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包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030549532
编辑推荐
从事或涉及节水灌溉技术工作的人员，高等院校师生及其他技术人员
内容简介
《粮食主产区宽垄沟灌技术要素与作物需水特性研究》主要介绍农田水利工程中宽垄沟灌技术的发展过程及技术要素与作物需水特性的相关研究，《粮食主产区宽垄沟灌技术要素与作物需水特性研究》内容包括：宽垄沟灌条件下沟垄田规格参数对田面水流运动特性影响的研究；小麦、玉米宽垄沟灌条件下土壤水分运动规律，在其基础上进行了沟灌技术参数优化，并采用数值模拟进行了验证；分析了宽垄沟灌种植模式对冬小麦、夏玉米的生理生态影响；同时，对宽垄沟灌的灌溉制度进行了研究。《粮食主产区宽垄沟灌技术要素与作物需水特性研究》理论与实践相结合，内容翔实，层次分明，具有较强的实用性。
目 录
目录
**章 绪论 1
**节 研究背景与意义 1
第二节 国内外研究进展 3
第三节 河南省粮食主产区研究概况 15
第二章 宽垄沟灌种植沟垄田规格参数对水流运动特性影响研究 18
**节 试验与方法 18
第二节 宽垄沟灌水流特性研究 21
第三节 宽垄沟灌垄田规格参数对灌溉水流推进特性的影响 22
第四节 宽垄沟灌垄田规格参数对灌溉水流消退的影响 29
第五节 主要结论 34
第三章 宽垄沟灌垄田规格参数与沟灌技术要素优化研究 35
**节 试验与方法 35
第二节 小麦、玉米宽垄种植灌水质量评价 35
第三节 沟垄田规格参数组合优化 44
第四节 主要结论 51
第四章 宽垄沟灌土壤水分入渗特性研究与数值模拟 52
**节 试验与方法 52
第二节 不同沟垄田规格参数的土壤入渗参数确定 52
第三节 沟垄田规格参数对累积入渗量 53
第四节 沟垄田规格参数对土壤湿润锋运移的影响 58
第五节 宽垄沟灌土壤水分入渗的数值模拟 62
第六节 主要结论 67
第五章 宽垄沟灌小麦、玉米根层土壤水分动态研究 69
**节 试验与方法 69
第二节 垄作小麦、玉米计划湿润层土壤水分动态 69
第三节 垄作小麦、玉米土壤水分动态与灌溉、降水量相关性分析 70
第四节 垄作沟灌小麦、玉米不同深度土壤水分动态 72
第五节 主要结论 76
第六章 宽垄沟灌对作物生理生态特性影响研究 78
**节 试验与方法 78
第二节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米生育进程的影响 80
第三节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米株高的影响 82
第四节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米叶面积的影响 85
第五节 宽垄沟灌对夏玉米基部茎粗的影响 89
第六节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米灌浆期的影响 91
第七节 宽垄沟灌对冬小麦地上干物质累积量的影响 93
第八节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米产量的影响 95
第九节 主要结论 97
第七章 宽垄沟灌作物需水特性与灌溉制度研究 98
**节 试验与方法 98
第二节 不同种植模式的作物需水量 99
第三节 不同种植模式的作物耗水规律 106
第四节 不同种植模式的作物水分生产效率 109
第五节 不同种植模式下作物水分生产函数 111
