中国农业水问题：若干研究重点与讨论
摘要：农业用水是水资源的主要消耗方式, 尤其在华北地区, 因地表水资源不足, 大量农田灌溉导致地下水超采现象严重; 而社会经济的快速发展和气候变化加剧了水资源的不足。水循环过程是农业节水的科学基础。从水循环过程出发, 开展水量转化研究, 在农田水文过程界面加以调控, 进行系统的节水研究, 是节水研究的重点。重视水资源的科学管理, 提高水分利用效率, 建立节水农业的市场机制, 促进节水设施建设; 同时深入开展水循环的基础研究, 充分利用非传统水资源, 是解决我国农业水问题的有效途径。水安全与粮食安全
摘要：水安全是粮食安全的基础, 实现农业水资源的高效利用是保障水安全和粮食安全的根本途径。本文阐述了水安全与粮食安全的概念; 分析了全球及我国水安全与粮食安全现状和未来形势; 辨析了粮食安全的水资源保障战略的构成要素及我国节水农业的发展重点; 并就粮食生产的水资源高效利用、水资源高效配置与调控、农业水资源消耗的生态环境效应以及应对旱涝极端气候等进行了讨论, 进而对主要科学问题进行了归纳, 包括作物理想耗水与多过程协同调控机制、强人类活动下灌区多尺度水循环与伴生过程、粮食生产 水资源 生态过程的互馈机制以及农业旱涝致灾机理与预警机制。水分利用效率与用水有效性：基于气孔视角的稳定同位素应用研究
摘要：澳大利亚多年降水较少并且分布不均, 同华北平原相似, 水资源短缺是制约粮食生产和作物产量的限制因子, 水资源消耗中, 农业用水所占比例最大, 提高植物（作物）的水分利用效率和用水有效性对于实现水资源和农业生产的可持续利用和发展具有重要意义。本文针对澳大利亚和华北平原的农业生产和水资源现状, 基于植物气孔角度在以下3个方面进行论述： ①水分利用效率与用水有效性的概念; ②基于气孔视角的水分利用效率和用水有效性的分析; ③不同作物品种水分利用状况的同位素判别与应用。除此之外, 也对华北平原目前农业水分利用情况提出相应建议。华北平原浅层地下水可持续利用潜力分析
摘要：浅层地下水是华北平原最重要的水资源, 对农业、经济和社会发展具有制约性作用。本文基于＂华北平原地下水可持续利用调查评价＂项目研究资料与成果, 以行政区为单元, 计算了华北平原浅层地下水开采资源量, 评价了其资源潜力, 在此基础上定性分析了浅层地下水的可持续利用潜力。研究结果表明, 华北平原浅层地下水总开采资源量为202.94×10^8m^3a^-1, 开采资源模数为14.58×104 m3 a-1 km-2, 区域分布不均, 呈西部山前平原及沿黄平原高、中东部平原低的规律。浅层地下水开采潜力系数为1.15, 总体上采补平衡, 开采潜力一般, 但空间分布不均, 最高值为滨州地区的5.16和天津地区的4.18, 较低的为石家庄地区的0.72和廊坊地区的0.75。可持续利用潜力分析表明, 华北平原浅层地下水已基本无开发利用潜力, 尤其浅层淡水, 局部地区超采现象严重, 可持续利用潜力不容乐观; 但微咸水、咸水开采潜力（较）大, 其中河北平原咸水、微咸水开采资源潜力近35×10^8m^3a^-1, 在开发利用技术条件允许的情况下可以进一步增大开发利用率, 提高区内浅层地下水可持续利用潜力。该研究可为实现华北平原的水资源优化配置、农业与经济社会的可持续发展提供指导。气候变化对华北粮食主产区水资源的影响及适应对策
