界含水量（b）潜在腾发量图3-3冬小麦生育期0-1m深土壤临界含水量和潜在腾发量变化曲线Figure3-3growthofwinterwheat0-mdeepsoilcriticalmoisturecontentandpotentialevapotranspirationcurve根据以上模拟结果，可以得到以下初步结论：(1)从表3-4可以看出，两种模型的参数寻优结果非常接近，只有、、、存在极小的差异。但FAO模型与指数模型相比，其优点在于没有、两个待定参数，其寻优过程更加简便，结果更易于收敛。(2)从1m深土壤水分动态模拟结果(图3-2)来看，返青后有灌水的6#、16#、23#小区，模拟的精度要高一些，而返青后没有灌水的13#小区则要差一些，后期的观测值与模拟值相差较大。但总的来说，两模型都具有较高的模拟精度，且模拟精度相当。考虑到田间试验不可避免的存在一定的误差，特别是实测含水量的误差，其精度还是比较令人满意的。(3)无论是FAO模型还是指数模型，作物腾发量都随灌水量的增加而增加。返青后高灌水处理(225mm)的16#小区，腾发量最高，达到378.6mm(FAO模型)和389.3mm(指数模型)；无灌水的13#小区，腾发量最低，为236.2mm(FAO模型)和239.6mm(指数模型)。中等灌水处理(105mm)的6#小区和低灌水处理的23#小区的腾发量则介于16#、13#之间。至于根区下界面水分交换量，从表3-5可以明显看出，灌水量较大的16#、6#小区存在着较大的向下渗漏。而没有灌水的13#小区则受到较大的深层补给。低灌水处理的23#小区的值则接近于0。将表3-5的结果与气候相似地区的冬小麦需水量资料相比较，其结果还是比较合理的。所以采用FAO模型进行土壤水分动态模拟和田间水量平衡分析是完全可行的。(3)从表3-5还可以看出，对于相同的小区，FAO模型计算的值要比指数模型偏低，但是差距不是很大，最大不超过10mm。两模型计算的值也比较相近，但没有统一的大小关系。(5)图3-3(a)表明决定作物水分胁迫的临界含水量并不是一个定值，而是在一个区间波动。在冬小麦的生长前期，作物潜在腾发量较小，在一个较低值的范围内波动（最小值为215mm），加之这一时期土壤含水量较大，作物不易受到水分胁迫。随后，作物潜在腾发量不断增大（图3-3(b)），在拔节至灌浆期达到较大的值，这样也在一个较大值的范围内波动，如果土壤水分不断消耗而没有得到及时的补充，作物很容易受到水分胁迫。的最大值出现在4月30日左右，达到290mm。在冬小麦生长后期，尽管潜在腾发量有所降低，但还是较大（在250mm左右）。返青至收获期间，的平均值为247mm，与经验法参数寻优得到的值（248mm）相近。因此，经验法计算得到的值可以认为是FAO法计算得到的的平均值。3.2.2冬小麦水分生产函数研究1)冬小麦水分生产函数的Jensen模型Jensen模型是水分生产函数研究中最常用的模型之一，其形式为：(3-11)式中为作物生育阶段数；为生育阶段编号；、ETmi分别为第阶段的实际腾发量（mm）、潜在腾发量（mm）；为实际腾发量对应的实际产量（kg/hm2）；为潜在腾发量对应的作物潜在产量，即充分供水条件下的作物产量（kg/hm2）；为第生育阶段的水分敏感指数，反映阶段缺水对产量的影响程度。已有的研究成果表明，水分敏感指数具有一定的累加性，可以用logistic曲线来描述敏感指数累积曲线，即：(3-12)式中、、为经验参数。根据以上累积曲线，可以计算出时段～的水分敏感指数为λ12=z(t2)-z(t1)(3-13)在本研究中，采用以下4种方法来推求水分敏感指数：(1)将Jensen模型(3-11)线性化后利用最小二乘法确定水分敏感指数，记为OLSR；(2)将Jensen模型(3-11)线性化后利用偏最小二乘法确定水分敏感指数，记为PLSR；(3)利用遗传算法等非线性优化方法直接确定Jensen模型(3-11)中的水分敏感指数，记为NLR；(4)利用遗传算法等非线性优化方法确定水分敏感指数累积曲线(3-12)的参数、、，然后利用式(6-13)计算出各生育阶段的水分敏感指数，记为CC；水分敏感指数的拟合结果见表3-6，其中模型(3-12)的拟合结果为(3-14)表3-6潇河试验站冬小麦水分敏感指数拟合结果Table3-6XiaoRiverExperimentStationWinterWheat-sensitiveexponentialfittingresults拟合方法播种～越冬越冬～返青返青～拔节拔节～抽穗抽穗～灌浆灌浆～收获OLSR0.02000.04070.16430.41920.25930.1556PLSR0.01980.04420.17130.42420.26740.1582NLR0.03270.02790.17170.43770.23950.1425CC2e-60.01200.21740.42020.25720.1049由表3-6可以看出，以上4种方法得到的水分敏感指数有一定的差别，但总体变化规律一致。