第六节 小麦、玉米宽垄沟灌灌溉制度 115
第七节 主要结论 118
第八章 主要成果与结论 120
**节 取得的主要成果 120
第二节 创新总结 122
主要参考文献 124
**章 绪论 1
**节 研究背景与意义 1
第二节 国内外研究进展 3
第三节 河南省粮食主产区研究概况 15
第二章 宽垄沟灌种植沟垄田规格参数对水流运动特性影响研究 18
**节 试验与方法 18
第二节 宽垄沟灌水流特性研究 21
第三节 宽垄沟灌垄田规格参数对灌溉水流推进特性的影响 22
第四节 宽垄沟灌垄田规格参数对灌溉水流消退的影响 29
第五节 主要结论 34
第三章 宽垄沟灌垄田规格参数与沟灌技术要素优化研究 35
**节 试验与方法 35
第二节 小麦、玉米宽垄种植灌水质量评价 35
第三节 沟垄田规格参数组合优化 44
第四节 主要结论 51
第四章 宽垄沟灌土壤水分入渗特性研究与数值模拟 52
**节 试验与方法 52
第二节 不同沟垄田规格参数的土壤入渗参数确定 52
第三节 沟垄田规格参数对累积入渗量 53
第四节 沟垄田规格参数对土壤湿润锋运移的影响 58
第五节 宽垄沟灌土壤水分入渗的数值模拟 62
第六节 主要结论 67
第五章 宽垄沟灌小麦、玉米根层土壤水分动态研究 69
**节 试验与方法 69
第二节 垄作小麦、玉米计划湿润层土壤水分动态 69
第三节 垄作小麦、玉米土壤水分动态与灌溉、降水量相关性分析 70
第四节 垄作沟灌小麦、玉米不同深度土壤水分动态 72
第五节 主要结论 76
第六章 宽垄沟灌对作物生理生态特性影响研究 78
**节 试验与方法 78
第二节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米生育进程的影响 80
第三节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米株高的影响 82
第四节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米叶面积的影响 85
第五节 宽垄沟灌对夏玉米基部茎粗的影响 89
第六节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米灌浆期的影响 91
第七节 宽垄沟灌对冬小麦地上干物质累积量的影响 93
第八节 宽垄沟灌对冬小麦和夏玉米产量的影响 95
第九节 主要结论 97
第七章 宽垄沟灌作物需水特性与灌溉制度研究 98
**节 试验与方法 98
第二节 不同种植模式的作物需水量 99
第三节 不同种植模式的作物耗水规律 106
第四节 不同种植模式的作物水分生产效率 109
第五节 不同种植模式下作物水分生产函数 111
第六节 小麦、玉米宽垄沟灌灌溉制度 115
第七节 主要结论 118
第八章 主要成果与结论 120
**节 取得的主要成果 120
第二节 创新总结 122
主要参考文献 124
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**章 绪论
**节 研究背景与意义
目前，世界各国都面临水资源缺乏的问题，随着我国经济社会的不断发展，越发严重的水环境恶化和水资源短缺已成为社会和经济发展的严重制约因素。我国虽然拥有的淡水资源占全球水资源总量的6%，位居世界第四位，但人均占有量不足世界平均水平的1/4，是全球13个人均水资源*贫乏国家之一。我国水资源短缺的情况逐渐扩大到全国范围，且程度明显加剧。预计到2030年，我国人均水资源占有量将逼近全球公认的水资源严重不足的**线——1700m3，未来水资源状况将不容乐观。除了开辟新的水资源，节约用水则是解决当前水资源紧缺的首要途径。
