1、引言

农业与生态用水的浪费主要发生在渠系输水、田间灌水、土壤储水保水和作物（植物）用水等环节。要提高农业用水的水利用率和水的生产效率，不仅涉及到土壤—植物—大气系统（简称SPAC）中的界面过程、水分传输和系统反馈的机制、水分调控的途径以及大气水、地表水、地下水、土壤水的转化关系，还涉及到利用现代高技术对水资源、土壤水分和作物水分进行监测监控，采集作物对缺水反应的信息并根据作物需水规律进行精量灌溉，开发有特殊环境参数要求的抗低温、耐老化的新型节水材料和设备等一系列与农业节水相关的前沿性高技术和关键技术。因此，必须在对SPAC水分动力学，灌溉水—土壤水—作物水—光合作用—干物质量—经济产量转化效率关系，水—土—作物—环境关系等具有多学科交叉性和综合性的若干重大前沿性问题研究为基础, 探索现代农业节水技术体系，达到同时提高水的利用率和水的生产效率的目的。

我国的农业和生态节水问题已引起党和国家领导人及全社会的高度重视。水利部针对北方旱区的水资源短缺问题启动了300个节水重点示范县建设项目灌区节水改造项目；科技部在“十五”期间也把节水农业技术体系与新产品列入了12个重大专项之一；各省（市、自治区）等地方政府也投入大量资金开展节水示范工作。但这些项目较多涉及农业与生态节水的具体技术和产品，对农业与生态节水的应用基础理论研究未给予足够重视，农业与生态节水工作还缺乏科学的应用基础理论指导和前沿技术储备。对诸如节水引起的区域水循环与水平衡改变是否会加剧西北旱区内陆河流域下游的环境退化？喷灌节水还是浪费水？渠道防渗标准是否越高越好？如何通过作物区域耗水分异规律科学确定区域节水型农作结构？等与农业和生态节水有关的问题还缺少建立在科学试验基础上的探索；对不同区域的灌溉水利用率、渠系水利用率、田间水利用率、降水有效利用率、作物水分利用效率等参数还缺少准确的确定方法和多年的基础数据积累；特别是对不同植物群体在不同水文年份、不同灌水技术条件和不同的亏水灌溉水平下的耗水规律及区域变化还缺少科学数据的积累。上述现象严重地制约了农业与生态节水工作的开展。

2、现代农业与生态节水理论研究的发展态势与热点问题

(1)农业与生态节水研究由实验统计性质向具有较严谨理论体系和定量方法的科学转变, 农业生态系统中物质迁移模拟与区域植物耗水的定量计算模型得到较快的发展，尺度理论将是农业与生态节水领域用定量方法解决实际问题的关键。国内外学者对微域的SPAC中水热盐运移进行了大量研究，但如何应用微观尺度的SPAC水分传输理论解决流域尺度水转化过程的描述仍有较大距离，这涉及到如何考虑土壤与植被的空间变异性以及水文地质条件的影响，把点上（微观尺度上）得到的模型扩展到面上、区域上应用的问题。为了解决这一问题，有关土壤、植被和大气的界面过程、尺度转换、各部分介质的非线性相互作用等将是未来研究的难点。

