1.3 相关技术国内外发展状况
1.3.1 农业高效用水技术
1.3.1.1 国外发展状况
随着全球性水资源供需矛盾的日益加剧，世界各国，特别是发达国家都把发展节水高效农业作为现代农业可持续发展的重要措施，在工程节水、农艺节水、生物节水和用水管理节水等各方面均有较深研究，取得长足进步，同时十分重视各单项技术的有机结合与集成。
1.工程节水技术
在采用激光控制土地精细平整技术基础上，实现了精细地面灌溉，水平畦田灌和波涌灌等先进的地面灌溉方法也成为可能。
除地面灌溉技术外，发达国家十分重视对喷、微灌技术的研究和应用。微灌技术是所有田间灌水技术中能够做到对作物进行精量灌溉的高效方法之一。美国、以色列、澳大利亚等国家特别重视微灌系统的配套性、可靠性和先进性的研究，将计算机模拟技术、自控技术、先进的制造成模工艺技术相结合开发高水力性能的微灌系列新产品、微灌系统施肥装置和过滤器。
为减少来自农田输水系统的水量损失，许多国家已实现灌溉输水系统的管网化和施工手段上的机械化。
2.农艺节水技术
农艺节水技术措施主要包括耕作保墒、覆盖保墒、增施有机肥与秸秆还田、水肥耦合、节水农作制度和选用节水型品种、化学调控等技术措施。根据农艺节水机制，可分为保墒节水类措施、提高作物光合效率减少低效蒸腾类措施及二者相结合的措施。
节水农作制度主要是研究适宜当地自然条件的节水高效型作物种植结构，提出相应的节水高效间作套种与轮作种植模式。例如，在澳大利亚采用的粮草轮作制度中，实施豆科牧草与作物轮作会避免土壤有机质下降，保持土壤基础肥力，提高土壤蓄水保墒能力。
在抗旱节水作物品种的选育方面，发达国家已选育出一系列的抗旱、节水、优质的作物品种。特别是近年来，在植物抗旱基因的挖掘和分离、水分高效利用相关的基因定位以及分子辅助标记技术、转基因技术、基因聚合技术等在抗旱节水作物品种的选育上取得了一些极富开发潜力的成果。
近年来，水肥耦合高效利用技术的研究已将提高水分养分耦合利用效率的灌水方式、灌溉制度、根区湿润方式和范围等与水分养分的有效性、根系的吸收功能调节等有机地结合起来。通过改变灌水方式、灌溉制度和作物根区的湿润方式达到有效调节根区水分养分的有效性和根系微生态系统的目的，从而最大限度地提高水分养分耦合的利用效率。美国、以色列等国家将作物水分养分的需求规律和农田水分养分的实时状况相结合，利用自控的滴灌系统向作物同步精确供给水分和养分，既提高了水分和养分的利用率，最大限度地降低了水分养分的流失和污染的危险，也优化了水肥耦合关系，从而提高了农作物的产量和品质。
3.生物节水技术
将作物水分生理调控机制与作物高效用水技术紧密结合开发出诸如调亏灌溉（RDI）、分根区交替灌溉（ARDI）和部分根干燥（PRD）等作物生理节水技术，可明显地提高作物和果树的水分生产效率。目前国际上有关调亏灌溉的研究主要是针对果树和番茄等蔬菜作物，对大田作物的研究较少。
目前的重点是将单点的单一作物耗水估算模型的研究扩展到区域尺度多种作物组合下的耗水估算方法与模型研究上，根据作物及其不同生育期的需水估算，使有限的水最优分配到作物的不同生育期内，为研究适合不同地区的非充分灌溉制度提供基础数据和支撑。随着遥感技术的应用使得采用能量平衡法估算区域作物耗水量成为可能，通过遥感获得的作物冠层温度来估算区域耗水量分布的研究变得十分活跃，并在一些发达国家得到了一定的应用。
4.用水管理节水技术
这方面的技术主要指将灌溉技术与信息技术、自动控制技术、计算机网络技术结合，实现灌溉的信息化、自动化、智能化管理，在减少灌溉输水调蓄工程的数量、降低工程造价费用的同时，既满足用户的需求，又有效地减少弃水，提高灌溉系统的运行性能与效率。
美国、澳大利亚等国已大量使用热脉冲技术测定作物茎秆的液流和蒸腾，用于监测作物水分状态，并提出土壤墒情监测与预报的理论和方法，将空间信息技术和计算机模拟技术用于监测土壤墒情。根据土壤和作物水分状态开展的实时灌溉预报的研究进展也很快，一些国家已提出几种具有代表性的节水灌溉预报模型，在此基础开展的适合不同地区的非充分灌溉模式的研究是干旱缺水条件下灌溉用水管理的基础，随着水资源短缺的不断加剧，其研究在国内外得到普遍重视。
亦有采用系统分析理论和随机优化技术，开展灌区多种水源联合利用的研究，以网络技术支持的智能化配水决策支持系统为基础，建立起多水源优化配置的专家系统，提出不同水源组合条件下的优化灌溉与管理模式，合理利用和配置灌区的地表水、地下水和土壤水，对其进行统一规划和管理。在最大限度地满足作物对水分需求的同时，改善灌区的农田生态环境条件。
5.各种高效用水技术的集成与应用
以埃及、巴基斯坦、斯里兰卡、印度等为代表的经济欠发达国家，受社会经济与技术水平的限制，主要采用工程节水与农艺节水相结合的农业节水技术发展模式。而以美国、以色列、日本、澳大利亚等为代表的经济发达国家，在农业生产实践中，把提高灌溉（降）水的利用率、单方水的利用效率、水资源再生利用率作为研究重点和主要目标。在采用工程节水和农艺节水技术措施的基础上，十分注重对生物节水技术和用水管理节水技术的研究与应用。在研究农业高效用水基础理论上，将生物、信息、计算机、高分子材料等高新技术与传统的农业节水技术相结合，提升农业高效用水技术的科技含量，建立适合国情的农业高效用水技术体系，加快由传统的粗放农业向现代化的精准农业转型的进程，构建现代农业高效用水技术发展模式。
1.3.1.2 国内发展状况
我国在过去20年里，国家十分重视农业高效用水技术研究，将“现代节水农业技术体系及新产品研究与开发”列为国家重大科技专项，实施了一批重点科技攻关计划项目和国家重大科技产业工程项目，取得不少优秀成果，为建立中国特色的现代节水农业技术体系打下坚实基础。主要成绩如下：