根据中华人民共和国水利部2012年资料统计，农业用水仍是我国用水大户，占全国总用水量的62%。我国渠灌区灌溉水利用系数仅有40%左右，井灌区也只有60%左右，而发达国家灌溉水利用系数可达70%以上。用水效率不高是农业水资源浪费的主要原因，一方面是因为灌溉设施不完善和灌溉技术落后造成输水过程中的浪费，另一方面是因为灌溉水不符合作物生理生态需求，导致水分利用效率不高。为解决严重的水资源短缺和农业用水浪费的问题，节水农业的发展是必不可少的。因此，为解决我国水危机，就要发展大规模高效节水农业，在提高灌溉水利用效率的同时，降低单位产出农产品的耗水量。通过发展节水农业技术和种植抗旱节水高产高效作物品种，挖掘农业生产中的节水潜力。
随着社会经济的持续发展，淡水资源、土地资源的日趋紧张和水资源供需矛盾的日益突出，已成为制约农业可持续发展的主要因素。与我国北方大部分半干旱地区相似，河南省粮食主产区的农田水利用效率相对较低，水分生产率不足1.0kg/m3，不到发达国家的1/2。如何科学合理用水，提高水分利用效率，使有限的水资源发挥更大的经济和社会效益，是农业生产中迫切需要解决的一个重大问题，也是保障和维护粮食安全的主要措施之一。
畦灌和沟灌在我国农业灌溉中占主导地位，我国95%以上农田灌溉面积仍采用地面灌溉技术。这主要是由于地面灌溉田间工程具有设施简单、易于实施、运行成本低等优点；但地面灌溉效率不高。有关专家指出，如果采用新的地面灌水技术，地面灌溉同样有着较高的灌水效率、储水效率和灌水均匀度。因此，发展地面灌溉对于缓解我国农业用水的供需矛盾、发展节水型农业意义重大。
20世纪中叶以来，尤其是*近30年，地面灌溉管理技术取得了很大的发展，其中很重要的一点就是建立了田间灌溉质量评价体系。从此人们可以更加直接地对灌溉体系进行评价。
Blair等于1988年定义了灌水质量综合评价指标，将灌水效果用存储在计划湿润层的水量占灌入田间总水量与欠灌水量的比值来表示；林性粹、王智等修正了Blair等的评价指标，把灌水效果用作物蒸发蒸腾量与灌水总量和欠灌水量的比值来表示，去掉了不容易计算的蒸发蒸腾量。Sanchez和Faci于2011年提出了季节灌水质量指数(SIPI)，把作物实际需水量与灌溉水量之间的关系用净灌溉需水量(NIR)与田间灌水总量的比值来表示。
小麦、玉米宽垄沟灌灌水质量评价方法与其他地面灌溉相同，包括灌水均匀度(Ed)、灌水效率(Ea)和储水效率(Es)三项指标。灌水均匀度指灌溉水在田间入渗分布的均匀程度，灌水均匀度越高，田块各点作物吸收等量水分的可能性越大，作物生长条件越均匀。灌水效率指根系储水层内增加的水量与实际灌入田间总水量的比值，表征农田灌溉水有效利用的程度。储水效率指灌后存储在计划湿润土壤区内的水量与计划灌水量的比值，表征灌水技术实施后，能够满足计划湿润作物根系土壤区内所需要水量的程度。三项指标同时使用才能全面地评价田间灌水质量。本书选取灌水均匀度、灌水效率和储水效率进行研究，要求三个灌水质量指标均大于80%为灌水质量满足技术要求。
在我国粮食主产地区，垄作沟灌技术经过多年发展，设计和管理水平有了一定程度的提高，但研究多集中在农业技术方面，在节水灌溉理论与技术方面研究较少。
小麦、玉米宽垄沟灌通过对传统平作栽培的一系列技术上的改进，产生了良好的生理生态效应，同时有利于**限度地发挥作物的边行优势。本书以冬小麦、夏玉米为研究对象，以降低农业用水、提高区域农业水资源利用效率和作物综合生产能力为目标，开展宽垄沟灌垄田规格参数、灌水技术要素、灌溉田面水流运动和土壤水分入渗特性、作物生长发育及作物需水特性和灌溉制度等方面研究具有十分重要的理论价值和生产实际意义。
