第1章绪论
习近平总书记于2019年9月17～18曰视察黄河，并在郑州主持召开座谈会，提出黄河流域生态保护和高质量发展的核心目标和主要任务，强调加强生态环境保护，保障黄河长治久安，推进水资源节约集约利用，推动黄河流域高质量发展，保护、传承、弘扬黄河文化。引黄灌溉在农业发展过程中起着重要作用。然而，由于受到灌水技术、管理水平、工程设施、水资源短缺及黄河水高含沙量等因素制约，宽垄沟灌冬小麦-夏玉米灌水质量评价整体发展水平不高，农业水资源利用效率较低。本书将在引黄灌区开展宽垄沟灌的灌水质量评价及农田水土环境效应分析，推动农业适水发展与绿色高效节水，为贯彻落实黄河流域生态保护和高质量发展国家战略、《国家节水行动方案》提供技术支撑，同时是落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）〉X〈国家粮食安全中长期规划纲要（2008—2020年）》，以及2020年中央一号文件的重要科技举措。
1.1节水灌溉与水氮施用提质增效研究的重要性
水是生态系统中*活跃、影响*广泛的关键资源，我国水环境持续恶化，水资源短缺问题日益加剧，已成为社会和经济发展的严重制约因素[1-2]，2024年全国用水总量为5928.0亿m3，农业用水量占用水总量的61.6%[3]。2023年的农业用水量当中耕地灌溉用水量占农业用水量的86%，在创造经济效益的同时，也加剧了水资源短缺趋势。为缓解水资源短缺，必须发展节水农业，提髙灌水利用效率和农业生产效率[4-5]。
由于灌水设施的缺陷和灌水技术的落后，2024年我国农田灌溉水利用系数仅有58%，而发达国家灌溉水利用系数可达70%以上。另外，农田灌溉存在没有按照作物生理需水规律进行的情况，致使作物的生产效率不髙。面对水资源紧缺和农田用水严重浪费的状况，发展节水农业具有重要意义[6-8]。采用科学的用水管理，推广节水灌溉技术，若将全国的灌溉用水有效利用率平均提高10%～20%，则按全国农业用水总量3.87X1011m3估计，每年可节水3.87X10111～7.74X101(）m3，从而为不断发展的作物生产提供可靠的保障[9]，这对缓解水资源问题将起到相当重要的作用。
自20世纪80年代至2025年，我国农业化肥使用量不断增长，已成为世界*大的化肥消费国[11]。据统计，20世纪90年代中期，我国的氮肥施用量已居世界*位，2000年氮肥施用量超过2.4X107t纯氮，占全世界总用量的30%左右，化肥的使用虽在提高农产品产量方面发挥了重要作用。但是，我国肥料的平均利用率仅30%，大量养分（如氮、磷）流失至大气、水体和土壤，引发严重的环境问题[12-13]。长期过量施用氮肥会使农田土壤形成氮素累积，在降雨和灌水时硝态氮会随着水垂直向下运移到根系活动深度范围外，造成氮素淋失，使作物根系不能有效吸收，从而降低养分利用效率[14]。淋失的氮素污染地下水，导致地下水硝酸盐含量超标，危害人体健康，并通过水循环进入江河湖海，诱发农业面源污染[15]。农业面源污染已成为我国水环境污染的主要因素，而化肥的大量施用正是诱发农业面源污染的重要因素之一[16]。20世纪70年代以来，氮素污染问题引起国际社会广泛关注[17-18]。自1985年开始，我国氮肥施用量以每年10%的比例增长，至2015年30年间增长了3倍，而同期粮食产量仅增长1.7倍，作为世界上氮肥消耗*多的国家，2015年施用量占全世界的35%，远超作物实际需求[19]。氮肥利用率低及氮素污染问题与农田灌水方式密不可分，落后的灌水技术、超定额灌水及超量氮肥使用，不仅加剧水分深层渗漏，导致农田养分大量流失，还污染地下水和周边环境。因此，探索科学合理的施肥-灌水模式，提高氮肥利用率，对环境保护与资源可持续利用至关重要。