（1）研发了一批适合国情、具有自主产权与国际竞争力和具有较好性价比的节水新产品，初步实现产业化，基本摆脱农业节水产品长期依赖进口的被动局面。
（2）在前沿与关键技术创新方面取得突破性进展，为现代农业节水技术发展提供了强有力的技术储备与支撑。在抗旱节水植物品种筛选、作物水分生理调控与非充分灌溉、精细地面灌溉与精量控制灌溉、区域节水型农作制度与节水高效旱作保护耕作、非常规水安全利用等农业节水前沿与关键技术研究上取得突破性进展，部分领域跻身国际先进水平，提升了我国节水农业技术原始创新能力，初步构建起以提高灌溉水和降水利用率与利用效率为核心符合国情的现代节水农业技术体系，为我国现代农业节水技术的发展提供了强有力的技术储备与支撑。
（3）将现代节水农业关键技术及产品设备和实用技术相结合，提出了适合我国国情和不同区域特点的现代农业节水技术发展模式，取得了显著的经济社会效益。这些现代节水农业发展模式包括节水型灌溉农业、节水型旱作农业和节水型生态农业等3类，适合我国北方干旱内陆河灌区、半干旱平原井灌区、半干旱平原渠灌区、半干旱平原抗旱灌溉区、集雨补灌旱作区、半湿润井渠结合灌溉区、半干旱生态植被建设区、半干旱都市绿地灌溉区、南方季节性缺水地区等9种区域，每种模式都建立了相应的试验示范区。
（4）创立了国家、部门与地方、企业、科技人员与农民联合推动的农业节水发展新机制，初步实现了国家节水战略目标和农民节水增收目标的统一。在专项实施过程中，由科技部、水利部与农业部共同作为实施组织部门，前沿与关键技术创新课题以高校和科研单位为主承担，产品与设备研制课题以企业主并联合技术依托单位共同承担，技术集成与示范课题由示范区所在省（自治区、直辖市）的科技部门主持，由示范区所在地主管单位和技术依托单位共同承担，形成了示范区建设与国家节水工程建设相结合的组织新体制。
不过也存在不少问题，本项目在实施过程中所了解到的有：①发展不均衡，农区好于牧区。②深层次科学问题还需要进一步探讨，不仅包括已经有相当研究基础的老问题如生物节水、精确灌溉等，还有不少特殊问题如农田生态效应的尺度问题，在牧区常碰到开垦规模对生态环境的影响问题；蒸发部分耗水的意义，是不是一律可以省去“奢侈”消耗；影响农产品品质（如农作物的籽实和饲草料的全株）的灌溉制度问题。③节水灌溉技术产品市场需要加强管理。在主流产品推广应用的同时，市场还充斥着不少材质、工艺低劣的节水灌溉产品，如在内蒙古牧区常见从山西、河北等地无名小厂、乡镇企业生产的滴灌管、喷头等，这些产品以极其价廉取胜，但产品质量堪忧，出水均匀度很差，无产品商标，无技术指标资料。
1.3.2 牧区饲草料地高效用水技术
我国牧区饲草料地灌溉起于20世纪60年代，目前已成为牧区水利发展与生态保护建设的重要组成部分。牧区草地节水灌溉技术是牧区水利研究中的一个重要研究方面。宏观上主要开展牧区水、草、畜平衡与草地可持续利用研究，寻求草地开发利用与生态保护的发展对策。在节水灌溉方面，主要开展牧草高效节水灌溉丰产综合技术、节水灌溉与水分高效利用技术、节水灌溉与水肥调控关键技术等实用技术的研究；同时开展人工灌溉草地对缓解天然草地压力，减少天然草地放牧或干扰的程度以及对天然草场生态修复的影响评估方面的研究。而且从机理上开展牧区草地生态需水、牧草水分生理与水分运移规律等方面的基础理论研究。
针对草地灌溉的关键技术问题，20世纪80年代以来，先后开展了披碱草、紫花苜蓿、苏丹草、御谷、青贮玉米、饲用玉米等人工饲草料作物以及天然牧草群落需水规律与需水量的大田试验研究，推进了我国人工和天然草地需水研究进展，并从牧草水分生理生态的角度，在分析人工牧草耗水特性的基础上，提出了“起始耗水量、经济耗水量和最大耗水量”的耗水阈值特性，确定了披碱草、紫花苜蓿等人工牧草经济耗水量的阈值指标，为草原节水灌溉的发展奠定了技术基础。
近年来，随着草地灌溉研究的不断深入，牧草水分生理生态与胁迫诊断技术、草地SPAC系统水分运移规律、作物-水模型等受到关注，先后开展了毛乌素沙地的饲草料作物在节水灌溉条件下生理生育指标和作物水分响应模型等研究工作，建立了紫花苜蓿的BP神经网络模型，研究了紫花苜蓿、披碱草等人工草地SPAC系统中的能量分布规律和水分规律。同时，为解决区域性的生态需水问题，开展了草地生态系统需水量与水分高效综合利用研究，典型区域水-草-畜平衡与草地生态-生产系统综合优化技术与发展模式研究。经过多年的发展，草地灌溉研究已从单纯的作物需水规律、灌溉制度研究逐渐转变为基础理论不断完善、综合性应用技术持续发展的阶段。
在牧草灌溉理论研究基础上，开展了牧草节水灌溉技术研究，主要以牧草优质高产为目标，以土壤水分高效利用为核心，以调控土壤水分技术为关键，考虑农牧措施综合集成，开展了各种牧草节水灌溉技术的研究。其中，节水灌溉技术主要包括滴灌、微灌、喷灌、管灌等工程节水措施，通常这些工程措施在牧区草地灌溉中都有不同程度的运用，并且随着监测技术、通信技术、自动控制技术等的发展，节水灌溉系统逐步向自动控制方向发展。
近年来，节水灌溉研究正从工程节水转向如何提高土壤水分利用效率的研究上，包括草地植物生理水分代谢、水分特征、水分运移消耗规律，水分利用效率的影响因子，水分利用效率的时间和空间变化规律，提高水分利用效率的措施等。在此基础上，结合生物节水向非充分灌溉方面发展。在非充分灌溉条件下，从牧草抗旱和水分高效利用的生物学基础入手，研究牧草在水分亏缺条件下，牧草有效的抗逆反应机制，不同产量水平下的作物水分生产函数及田间耗水量等，提出牧草高效用水的生理调控措施。