小麦、玉米宽垄沟灌作为新型的种植方式，打破了传统的小麦和玉米各自种植的方法，近年来逐渐受到人们的关注。小麦、玉米宽垄沟灌将土壤平面变为波浪状，形成垄面垄沟相间的波浪状态，作物种植在垄上，灌水、施肥等管理措施在垄沟进行，降低了干扰，水分集中在垄沟，以渗透形式进入垄体，有利于作物吸收水分和养分。与传统种植模式相比，宽垄种植模式降低了土壤容重，土壤孔隙度增加，形成一种上虚下实的土壤结构，为作物的生长发育提供了有利条件。不同沟垄田规格的土壤水分入渗规律有待研究，这对进行该种植模式的灌水技术要素优化和评价具有重要意义。沟灌水流消退结束时，上层土壤含水率饱和，在土壤水势梯度和重力势的作用下，水分继续向沟两侧和土壤深处运动，湿润锋不断延伸，但运动的速度不断放缓，直至土壤水分的分布结束。
沟灌灌水时，在重力作用下发生垂直入渗的同时，伴随着毛管吸力作用下的侧向入渗。沟灌过程中，水流沿灌水沟向前推进，沟宽、沟深、沟底纵坡、田面糙率等很多参数都会对灌溉水流运动造成影响，而且各参数的影响互相渗透，关系复杂。当前，许多学者对传统沟灌条件下的灌溉水流运动进行了较为广泛的研究。然而，对于小麦、玉米宽垄沟灌条件下各沟灌规格参数与灌溉水流推进和消退的关系等方面的研究少见报道。
土壤入渗特性是设计和管理沟灌技术的重要参数之一，其决定了灌溉过程中水流推进和消退时间、沟垄田入渗深度以及灌水质量。宽垄沟灌同样属于二维入渗，由于沟中水深随时间和空间不断变化，且受到复杂的沟宽、沟深、沟底纵坡及垄宽等土壤特性参数的影响，导致宽垄沟灌的入渗过程更为复杂。
随着我国社会经济的快速发展，对水资源的需求仍在不断增加。特别是人口的不断增长，对农产品的需求越来越多，要求的保障程度也越来越高，加之城市及工业用水量的快速增长，对水资源供应施加的压力也越来越大。为了保障整个社会的持续稳定发展，大力发展节水事业、高效利用有限的水资源就成为**的可行途径。大力发展节水灌溉，提高农业用水的利用效率，对于缓解我国水资源紧缺状况、保证农业的持续发展，以及保障整个社会的水资源供应都具有重要意义。
第二节 国内外研究进展
农业高效灌溉技术的研究已经有较长的一段历史。就国内外目前的状况看，主要有以下的研究成果。
一、垄作沟灌技术
国外对作物垄作沟灌技术的研究起步较早，20世纪初已有这方面的研究。目前，美国一半以上的耕地采用以起垄、覆盖、少(免)耕为特点的耕作方式，墨西哥60%的小麦实行了垄作栽培，近年来作物垄作技术已由干旱半干旱地区扩大到多雨的热带草原，由中耕作物扩大到麦类作物，由旱地农业扩展到灌溉农业。垄作在我国同样具有悠久的历史，但发展缓慢。目前，我国传统经济价值较高的蔬菜、棉花、花生、烟草等精细作物多采用垄作栽培技术生产，直至20世纪末才逐渐开展了水稻、玉米、油菜、大豆、小麦等大田作物垄作技术的研究，并取得了良好的效果。
相对于传统平作，垄作将土壤平面形成垄面垄沟相间的波浪状态(图1-1)，土壤与近地表大气层之间接触面积扩大，作物种植在垄上，灌水、施肥等管理措施在垄沟进行，降低了干扰，水分集中在垄沟，以渗透形式进入垄体。与传统平作相比，垄作形成的土壤结构上虚下实，熟化土壤层明显加厚，土壤孔隙度增加，土壤容重降低，有利于根系生长*旺盛的耕层吸收水分和养分。
图1-1 常规垄作种植示意图
垄作种植模式可提高耕层温度，是改善土壤温度状况的有效措施。垄作由于形成了上虚下实的土壤结构，土壤孔隙度和土壤呼吸强度提高，土壤微生物活动增加，使土壤酶活性得到了增强。昌龙然、Ebrahimian等认为，长期实行垄作免耕，土壤有机碳和颗粒态有机碳含量显著高于其他耕作方式。汪顺生等研究发现垄作栽培的夏玉米地上干物质积累量及产量均高于传统平作，指出其适宜在豫西地区推广，垄作还可以增强土壤呼吸强度和还田秸秆的分解强度。