摘要：气候变化已成为目前全球最为重要的环境问题之一, 气候变化将通过加速水文循环进而对区域水资源产生重要影响。采用统计分析和数学模拟方法, 分析了气候变化对中国华北粮食主产区水资源的可能影响。结果表明： 过去50年黄河中下游地区和海河流域河川径流呈现显著性减少趋势, 淮河流域及黄河上游河川径流为非显著性变化；其中, 1980年以来海河流域实测径流量较前期减少超过50%。未来30-50年华北粮食主产区气温将持续上升, 降水的不确定性更大, 总体呈现弱增加趋势。受气温升高和降水变化影响, 未来几十年水资源总体以略微偏少为主, 但存在区域性增多的可能; 在RCPP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下, 区域水资源较基准期（1961-1990）分别变化-1.3%、1.0%和-2.3%。在空间分布上, 黄河中游水资源可能略有增多, 但淮河和海河流域水资源很可能进一步减少, 华北粮食主产区水资源供需矛盾可能会因气候变化而更为突出。加强节水型社会建设、水利工程建设以及充分利用非传统水源是该地区未来适应气候变化的核心工作。河北平原农田耗水与地下水动态及粮食生产相互关系分析
摘要：农田耗水是河北平原地下水资源消耗的主体, 农田耗水与地下水动态、粮食生产互制机理研究可为农业节水提供重要依据。基于1981-2010年河北省经济统计年鉴、地下水开采量与地下水位、常规气象等数据, 分析了河北平原近30年来农田耗水、粮食产量、降水量、地下水等动态变化特征, 揭示了它们之间的相互响应关系。结果表明, 近30年来, 河北平原农田耗水总量约722.4 km^3, 生产粮食约5.9×10^8t, 开采地下水约440 km^3（其中约330 km^3用于农田灌溉）, 地下水位共下降约11.5 m; 河北平原农田耗水与粮食产量总体呈逐年上升趋势, 尽管2000年以来地下水开采量有所减少, 但地下水位一直持续下降; 农田耗水与地下水开采量、地下水埋深、粮食产量相互之间关系密切, 每生产1 t粮食所消耗的水资源约1 224.4 m^3（包括地下水597.1 m^3）, 而地下水开采量每增加1 km^3, 河北平原地下水位实际下沉约0.03 m; 农田耗水、地下水埋深均与年降雨量无明显相关性, 由于降水入渗、灌溉渗漏不足以弥补开采的地下水, 超采是引起河北平原地下水位持续下降的直接原因。因此, 进一步发展节水农业、提高灌溉效率是促进河北平原农业可持续发展的必然选择。基于STME模型和MODIS数据的滹滏平原实际蒸散量遥感估算
摘要：滹滏平原光、热及土壤资源优越, 是华北平原重要的粮食生产基地, 灌溉是该区农业获得稳产高产的重要保障, 持续抽取地下水和无节制利用地表水已经引起了严重的水资源危机, 合理高效利用有限水资源进行农业生产势在必行。本文利用单源梯形遥感蒸散发模型（a single-source trapezoid model for evapotranspiration, STME）和中等分辨率成像光谱仪MODIS（2011-2012年共115期）地表温度和反射率产品估算区域地表土壤缺水状况及实际蒸散量, 并利用中国科学院栾城农业生态系统试验站（以下简称＂栾城站＂）和赵县梨园涡度相关系统地表水热通量的观测值对STME模型估算结果进行验证。结果表明该模型可以很好地估算区域蒸散量, 误差在可接受范围内。赵县梨园净辐射Rn的观测平均值为4.10 mm, 估算平均值为4.69 mm, 均方根差RMSD为0.80 mm; 赵县梨园蒸散量观测平均值为2.86 mm, 估算平均值为3.01 mm, 均方根差RMSD为0.95 mm; 栾城站蒸散量的观测平均值为2.67 mm, 估算平均值为2.44 mm, 均方根差RMSD为0.87 mm。