总之，我国在饲草料地高效用水技术研究方面，经过多年的发展，特别在饲草料作物水分胁迫诊断技术、主要品种饲草料作物需水规律、水草畜系统平衡与优化配置建模等方面，已取得了不少研究成果，基本形成了从基础理论到工程技术一整套牧区水利技术体系。但总的来看，研究的深度和广度不够，如草地水、热、气交换规律，水肥耦合效应等；还有一些未知，但可能是必须弄清的问题缺乏研究，如灌溉人工草地建设对草原生态环境的影响和灌溉人工草地的建设规模与合理布局问题等。许多结论是在传统方法试验基础上提出的，对客观规律的把握不够精准。目前我国开展的作物水分生产函数以及作物灌溉制度及优化研究方面，研究对象仍然多集中于农作物，以小麦、玉米为主，少数为其他农作物及果蔬作物，而饲草料尤其是灌溉饲草料地的水分生产函数研究较少，并且国内研究成果基本集中在内蒙古牧区，而针对其他干旱牧区进行的非充分灌溉下的灌溉人工牧草作物-水分关系及灌溉制度优化仅仅刚起步，存在许多不完善之处，有待进一步发展。
1.3.3 光伏提水灌溉技术
1.3.3.1 国外发展状况
光伏提水是近30年迅速发展起来的一门新型技术，其工作原理是利用太阳能电池发出的电力，通过最大功率点跟踪器驱动直流永磁无刷电机或高效异步电动机带动水泵，将水从地下深处提至地面供农田灌溉、农村饮水或其他使用。
早在20世纪80年代以前，国外专家学者就开始了对太阳能节水灌溉技术进行研究，太阳能最先用于节水灌溉系统中水泵抽水供能。1975年，世界上第一台光伏水泵面世。但因太阳能电池价格昂贵，且技术上还不够成熟，仅作为一种尝试，在局部地区进行了试用。1981年，世界银行通过论证认为光伏水泵有良好的发展前景，从而推动了世界范围内的相关研发，美国、英国、德国、日本、中国、丹麦等国研制并推出了一批光伏水泵，取得较好成果。此后不久，光伏水泵的发展因经费投入不足而陷入低谷，但研究尚未中断。1992年，联合国“世界环境与发展大会”确立了节能与环保的主题，随之而来的新能源研发热潮为光伏水泵的发展注入了新的活力。
目前，光伏提水灌溉技术在美国、欧洲以及亚洲部分国家已经推广使用，更多如滴灌、微灌系统使用太阳能作为能源的比例逐渐增加。光伏水泵研制方面德国和美国的光伏水泵较为先进，但他们的研究重点在微功率和中小功率太阳能光伏水泵系统上，其产品主要用于庭院或公共场所的小喷泉和功率不大的水循环动力系统（通常1.2kW以下）。随着太阳能供能技术的不断成熟以及风力发电技术的快速发展，国外一些学者利用现代网络技术将太阳能与风能结合起来组成一个系统，二者很好结合在一起，太阳能节水灌溉技术也呈现自动化、智能化的特点。
1.3.3.2 国内发展状况
我国光伏提水技术的研发工作起步于20世纪80年代初，其代表产品有深圳大明生产的DHB和安徽日泉生产的NSP等系列光伏水泵。DHB和NSP系列光伏水泵也是国内最早的一代光伏水泵，代表着我国20世纪80—90年代光伏提水技术水平。这两种光伏水泵通过实际应用表明其效果良好，但限于当时的太阳能光伏电池板价格昂贵，如果一味追求设备装机功率更大、扬程更高、流量更大，就需要更多更大的光伏电池板，那么整个系统的性价比会降低，因而得不偿失，光伏提水的大型化机组发展受到限制。
2000年以后，我国开始大量引进太阳能节水灌溉技术。时至今日，经过几十年的努力和积淀，特别是随着国家能源政策的颁布实施和近年太阳能电池板价格的不断下降，光伏提水技术又有了新发展，出现了许多新型设备。这些设备不仅功率更大，效率更高，而且在节能、环保、智能化和系列化等方面较早期同类设备性能有较大提高。主要表现在：①光伏电池广泛采用了MPPT最大功率跟踪器技术，并运用各种更加先进的算法保障不同光照条件下电池功率达到最高；②中小型机组中大量使用了永磁无刷无位置感应器直流电动机，因为这种电动机的机械性能更优良，调速范围宽，效率更高，从而使光伏水泵的整体性更先进，系列化程度更高，推广潜力更大。随着太阳能节水灌溉技术的不断发展，也出现了太阳能自动化节水灌溉技术。
众所周知，光伏提水的最大优点是无需电网供电或消耗化石能源，有利于保护环境和节能减排。另外，光伏水泵所使用的太阳能电池寿命长，维修费用较低。这些意味着该项技术在我国太阳能充足的地方，特别是西北缺水少电、经济欠发达的地区有着广泛的推广应用前景。目前我国光伏提水灌溉技术发展存在的较突出问题：①应用范围仍然很小，且比较分散；②太阳能提水灌溉系统整体集成度差，即根据不同草原地区特点集成配套太阳能电池组件及最大功率跟踪控制设备，太阳能提水专用水泵设备与控制技术，相配套的节水灌溉设备与技术等。
1.3.4 地下滴灌技术
地下滴灌是滴灌的一种重要形式。根据美国ASAE标准（1996年）“土壤与水基本概念”中地下滴灌（SDI）的定义为“地下滴灌是指通过地表下灌水器（滴头）施水，而灌水器流量范围与地表滴灌大致相同”。地下滴灌是在滴灌技术日益完善的基础上发展而成的一种高效、节水的灌水技术，将毛管埋于地下，通过出水口将水或水肥的混合液送到作物根区土壤中，供作物吸收。地下滴灌系统一般由水源、控制首部、田间控制系统、田间滴灌管线管网4个部分组成。