由于节水技术水平的提高和作物水分利用效率的改善，迫切需要研究农业结构调整、作物布局改变和非充分灌溉条件下的作物需水规律及其区域分布；而且过去有关作物耗水量的研究以单点的和单一作物的计算模型较多，对于区域多种作物组合的耗水量计算还缺少科学的方法。有关作物需水量的计算方法目前应用最多的是联合国粮农组织灌溉排水丛书第56分册推荐的Penman—Monteith方法，但此方法主要适用于单点的单一作物需水量计算，对于区域多种作物组合的需水量计算首先要根据不同代表点的气象观测资料计算代表点的需水量，然后用插值法绘制区域需水量的分布图，再根据代表点控制的面积用加权平均法确定区域需水量，但这种方法很难克服气象因素和作物需水的空间变异所产生的较大计算误差，没有考虑多种作物组合中作物与作物间的交互作用。20世纪60年代后期遥感技术的应用为用能量平衡法计算区域作物需水量提供了可能，20世纪80年代以后，利用遥感作物冠层温度估算区域需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。但目前在应用上还存在一些技术问题，如计算冠层表面热通量的SVAT模型参数的空间分辨率问题，陆地卫星热映像（TM）波谱参数和SVAT模型参数的定量对应关系等。由于近年提出的大多数遥感通量算法是以面积为常量的SVAT模型参数为基础的，其直接在流域或区域上应用还受到限制。另外，由于作物高效用水理论的突破和新的节水调控途径的开拓，需要考虑利用作物本身的生理功能挖掘其节水的潜力，减少作物本身奢侈的蒸腾量，传统的按能量平衡理论估算作物需水的方法和在充分湿润条件下获得的作物系数均遇到了严峻的挑战，迫切需要建立作物高效用水和非均匀湿润条件下的需水量计算方法和相应的作物系数值，以扩展和补充FAO灌溉排水丛书第56分册中的研究成果。

（2）水分胁迫对作物的影响及其提高水分生产效率的机理已成为当前研究的热点，植物高效用水生理调控与非充分灌溉理论研究不断深入，利用植物生理特性改进植物水分利用效率的研究将会更加引人关注。近年来，国内外提出了许多新的概念和方法，如限水灌溉(Limited irrigation)、非充分灌溉(No-full irrigation)与调亏灌溉(Regulated deficit irrigation)等等，对由传统的丰水高产型灌溉转向节水优产型灌溉，提高水的利用效率起到了积极作用。20世纪70年代以来, 大量研究结果表明，植物各个生理过程对水分亏缺的反应各不相同，而且水分胁迫可以改变光合产物的分配。同时一些研究还表明，水分胁迫并非完全是负效应，特定发育阶段、有限的水分胁迫对提高产量和品质是有益的，结果证明作物在某些阶段经受适度的水分胁迫，对于有限缺水具有一定的适应性和抵抗性效应。一般认为，植物在水分胁迫解除后，会表现出一定的补偿生长功能。在某些情况下，水分亏缺不仅不降低作物的产量，反而能增加产量、提高水分利用效率。调亏灌溉就是基于作物生理生化过程受遗传特性或生长激素的影响，在作物生长发育的某些阶段主动施加一定的水分胁迫，即人为地让作物经受适度的缺水锻炼，从而影响光合同化产物向不同组织器官的分配，以调节作物的生长进程，改善产品品质，达到在不影响作物产量的条件下提高水分利用效率的目的。但是，这些方法仅考虑在时间上的调亏或水量的优化分配，没有考虑作物根系的功能和根区土壤湿润方式变化对提高作物水分利用效率与节水的作用。对如何通过改变根区空间的土壤湿润方式，诱发根—土系统结构和功能的有利变化，达到改善根系微域内的水分、养分有效性，刺激根系吸收的补偿效应和作物气孔的最优调节，提高根区水肥利用效率的研究比较少。大量的研究发现根区土壤充分湿润的作物通常其叶气孔开度较大，以致于其单位水分消耗所产生的CO2同化物(即水分利用效率)较低。作物叶片的光合作用与蒸腾作用对气孔的反应不同，在一般条件下，光合速率随气孔开度增大而增加，但当气孔开度达到某一值时，光合增加不明显，即达到饱和状态，而蒸腾耗水则随气孔开度增大而线性增加。因此，在充分供水、气孔充分张开的条件下，即使出现气孔开度一定程度上的缩窄，其光合速率不下降或下降较小，则可减小大量奢侈的(Luxury)蒸腾耗水，达到以不牺牲光合产物积累而大量节水的目的。许多研究结果表明，根系部分区域干燥时根ABA可以作为一种水分胁迫的信号，因为它的强度随干旱程度的加剧而增加，它能帮助植物检测土壤中的有效水量，且据此调节其水分消耗，提高植物水分利用效率。在此基础上，系统提出的“控制性作物根系分区交替灌溉”的节水技术体系, 强调交替控制部分根系区域干燥、部分根系区域湿润，以利于交替使不同区域的根系经受一定程度的水分胁迫锻炼，刺激根系吸收补偿功能，诱导作物部分根系处于水分胁迫时的木质部汁液ABA浓度的升高，以调节气孔保持最适宜开度，达到以不牺牲作物光合产物积累而提高作物水分利用效率的目的。同时，还可减少再次灌水间隙期间棵间土壤湿润面积，减少棵间蒸发损失；因湿润区向干燥区的侧向水分运动而减小深层渗漏。该项技术具有良好的开发前景和节水效果。但这种供水方式对作物水分利用效率的影响和节水的机理以及最优供水模式等问题还有待更进一步的研究，以期更好的在农业与生态节水中发挥作用。另一方面，在存在土壤次生盐碱化威胁的地区，是否会导致土壤盐分积累，也需要进行进一步的试验研究和分析。

