《旱作农田水土环境调控理论与实践》系统介绍了农田土壤水、肥（氮素）、热、盐动态变化的动力学模型和作物水肥模型及其应用成果。重点介绍了研究过程中的创新性成果，包括适用于大田小麦和玉米的改进型作物水肥模型、温室蔬菜膜下滴灌作物水模型、大田玉米膜下滴灌作物水模型、光合产物分配系数模型，以及由此分析提出的适用于限量供水灌溉预报的方法及其参数确定方法和增产增收效果评价方法、温室蔬菜膜下滴灌经济灌水下限及其确定方法、基于畦田灌水技术参数优化提出的合理畦长与设计灌水定额的关系。《旱作农田水土环境调控理论与实践》在一定程度上丰富和创新了非充分灌溉理论，为限量供水灌溉和适水农业发展提供了可靠的理论依据和技术支撑。

第1章绪论
　　1.1研究背景
　　农田水土环境是指土壤水分状况、土壤养分、通气状况、土壤盐分状况等。由于田间
　　灌水技术和作物栽培技术的改进，农田水土环境还可以扩展到近地表即植物冠层内的空气温度、湿度状况以及病虫害状况调控等。采用再生水灌溉时还应该包括可能出现的有毒有害物质对土壤及作物产品的污染风险等。
　　土壤水分状况主要有干旱、涝渍，其中干旱是指土壤中缺乏植物可吸收利用的水分，根系吸水不能满足植物正常蒸腾和生长发育的需要而产生的干旱，称为土壤干旱。由于土壤通过影响水循环过程改变环境要素，将水循环要素与土壤储水联系起来，因此进行土壤干旱研究对于植被和作物的正常生长有重要的指示作用。土壤干旱程度可以用诸如土壤水分亏缺指数（soil moisture deficit index，SMDI）、标准化土壤水分指数（standardized soil moisture index，SSMI）、作物水分指数（crop moisture index，CMI）、归一化土壤水分指数（normalized soil moisture index，NSMI）、土壤湿度指数（soil moisture index，SMI）、土壤湿度亏缺指数（soil wetness deficit index，SWDI）等表示（李毅等，2021）。土壤干旱程度随灌溉、排水、降水和作物耗水变化极大。掌握土壤干旱的严重程度，对于粮食安全、农业生产具有重要的指导意义，灌溉是解决土壤干旱的基本措施。
　　涝胁迫会造成植物生物多样性的下降以及作物的产量损失等。植物生长环境中过多的水取代了植物根系和地上环境中的气体空间，这种状态称之为涝渍。土壤中水分取代气体空间而限制植物气体交换的状态称之为渍，而植株的部分或者全部地上组织被水淹没的状态称之为涝。渍水时，植物根系的生长和功能受到直接影响；而淹水时，植株地上部分的光合和呼吸等功能也受到抑制。造成涝胁迫的原因主要包括短时间内的极端降水、排水不畅以及土壤结构黏重等因素。涝胁迫影响到全球大约10%耕地的作物生产，对种子产量能造成15%～80%的损失（李继军等，2023），消除涝渍的主要措施是农田排水。
　　频发的早春霜冻害，不仅影响许多经济作物的花、芽正常生长，对花、芽产生冻伤进而导致品质降低和经济损失（朱永宁等，2020；邱美娟等，2020）。为防止或减轻茶树霜冻害，常采用喷灌措施，其工作原理是利用液态水结冰时释放出潜热，使植株的叶和芽温保持在临界温度-6～-4℃（暴露30min出现受损或死亡的温度）以上（Lu et al.，2018）。与其他防霜方法相比，喷灌防霜具有受天气条件限制小、劳动强度低的特点，该系统还可同时用于灌溉、施肥和缓解干热风危害等，并且广泛地关注于自动化喷灌的应用（潘庆民等，2024）。如Heisey等（1994）设计的自动喷灌系统在霜夜能够保持苹果芽的温度在临界温度之上，Stombaugh等（1992）发现使用微喷头灌溉可以提高草莓的防霜效果，连续喷灌下花的冻死率从52%降低为3%。Olszewski等（2017）试验表明循环喷灌防霜能提高蔓越莓产量并节约喷灌用水量。Koc等（2000）根据环境参数及芽温而设计的自动喷灌系统在3次霜冻事件中平均节水72%。此外还有干热风的调节。