早在1913年，美国的House E B就开始了地下滴灌的研究，但由于受当时技术水平的限制，应用成本较高，试验不能继续进行，最后放弃了这项研究。1920年，美国加利福尼亚州的Charles Lee用瓦管作为试验材料，使其周围的土壤得以湿润，被认为是最早的地下滴灌（sub-urface drip irrigation，SDI）技术。随后，这项技术又被许多国家的学者改用其他材料进行研究。第二次世界大战后，塑料工业快速发展，同时也推动了地下滴灌的发展。灌水均匀性差以及滴孔易堵塞是当时地下滴灌面临的主要问题，但地下滴灌节水效果明显，一直受到各国学者的关注。到1959年，在美国，地下滴灌已成为滴灌的重要组成部分。20世纪40年代后期，德国用塑料管进行了地下灌溉研究。20世纪60年代，PVC管和聚乙烯管应用到了地下滴灌系统，并且带有灌水器（如孔、缝式滴头），与PVC管和聚乙烯管形成一体。20世纪70年代，由于地下滴灌灌水均匀性较差、堵塞严重等问题没有得到有效解决，地下滴灌技术研究进展缓慢，而此时地面灌溉得以很好的发展。20世纪80年代后，随着水资源的紧缺和环保意识的提高，地下滴灌技术又被各国学者所重视，经过大量的试验研究，地下滴灌技术在应用推广过程中有了明显的进展。1979年，在美国亚利桑那州Coolidge附近安装了第一个棉花地下滴灌系统，从此开始了真正意义上的地下滴灌系统应用和研究。在这段时间内，有关地下滴灌技术及其应用的研究主要集中在提高灌水器制造质量和出流均匀性、优化系统设计参数（如系统毛管适宜的埋深和毛管间距等）、肥料和化学药品注入设备与技术、SDI与作物产量、水分入渗等方面。其中，最为显著的研究成果是Mitchell等撰写的《地下滴灌系统设计、安装和运行管理指南》，这意味着SDI技术开始步入规范化阶段。
Phene等、Henggler J等对甜玉米、西红柿进行了多年田间对比试验，得出结论：相比喷灌和沟灌，地下滴灌更有利于产量的提高。Phene等通过分析得到，地下滴灌更有利于甜玉米根系深入土壤。Detar等研究表明，无论砂质土还是砂壤土，地下滴灌用水量都比沟灌低约40%。Camp等认为减少氮肥施用量并没有改变地下滴灌系统中棉花的产量。D Kalfouatzos等认为半干旱年地下滴灌籽棉产量比地面滴灌高，而湿润年，二者的差别不大。W W Wallender等研究并建立了可以预测品质和土壤水分含量的模型。Louise Karlerg，Elmaloglon S T等通过试验分析，建立了滴灌灌溉模型和研究表面和垂直分量温润锋运移的一种圆柱形模型。
Devittet研究表明，地下滴灌的毛管埋深范围一般为0.02～0.70m，毛管深必须与作物根系分布特征、耕作要求、土壤理化条件等相适应，并且其具体的埋深情况由土壤条件、作物生长类型和耕作要求等来决定。至于地下滴灌毛管间距，Devittet发现60cm是对砂壤最适宜的埋深，但对黏土则要求更远一点。
我国地下滴灌（渗灌）起源于地下水浸润灌溉。1974年，我国从墨西哥引进现代滴灌技术，由于地下滴灌不仅具有一般滴灌节水的优点，而且具有便于耕作、设备不易丢失等优点，我国的学者也开始对地下滴灌进行相应的研究和改进，并根据我国特有的气候特性和环境特性，得出适用于我国的地下滴灌技术。1978—1983年期间，在我国的山西、河北进行了相关的滴灌大田实验，其中比较显著的成果有：山西阳城上李村进行了4年大田作物地下滴灌实验，祁县进行了12hm2的果树（梨和苹果）地下滴灌和河北省迁安县建成了上百公顷的板栗地下滴灌等。SDI技术的初步应用则始于20世纪80年代初期。农民王高升于1990年自发地安装的果园地下滴灌系统，节水增产效果良好，掀起了运城地区地下滴灌建设高潮。但由于对SDI技术本身了解不够，采用人工打孔方式制成灌水器存在缺陷，应用中系统供水均匀性较差、出水孔容易堵塞等问题没有得到很好解决，导致了地下滴灌系统不能正常运行和使用。
1999年，吕谋超等对应用于地下滴灌系统的孔口式、发丝管式、内镶式3种常用灌水器进行系统的田间试验分析，分析了灌水均匀度、流量变化规律及对堵塞的敏感性。2000年，马孝义等在陕西省礼泉县对微孔式灌水器的孔径对灌水均匀性进行对比分析，分析结果表明适宜孔径为0.9～1.2mm。同年，王伟等在滴灌带下铺设阻水塑料布，对地下滴灌湿润体的形状和湿润体内部的土壤水分分布有了明显的改变。尚锦、刘小民等对滴头内水流进行了二维数值模拟分析，运用了加法有限元的分析方法，得出迷宫型灌水器在不同流量时的流动特性，得到其流道的流场分布。根据得出相关数据，对原结构进行优化，对灌水器堵塞问题提出了相应的理论数据。魏正英基于有限容积法的三维数值模拟的方法，对多种迷宫流道的流态进行了分析，得到可视化的流道内水流的压力与速度分布图，测量了灌水器相似模型的流道速度流场。“九五”期间，中国水利水电科学院在北京市昌平区建成13.3hm2试验示范区，并开展地下滴灌田间试验研究，考核了自行研制开发的地下滴灌专用灌水器。试验示范区的建设和配套技术的应用，取得了明显的节水增产效果和良好的社会效益。此后，地下滴灌系统在多种作物上得到应用，从大田的棉花、玉米、土豆、蔬菜到果园的柑橘、菠萝、梨树以及草地等，均取得了较好的节水、增产效果，系统运行良好。2001年，新疆对棉花进行SDI试验研究，也取得了良好效益。近十几年来，我国相关学者对地下滴灌又有了新的认识，对地下滴灌系统在大田应用上起到了示范性作用。例如，2002年，许迪等研制了一种具有国内领先水平的防负压堵塞的地下滴灌灌水器。2003年，忤峰等通过试验得出结论，影响灌水器流量两大因素是灌水器的自由出流时的流量和工作水头，其中灌水器的自由出流时的流量是最关键的。根据李道西等设计的关于地下滴灌设计参数对土壤水分分布影响计算机模型计算，土壤初始含水率、土壤质量、滴头出流量、滴头埋深均是地下滴灌土壤水分分布的重要参数。2006年，范永申、孙俊环等分别通过大田试验对番茄和棉花的灌溉制度进行研究分析，并得到适用于番茄和棉花的最优化灌溉制度。王坚通过试验分析认为10cm是黄瓜地下滴灌埋深的最佳深度。王振华等通过室内试验，提出了不同灌水频率对地下滴灌浅源入渗土壤水分运动规律的影响。