国内外虽然对非充分灌溉条件下的作物水分生产模型进行了大量的研究，并相继提出了加法模型、乘法模型及加乘混合模型等，但它们大多是缺乏物理意义的统计回归分析模型，且水分敏感系数或指数在不同地区和同一地区不同水文年间的变化较大，因此需要通过对非充分灌溉条件下作物产量与水分关系的研究，建立参数变化比较稳定且具有较强物理意义的水分生产模型，还需要考虑不同土壤肥力和盐分水平对作物缺水敏感指数的调节作用，以实现水肥盐联合调控的目的；同时，需要由研究单点的作物水分生产函数，转向研究区域范围内的作物水分生产函数及其分布特征；从传统地研究小麦、玉米、棉花等大田作物的水分生产函数，转向研究经济作物水分生产函数；而且对于不同作物和不同地区适用的非充分灌溉模式亦需进一步的深入研究。关于有限灌溉水在作物间和作物生育期不同生育时段间的优化分配问题，国外在编制不同亏水度作物生长模拟模型的基础上，将作物水分生产模型广泛地应用于灌溉系统的模拟，提出了各种不同配水计划的预测效果，制定了相应的作物非充分灌溉模式与实施操作技术；国内在这方面虽然也做了大量的研究工作，但大多数的优化配水结果多是针对某一具体作物或某一具体灌区的，到现在还没有形成比较通用的非充分灌溉设计软件，更无基于网络、便于基层水管人员或农户使用的非充分灌溉设计软件。

（3）区域生态水文过程与水资源持续高效利用研究得到了广泛重视，水资源的生态价值和生态需水、水资源系统承载力与社会经济和生态系统的动态响应过程定量模型、分布式水文模型、面向生态的水资源配置与调控等研究将会更加活跃。生态需水是目前非常热门和较新的研究课题，但有关生态需水的论文还基本停留在介绍一些基本的概念或定义，其计算方法主要从物理的水量平衡、水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等方面考虑，而且主要是针对现有生态系统或生态水文条件，没有考虑生态系统和水文过程的相互反馈作用以及不同遗传特性物种的水分生产力关系，还缺乏系统的建立在严谨的生理学、生态学和物理学理论及定量的数学方法基础之上的生态需水量计算方法。