　　与喷灌提高植物冠层温度类似，膜下滴灌可以有效降低温室空气湿度，改善作物生长条件，提高作物产量。张亚莉等（2011）研究结果表明，膜下沟灌和膜下滴灌方式分别比普通沟灌的室内湿度低3.8%～4.9%和3.3%～6.1%，昼夜温差分别达1.5～2.3℃和1.6～2.6℃，土壤温度相对较高。在膜下沟灌和膜下滴灌方式条件下黄瓜霜霉病和白粉病的发生率和病情指数比普通沟灌低，差异达显著或极显著水平。
　　土壤适宜的水气比例有利于提高作物产量和水肥利用效率。膜下滴灌极易造成土壤根际缺氧问题，这是由于覆膜阻隔了土壤与环境之间的气体交换（Shahzad et al.，2019），阻碍了大气氧气向土壤的扩散以及土壤二氧化碳的排出（Nan et al.，2016），降低土壤根际氧浓度；同时，滴灌灌水时及灌水后滴头附近形成持续饱和的湿润区，极大地降低了根际土壤氧气含量，引发根际缺氧（Ben-Noah and Friedman，2016；Kl.ring et al.，2009）。加气灌溉可有效增加灌溉水中溶解氧的含量，改善根际土壤通气性，缓解低氧胁迫（朱艳等，2016），目前较为常见的加气灌溉方式有*立式加气灌溉、物理曝气式加气灌溉、化学加气灌溉法和文丘里式加气灌溉4种。Bhattarai等（2006）通过文丘里装置对番茄进行加气灌溉，结果表明当加气量达到12%时，番茄种植*终可增产21%，尤其是当作物受到盐分胁迫时，文丘里加气灌溉还能起到缓解盐分胁迫的效果。
　　利用再生水灌溉是解决当前我国农业用水量短缺问题的重要手段之一。再生水灌溉给土壤和作物带来丰富的营养元素，如氮、磷和大量有机质（Rattan et al.，2005），从而改善土壤理化性能，增强土壤肥力。但也有研究认为再生水中有机物含量过高会造成土壤孔隙度降低，进而使土壤持水性能和水力传导度下降，导致土壤生产力下降（杨林林等，2006）。并且，虽然再生水是污水经过加工处理后得到的水，但仍含有一定量的病原菌、重金属等污染物，如果使用再生水灌溉的方式不当会对生态环境、人体健康造成危害（吴文勇等，2008）。因此，有必要对再生水灌溉开展更多地研究，提高再生水灌溉的高效性和安全性（韩洋等，2018）。
　　不断增加的粮食需求、区域灌溉面积增加和灌溉用水量增加导致了生态环境问题，迫切需要限制或降低农业灌溉用水量。然而，盲目减少灌溉用水量将使农业生产能力下降，威胁国家粮食安全和农产品有效供给。如何根据水资源承载力发展适水农业，大力提高农业用水效率，成为破解农业用水短缺与食物持续稳产高产矛盾的关键（康绍忠，2019）。对此国家重点研发计划开展了高效用水技术和灌溉规模阈值研究，目标是为我国适水农业发展提供可靠依据和可行的高效节水灌溉技术及其区域发展模式。
　　我国多年平均水资源总量为2.8万亿m3，居世界第6位，人均水资源量仅为1983m3，不足世界人均水平的1/3；单位耕地面积的水资源量仅为世界平均水平的1/2。特别是我国水资源与其他社会资源的空间分布不匹配，国土、耕地面积、人口、GDP分别占全国的64%、46%、60%、44%的北方地区，水资源量仅占全国的18.6%。我国北方的海河、黄河、西北内陆诸河、西辽河等流域的缺水状况更为严峻。