宽垄沟灌能有效提高作物水分利用效率，垄作通过改变微地形，实现土壤地貌特征和结构的优化，扩大了土壤蓄水能力，水土流失减少，产生良好的节水效应。王庆杰等指出，大垄宽窄行免耕种植模式能够增加土壤蓄水保水能力，与均行小垄免耕种植模式相比，大垄宽窄行免耕种植模式可以促进玉米个体发育，增加叶面积指数和干物质积累。研究表明，作物起垄种植水分利用效率明显高于平作，垄作覆盖能**限度地利用天然降水，使存储在土中的有效降雨转化为作物可用水资源，垄作覆盖作物冠层蒸发量和地面蒸发量明显下降，水分利用效率明显提高。唐文雪研究指出，垄作沟灌栽培0～10cm日平均温度较平作提高1.41℃，水分利用效率较平作提高2.37～4.71kg/(hm2 mm)。
小麦、玉米宽垄沟灌种植模式是在传统垄作、平作栽培技术上的改进，在宽垄上种植若干行玉米或小麦(图1-2和图1-3)，在一个栽培周期内，把小麦、玉米两熟生产作为一个有机整体，品种、措施统筹安排，以缓解上、下茬的矛盾，同时有利于**限度地发挥作物的边行优势，确保两茬都能高产、稳产。然而，目前对单一作物单一生长季节垄作的研究较普遍，且偏重于农业栽培方面，对宽垄沟灌尤其是其灌水效应、灌溉制度等方面的研究较少，对沟灌沟垄田规格参数、灌水技术要素和灌溉水流推进与消退的关系、土壤水分再分布等方面的研究也鲜有报道。
图1-2 小麦、玉米宽垄沟灌种植模式玉米种植示意图
图1-3 小麦、玉米宽垄沟灌种植模式小麦种植示意图
国内外对垄作栽培模式进行了较多的研究，但大多是单纯研究农业种植方面，对种植垄沟规格、灌水方式与作物水分利用等相结合的研究相对较少。
(一) 沟垄田规格参数的研究
沟垄田规格参数包括垄宽、沟断面形状与尺寸和沟底纵坡等。垄作沟灌有不同于平作独特的技术体系，沟灌灌水时，灌溉水受到两个方面作用力的影响，在重力作用下发生垂直入渗的同时，伴随着毛管吸力作用下的侧向入渗。沟灌灌水过程中，水流沿灌水沟向前推进，沟宽、沟深、沟底坡度、田面糙率等参数都会对灌溉水流运动造成影响，而且各参数的影响交相作用，关系复杂。因此，合理的沟垄田规格参数是提高灌水性能的基础，国内外学者曾对沟垄田规格参数做过优化研究。唐永金应用几何数学和数理方程方法，建立了垄作种植中常用垄形的数学模型，定量地分析了垄宽、垄高对增加地表面积和突出地面的垄体体积的效果。张新燕等研究指出，沟的断面尺寸对沟中水横向入渗和纵向推进的影响是相互关联的，沟底宽对垂向入渗的影响较小。朱霞等研究表明，水流推进速度随断面形状参数标准差的增大而降低。但这些研究均局限于常规垄作沟灌，垄宽较小，而对于宽垄沟灌方面的研究很少见报道。而在田间实际生产中沟垄田规格参数是一个基本条件，需对其进行系统研究，并确定合理的沟垄田规格参数。
(二) 沟灌的水流运动研究
地面灌溉技术的关键在于控制和管理灌溉过程，提高灌水质量，世界各国也一直把研究重心放在这一方面。20世纪初以前对此方面的研究都是通过大量的灌水试验，工作量非常大，效率较低，研究工作进展缓慢。随着计算机技术的广泛普及，到20世纪中叶，利用数学模型对地面灌溉进行分析模拟已成为研究地表水流运动的重要手段。利用数学模型计算田面水流运动过程，减少了田间试验工作量，可以在少量试验的基础上进行多种灌水方法的比较，为选取合理的灌水技术要素提供有效的技术手段。
目前模拟地面灌溉水流运动的数学模型有水量平衡模型、完全水动力学模型、零惯量模型和运动波模
**节 研究背景与意义
目前，世界各国都面临水资源缺乏的问题，随着我国经济社会的不断发展，越发严重的水环境恶化和水资源短缺已成为社会和经济发展的严重制约因素。我国虽然拥有的淡水资源占全球水资源总量的6%，位居世界第四位，但人均占有量不足世界平均水平的1/4，是全球13个人均水资源*贫乏国家之一。我国水资源短缺的情况逐渐扩大到全国范围，且程度明显加剧。预计到2030年，我国人均水资源占有量将逼近全球公认的水资源严重不足的**线——1700m3，未来水资源状况将不容乐观。除了开辟新的水资源，节约用水则是解决当前水资源紧缺的首要途径。
