本文是一篇留学生论文，本文以陇东黄土高原地区的农业系统为研究对象，以农业数据库为基础，重点研究玉米和小麦的水分利用效率、作物—家畜系统耦合的途径、农牧系统耦合协调度以及基于水分利用的农业结构优化，明确当地农业系统的改进方向，促进陇东黄土高原地区经济社会的发展和生态环境的改善。
第一章 前言
1.1 研究背景
地球正面临着除了全球变暖之外的另一个重要的全球变化，这一变化是世界人口将在今后 50 年内大量增加，这对科学和社会都有许多深远的影响，但中心问题是，在水资源有限和已经高度开发的情况下，如何为增长的人口种植足够的粮食，农业用水需求对于满足日益增加的世界人口的粮食和纤维需求至关重要，特别是在世界上人口增长最大的地区。据估计，目前人类每年使用的可再生淡水资源中约有四分之三用于农业生产。在农业生产中，由于蒸发和渗漏，大量水在储存和运输到作物种植地的过程中损失。此外，用来灌溉的水通过径流和排水会损失约 70%，减缓农业用水的增长仍然是一项艰巨的挑战。近年来，在地球上一些最重要的农业区出现了水资源紧张的情况，这是由各种因素综合造成的，如人口压力、跨界水资源分配、水资源管理不善，极端气候事件 (Davis et al., 2017)。人们普遍认为，提高农业用水效率是缓解缺水以及减少粮食和环境问题的关键。我国是世界第一大人口国，如果无法保证农业生产用水，就无法维持粮食安全。中国三分之二以上的贫困人口生活在干旱地区和半干旱地区，特别是在我国的北部和西北部，水资源短缺非常严重，自然降雨与作物用水无法匹配，补充灌溉被用来提高产量和提供食物，该地区占我国总面积的一半，但仅占全国水资源总量的 20%以下。为了提高农业系统水分利用效率，要充分利用自然降雨和灌溉设施，包括空间措施以及水资源的时间调整以期增加农作物的产量。在农业实践中，一些因素需要考虑: (1)水资源分配的数量、质量、空间和时间; (2) 建立作物栽培实践模式，旨在重塑现有农业结构的用水量，符合当前水资源分布模式的种植系统。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 对饲用作物水分利用的研究
国外已对农业系统水分利用做了大量的相关研究，从全球尺度到区域尺度，从整个农业系统到单独的作物，同时大量的新技术和新模型应用到农业系统的水分利用评估中。同时，人类活动和气候变化对农业系统水分利用的影响也得到了广泛的研究。对于灌溉棉花，在未来气候变化情景下，供水水平为 2000 t/ha 对 4 棉花棉产量和水分利用效率的影响最大；季节降雨量的增加将降低灌溉棉花的皮棉产量，因为在较高的供水水平下，可能会加剧涝渍问题。然而，在雨养条件下，增加季节降雨会提高棉产量 (Luo et al., 2015）。一项基于两年关于调节灌溉和稻草覆盖、黑白透明地膜对洋葱作物产量、水分利用和作物水分生产的影响研究发现，无论是否覆盖，在每周参考蒸散量 25%的灌水深度下浇灌洋葱，可使鳞茎产量下降约为蒸散量 100%的一半(Igbadun et al., 2012)。全球整合分析研究发现作物类型在有效利用水分以获得粮食产量方面存在显著差异，玉米等 C4植物的水分利用效率显著高于 C3类型(Mbava et al., 2020)。在发达国家，为了提高水资源的利用效率，科学家们尝试城市污水在灌溉农业中的应用。经过处理的城市废水是地中海国家和其他面临日益严重缺水的干旱和半干旱地区回收和再利用的宝贵水源。在地中海国家，经处理的废水在农业中再利用是一种常见的做法(Pedrero et al., 2010)。近年来，在精准农业领域，新的遥感技术和成像技术被用来评估农业系统的水分利用。如无人机可以提高水分胁迫管理的时间和空间感知分辨率，无人机搭载的多光谱和热图像技术能够反演几种作物的水分胁迫（Gago et al., 2015）。模型研究表明，将目前的旱作农田改为灌溉农田(在可能的情况下，考虑到实际可用的水资源)将不足以补偿气候变化对现有农田的不利影响。造成这一影响的主要因素，主要是在已经拥有大量灌溉农业地区的预期的水资源限制以及气候变化对农业生产力的不利影响(Elliott et al., 2014)。基于过程模型的案例(巴西)研究发现，在未来较潮湿的气候情景下，玉米和大豆田的土地生产力会增加，两种作物的水分生产率都会随着未来气候变化而持续下降(Pinheiro et al., 2019)。
第二章 研究方法
2.1 研究区概况
2.1.1 农业资源特征
研究区属甘肃省庆阳市（图 2-1），位于陇东黄土高原，该区域属于温带大陆性季风气候，降水主要受西太平洋夏季风影响，年均降水量为 320—580 mm，约70%的降水集中在 6—9 月，年均温为 5—13℃，≥0℃的年积温为 3284.1—3845.9℃，作物生育期日照时数为 1800—2000 h，该区域在同纬度地区水热耦合较好，利于种植业的发展。近年来，玉米、牧草、紫花苜蓿、苹果、水果、蔬菜等种植面积增加，尤其是玉米产量迅速增加，此外，肉羊饲养量也不断增加。
2.2 研究方法
2.2.1 调查数据收集
本文主要采用农户问卷调查和田间实验的方法，从 2019—2020 年，在三个研究区每年随机选定 180 户典型农户作为调查对象进行访谈调查，具体分布是北部，中部和南部各 60 户。在 3 个研究区分别选取 10 户典型农户进行定点观测，主要进行实验材料取样等工作，其中专门化作物系统(Specialized crop system, CS)和作物—家畜综合生产系统（Integrated crop-livestock production system, ICL)各选择 5 户定点农户。