　　农田水土环境调控直接影响作物产量，针对我国干旱半干旱地区开展限水灌溉，提高有限水资源及土地资源的利用效率。包括开展高效节水灌溉技术与农艺技术的配套集成研究，大力推广作物水肥药一体化技术；开展特色经济作物节水调质优产高效灌溉技术研究，采用非充分灌溉技术，对作物某些阶段实施亏缺灌溉，改善果实品质，大幅度提高产品价格，在减少灌溉供水量的同时，增加灌溉效益；开展作物生命健康需水过程，明确不同水土资源条件下满足区域生态需求和粮食安全需求的作物*低限度灌溉需水量；开展农业用水的精量化、自动化、信息化、智能化技术与产品，研发区域主导种植业（粮食作物、蔬菜、果树及特色经济作物）节水增效综合技术（康绍忠，2019）等。为国家适水农业的发展，保障水资源可持续利用和农业可持续发展提供理论依据与技术支撑。
　　1.2研究内容与方法
　　本书分析总结凝练了近十多年来研究团队主持和合作完成的国家自然科学基金面上项目（基于不确定性的限量供水灌溉预报节水增产机制，51779174；水分养分胁迫对冬小麦光合产物分配影响的模拟研究，50679055）、天津市科技计划项目（温室滴灌经济灌水技术研究，17YFZCSF00930）、山西省水利科技研究与推广项目（作物灌溉预报试验研究及应用，201615；半干旱区灌溉需水量精准调控技术研究，201810；温室滴灌经济灌水技术应用示范，201813；山西省玉米膜下滴灌大田试验研究与示范，2015JS2）、山西省灌溉试验项目（灌区主要种植作物节水高效灌溉制度试验研究、灌区典型作物需水特性与灌溉预报研究及应用）等多个科研项目的研究成果。
　　1.2.1研究方法
　　本书采用试验与理论分析相结合的方法开展研究。其中试验包括作物需水量与灌溉制度试验、玉米膜下滴灌需水量与灌溉制度试验、温室膜下滴灌需水量与经济灌溉制度试验、合理确定灌水时间及其影响因素（施肥和灌水定额）试验、农田土壤入渗及畦田水流推进试验。其中作物需水量与灌溉制度试验目的是为确定作物系数提供依据，玉米膜下滴灌需水量与灌溉制度试验以及温室膜下滴灌需水量与经济灌溉制度试验的目的是为玉米膜下滴灌和温室膜下滴灌作物需水量计算、灌溉制度优化和作物水模型的构建提供依据，合理确定灌水时间及其影响因素（施肥和灌水定额）试验目的是为分析大田作物（玉米、冬小麦）构建作物水模型提供试验数据，农田土壤入渗及畦田水流推进试验目的是为确定土壤入渗模型参数和畦田水流糙率提供试验数据。
　　理论分析包括利用田间试验分析确定作物系数、确定作物潜在蒸散量、确定作物灌溉需水量、分析确定典型年、构建作物水肥模型、确定典型年优化灌溉制度并据此确定限量供水灌溉预报模型及其参数；以单位面积效益*大化为目标，进行不同可供水量灌溉制度优化，确定温室膜下滴灌蔬菜的经济灌水下限值、分析给出山西省不同区域玉米膜下滴灌灌溉制度；基于设计灌水定额优化确定适宜畦长和闭口成数，考虑天气因素变化的不确定性分析给出限量供水灌溉预报增产增收效益。
　　1.2.2研究试验点及其基本情况
　　本书研究资料主要来源于山西省中心灌溉试验站、天津农学院农田水循环试验基地（简称试验基地），试验站和农田水循环试验基地基本情况见表1.1，天津市武清区高村镇“北国之春农业示范园”（简称示范园）。表中灌水技术试验包括大同御河灌区、临县湫水河灌区、山西省汾河灌区、文水文峪河灌区、漳北渠灌区、洪洞霍泉灌区、临猗夹马口灌区7个灌溉试验站于2020年和2021年承担进行的畦田入渗试验和畦田水流推进试验；灌溉预报试验是指上述7个灌溉试验站于2016～2020年进行的灌区典型作物需水特性与灌溉预报研究及应用项目、由山西省汾河灌区灌溉试验站单*进行的玉米作物动态灌水下限研究及应用项目，该试验主要为作物水模型的构建提供依据，包括在天津农学院农田水循环试验基地进行的国家自然科学基金面上项目（水分养分胁迫对冬小麦光合产物分配影响的模拟研究，50679055）、在天津农学院农田水循环试验基地和山西省汾河灌区灌溉试验站进行的基于不确定性的限