根据中华人民共和国水利部2012年资料统计，农业用水仍是我国用水大户，占全国总用水量的62%。我国渠灌区灌溉水利用系数仅有40%左右，井灌区也只有60%左右，而发达国家灌溉水利用系数可达70%以上。用水效率不高是农业水资源浪费的主要原因，一方面是因为灌溉设施不完善和灌溉技术落后造成输水过程中的浪费，另一方面是因为灌溉水不符合作物生理生态需求，导致水分利用效率不高。为解决严重的水资源短缺和农业用水浪费的问题，节水农业的发展是必不可少的。因此，为解决我国水危机，就要发展大规模高效节水农业，在提高灌溉水利用效率的同时，降低单位产出农产品的耗水量。通过发展节水农业技术和种植抗旱节水高产高效作物品种，挖掘农业生产中的节水潜力。
随着社会经济的持续发展，淡水资源、土地资源的日趋紧张和水资源供需矛盾的日益突出，已成为制约农业可持续发展的主要因素。与我国北方大部分半干旱地区相似，河南省粮食主产区的农田水利用效率相对较低，水分生产率不足1.0kg/m3，不到发达国家的1/2。如何科学合理用水，提高水分利用效率，使有限的水资源发挥更大的经济和社会效益，是农业生产中迫切需要解决的一个重大问题，也是保障和维护粮食安全的主要措施之一。
畦灌和沟灌在我国农业灌溉中占主导地位，我国95%以上农田灌溉面积仍采用地面灌溉技术。这主要是由于地面灌溉田间工程具有设施简单、易于实施、运行成本低等优点；但地面灌溉效率不高。有关专家指出，如果采用新的地面灌水技术，地面灌溉同样有着较高的灌水效率、储水效率和灌水均匀度。因此，发展地面灌溉对于缓解我国农业用水的供需矛盾、发展节水型农业意义重大。
20世纪中叶以来，尤其是*近30年，地面灌溉管理技术取得了很大的发展，其中很重要的一点就是建立了田间灌溉质量评价体系。从此人们可以更加直接地对灌溉体系进行评价。
Blair等于1988年定义了灌水质量综合评价指标，将灌水效果用存储在计划湿润层的水量占灌入田间总水量与欠灌水量的比值来表示；林性粹、王智等修正了Blair等的评价指标，把灌水效果用作物蒸发蒸腾量与灌水总量和欠灌水量的比值来表示，去掉了不容易计算的蒸发蒸腾量。Sanchez和Faci于2011年提出了季节灌水质量指数(SIPI)，把作物实际需水量与灌溉水量之间的关系用净灌溉需水量(NIR)与田间灌水总量的比值来表示。
小麦、玉米宽垄沟灌灌水质量评价方法与其他地面灌溉相同，包括灌水均匀度(Ed)、灌水效率(Ea)和储水效率(Es)三项指标。灌水均匀度指灌溉水在田间入渗分布的均匀程度，灌水均匀度越高，田块各点作物吸收等量水分的可能性越大，作物生长条件越均匀。灌水效率指根系储水层内增加的水量与实际灌入田间总水量的比值，表征农田灌溉水有效利用的程度。储水效率指灌后存储在计划湿润土壤区内的水量与计划灌水量的比值，表征灌水技术实施后，能够满足计划湿润作物根系土壤区内所需要水量的程度。三项指标同时使用才能全面地评价田间灌水质量。本书选取灌水均匀度、灌水效率和储水效率进行研究，要求三个灌水质量指标均大于80%为灌水质量满足技术要求。
在我国粮食主产地区，垄作沟灌技术经过多年发展，设计和管理水平有了一定程度的提高，但研究多集中在农业技术方面，在节水灌溉理论与技术方面研究较少。
小麦、玉米宽垄沟灌通过对传统平作栽培的一系列技术上的改进，产生了良好的生理生态效应，同时有利于**限度地发挥作物的边行优势。本书以冬小麦、夏玉米为研究对象，以降低农业用水、提高区域农业水资源利用效率和作物综合生产能力为目标，开展宽垄沟灌垄田规格参数、灌水技术要素、灌溉田面水流运动和土壤水分入渗特性、作物生长发育及作物需水特性和灌溉制度等方面研究具有十分重要的理论价值和生产实际意义。