在6个生育阶段中，后4个阶段水分敏感指数较大，其中拔节～抽穗阶段的水分敏感指数最大，其次是抽穗～灌浆阶段，最后是返青～拔节和灌浆～收获；播种～越冬和越冬～返青两个阶段的水分敏感指数最小，与其它阶段水分敏感指数相比，几乎可以忽略。利用以上水分敏感指数计算得到的冬小麦产量与实测产量的对比见图3-4，数据点均位于45°线附近，表明结果较为合理，可用于产量预测。在以上几种拟合方法中，偏最小二乘回归方法在解决自变量多重相关的问题上具有明显的优势；当自变量不存在多重相关性或多重相关性较小时，普通最小二乘回归、遗传算法等非线性优化方法较偏最小二乘方法优越。线性方法较非线性方法更为简单、直观，而非线性方法较线性方法更为灵活、结果更准确。(a)OLSR(b)PLSR(c)NLR(d)CC图3-4Jensen模型计算产量与实测产量比较Figure3-4Jensen,modeloutputandmeasuredoutput2)冬小麦水分生产函数的人工神经网络（ANN）模型人工神经网络（Artificialneuralnetwork，以下简称ANN）是当前非线性科学中应用较为广泛的一个分支。ANN中最常用的是基于BP算法的前馈式神经网络，即BP神经网络。BP网络具有较强的自学习能力和处理非线性问题能力，近年来在有关工程领域得到了广泛的应用。在本项研究中，利用BP网络来描述水分对冬小麦产量的影响，取得了较好的效果。BP网络是一种前馈型网络，由1个输入层、若干隐含层和1个输出层构成，图3-5为常用的三层BP网络的结构。如果输入层、隐含层和输出层的单元个数分别为n、q、m，则该三层网络可表示为BP(n,q,m)，利用该网络可实现n维输入向量Xn=(x1,…,xn)T到m维输出向量Ym=(y1,…,ym)T的非线性映射。输入层和输出层的单元数n、m根据具体问题确定，而隐含层单元数q的确定尚无成熟的方法，一般可设定不同的q值根据训练结果来进行选择。图3-5三层BP网络结构示意图Figure3-5Three-layerBPnetworkstructurediagram在BP模型用于描述作物水分生产函数时，以各生长阶段的腾发量为网络的输入，以作物产量作为输出（如图3-6所示）。图中表示输入层至隐含层的权值，表示隐含层至输出层的权重，和分别是隐含层和输出层的阈值。网络参数（权重和阈值）可以根据一定数量的训练样本利用BP算法与遗传算法（GA）相结合对网络进行训练得到。ijθiTliθl图3-6作物水分生产函数BP网络结构示意图Figure3-6cropwaterproductionfunctionofBPnetworkstructurediagram根据潇河试验站试验数据，ANN设6个输入节点，分别代表6个阶段的相对腾发量；由于样本数量较少，隐含层节点数设为2；这样网络结构为6-2-1。以1990、1992、1993、1995年为训练年，1994年为校准年，1989年为校核年训练得到的网络权值和阈值见表3-7，计算产量与实测产量的比较见图3-7。可以看出，BP网络对训练样本、校准样本和校核样本均具有较高的拟合精度，表明BP网络用于描述作物——水分关系是可行的，为作物水分生产函数的研究提供了一种新的途径。利用以上BP网络对不同受旱情况下的小麦产量进行模拟，其结果见图3-8。从图中曲线可以看出，①播种～越冬、越冬～返青以及灌浆～收获阶段的水分敏感性很小。返青～拔节、拔节～抽穗、抽穗～灌浆阶段在水分适度亏缺时对产量影响较小；当水分亏缺达到一定程度（相对腾发量分别降至0.7，0.8，0.6左右）时，此3阶段的受旱将对产量造成较大影响。总的说来，拔节～抽穗阶段的水分敏感性最大，返青～拔节阶段的水分敏感性次之，然后是抽穗～灌浆阶段，苗期和成熟期的水分敏感性都非常小。②在适宜的水分条件下水的增产效果较为显著，过度干旱或过度湿润的水分条件下水的增产效果不明显，也即是说，适宜水分条件下水分增产的边际效益较高。③当水分亏缺不显著时，对产量的影响不大，只有当水分亏缺达到一定程度后才有明显的减产。表3-7冬小麦BP模型权值及阈值Table3-7winterwheatBPmodelweightsandthresholdωijiTlil4.128411.649027.7045-1.391316.9133-2.8428-31.48260.12540.6169-4.5771-6.1045-6.174821.75347.66121.4381-7.18950.1528图3-7BP网络计算产量与实测产量比较图3-8阶段受旱对产量的影响Figure3-7BPnetworkcomputingyieldFigure3-8stagesofthedrought-hityieldwiththemeasuredyieldANN模型分析得到的阶段水分敏感性规律与Jensen模型分析得到的结果略有差异，主要是返青～拔节和抽穗～灌浆阶段的水分敏感性大小顺序发生变化，且ANN模型中灌浆～收获阶段的水分敏感性较Jensen模型同阶段水分敏感性小。