同年，又提出了相同的灌水量前提下，初始含水率越大，湿润峰向下运移距离越大，向上运移距离越小。忤峰等提出地下滴灌条件下土壤水分分布近似计算式，并简单分析了土壤水分分布对地下滴灌的影响。姜志水等认为地下滴灌埋深30cm左右可有效减少水分蒸发，滴灌带铺设间距在100cm内，可以较好地满足作物需水量。2005年，朱连勇提出在地下滴灌系统中安装真空阀并加强冲洗可防止堵塞。杨荣慧等经过反复试验研究，在2008年研制并申请了适宜经济林根区滴灌的多变量抗堵塞滴头，这种滴头经山地枣树灌溉试验测定，节水效果和增产量明显高于传统的滴灌和渗灌。吴文奇等针对滴灌带不同布设方式对紫花苜蓿不同生理指标的影响进行试验分析，得到一种最优化布置方法，埋深深度30cm左右，间距90cm左右。2009年，王晓愚等对土壤容重、土壤初始含水率以及地下滴灌中工作压力3个试验因素对灌水器流量的影响程度进行分析研究。研究结果表明，决定灌水器流量的主要因素是地下滴灌中的工作压力，而其他两项因素对灌水器流量的影响不大，但是在水利计算和工程设计，二者的影响不容忽视。
尽管地下滴灌系统的节水效果明显，有效防治病虫害，显著提高生产效率。但是实际应用中也面临着一些技术难题和缺点。目前国内外对地下滴灌的研究现状主要集中在灌水均匀度及可靠性研究，滴头堵塞，作物出苗及幼苗期灌溉。定时冲洗滴灌带，提高并改进灌水器抗堵塞性能，改进灌溉用水的净化水平，在灌水期间施加抑根抑菌药物是解决滴头堵塞问题主要办法，并已运用到了大田试验，得到了很好的效果。对于灌水的可靠性和均匀度问题，可以通过调节灌水压力，合理布设滴头间距和灌溉带的距离等方法解决。而对于作物出苗及幼苗的灌溉至今并没有理想完善的解决办法，具体解决办法应结合当地的基本情况进行处理。一种方法是将滴灌带近地表浅埋，但这样会增加无效地面蒸发，还会不利于大型机耕作业；另一种方法是与地面灌和喷灌相结合形成一套灌溉系统，这样虽然能解决作物出苗及幼苗期灌溉问题，但却因为增加投资的同时又降低了各个灌溉系统的灌水利用率，而不能大范围应用。
1.3.5 水肥控释技术
水肥历来是农业生产中被人们所关注的两大因素，也是可以调控的两大重要技术措施。水分和养分对作物生长的作用不是孤立的，而是相互作用相互影响的。耦合效应是两个或两个以上体系融为一体的相互作用、相互影响而产生的结果或现象。水肥耦合效应（coupling effect of soil water and fertility）是20世纪80年代提出的田间水肥管理新概念，其核心是强调影响植物生长的两大因素“水”及“肥”之间的有机联系，通过它们之间存在的协同效应，进行水肥及植物综合管理，以提高植物生产力和水肥利用率。水肥耦合效应指在农业生态系统中，土壤矿物元素与水这两个体系融为一体，相互作用、互相影响对植物的生长发育产生的结果或现象（Flavio H Gutierrez Boem，1999；Flavio H Gutierrez-Boem，1998；Matar A J Torrent，1992；Morgan J A，1986；Roland D M，1998；王小彬等，1995；奚振邦等，1996）。
刘晓宏等研究了不同水肥条件下春小麦耗水量和水分利用率，结果表明，春小麦水分利用率在不同水分条件下均随施氮量的增加而增加，尤以水分充足条件下春小麦水分利用率随施氮量的增加最为显著。胡明芳等研究结果表明，水分充足条件下施肥与不施肥相比棉花苗期生物产量显著增加，干旱胁迫下产量差异不明显。曹翠玲等认为从水分胁迫和氮素亏缺影响大小来看，水分胁迫的影响大于氮素亏缺的影响。何园球等研究了不同水分和施磷量对旱作水稻耗水量和水分利用率的影响，土壤水分和施磷量对旱作水稻耗水量和水分利用率有极显著的影响，且二者间的交互作用明显，在常规氮、钾和中量到高量磷肥投入条件下，保证中水就能获得较好的产量。肖厚军等研究结果表明，肥水配施的辣椒水分利用效率都高于肥水分施，肥水分施高于氮肥单施；肥水分施中只有中量氮肥的处理耗水系数较低，水分利用率较高；氮肥单施的耗水系数较高，水分利用率较低。赵炳棒等认为随着施氮量提高，水分利用率开始有所提高，随着氮肥用量的进一步增加，水分利用效益下降。尹光华等研究认为，水肥单因子对春小麦水分利用率有显著影响，影响顺序为水>磷>氮，其中，氮、磷施用量对水分利用率的提高是正效应，而灌水量对水分利用率是负效应，水肥多因子对春小麦水分利用率有交互效应，大小顺序为：氮水配合>氮磷配合>磷水配合，其中，氮磷之间、氮水之间的交互效应均极显著，为正效应，是相互促进的关系，磷水之间为负交互效应，是相互替代关系，不显著。
我国农田中的氮肥当季吸收利用率为30%～40%，氮素损失率为20%～60%，土壤中残留率约为25%～35%，四季的叠加利用效率约为63%，如果时间再增长，会达到70%～80%。而钾肥为40%～60%。磷肥的利用率比氮肥和钾肥低，我国磷肥的当季利用率平均小于20%。水肥耦合有利于肥料利用率的提高。因为肥料的溶解、水解、吸收、运转、逸失都与水分直接相关。适宜的灌水量可以促进作物对养分的吸收，减少对土壤营养的渗漏损失。作物在收获时，对于一定的施氮量，当供水量增加时，土壤中未被利用的硝态氮残余量降低，氮肥利用率提高。供水过量或不当，氮损失加大，氮的吸收减少，利用率降低。但是，目前关于水肥耦合对作物肥料率影响的定量研究较少，有待于深入研究，揭示两者之间的定量关系。宋海星等研究认为，玉米不同生育期氮肥累积利用率和瞬时利用率的变化动态与作物不同时期对养分和水分的需求有关，苗期氮肥利用率低，也造成供水对提高氮肥利用率的效果不高。赵营等研究认为，氮肥的表观利用率为10%～18%，随施氮量的增加而降低，80%以上的氮肥未被当季作物吸收利用。许多研究已证明了这个结论（刘敏超等，2000；巨晓棠等，2002）。赵满兴等研究结果表明，在广大旱农地区要提高小麦对氮素的利用率，一方面应通过合理的水肥调控措施，以实现以肥调水、以水促肥的目的；另一方面，应重视选育营养高效型的小麦品种，从遗传改良方面提高旱地小麦氮素利用效率。