小麦、玉米宽垄沟灌作为新型的种植方式，打破了传统的小麦和玉米各自种植的方法，近年来逐渐受到人们的关注。小麦、玉米宽垄沟灌将土壤平面变为波浪状，形成垄面垄沟相间的波浪状态，作物种植在垄上，灌水、施肥等管理措施在垄沟进行，降低了干扰，水分集中在垄沟，以渗透形式进入垄体，有利于作物吸收水分和养分。与传统种植模式相比，宽垄种植模式降低了土壤容重，土壤孔隙度增加，形成一种上虚下实的土壤结构，为作物的生长发育提供了有利条件。不同沟垄田规格的土壤水分入渗规律有待研究，这对进行该种植模式的灌水技术要素优化和评价具有重要意义。沟灌水流消退结束时，上层土壤含水率饱和，在土壤水势梯度和重力势的作用下，水分继续向沟两侧和土壤深处运动，湿润锋不断延伸，但运动的速度不断放缓，直至土壤水分的分布结束。
沟灌灌水时，在重力作用下发生垂直入渗的同时，伴随着毛管吸力作用下的侧向入渗。沟灌过程中，水流沿灌水沟向前推进，沟宽、沟深、沟底纵坡、田面糙率等很多参数都会对灌溉水流运动造成影响，而且各参数的影响互相渗透，关系复杂。当前，许多学者对传统沟灌条件下的灌溉水流运动进行了较为广泛的研究。然而，对于小麦、玉米宽垄沟灌条件下各沟灌规格参数与灌溉水流推进和消退的关系等方面的研究少见报道。
土壤入渗特性是设计和管理沟灌技术的重要参数之一，其决定了灌溉过程中水流推进和消退时间、沟垄田入渗深度以及灌水质量。宽垄沟灌同样属于二维入渗，由于沟中水深随时间和空间不断变化，且受到复杂的沟宽、沟深、沟底纵坡及垄宽等土壤特性参数的影响，导致宽垄沟灌的入渗过程更为复杂。
随着我国社会经济的快速发展，对水资源的需求仍在不断增加。特别是人口的不断增长，对农产品的需求越来越多，要求的保障程度也越来越高，加之城市及工业用水量的快速增长，对水资源供应施加的压力也越来越大。为了保障整个社会的持续稳定发展，大力发展节水事业、高效利用有限的水资源就成为**的可行途径。大力发展节水灌溉，提高农业用水的利用效率，对于缓解我国水资源紧缺状况、保证农业的持续发展，以及保障整个社会的水资源供应都具有重要意义。
第二节 国内外研究进展
农业高效灌溉技术的研究已经有较长的一段历史。就国内外目前的状况看，主要有以下的研究成果。
一、垄作沟灌技术
国外对作物垄作沟灌技术的研究起步较早，20世纪初已有这方面的研究。目前，美国一半以上的耕地采用以起垄、覆盖、少(免)耕为特点的耕作方式，墨西哥60%的小麦实行了垄作栽培，近年来作物垄作技术已由干旱半干旱地区扩大到多雨的热带草原，由中耕作物扩大到麦类作物，由旱地农业扩展到灌溉农业。垄作在我国同样具有悠久的历史，但发展缓慢。目前，我国传统经济价值较高的蔬菜、棉花、花生、烟草等精细作物多采用垄作栽培技术生产，直至20世纪末才逐渐开展了水稻、玉米、油菜、大豆、小麦等大田作物垄作技术的研究，并取得了良好的效果。
相对于传统平作，垄作将土壤平面形成垄面垄沟相间的波浪状态(图1-1)，土壤与近地表大气层之间接触面积扩大，作物种植在垄上，灌水、施肥等管理措施在垄沟进行，降低了干扰，水分集中在垄沟，以渗透形式进入垄体。与传统平作相比，垄作形成的土壤结构上虚下实，熟化土壤层明显加厚，土壤孔隙度增加，土壤容重降低，有利于根系生长*旺盛的耕层吸收水分和养分。
图1-1 常规垄作种植示意图
垄作种植模式可提高耕层温度，是改善土壤温度状况的有效措施。垄作由于形成了上虚下实的土壤结构，土壤孔隙度和土壤呼吸强度提高，土壤微生物活动增加，使土壤酶活性得到了增强。昌龙然、Ebrahimian等认为，长期实行垄作免耕，土壤有机碳和颗粒态有机碳含量显著高于其他耕作方式。汪顺生等研究发现垄作栽培的夏玉米地上干物质积累量及产量均高于传统平作，指出其适宜在豫西地区推广，垄作还可以增强土壤呼吸强度和还田秸秆的分解强度。