区域水循环研究一直是非常活跃的领域。国际上有关水文循环的生物学方面的研究变得越来越活跃。20世纪90年代以来，随着全球水危机的出现，与生态有关的可持续水资源管理已成为当今世界水问题研究的热点之一。水资源与生态安全研究已上升到全球共同行动的高度，将水与生态结合起来研究是发展趋势，尤其在干旱半干旱区，由于经济与生态对水资源的双重依赖，水与生态问题更为密切相关。如何协调和解决经济与生态环境之间的关系以及区域之间或流域上下游之间用水竞争的矛盾，是面向生态的水资源优化配置需要重点研究和解决的关键问题。现代决策理论与方法，已从单纯追求一个目标最优的择优准则，向着有复杂系统的多目标优化的最满意准则转变；从单一整体、功能有限的优化模型结构，向分散的、多层次的且又能协调和聚合的多功能模型系统发展；由“策略导向型”的个人决策模式，向“决策过程导向型”的群体决策模式发展。近20年来，国内外大系统多目标优化模型的方法有集结法、大系统递阶分析法，包括多目标分解协调方法、多目标分解聚合法等，近年模拟生物进化过程中优胜劣汰规则与群体内部染色体信息交换机制的遗传算法在处理水资源优化分配问题中也有应用。其中分解聚合法是多目标递阶分析中的非劣解生成技术，即在分解的子模型中可将向量优化问题转化为标量优化问题求解，而聚合模型中进行向量优化生成非劣解集，可方便的用于确定性的、随机性的多目标决策分析，能解决各目标间的相互矛盾或不可公度（如灌溉的生态效益与经济效益）问题，具有功能全、适用广、灵活可靠的优点。其实质是将大系统、多目标递阶分析问题，分解成若干相对独立的子系统，以耦合关联变量（目标关联或约束关联）为参数，分别求解各子系统目标值，找出各子系统目标函数与关联变量之间的函数关系，构造多目标聚合模型，生成原问题的非劣解集或子集，再根据决策群体偏好，或建立评价模型得到最佳均衡解。此外，由于集总式模型难以反映流域尺度水循环的空间不均匀性变化和不同地貌单元的水文特性与相互作用以及水资源时空变化对生态演变的驱动作用，如何确定分布式流域模型的有效结构、如何对水资源利用在分布式模型中进行有效表达、如何在野外对模型参数进行原位测定和对分布式流域模型的栅格参数率定，确定流域水资源多维调控的决策方法将是该领域研究的重点和难点。

（4）高新技术在农业与生态节水现代化管理中的应用日益广泛，3S技术的应用将全面提升农业与生态节水管理的现代化水平，数字水文、数字河流、数字渠道、数字灌区的发展将大大促进精准灌溉和水资源精准调度的实践。3S技术的应用产生了数字水文、数字河流、数字渠道、数字灌区等概念。面对“数字地球”对农业与生态节水信息化的召唤，建立数字河流、数字灌区，以实现河流和灌区信息资源在区域定位基础上的高度共享，对区域可持续发展带来积极而深远的影响。随着GIS空间信息处理技术及相应计算机软件、高性能微机工作站及数字地形高程（DEM）等技术的出现，使得与水文水环境、灌溉水管理等有关的地理空间资料的获取、管理、分析、模拟和显示变为可能。

在灌区用水管理中，综合各种预测技术、优化技术的灌溉用水计算机管理系统已开始在我国灌区大面积应用，使灌区的灌溉用水实现了由静态用水向动态用水的转变，为提高灌区水资源的利用率提供了技术保障。为实现渠系优化配水的要求，应用计算机技术的渠道水量、流量实时调控的研究也在国内外逐步兴起。灌区用水管理系统方面，已逐步转向研究将数据库、模型库、知识库和地理信息系统有机结合的灌区节水灌溉综合决策支持系统。特别是近年来发达国家已开展了基于田间水肥等生产要素的巨大差异性，利用GPS和G1S、RS和计算机控制系统，精细准确调整灌水施肥的精准灌溉技术研究，为最大限度地优化各项农业投入，充分挖掘田间水肥差异性所隐含的增产潜力创造了条件。实现灌区现代化管理，首先要有灌溉工程控制设备的自动化，其次有先进的系统运行软件对系统控制问题进行决策，从而建立灌区现代化管理决策支持系统，指导灌溉用水过程。