1.3.6 遥感ET监测
自1802 年Dalton提出著名的Dalton蒸发蒸腾量定律以来，蒸发蒸腾量的研究就一直没有间断过，但区域蒸发蒸腾量的研究却始终是困扰国内外学术界的主要问题。20世纪后期，随着遥感（RS）和地理信息系统（GIS）技术的发展，区域蒸发蒸腾量的研究才取得了突破性的进展，如1973年Brown和Rosenberg将热红外遥感温度应用到作物蒸发蒸腾量模型，提出了作物阻抗蒸发蒸腾模型，即Brown-Rosenberg公式，为热红外遥感温度应用到蒸发蒸腾模型提供了理论依据。1975年Idso等发展了用遥感估算潜在蒸发蒸腾量的经验模型。1983年Suguin等研究了用卫星获得的中午地表温度估算每日蒸发蒸腾量。这为今后的遥感技术在蒸发蒸腾量上的估算奠定了基础。
在20世纪90年代中后期荷兰Alterra中心在小尺度试验流域研究提出通过地表面能量平衡系统（SEBS）估算地表蒸发蒸腾量。21世纪初，Hafeez等利用MODIS 数据，应用SEBAL算法，对热带国家菲律宾的吕宋岛中部Pumapanga河上游地区2001年5月18日的区域蒸发蒸腾分布进行了计算，并与气象站实测资料和由Penman-Montieth法计算的结果进行了比较，取得了较好的效果。Immermans等则利用南非Botswana的Maun地区的MODIS 数据，把地表度、反射率和植被密度作为SEBAL模型输入，对模型参数和ET 进行计算，取得了与地面气象通量塔测量较为一致的结果。
在美国爱达荷州、犹他州、怀俄明州，METRIC模型成功运用于计算BEAR 河谷作物灌溉耗水量。利用爱达荷州东南部的Snake河平原地面卫星图像（Landsat），METRIC模型被应用到该流域改进的地下水模拟，更加精确地提供了地下水的开采量以及季节性蒸发蒸腾发的估算。在同一地区METRIC模型估算的蒸发蒸腾量和Lysimeter实测数据相比，月度蒸发蒸腾量估算值有16%的误差，季节性蒸发蒸腾量估算值有4%的误差。Samani等在新墨西哥州Messilla流域使用了该模型，测算了美洲山核桃果园蒸发蒸腾量。在他们的研究中，利用两个不同卫星的数据对美洲山核桃果园的月蒸发蒸腾量和年蒸发蒸腾量进行了分析。其研究结果表明，运用REEM模型估算的蒸发蒸腾量和地面涡度相关法实测蒸发蒸腾量拟合效果良好。
我国在利用遥感技术估算蒸发蒸腾量的研究方面起步较晚。20世纪90年代初，中日合作在黑河地区开展了地气相互作用试验研究，先后进行了遥感的地表参数反演研究和地表能量通量研究，为进一步开展蒸发蒸腾量研究奠定了基础。1990年田国良等用AVHRR数字图像和地面气象站资料估算了作物蒸发蒸腾量和土壤含水量。谢贤群等在能量平衡方程模型的基础上，对不同气象和空气层条件下空气动力阻抗的计算公式进行了修正。陈镜明根据植被小气候原理，提出剩余阻抗概念对空气动力阻抗进行补充，提高了植被覆盖条件下的计算精度。陈云浩等在利用遥感资料求取地表特征参数的基础上，首先建立了两种极端条件下（裸露地表和全植被覆盖）的裸土蒸发和全植被覆盖蒸发蒸腾量计算模型，实测资料验算表明该模型具有较高的计算精度，最后利用该模型对我国西北5省（自治区）的蒸发蒸腾量进行了计算。吴炳方等基于ETWatch方法，对2002—2005年海河流域和河北省馆陶县的蒸发蒸腾状况进行了连续监测。利用地面观测资料对蒸发蒸腾遥感监测结果的验证表明，遥感监测作物蒸发蒸腾量的平均误差在12.7%左右。
在SEBAL模型的研究与应用方面，张万昌等采用SEBAL模型从TM影像上反演了黑河流域的蒸发蒸腾量；潘卫华等遵循SEBAL模型，给出了植被覆盖和裸土两种类型的区域蒸发蒸腾量计算模型，并对泉州市的蒸发蒸腾量进行了反演。在SEBS模型的研究与应用方面，利用NOAA数据对黄河三角洲区域蒸发蒸腾量进行了较多研究。杨何群以ASTER为遥感数据源，对肃南山地和张掖平原的感热通量和日蒸发蒸腾量进行估算；何延波等重新确定了SEBS模型中的一些地表参数化方案，建立了适用于黄淮海地区的SEBS模型。马明国等应用1973—2006 年Landsat MSS、TM、ETM+以及中巴卫星等高分辨率的遥感数据和250m分辨率的MODIS数据监测新疆若羌湖泊群动态变化特征。张生军等基于1982—2003年间GMMS发布的NOAA/AVHRR遥感数据和新疆53个地面国家标准站点的气象数据，研究新疆归一化植被指数NDVI动态变化及其与气候的时空关系。罗格平等提出一套基于RS和GIS 技术的干旱区植被变化和生态环境质量初步评价的研究方法，并在天山及其典型区域三工河流域应用取得满意结果。2000年，郭玉川、董新光等在遥感技术的基础上，引入了基于地表能量平衡原理的SEBAL模型，对新疆焉耆盆地的日蒸发蒸腾情况进行了计算模拟并进行了改进，说明了利用MODIS数据反演区域蒸发蒸腾量的方法是切实可行的。
遥感是将地表特征通过对电磁波的反射、辐射的信息用遥感仪器进行接收、记录、再现，这是一个复杂过程。利用遥感技术对蒸发蒸腾量的估算主要是利用可见光、近红外及热红外波段的反射和辐射信息及其变化规律进行相关地表参数的反演后，结合近地层大气的风速、温度和湿度等信息估算而来。近些年来，虽然在非均匀及稀疏植被下垫面能量传输机制的研究方面取得了较大的进展，但是遥感技术在大气影响校正、几何校正、地物反射和辐射方向特征计算以及遥感数据的定量反演模型等方面还存在许多问题。包括地表温度的反演问题，其准确度直接影响着蒸发蒸腾量估算的精确度；由于大气湍流和云的不确定性，时间尺度的拓展问题并没有得到很好的解决等。