宽垄沟灌能有效提高作物水分利用效率，垄作通过改变微地形，实现土壤地貌特征和结构的优化，扩大了土壤蓄水能力，水土流失减少，产生良好的节水效应。王庆杰等指出，大垄宽窄行免耕种植模式能够增加土壤蓄水保水能力，与均行小垄免耕种植模式相比，大垄宽窄行免耕种植模式可以促进玉米个体发育，增加叶面积指数和干物质积累。研究表明，作物起垄种植水分利用效率明显高于平作，垄作覆盖能**限度地利用天然降水，使存储在土中的有效降雨转化为作物可用水资源，垄作覆盖作物冠层蒸发量和地面蒸发量明显下降，水分利用效率明显提高。唐文雪研究指出，垄作沟灌栽培0～10cm日平均温度较平作提高1.41℃，水分利用效率较平作提高2.37～4.71kg/(hm2 mm)。
小麦、玉米宽垄沟灌种植模式是在传统垄作、平作栽培技术上的改进，在宽垄上种植若干行玉米或小麦(图1-2和图1-3)，在一个栽培周期内，把小麦、玉米两熟生产作为一个有机整体，品种、措施统筹安排，以缓解上、下茬的矛盾，同时有利于**限度地发挥作物的边行优势，确保两茬都能高产、稳产。然而，目前对单一作物单一生长季节垄作的研究较普遍，且偏重于农业栽培方面，对宽垄沟灌尤其是其灌水效应、灌溉制度等方面的研究较少，对沟灌沟垄田规格参数、灌水技术要素和灌溉水流推进与消退的关系、土壤水分再分布等方面的研究也鲜有报道。
图1-2 小麦、玉米宽垄沟灌种植模式玉米种植示意图
图1-3 小麦、玉米宽垄沟灌种植模式小麦种植示意图
国内外对垄作栽培模式进行了较多的研究，但大多是单纯研究农业种植方面，对种植垄沟规格、灌水方式与作物水分利用等相结合的研究相对较少。
(一) 沟垄田规格参数的研究
沟垄田规格参数包括垄宽、沟断面形状与尺寸和沟底纵坡等。垄作沟灌有不同于平作独特的技术体系，沟灌灌水时，灌溉水受到两个方面作用力的影响，在重力作用下发生垂直入渗的同时，伴随着毛管吸力作用下的侧向入渗。沟灌灌水过程中，水流沿灌水沟向前推进，沟宽、沟深、沟底坡度、田面糙率等参数都会对灌溉水流运动造成影响，而且各参数的影响交相作用，关系复杂。因此，合理的沟垄田规格参数是提高灌水性能的基础，国内外学者曾对沟垄田规格参数做过优化研究。唐永金应用几何数学和数理方程方法，建立了垄作种植中常用垄形的数学模型，定量地分析了垄宽、垄高对增加地表面积和突出地面的垄体体积的效果。张新燕等研究指出，沟的断面尺寸对沟中水横向入渗和纵向推进的影响是相互关联的，沟底宽对垂向入渗的影响较小。朱霞等研究表明，水流推进速度随断面形状参数标准差的增大而降低。但这些研究均局限于常规垄作沟灌，垄宽较小，而对于宽垄沟灌方面的研究很少见报道。而在田间实际生产中沟垄田规格参数是一个基本条件，需对其进行系统研究，并确定合理的沟垄田规格参数。
(二) 沟灌的水流运动研究
地面灌溉技术的关键在于控制和管理灌溉过程，提高灌水质量，世界各国也一直把研究重心放在这一方面。20世纪初以前对此方面的研究都是通过大量的灌水试验，工作量非常大，效率较低，研究工作进展缓慢。随着计算机技术的广泛普及，到20世纪中叶，利用数学模型对地面灌溉进行分析模拟已成为研究地表水流运动的重要手段。利用数学模型计算田面水流运动过程，减少了田间试验工作量，可以在少量试验的基础上进行多种灌水方法的比较，为选取合理的灌水技术要素提供有效的技术手段。
目前模拟地面灌溉水流运动的数学模型有水量平衡模型、完全水动力学模型、零惯量模型和运动波模
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