3、我国农业与生态节水理论创新的总体目标

应针对我国水资源紧缺，生态环境脆弱，农业用水浪费严重，农业节水潜力巨大的现状，面向我国发展节水高效农业和建设节水型生态植被的需求，以建立农业与生态高效用水理论为核心，通过土壤—植物—大气系统（SPAC）水分运转与调控理论、植物适度缺水的补偿效应和作物水分生产函数模型等问题的研究，建立植物高效用水调控与非充分灌溉的新理论；通过不同尺度植物需水估算模型及灌溉节水潜力计算方法的研究，建立农业与生态节水的可控指标体系；通过节水灌溉条件下水量转化理论及尺度效应的研究，为不同尺度水转化过程的定量模拟和节水调控提供有力的工具；通过植被建设中的水分承载力与生态需水计算方法、农业与生态用水配置理论的研究，建立动态多目标分解聚合的水资源调控模型和区域水资源多维动态调控的决策方法。重点解决：土壤水—植物水—光合作用—生物量—经济产量转化过程的定量描述及提高各环节水分转化效率的节水调控理论，器官—植株—群体—景观生态等不同尺度的植物需水模型的耦合，节水灌溉条件下土壤水、肥、盐迁移模型与植物水、肥、气、热、盐环境联合调控，不同尺度水转化模型的耦合和区域灌溉水利用效率的定量计算方法，农业与生态用水配置理论，节水灌溉与生态植被建设对区域水循环的影响及其生态环境效应及有利于节水、高效和对环境友好的最优高效用水模式等科学问题。在植物高效用水调控与非充分灌溉理论，节水灌溉条件下水转化理论及尺度效应，多种植物组合层次的需水估算及灌溉节水潜力计算，节水灌溉的区域水土环境效应评估与调控等重点领域建立新理论、提出新方法；在新理论指导下开发出农业与生态节水前沿与关键技术及模型软件包等，其成果应用后，使灌溉水利用率和植物水分利用效率大幅度提升。

4、我国农业与生态节水理论创新应解决的几个关键技术难点

（1）解决节水灌溉条件下不同区域植物（作物和主要生态建设用林草）需水指标的确定和多种作物组合层次的需水计算模型及区域作物需水计算问题；摸清耕地表面参数的空间变化对区域植物需水影响的定量关系和陆地卫星热映像（TM）波谱参数和需水量计算模型参数的定量对应关系以及器官—植株—群体—景观生态等不同尺度的植物需水模型的耦合关系，建立既有理论基础、又便于实际应用的区域植物需水计算新方法；解决植物个体水分信息采集、监测、诊断、评估和区域植物缺水信息与土壤墒情监测和实时预报问题，建立植物缺水信息诊断指标体系。探明“不同区域作物需水和用水结构的区域分布究竟怎样，其变化趋势如何？”“植物何时需要补充灌溉？如何通过获取植物需水信息并实行精量控制植物用水？”的科学问题。

（2）建立不同区域节水灌溉条件下土壤水、肥、盐迁移模型和植物根系吸收养分的动力学模式，解决植物水、肥、气、热、盐环境联合调控理论和水分养分迁移转化规律的尺度转换理论问题，摸清节水灌溉条件下不同灌水方式和根区不同湿润方式与供水参数对根土微域中水分养分耦合迁移、有效性、水分养分离子传输参数和根系吸收补偿功能影响的过程、反馈机制和定量关系；了解有限灌溉条件下氮磷营养对作物缺水敏感性指数调节的效应与定量关系及作物水分—养分—产量综合生产函数表达式的确定, 为提高作物水分养分耦合利用效率确定最佳作物根区湿润方式和供水参数及其供水供肥模式。回答“在节水灌溉条件下土壤水分养分如何迁移转化和如何进行作物水肥盐联合调控？”的科学问题。

（3）实现灌溉水—土壤水—植物水—光合作用—生物量—经济产量转化过程的定量描述并建立提高各环节转化效率的节水调控理论，提出作物生理节水潜力—农田节水潜力—区域节水潜力的耦合关系及理论节水潜力与现实节水潜力指标体系。回答“农业与生态节水的潜力究竟有多大？”的科学问题。

（4）建立考虑下垫面非均匀性与各部分介质的相互反馈关系，能模拟区域农业结构调整、作物布局改变和节水灌溉发展、作物生产力提高及生态植被建设对水转化关系与水平衡要素影响的区域尺度SVAT水转化与水平衡动力学模式，解决不同尺度水转化模型的耦合和区域灌溉水利用效率的定量计算方法以及模型尺度放大与模型参数的野外原位率定等问题。回答“不同区域农业结构调整、作物布局改变和节水灌溉发展、作物生产力提高及生态植被建设对区域尺度水转化与水平衡关系究竟有什么影响，其定量关系如何？”的科学问题。