遥感在草地ET监测估算中存在诸多的问题，但仍是区域蒸发蒸腾量估算及其时空分布规律研究的一种有效方法，特别是随着遥感技术的不断发展，多光谱、多角度、多分辨率遥感影像的应用以及非均匀下垫面区域气象场结构研究的继续深入，地表参数反演的精度在不断提高，区域蒸发蒸腾遥感模型也在逐步完善。蒸发蒸腾遥感模型在挖掘现有遥感信息精确模拟蒸发蒸腾机理的同时，也在朝着简单、便于实际应用的方向发展。
1.3.7 生态环境质量评价
1.3.7.1 生态环境质量评价的兴起
生态环境质量评价始于20世纪60年代中期，最初的生态环境质量评价主要进行的是环境污染方面的监测和研究。随着人口的增长和社会工业化程度的提高，人类活动的范围和强度空前扩大，自然界越来越多地打上人类活动的烙印，人口、资源与环境的矛盾日益尖锐，荒漠化、水土流失等生态环境问题更加突出。为了解决这些问题，人类需要更深入地理解生态环境结构功能和过程，因而逐步在全球范围内开展了生态环境评价研究。生态环境是社会经济可持续发展的核心和基础，生态环境质量评价能反映社会经济可持续发展的能力以及社会生产和人居环境稳定可协调的程度。充分认识生态环境的状况，正确评价生态环境质量的现状，是生态环境预测或预警的基础，也是制定和规划国民经济发展计划的重要依据。
1.3.7.2 生态环境质量评价概述
生态环境质量评价指在一个具体的时间或空间范围内，环境的总体或部分环境要素的组合体对人类生存及社会、经济持续发展适宜程度的度量，即根据合理的指标体系和评价标准，运用适当的方法，评定某区域生态环境质量的优劣及其影响关系。生态环境质量评价的本质在于生态环境评价是生态环境质量价值的反映。因而生态环境评价的根本目的就是检测和评估特定区域生态环境系统结构在人类和自然因素共同作用下的变化状态，确定各因素影响生态环境质量程度的大小，从而来确定各因素的影响力的大小，最后用动态的环境质量评价方法来评定区域生态环境质量，探讨生态系统脆弱的因子，建立生态质量评价的指标体系和评价方法，评价区域生态质量及发展趋势，为生态系统的保护和恢复提供依据。
生态质量评价的意义在于了解区域生态环境现状及其演化规律，探讨生态系统脆弱的因子，建立生态质量评价的指标体系和评价方法，评价区域生态质量及发展趋势，为生态系统保护和恢复提供立论依据。
1.3.7.3 国外研究进展
国外有关环境质量评价研究始于20世纪60年代中期，70年代开始蓬勃发展。世界上许多国家十分重视环境质量评价工作，特别是环境影响评价的研究。美国是最早开展环境质量评价工作的国家之一。美国最早提出的质量指数（quality index，QI）、格林大气污染综合指数、厌恶污染物含量指数、白勃考大气污染综合指数、极值指数、污染物标准指数等对水质或大气质量进行评价。苏联配合水质预报及最优化控制的水质评价研究进展较快，建立了河流污染平衡模式。在环境影响评价方面，美国、澳大利亚和法国等分别于1969年、1974年和1976年在国家环境保护法律中规定了环境影响评价制度。可见，国外对生态环境质量的评价起步早，手段先进，多以定量评价为主。
1994年，B K Ferguson提出生态健康的概念，他认为生态质量评价的目标就是要实现生态健康。1995年，Morris 等出版的《Methods of environmentai impactassessment》一书中介绍了英国、欧洲等地环境影响评价的主要方法，并预测了环境影响评价方法的发展趋势，这些方法被广泛应用于生态环境影响评价及生态环境质量评价中。1995年Keitti以渗透理论为基础，提出了一种新的生态质量评价法，即生态质量的安全与否与斑块的间距、扩散能力、干扰能力等相关，安全度也是生态评价中应解决的问题。Bertollo在1998年、2001年分别以特定区域——意大利北部地区为研究对象，对区域生态系统健康状况进行了评价。J Solon 提出生态稳定度的概念，他认为稳定性是确定性（equifinality）、恒久性（constancy）、惯性（interia）、抗性（resistance）和弹性（elasticity）的集成，是生态质量评价中必须重视的指标。
20世纪90年代，世界银行、联合国粮食及农业组织（FAO）、联合国开发计划署（UNDP）、联合国环境规划署（UNEP）等一些国际组织针对全非洲撒哈拉地区的半湿润区、半干旱区、干旱区的生态问题，建立了“压力-状态-响应”7种指标，进行生态环境质量退化程度的评价。目前，国外对于生态环境评价已分为不同的等级尺度进行研究，如美国已建立多个生态环境监测和评价项目。总之，在生态环境质量的评价尺度、生态环境质量的评价指标、生态环境质量的相关因子等方面国外近几年的进展相当快，但是对于荒漠草原生态环境质量评价报道尚未查阅到。
1.3.7.4 国内研究进展
我国生态环境质量的评价在20世纪80年代末至90年代初开始引起人们的重视，对其综合指标体系的研究也应运而生，重点是农业生态系统，其次是城市生态环境质量评价，进而涉及区域环境区划、山区生态环境、土地可持续利用和省级生态综合评价等。