在每个研究区，接受调查的农户在 3—5 个行政村。每年在播种前、种植中、收获后进行农户调查和田间实验，调查信息主要包括家庭类型、家庭人口数量、结构、文化程度、工作地点、务工行业；作物种类及种植面积、化肥、粪肥、地膜、种子、机械等投入；家畜种类、存栏量、家畜投入，家畜饲养方式、补饲情况；作物和家畜产出、价格、收入、副产品收入等；家庭收入结构；农民的制度了解、生态意识、环保观念、以及建议和自身利益诉求等。
研究者团队自 2002 年开始对陇东黄土高原农业系统从放牧制度、农业结构、生态环境和科技等方面开展研究。本研究使用的资料包括 2019 年和 2020 年在三个研究区域获得的调查问卷、访谈记录、观察记录、图片、部门工作报告、相关部门的数据资料、地区统计年鉴和科研论文等。
第三章 结果与分析 ..................................... 25
3.1 农业生产系统水分利用.................................... 25
3.1.1 研究区主要作物种类及种植结构.............................. 25
3.1.2 陇东黄土高原农户系统的作物耗水量............................... 26
第四章 讨论................................... 41
4.1 陇东黄土高原农业系统的水分利用.................................. 41
4.1.1 主要作物种类及种植结构................................... 41
4.1.2 农户系统的作物耗水量和生物量................................ 41
第五章 结论..................................... 46
5.1 陇东黄土高原农业系统的水分利用..................................... 46
5.2 作物—家畜综合生产系统.......................................... 46
第四章 讨论
4.1 陇东黄土高原农业系统的水分利用
4.1.1 主要作物种类及种植结构
对于混合农户和作物农户，2020 年三个研究区总种植面积中玉米和小麦均为优势种植作物（谢军红，2019），发展条件较好（车向军，2014），研究区是我国重要的小杂粮产区（施万喜，2009；张俊英，2002），对当地的口粮供给和粮食安全具有重要作用。陇东黄土高原地区生态环境脆弱（张子龙，2014），降水较少，气候干旱，冬春季节风沙肆虐（赵玉娟，2020），因此，林草在该区域种植面积广大，可以起到防风固沙、保护生态环境的作用。
在特定的降水条件下，三个研究区作物种植结构差异显著。北部、中部降水较少，适合耐旱作物的种植，荞麦和苜蓿种植面积广大。北部和中部地区养羊历史悠久，且沟壑纵横、天然草地广大，适合养羊业的发展，近年来养羊规模的扩大也促进了紫花苜蓿种植面积的扩大，促进了当地规模化养羊业的发展。南部苹果和桃规模化种植且面积广大，南部地区年平均降水量 552 mm，降水充沛、气候湿润，适合苹果和桃的生长，该地区“庆阳苹果”品牌远近闻名，成为地区农业支柱产业（施万喜，2009）。
4.1.2 农户系统的作物耗水量和生物量
水分耗用量是土壤和大气界面、植物与土壤界面和大气界面水分转化的结果，它对研究作物系统和作物生长具有重要作用。地处陇东黄土高原的庆阳市，属于黄土高原的生态脆弱区，热量充足，是典型的雨养农业区（段建军，2009）。作物生育期耗水量在地区之间差异是极显著的，从北部到南部，降水量逐渐增加，同种作物能耗用的水量也在增加，进而造成三地作物产量和生物量的差异，在一定的限度内，作物耗水量越多，作物产量和生物量越多（张作合，2021）。小麦耗水量＞玉米耗水量＞荞麦耗水量，主要是由作物生育期的长短造成的，作物生育期越长，耗用的水量就越多，作物生育期短耗用的水量也少。
第五章 结论
5. 1 陇东黄土高原农业系统的水分利用
1.主要作物种类及种植结构
对于混合农户和作物农户，2020 年总种植面积中主要包括玉米、小麦、林草和苜蓿四种，三个研究区玉米和小麦均为优势种植作物。 在特定的降水条件下，三个研究区作物种植结构差异明显，北部、中部荞麦和苜蓿为特色种植作物，南部苹果和桃为特色种植作物。
2.农户系统的作物耗水量和生物量
玉米生物产量（y）与耗水量（x）的关系，在专门化作物生产系统中 y = 0.047x + 13.049（R² = 0.46，P＜0.001），在作物—家畜综合生产系统中 y = 0.062x + 7.546（R² = 0.76 ，P＜0.001）；小麦生物产量（y）与耗水量（x）的关系，在专门化作物生产系统中 y =0.219x + 2.739（R² = 0.80，P＜0.001），在作物—家畜综合生产系统中 y =0.016x + 3.198（R² = 0.77，P＜0.001）。
3.主要作物地土壤剖面含水量的时空格局
2020 年作物地土壤水分含量变化大于 2019 年，可能与 2020 年春旱有关。0—30 cm 深度土壤水分变化剧烈，30—100 cm 深处土壤水分含量较平稳。
4.主要作物水分利用效率的时空格局
玉米的水分利用效率北部＞中部＞南部；小麦的水分利用效率北部最高，中部和南部差异不显著。
参考文献（略）