（5）探索清楚不同典型区域生态环境变化与水平衡因素之间的定量关系，节水灌溉对区域水循环的影响及其生态环境效应；建立区域尺度水平衡关系改变的生态环境效应定量评估指标体系和方法，评估因不同区域节水灌溉发展对区域水循环的影响及其生态环境效应。回答“不同区域在灌溉农业规模扩大、农产品数量增加、节水农业发展和生态植被建设的同时，所导致的水转化与水平衡关系改变给区域生态环境产生了什么影响，未来进一步影响到什么程度？”的科学问题。

（6）建立生态植被建设中的水分承载力与流域生态需水的计算方法及脆弱生态环境下水资源优化配置的动态目标分解聚合模型及其水资源的多维调控决策方法，提出系统的农业与生态用水配置理论，建立有利于节水、高效和对环境友好的最优高效用水调控模式。回答“如何科学分配不同地区的农业和生态用水，才能使生态环境向良性循环方向发展？如何科学确定合理的节水灌溉发展模式与农业综合开发的规模？如何科学确定典型生态脆弱区节水型生态植被结构？”的科学问题。

5、我国农业与生态节水理论创新的几个重大课题

（1）植物需水模型与区域分异规律 研究植物（作物和主要生态环境建设用林草）需水指标，节水灌溉条件下不同尺度的植物需水估算方法与模型, 多种植物组合层次的需水估算模型，区域植物需水分异规律和预测方法，典型区域作物生理节水潜力－农田节水潜力－区域节水潜力的耦合关系等；通过解决耕地表面参数的空间变化对区域水分信息的影响、遥感信息与区域需水信息的耦合关系及稳定性、器官－植株－群体－景观生态等不同尺度的植物需水模型的耦合等关键与难点问题，建立区域植物需水估算的新理论与新方法，构建中国植物需水数据库和数字化植物需水等值线图。

（2）节水灌溉条件下水转化理论及尺度效应 研究节水灌溉条件下SPAC水分运转关系与节水调控理论，渠系水量输送与损失过程模拟和渠系水利用系数确定方法及调节理论，区域水转化关系的时空变化规律与调控理论，水转化规律的尺度转化理论等；通过解决定量描述不同尺度水转化过程的数学模型，不同尺度水分传输模型与节水调控问题的结合，不同尺度模型的耦合等关键与难点问题，建立节水灌溉条件下不同尺度水转化关系和灌区灌溉水利用率计算的新方法。

（3）植物高效用水调控机理与非充分灌溉理论 研究节水灌溉条件下植物水分生产函数模型，植物适度缺水补偿效应与高效用水调控机理，作物调亏灌溉、根系分区交替灌溉的节水机理与效应，缺水条件下作物非充分灌溉理论、灌溉指标与灌溉模式等；解决土壤水－植物水－光合作用－生物量－经济产量转化过程的定量描述及提高各环节转化效率的节水调控，植物对特殊水分胁迫的反应与植物生长补偿效应的刺激等关键与难点问题，建立主要作物调亏灌溉、根系分区交替灌溉和非充分灌溉的控制指标与调控模式。

（4）节水灌溉条件下土壤水肥盐迁移模型与植物水肥盐环境联合调控理论 研究节水灌溉条件下土壤水、肥、盐迁移模型和作物水盐生产函数模型；建立考虑土壤养分和水流状况、植物根形态以及根系吸收养分的机制性模型，探索作物养分吸收的数值计算方法；研究灌水方法和灌溉制度、灌水定额和灌水次数以及灌水技术参数改变对土壤水分和养分运移及作物水分养分利用效率的影响；探索不同埋深、不同初始土壤含水量、不同灌水量以及不同滴孔流量对土壤水分养分迁移与分布以及作物水分养分利用效率的影响；从提高作物水分养分利用效率和减少地下水环境污染出发，提出最优灌水技术参数组合和不同节水灌溉标准条件下农田洗盐用水定额的确定方法。为促进作物对水分养分的耦合高效利用以及调控最优的作物水肥盐环境提供科学的理论和方法。