在指标体系方面的研究，彭补拙等建立的指标体系方法，强调生态环境的评价应该随着时间和空间的变化而相应地改变评价方法和指标体系。赵跃龙等利用主要成因指标和结果表现指标将指标体系分为两大部分。毛文永采用景观多样性指数、优势度指数、生态环境综合指数（土地生态适宜性、植被覆盖率、抗退化能力赋值、恢复能力赋值）评价生态环境。黄思铭、杨树华等以可持续发展为指导，采用三层指标分析云南省的生态环境质量状况。马荣华、胡梦春等以景观生态学理论为指导，在景观生态分类的基础上，以景观生态单元为评价单元，选取地形、土壤、植被为评价指标对海南省生态环境质量进行了综合评价。郑新奇、王爱萍等运用了景观生态学的理论，利用RS和GIS有关理论和技术，选择了区域生态环境质量评价指标体系。叶亚平等根据不同类型的生态系统有不同的组分、结构和功能，选用生态环境质量背景、人类影响程度和人类适宜需求三方面的指标对全国30个省（自治区、直辖市）进行生态环境质量评价，将其分为10个等级，建立了中国省域生态环境质量评价指标体系。仲夏从生态学的角度建立了较完整的城市生态环境质量评价指标体系，包括自然、社会、经济3个方面的评价标准。喻建华等考虑到农业生态系统是以农业生物为主体而言的各项环境因素的总和，具有自然和社会两重属性，建立了农业生态环境质量评价指标体系，它的评价更加注重的是农业生产系统的自然生产力状况、系统的稳定性、农业投入-产出的经济性。刘振波等根据对绿洲脆弱生态区压力-状态-响应概念模型的概括分析，并结合当前绿洲生态环境的实际状况，将绿洲系统分为3个子系统，在3个子系统内再进一步选取具体指标，建立绿洲生态环境评价指标体系。贾艳红根据白银市区域生态环境系统的实际情况，运用AHP法确定其生态环境质量评价指标体系，并通过对各评价因子进行权重和分级量化，利用综合评价模型对白银市区域生态环境质量进行了评价。廖继武、孙武、尹秋菊等从生物学角度，选用生物量、生长量等指标研究海南岛的生态质量评价，其关注的是生态系统最基本组分功能的强弱。
在评价方法上，目前，国内对生态环境研究评价体系虽然不是很完善，但是方法很多，生态环境评价方法分为生态环境的单项评价方法和综合评价方法。
生态环境的单项评价方法是生态环境综合评价方法的基本前提。在进行生态环境单项评价时，先分别对生态环境水平和生态环境质量进行定性分析，然后对其进行定量分析。定性分析是根据经验及各种资料，对社会经济与生态环境以及它们之间的主要矛盾和变化过程做出一种评价手段。定量分析是把生态环境评价中人口、经济、环境要素或其过程的变化规律用不同的数学形式表示出来，得到反映这些规律的评价方式。定量分析常用的方法主要有数理统计法、回归分析法、投入产出模型、经济结构模型、灰色系统、微分模型和模糊数学等。
生态环境的综合评价方法，是指对生态环境结构与功能协调发展现状及其变化趋势综合评价所采用的方法。众所周知，生态环境是一种极其复杂的多因素、多变量、多层次的等级系统，对生态环境的评价又是主观与客观相互作用的分析过程。徐辉、陈少华根据大气环境系统的性质，运用灰色系统理论和模糊数学理论建立了大气环境质量预测和评价的数学模型。喻良、伊武军根据层次分析法的基本原理，在城市生态环境质量评价中建立各层次模型，对福州市的生态环境质量进行评价。汤丽妮、张礼清、王卓等以生态环境指标的各级评价标准作为训练样本，应用人工神经网络建立生态环境质量评价的BP网络对生态环境质量进行评价。刘春莉、李柞泳尝试运用物元可拓的方法来建立生态环境质量评价模型，并且通过用该方法对土壤生态环境质量评价实例验证物元可拓方法的可行性。李希灿、程汝光、李克志基于空气环境质量评价中的不确定性，提出空气环境质量的模糊综合评价方法，并在泰安市空气环境质量的评价中得到了较好应用。在应用研究上，我国基于国内外的理论成果展开了广泛的应用。李晓秀从生态稳定性角度对北京市山区生态环境质量进行了评价。孙玉军等对五指山自然保护区的生态环境质量进行了评价。张剑光对四川省和重庆市农业环境进行了评价。李玉实从生态破坏、环境污染和社会经济要素的关系出发对本溪市的生态环境状况进行了评价。芦彩梅、郝永红针对山西省生态环境脆弱的实际，对全省区域生态环境质量现状进行了评价，并在分析其结果的基础上，提出了山西省区域生态环境可持续发展对策。任广鑫等通过对生态环境质量及其评价的内涵和国内外研究进展的分析，指出江河源区生态环境质量评价应大量借助于遥感资料，同时结合统计资料对区域自然环境系统、经济系统和社会系统进行综合评价。概括了生态环境质量评价的理论依据，指出了对区域生态环境质量评价应坚持整体性、评价指标体系化、方法定量化的原则，并提出了具体的评价指标体系。刘智慧等根据城市生态学原理和研究方法，针对矿业城市——抚顺市生态环境特点，提出了能够体现矿业城市生态环境质量主要特征的，定性、定量考核的评价指标体系。利用模糊数学和层次分析等方法，建立了矿业城市生态环境质量综合评价模型。赵跃龙等通过对脆弱生态环境的分析后认为，脆弱生态环境的评价指标可分为两类，即成因指标和结果表现指标，共选择了9项指标来评价脆弱生态环境，用该方法计算了全国26个省（自治区）生态环境脆弱度并进行了生态环境脆弱性分区。
总的来说，当前区域生态环境质量评价研究集中在3个重点方面：①指标数据的准确获得，建立的指标体系和区域生态环境质量的相关性研究，指标体系的逻辑关系验证；②评价的方法研究采用包括层次分析法、模糊数学等较先进的数学方法，由单项目标向多目标，由单环境要素向多环境要素，由单纯的自然环境向自然环境与社会环境的综合系统方向发展，同时由静态评价转向动态评价；③区域生态环境质量评价结果在生态规划和调控中的应用。
总之，从对生态环境质量评价的研究进展来看，我国的生态质量评价开展的范围广，涉及的学科多，但是对于荒漠草原这一类型来说开展的评价工作较少。对荒漠草原的生态环境质量评价，对保护荒漠草原生态环境有重要的理论和现实意义。