将STME模型应用到滹滏平原估算日蒸散量, 明确了区域尺度蒸散发的时空变化特征： 10月份果园生态系统蒸散量多于农田生态系统; 11月份区域蒸散量整体小于1 mm; 第2年春季小麦返青、拔节期, 农田生态系统蒸散量多于果园生态系统蒸散量; 5月份处于植被生长旺盛期, 农田和果园生态系统的蒸散量相差不大; 6月份小麦收获, 玉米播种, 农田生态系统蒸散量少于果园生态系统; 7月份整个区域蒸散量达到最大, 蒸散量不仅与植被长势相关, 而且与土壤湿度相关; 8、9月份随着植被的成熟和收获, 区域蒸散量整体变小。不同时期区域水分亏缺指数不同, 可根据其指导区域灌溉量。STME模型继承了基于数理计算确定梯形顶点的方法和水分亏缺指数, 使得计算过程得以简化且物理机制明确�基于植被遥感信息的作物蒸散量估算模型——以华北平原冬小麦为例
摘要：本文基于作物系数法并结合植被遥感信息（MODIS/NDVI）, 提出一种能反映作物空间分布和土壤供水差异信息的作物蒸散量估算模型。利用该模型得到2000-2013年华北平原冬小麦的蒸散量, 模拟结果与遥感蒸散产品吻合度较高（R^2=0.952, RMSE=1.3×10^7 m^3）, 并分析了冬小麦蒸散量和灌溉耗水量的时空变化。结果表明： ①华北平原冬小麦蒸散量呈南高北低的格局。基于250 m空间分辨率上来看, 山东省、河南省的黄河灌区以及太行山前平原的冬小麦蒸散量可达400 mm以上, 中部平原区冬小麦蒸散量〈350 mm, 滨海一带蒸散量〈200 mm。②冬小麦灌溉耗水量与其蒸散量格局相一致。在太行山前平原、河南省和山东省的引黄灌区, 灌溉耗水量可达250 mm以上; 河北平原北部由于冬小麦种植比例较低, 灌溉耗水量〈100 mm。③近14年河北平原北部冬小麦播种面积下降明显, 区域灌溉耗水量减少, 地下水位下降趋势得到明显缓解。本文提出的作物蒸散量估算模型能够较好地用于确定较大区域作物蒸散耗水量, 并可应用于区域作物灌溉量的评估与管理中。我国五大粮食主产区农业干旱态势综合研究
摘要：受气候变化影响, 我国干旱灾害加剧, 威胁国家粮食安全。对农业干旱态势进行综合评价分析, 有助于清楚地掌握我国农业受旱程度的空间分布及区域差异。为评价我国五大粮食主产区农业干旱综合态势, 本文提出了＂作物干旱综合指数＂概念及其计算方法。根据全国1982-2011年的日值气象数据及主要农作物分布数据, 首先计算了不同作物水分敏感期的作物干燥度, 进而采用面积加权综合法计算作物干旱综合指数, 分别分析了各粮食主产区的作物受旱情况和综合农业干旱态势。结果表明： 三江平原和松嫩平原农业干旱综合态势较为严峻, 且三江平原的春小麦以及松嫩平原春小麦、玉米、水稻的受旱程度均不容忽视。黄淮海平原农业干旱态势为5区中最严重, 特别是冬小麦旱情最重, 一季稻及玉米以轻度和中度旱情为主。长江中游及江淮地区农业干旱综合态势以轻度干旱为主, 冬小麦、早稻和晚稻种植区均呈现不同程度旱情, 以中度及其以下为主, 晚稻受旱较为明显。四川盆地农业综合旱情为5区中最轻, 各作物中一季稻和玉米旱情较轻, 而冬小麦种植区旱情相对比较严重。农业资源研究中心“百人计划”招聘启事
摘要：中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心（以下简称中心）面向国家水安全、粮食安全、生态环境安全的重大战略需求和农业资源与生态学前沿领域开展应用基础研究。根据中心科研布局与学科发展的需要，现诚聘海内外杰出人才若干名。抗蒸腾剂研究及其在农业中的应用