量供水灌溉预报节水增产机制（国家自然科学基金面上项目，51779174）；需水量试验是指2004～2015年期间全省16个灌溉试验站进行的灌区主要种植作物节水高效灌溉制度试验研究，该试验中包括了充分供水灌溉处理；墒情监测是指灌溉试验站每年针对所在灌区主要作物在上、中、下游各选择一个点，定期（每个月的1日、11日和21日）分层（0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm）测试土壤含水率，目的是为灌区确定灌水时间提供依据，为全省农业干旱评价提供依据。
　　1.2.3主要研究成果及创新性
　　本书主要研究成果及创新性如下。
　　1）分析确定了
　　22种作物的作物系数，分地市以代表县（市）典型年的方法确定了22种作物3种典型年（50%、75%和95%）的灌溉需水量，基于实际灌溉供水量（2018～2020年3年的平均值）提出了分地市灌溉供需比（实际灌溉供水量与灌溉需水量之比）。
　　2）引入作物生长相关性和作物植株体生长平衡的概念，创新性地提出了光合产物分配系数模型；采用土壤水分溶质动力学模拟方法代替作物生长模型中基于水量平衡原理的概念模型，并与作物生长过程精准耦合。由此提出了改进型的作物水肥模型。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究内容与方法 3
第2章 土壤水分运动 6
2.1 农田土壤水分数量 6
2.2 农田土壤水分运动基本方程 19
2.3 土壤水分运动参数的确定 45
第3章 土壤热流方程与水热耦合 48
3.1 土壤热特性参数 48
3.2 水热耦合及其模拟 51
3.3 考虑水汽运动条件下土壤水热耦合及其模拟 58
第4章 土壤水盐耦合运移转化动态模拟 60
4.1 土壤溶质与土壤溶液 60
4.2 土壤溶质的化学过程 63
4.3 土壤溶质运移的动力学方程 67
4.4 土壤水分运动参数和溶质运移参数 72
4.5 土壤水盐运移模拟研究 73
4.6 土壤氮素运移转化动力学模拟 81
第5章 作物水肥模型的研究 92
5.1 作物水肥模型的改进 93
5.2 作物形态学模拟 102
5.3 冬小麦复播玉米作物水肥模型参数率定与检验 108
5.4 作物产品品质对水分胁迫的反应及模拟简介 119
第6章 山西省分区分类典型作物精准灌溉需水量研究 120
6.1 基于P-M法的典型作物潜在需水量计算 120
6.2 分区典型年作物灌溉需水量的确定 127
第7章 限量供水条件下精准灌溉需水诊断与决策 130
7.1 灌溉预报方法概述与限量供水灌溉预报方法的构建 131
7.2 限量供水灌溉预报模型参数的确定 132
7.3 限量供水灌溉预报方法的合理性分析 155
7.4 基于限量供水灌溉预报及其增产效益 158
viii 旱作农田水土环境调控理论与实践
第8章 畦田灌水技术优化设计理论及应用 160
8.1 地面灌溉的灌水过程及其灌水质量评价 160
8.2 地面灌溉系统的非稳定流设计方法 164
8.3 畦灌水流模型试验与灌水技术参数优化 167
第9章 温室膜下滴灌经济灌水技术研究 187
9.1 温室膜下滴灌作物的灌水施肥 187
9.2 温室膜下滴灌蔬菜水模型构建 193
9.3 温室膜下滴灌作物经济灌溉制度优化与灌水下限确定 204
第10章 玉米膜下滴灌灌溉制度研究 209
10.1 大田作物膜下滴灌灌水施肥 211
10.2 玉米膜下滴灌作物水肥模型构建及参数确定 217
10.3 山西省玉米膜下滴灌分区灌溉制度 226
参考文献 229
附录A 作物系数 238
附录B 作物灌溉需水量及分区灌溉供需平衡分析计算表 241