本书以引黄灌区宽垄沟灌土壤为研究对象，通过动态监测措施，监测土壤水氮运移过程，分析出不同技术参数组合情况下宽垄沟灌土壤水分入渗差异和土壤水氮运移规律，探讨各技术要素对水氮运移的影响，并评估不同组合的优劣。在田间灌水条件下土壤水氮运移规律与室内土箱试验土壤水氮入渗特性分析的基础上，开展水氮运移数值模拟，构建数学模型，*终依据*优水氮运移规律，优化田间作物的灌水施肥策略。本书的研究成果可为引黄灌区沟灌条件下的作物灌水优化提供理论依据，对本领域同类研究具有重要的学术价值，同时有助于深化节水节肥农业发展的机理研究，推动灌水技术的创新与应用，为节水农业的发展提供关键技术支撑，具有重要的实践意义。
1.2国内外研究现状1.2.1节水灌溉技术的发展
节水灌溉技术可以通过工程手段，使水分的蒸发渗漏量更少，也可以根据不同作物的耗水量进行资源优化调配，是以尽可能少的水灌溉作物而使作物有较高的产量，并取得较好的经济效益的技术措施。水分从水源取出到灌溉于田间，以及被作物吸收到*后形成产量，相对应的环节为水资源调配、输配水、田间灌水和作物吸收。
Mujib等[2(）]认为可以利用基因编辑、生物技术研发节水的作物品种。即通过降低作物自身对水分的需求，种植高产优产耐旱的作物新品种。傅渝亮等[21]发现秸秆覆盖量为4500kg/hm2时夏玉米在欠灌水条件下产量和水分利用效率达到*高。Kim等[22]通过施用不同的土壤有机改良剂，发现使用了油枯、小麦秸秆、牛粪等的有机农业稻田可以增加微生物生物量、活性炭、营养因子和甲烷排放，有助于提高土壤肥力和作物高产的可持续性。即利用塑料薄膜、秸秆等材料覆盖农田，可以改善土壤水分，再通过沟灌、畦灌等途径，可以减少土壤水分蒸发、提高保水蓄水能力，从而达到提高水资源利用效率的目的。王林权和周春菊[23]认为交替灌水施肥技术可以减少灌水量，提高灌溉水利用效率的同时防止灌水过程中氮素淋失、减少氨挥发和****等气态氮损失，以此来增加作物产量。Liu等[24]通过对各类氮、磷、钾肥的研究，发现长期施肥可有效提高作物产量、土壤肥力，提高土壤氮、磷、钾的化学计量比。同时，单施有机肥或有机肥与氮肥配施可以改善干旱、半干旱地区的氮素限制条件，即合理施用生产化肥有助于调整土壤结构，改善土壤中的水、肥、气、热等组分，改变土壤中各有机、无机元素组成，调整微生物群落结构，提髙土壤肥力，为作物的生长提供各种营养，提升土地生产能力。
赵黎明等[25]发现与旋耕相比，深耕技术会增加粳稻分蘖数和有效穗数，提高生物量、加强茎鞘干物质转运能力，对生长动态指标、光合物质生产指标及产量指标产生积极影响。21101^等[26]对休耕土地进行免耕、深松、深耕技术的对比实验发现免耕、深松的0～20cm浅层含水率更高，深耕的20～40cm的含水率更高，并且通过对土壤理化性质的研究，发现深耕增加了细菌和真菌的代谢功能的多样性，有利于自然降水的积累利用和土壤微生物群落结构的改善，提髙微生物群落的分解代谢能力，从而提高冬小麦产量。即深耕可以使土层变厚，增大土体孔隙体积，为溶质交换、根系生长提供充足空间，同时可以在降雨或者灌水时储存更多的水分，减少地面径流量，降低对土壤表层的冲刷，减少水土流失，增强土壤抗旱能力，提高水资源利用效率。
钟韵等[27]利用水分亏缺灌水技术发现水分亏缺可以改善柑橘果实品质，对产量与水分利用效率也产生了积极影响。即亏缺灌水技术具有节水保肥、提质增效等特点，是人为有意识地进行，使作物光合作用的产物向人们需要的地方倾向性转移，亏缺灌水技术需要人们了解作物各生育期所需水分。Sushanth等[28]运用了全球植被总数据先对不同种作物进行分类后，输入地形数据、叶面积指数、土壤分类和作物特征数据模拟灌水需求。
1.2.2作物生长特性及耗水规律研究进展