摘要：作物应对干旱胁迫时, 气孔在协调蒸腾和光合作用方面起到了关键作用。越来越多的研究者们开始关注气孔行为与植物抗旱能力之间的关系。在农业生产上, 研究者们通过不同方式调节气孔运动和改善气孔微环境, 在提高作物抗旱性的同时促进作物产量形成。其中提高作物抗旱能力的一种有效方式就是使用抗蒸腾剂。本文介绍了近些年研究较多的成膜型抗蒸腾剂和代谢型抗蒸腾剂的作用机理, 并对两类抗蒸腾剂的应用效果进行了比较。最后提出了抗蒸腾剂研究新动向，一是数学模型在抗蒸腾剂研究中的应用, 将抗蒸腾剂对植物作用分解为环境因子变化并引入光合作用？蒸腾作用？气孔导度耦合模型, 从而建立抗蒸腾剂新品种快速筛选与适用性评估机制的可能性; 二是通过红外测温法评估抗蒸腾剂效果, 红外测温法能够快速获得大面积植被蒸腾瞬时信息且测温仪便于携带, 在田间试验中可用于喷施抗蒸腾剂后作用效果连续观察, 并且基于测定数据计算作物水分亏缺指数（CWSI）在抗蒸腾剂改变作物抗旱能力研究方面具有较高应用价值。最后指出未来抗蒸腾剂研究应针对作物不同生育阶段特点与生产要求, 建立包括多种抗蒸腾剂品种在内的组合使用方法, 进一步扩大抗蒸腾剂应用范围, 优化其使用效果。覆盖材料和沟垄比对燕麦产量和水分利用效率的影响
摘要：为改善半干旱地区土壤水分状况和提高降雨资源利用率, 在中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地布置田间试验, 采用完全随机设计, 以无覆盖平作为对照, 研究不同覆盖材料垄作（普通地膜、生物可降解地膜和无覆盖土垄）及垄作不同沟垄比（60 cm∶30 cm、60 cm∶45 cm和60 cm∶60 cm）对燕麦土壤贮水量、干草产量、籽粒产量、水分利用效率和经济效益等的影响。结果表明, 就同一覆盖处理的平均值而言, 土壤贮水量的排列次序为普通地膜≈生物可降解地膜〉土垄〉平作, 在同一覆盖处理下, 土壤贮水量随沟垄比减小而增加。土垄燕麦的干草产量、籽粒产量和水分利用效率比平作分别降低12%、18%和27%; 生物可降解膜垄燕麦的干草产量、籽粒产量和水分利用效率比平作分别提高5%、4%和14%; 普通膜垄燕麦的干草产量、籽粒产量和水分利用效率比平作分别提高7%、9%和23%。就大多数情况而言, 燕麦干草产量、籽粒产量和水分利用效率随沟垄比减小而减小。对垄宽和实际籽粒产量的回归分析表明, 当沟垄比为60 cm∶38 cm时, 普通膜垄的燕麦实际籽粒产量达到最大值2 213 kg hm^-2; 当沟垄比为60 cm∶34 cm时, 生物可降解膜垄的燕麦实际籽粒产量达到最大值2 114 kg hm^-2。平作、土垄、生物可降解膜垄和普通膜垄燕麦经济效益分别为5 194元 hm^-2、4 557元 hm^-2、4 889元 hm^-2和5 637元 hm^-2。从燕麦籽粒产量、水分利用效率和环保等方面考虑, 在我国半干旱黄土高原区沟垄集雨种植燕麦, 覆盖材料应采用生物可降解膜, 沟宽∶垄宽为60 cm∶34 cm。间作与施氮对秸秆覆盖作物生产力和水分利用效率的影响