（5）提高田间灌水效率的理论 研究地面灌溉条件下水流在田间推进的过程与定量模拟模型；多孔管道水力学模拟；喷微灌灌水器出流过程和水流运动模拟；土壤气阻对灌溉水流入渗的影响机理与模型；浑水入渗特征与模拟；膜孔灌点源入渗特性及膜孔灌田面水流运动特性；灌水均匀度计算新方法以及提高不同灌水方法灌水均匀性途径等。所涉及的关键与难点问题是地面灌溉条件下水流在田间推进过程与气阻对水流入渗影响以及膜孔灌点源入渗的定量模拟。

（6）区域尺度土壤墒情与灌溉用水动态预报理论 研究区域土壤遥感监测信息与土壤水分分布的关系，建立区域土壤墒情预报理论；研究数字渠道系统(应用GIS技术，对灌溉系统进行编码，实现精确定位，建立数字渠道系统，动态显示各级灌溉渠系及各配水点的特征参量); 灌溉渠系非恒定流仿真技术与模拟模型及灌溉系统水量流量实时调控理论与方法；灌溉水源模糊人工网络预报模型和灌溉预报。需解决的关键问题是基于现代信息技术的灌溉渠系非恒定水流的仿真模拟，渠系动态优化配水模型与实时调控理论。

（7）植被建设中的水分承载力与节水型植被建设的生态水文效应 研究区域天然与人工生态植被的耗水结构和耗水规律；不同植被根系的最大吸水深度，以及区域植被耗水的生理生态过程；研究区域水分的植被承载力，在一定生态目标下生态植被恢复与重建所需水量的计算方法；生态植被建设对区域生态水文效应的影响过程与模拟模型；提高水分植被生产力的途径; 建立节水型生态植被建设的高效用水技术体系等。解决的关键问题是区域植被耗水的生理生态过程及其耗水规律，区域水分的植被承载力及其计算方法。

（8）流域尺度生态需水计算与区域多水源优化配置理论 研究不同类型地区的生态需水及流域尺度生态需水的计算方法，复合生态系统的生态需水量及区域生态用水量的预测方法；区域多水源优化配置理论 (区域多种水资源优化配置智能决策支持软件, 区域水资源分配中农田灌溉用水的比例、可调控的范围及其对用水各业的整体影响, 区域节水灌溉条件下最优种植结构与水资源合理调配利用模式)。需解决的关键问题是流域生态需水的计算方法及脆弱生态环境下水资源优化配置的动态目标分解聚合模型及其水资源的多维调控决策方法。

（9）节水灌溉的区域水土环境效应评估与调控 节水灌溉对区域水循环的影响及其生态环境效应，节水灌溉条件下农田生态环境效应机制及特征（如不同灌水量与不同灌溉技术（喷、滴、膜上、地面等）条件下农田水文过程与土壤质量（物理、化学、生物）变化特征, 不同节水灌溉技术引起的土壤近地面大气层水热条件的变化及其对作物蒸发蒸腾的影响, 节水灌溉对地下水量和水质，及其对农作物生长的影响机理）；节水灌溉～农田生态环境～区域水土环境的响应过程与规律;节水灌溉条件下区域水盐分布规律与调控方法;典型区域水土最优管理方法与技术(节水灌溉对农田生态环境影响的评价、预测与决策方法；建立可持续发展的农业生态系统的多目标最优化理论，即在节水灌溉条件下，综合研究环境效益、生态效益以及经济效益)。所涉及的主要难点问题是节水灌溉、农田生态环境、区域水土环境效应响应过程的定量描述；节水灌溉对农田生态环境影响的定量评价、预测与决策方法的建立。

通过对上述问题的深入系统研究,将实现我国农业与生态高效用水前沿应用基础理论的重大突破和跨越式发展,为农业与生态高效用水提供科学依据和新的途径。促进水科学与生态科学的创新和发展以及节水农业发展与节水型生态植被建设过程中的水资源持续高效利用和生态系统的良性循环。将会为解决我国国民经济可持续发展所面临的、以及全社会高度关注的水资源紧缺这一重大战略问题做出应有的贡献。