氮是现代农业生产中使作物达到*佳生长状态和髙产所需的基本养分。如果土壤无法在整个生长季节提供足够的矿物氮供作物吸收，则需要施氮肥。Snider等通过对不同天气条件下和不同轮作作物下的多年田间试验，发现*佳经济氮肥用量范围为0～250kg/hm2。王振华等[3(）]在北疆地区设置不同灌水水平、施氮梯度和不同掺气比例的加气滴灌灌水方式，发现施氮250kg/hm2时，可以提高番茄可溶性糖、有机酸、维生素C、可溶性固形物含量，同时对这些指标进行主成分分析，发现设置两个主成分可以解释87.04%的原始数据。陈绍民等[31]通过对农作物固定碳量和土壤异养呼吸排放碳量等指标的研究发现，适量施肥可以保持农田生态系统的碳平衡。虽然氮肥可以在作物播种前一次性施用于土壤，但在播种前和播种后分开施用氮肥的策略可以增加产量，增加经济灵活性，并可能*大限度地减少环境损失[32]。施氮可以显著提髙小麦产量，但是会影响小麦的水分利用，过量施氮不利于作物水分利用和产量形成，反而会产生一系列环境问题。因此，适宜的施氮量对冬小麦生长、产量和水分利用起着重要作用[33]。
随着灌水技术的研究发展，越来越多的学者开始注重研究作物的生长特性和耗水量的关系。寇明蕾等[34]研究发现，亏水处理下的玉米的叶片生长明显受到了抑制，导致了叶片长度和叶片宽度明显减小，叶面积变小，复水后玉米株髙和叶面积能够得到较大补偿，及时复水作物的产量也影响较小。Li等[35]发现作物生育期总有效水量和耗水量的分配对产量和水分生产力均有影响，在不增加根系生长代谢投入的情况下，增加根系生根深度是优化作物水分消耗分配、提高土壤水分有效性的有效调控措施。
1.2.3水氮生产函数的研究进展
为了确定作物*优灌水制度和进行灌水经济分析，需要利用各种工具，包括与灌水或其衍生物有关的作物生产函数、固定和可变成本、作物价格及与土地和水限制有关的信息，国内外专家对此进行了大量研究[36-38]。其中，两种估算水分生产函数的方法常被使用，**种方法根据理论模型和实验模型定量地给出了水分与产量的关系，第二种方法中，水分生产函数是根据不同水量对植物产量的影响来估计的，结果来自农场观察或通过统计分析[39]。通过估计生产函数，可以定量地计算和确定上述每个变量对产量和作物收入变化的相对影响。每一种水肥投入的存在都对发展和提高产量至关重要，其中任何一种投入的不足都会影响另一种投入的效率。当灌溉用水低于植物需水量时，完全灌水施氮条件下可能对地下水有较高的污染风险。虽然随着水氮用量的增加，干物质产量增加，但过度使用这两种投入会造成资源的损失和环境污染。
数学统计常被用来确定不同种植系统的*佳水肥量，在这些函数中，可以拟合来自水或其他农业投入的数据驱动，以确定各类资源投入的*佳比例。但是，选择*适合的模型并不简单，这取决于当地的农业情况。因此，选择*优函数是利用统计函数的一个基本步骤。Bastiaanssen和StedUto认为线性函数是通过水估算生物量的*佳函数，虽然线性函数操作简单，适应范围广，但它的精度比其他函数要低。1^等[41]选择二次函数作为水、肥料和产量的优势函数，以确定生产函数和*佳水、肥深度为目的，他们发现，在线性生产、对数、指数和二次函数这四个函数中，二次函数可以更好地估计同时施用水分胁迫和钾肥条件下的高粱产量。RaShki等[42]以玫瑰果为研究对象，计算消耗水的指数和*佳深度，并采用玫瑰果产量的线性、柯布-道格拉斯、二次和超越函数形式进行回归分析，估计生产函数，计算出与水深和钾肥相关的*终产量指标、*终钾肥和水深的技术替代率，以及与水深和钾肥相关的*终产量。
在我国，周智伟等[43]引入肥料因子构造了杰森（Jensen）模型和反向传播（back propagation，BP）模型下的水肥生产函数，却忽视了灌水方式对其的影响。王仰仁等[44]在水分敏感指数累积函数中加入与时段数有关的优化参数，以此降低了时段划分过少对作物产量模拟精度的不利影响。然而，除农业气象外，还有生理、生态和管理措施等难以衡量的因素影响作物生长模拟模型的建立，因而机制模型仍是水分生产函数的根本出路。朱伟峰等[45]将自由搜索（free search）算法引入Jensen模型中推
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