摘要：2012年3-10月在甘肃省河西走廊石羊河绿洲灌区进行大田试验, 研究了不同施氮水平[0、140 kg（N） hm^-2、221 kg（N） hm^-2和300 kg（N） hm^-2]对小麦//玉米间作系统生产力、间作优势和水分吸收利用的影响。研究结果表明： 当施氮量达221 kg（N） hm^-2时, 小麦单作籽粒产量（5 036 kg hm -2）和水分利用效率（25.13 kg hm^-2 mm^-1）达最大值; 当施氮量达300 kg（N） hm^-2时, 小麦间作籽粒产量（3 078 kg hm^-2）和水分利用效率（39.76 kg hm^-2 mm^-1）、玉米单作籽粒产量（9 921 kg hm^-2）和水分利用效率（38.96 kg hm^-2 mm^-1）、玉米间作籽粒产量（6 895 kg hm^-2）和水分利用效率（46.31 kg hm^-2 mm^-1）达最大值; 当施氮量为0 kg（N） hm^-2时, 小麦相对于玉米的竞争力（0.049）达最大值; 当施氮量为300 kg（N） hm^-2时, 小麦//玉米间作的土地当量比（1.33）达最大值; 当施氮量为140 kg（N） hm^-2时, 小麦相对于玉米的水分竞争比率（0.98）达最大值。与单作相比, 小麦//玉米间作具有显著的间作产量优势和水分利用优势。间作方式中小麦的竞争能力大于玉米; 小麦、玉米两作物对水分生理需求时间有效性差异是小麦//玉米间作高效利用水分资源的基础, 合理施氮能促进间作种植产量优势和水分利用优势的发挥。施肥措施对砂姜黑土水分入渗性能的影响
摘要：土壤水分入渗是降雨和灌溉水转变为土壤有效水的过程, 是降水、地表水、土壤水和地下水相互作用的环节, 是影响作物水分利用效率的重要因素。砂姜黑土黏粒含量高, 具有楔型结构等障碍因子, 水分入渗性能和持水能力较弱, 作物水分利用效率低。改良土体结构是提高土壤入渗与持水能力, 增加作物水分利用效率的重要途径。为研究施肥措施对砂姜黑土理化性质及水分入渗性能的影响, 设置不施肥对照（CK）、测土配方施肥（PF）、测土配方施肥＋秸秆还田（PF＋JG）和测土配方施肥＋粉煤灰（PF＋FMH） 4个试验处理, 进行小麦？玉米田间轮作试验。研究了土壤容重、颗粒组成、总孔隙度和有机质含量的变化规律, 分析了土壤水分入渗特征及其与土壤理化性质之间的关系。结果表明, PF＋JG、PF＋FMH处理使土壤有机质含量分别较CK和PF提高18.01%、8.92%和11.18%、2.61%, 土壤容重分别降低12.90%、11.29%和4.48%、2.98%, 土壤总孔隙度分别增加13.89%、5.87%和12.46%、4.56%, 土壤水分累积入渗量分别增加98.08%、90.39%和34.64%、29.41%。PF＋JG（1.18×10^-4 m·s^-1）和PF＋FMH（1.13×10^-4 m·s^-1）处理的土壤水分稳定入渗速率分别是CK（5.92×10^-5 m·s^-1）和PF（8.73×10^-5 m·s^-1）的1.99倍、1.91倍和1.35倍、1.29倍。土壤水分稳定入渗速率与有机质及总孔隙度显著正相关（P〈0.01）, 与土壤容重呈显著负相关（P〈0.05）。该研究表明, 秸秆还田和粉煤灰处理, 可提高土壤有机质含量, 降低土壤容重, 增加土壤孔隙度, 提高土壤水分稳渗速率, 可为土壤水分入渗性能提升提供理论依据。黑河下游荒漠河岸林植物水分利用关系研究