但二者都反映了冬小麦中间生育阶段（返青～灌浆）水分敏感性大，而前期和后期水分敏感性小的共同规律。3.2.3冬小麦水肥耦合关系分析1)冬小麦水肥耦合试验田间试验采用坑测法，2002年在潇河灌溉试验站建成试验测坑30个，测坑面积为20m2(6.67m×3m）。试验中灌水设计5个处理（表3-8），根据作物生育期的降水情况对灌溉定额进行必要的调整；底肥、追肥均设高（H）、中（M）、低（L）和不施肥（Φ）四个水平，中等施肥量M根据当年具体情况确定，高、低水平的施肥量分别为1.5M、0.5M，底肥与追肥组合设计6个施肥处理；灌水与追肥组合设计26个处理（表3表3-8冬小麦水肥生产函数试验灌水处理Table3-8winterwheatfertilizerproductionfunctiontestIrrigation（单位：m3/ha）灌水处理各阶段灌水定额灌溉定额返青后灌溉定额播前越冬拔节抽穗灌浆I75075075075075037502250II75075060045025501050III6006004501650450IV450450900450V00表3-9冬小麦水肥生产函数试验组合处理及试验小区布置Table3-9winterwheatfertilizerproductionfunctiontestcombinationtreatmentandexperimentalplotlayout施肥水平灌水水平备注IIIIIIIVVH、M、L、Φ分别表示高、中、低及不施肥，排列顺序为底肥、追肥。HH1471013MH1619222528MM2581114MΦ1720232629LL1821242730ΦΦ3691215试验观测项目主要包括：气象、土壤水分（中子仪观测深度0～2.0m，每20cm一层；取土烘干，0～1.0m，每20cm一层）、土壤养分、作物生长状况、产量及考种等。2)灌水与施肥对冬小麦产量的影响图3-9表示冬小麦返青后灌水量对产量的影响。由图中可以发现，在试验的灌水范围内，冬小麦产量随灌水量的增加有增加的趋势，其关系可近似用线性来描述。图3-9返青后灌水量对冬小麦产量的影响Figure3-9revivingirrigationonwinterwheatyieldin与灌水量对产量的影响类似，图3-10表明冬小麦产量随底肥和追肥量的增加也都具有增加的趋势。因此可以考虑多元回归模型来描述灌水与施肥对产量的组合影响：(3-15)式中为产量，为返青后灌水量，、分别为底肥、追肥量，、、、为回归系数。根据试验结果进行最小二乘回归，得到回归方程为：(3-16)根据上式计算的产量与实测产量的对比见图3-11。可以看出，多元线性回归模型基本能反映出灌水、施肥对冬小麦产量的影响，但部分处理的计算产量与实测产量差别较大。图3-10底肥和追肥对冬小麦产量的影响Figure3-10basefertilizerandtopdressingonwinterwheatyield(a)多元回归模型(b)BP网络模型图3-11模型计算产量与实测产量的比较Figure3-11Modelcalculationofproductionandthemeasuredyield3)冬小麦产量－灌水量－施肥量关系的人工神经网络模型在BP网络描述冬小麦产量与灌水量、施肥量间的关系时，输入层单元数为3，分别表示返青后灌水量、底肥、追肥量；输出层只有一个单元，代表产量。利用30个小区试验结果中的25组数据对网络进行训练，另外5组用于校核。模型计算产量与实测产量的比较如图3-11所示。从图中可以看出，人工神经网络模型的计算结果要好于多元回归模型。在以上分析中只考虑了灌水总量及底肥、追肥量对产量的影响。实际上，不同阶段的灌水对产量的影响可能是不一样的，在进一步的研究中需要考虑阶段灌水量或阶段腾发量对产量的影响，建立分阶段水肥生产函数模型。3.2.4灌溉水资源优化配置中几个基本问题的探讨随着社会经济的发展，在总用水量中生活用水、工业用水增加较快，近年来对生态环境用水也越来越重视，致使农田灌溉可用水量逐渐减少。在有限的灌溉水资源下，农业节水已经成为实现农业高产、高效的关键。农业节水可以通过不同的措施来实现，如工程措施、农艺措施、管理措施等。通过灌溉水资源在区域、时间上的优化配置，可以将有限的灌溉水资源发挥最大的效益，是一种投资少、见效快的管理节水措施，在农业节水中也日益受到重视。对于灌溉水资源优化配置问题，已经进行了大量的研究工作，取得了一系列的研究成果，但与农业节水的实践还有一定差距。以下简要论述了灌溉水资源优化配置问题的研究现状与未来需要加强研究的方向。1)灌溉水资源优化配置模型对于一个灌区来说，灌溉水量的时空优化分配是一个多层次问题，包括灌区内各子区的水量优化分配、子区内作