摘要：本文分析了荒漠河岸林植物水分来源, 辨明不同植物种的水分利用关系。根据植物水分来源的空间差异, 探讨植物种间关系, 为荒漠河岸林生态建设中的物种选择和搭配提供依据, 避免物种间因水分利用而过激竞争。结合对黑河下游植物胡杨、柽柳、苦豆子、黑刺、花花柴、骆驼蓬的木质部水及其潜在水源——土壤水和地下水的稳定氧同位素组成（δD、δ^18O）测定分析, 应用＂同位素质量守恒多元＂分析方法, 探讨了不同潜在水源对植物的贡献。结果表明： ①不同种类植物木质部δD、δ^18O值不同, 表明不同种类植物的吸水深度不同, 胡杨（幼苗）主要利用0-20 cm的土壤水, 柽柳主要吸收200-300 cm的深层土壤水, 黑刺主要利用0-20 cm的土壤水, 花花柴的主要吸水层位为50-100 cm, 骆驼蓬的主要吸水层位为0-20 cm, 而苦豆子主要利用0-5 cm的土壤水。②不同潜在水源对植物的贡献率因植物种类不同而异, 草本植物主要利用浅层土壤水, 灌木因植物种类不同, 水分来源有差异, 而乔木胡杨（幼苗）主要利用浅层土壤水; ③根据试验结果, 黑河下游胡杨（幼苗）与黑刺、骆驼蓬之间水分利用存在竞争关系, 胡杨（幼苗）、柽柳与其他物种之间水分利用可能存在协助关系。④蒸发是导致黑河下游土壤水分中氢、氧稳定性同位素富集的主要原因; 但随深度加大, 土壤水受地下水的影响加大, 稳定同位素值也相应发生改变。太子河流域地表水和地下水硝酸盐污染特征及来源分析
摘要：地下水作为一种主要的饮用水和重要农业用水水源, 其环境质量状况关乎人类健康、粮食安全与生态可持续发展。本研究对太子河流域地表水、地下水的O3--N污染状况进行了调查, 并结合水化学与NO3^- -N同位素对其来源进行了分析, 探讨太子河流域地下水的水化学特征和硝酸盐污染状况, 为理解该区域地下水的水化学组成特点和开展水环境质量评价提供理论依据。结果表明, 太子河流域地表水氮主要以NO3^--N的形式存在, 占总氮78.38%, 浓度为0.75-6.40 mg·L^-1, 从上游到下游其含量变化趋势为先上升后下降, 在S6采样点达到最高值6.40 mg·L^-1; 地表水中NO2--N所占比例仅为0.78%, 且沿河流变化较小; 由于施用化肥肥料和有机氮的矿化作用, 下游地表水C1-浓度和NH4＋含量增高。太子河流域地下水NO3^-N浓度普遍高于地表水, NO3^--N浓度为0.57-55.78 mg·L^-1, 平均20.26 mg·L^-1; NO3^--N浓度为0-0.04 mg·L^-1，平均0.017 mg·L^-1。太子河流域地下水的NO2-和NO2-污染状况较重。NO3^--N同位素结果显示, 地表水的δ^15N为-0.74‰-13.27‰; 上游NO3^--N主要来源于土壤有机氮矿化, 中下游受农业化肥和人畜粪便共同影响。地下水δ^15N为5.7‰-17.5‰, 受人类活动影响较大, 人畜粪便堆肥和农业化肥的渗漏是主要影响因素。欢迎报考中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心
摘要：一、中心概况 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心（以下简称“中心”）具有独立事业单位法人资格，拥有中国科学院农业水资源重点实验室、河北省节水重点实验室，以及代表山地丘陵区-山前平原区-滨海平原区不同生态类型的3个野外试验站，为研究生培养提供了极具特色的科学研究基地．“华北平原地下水与农业可持续性”专辑——发刊词
摘要：华北平原是我国重要的粮食生产基地，而水资源量仅占全国的4％，人均占有水资源量全国最少，开发利用率最高，是水资源供需矛盾最突出的地区之一。得益于良好的耕地条件和充足的光热资源，在大量化学肥料投入和充足的灌溉保障下，华北平原粮食生产达到了较高的单产水平。粮食生产长期依靠抽取地下水来实现，用于农业的地下水消耗占到全部地下水消耗的80％以上，近40年来的持续过量开采导致该区域地下水水位快速下降，
