基于农业水文耦合模型的区域控排技术对水文循环与作物涝旱胁迫的调控机制及优化策略研究

《Agricultural Water Management》：Assessing the effects of controlled drainage on regional hydrological cycle and crop waterlogging and drought based on a coupled agro-hydrological model

本研究针对区域尺度控排(CD)对水文-作物互馈机制影响评估不足的问题，开发了耦合地表-地下水和作物生长的农业水文模型DWSEM。通过灵敏度分析识别土壤孔隙度(n)和van Genuchten参数(α)为关键敏感参数，揭示降水主导水分胁迫类型，发现玉米以涝渍胁迫为主(拔节-抽雄期)、小麦以干旱胁迫为主(抽穗-乳熟期)。研究表明控排通过调控地下水位(GWT)和地下水-土壤补给量(GtoS)显著影响作物产量，建立了|R|>0.9的GtoS-GWT定量关系，提出了基于降水阈值的动态控排方案，为区域水资源精准调控提供了过程化决策框架。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，干旱和涝渍灾害频发，导致全球作物减产分别达11%和20%，仅中国年损失就超过3500万吨。雨养农业占全球耕地80%且提供60%粮食，在东南亚、美国中西部和中国东北等地区极易受降雨变率影响。控排(Controlled Drainage, CD)作为通过调节沟渠水位(Ditch Water Level, DWL)来缓解涝旱的双重调控措施，其效果受土壤、地形和气候条件制约，且区域尺度水文与作物生长的耦合效应及定量化管理策略尚未明确。

针对这一研究空白，武汉大学水资源工程与管理国家重点实验室团队在《Agricultural Water Management》发表研究，构建了耦合地表水-地下水-作物生长过程的农业水文模型DWSEM(Drought and Waterlogging Simulation and Evaluation Model)。该模型通过校准验证显示与沟渠水位、地下水位和作物产量观测数据高度吻合，采用扩展傅里叶振幅灵敏度检验(eFAST)方法确定0-0.2米土层土壤孔隙度(n)和van Genuchten参数(α)为最敏感参数。

研究团队选取淮河流域利辛控排试验区(LCDA)为研究对象，该区域具有典型的雨养农业特征和冬小麦-夏玉米轮作系统。通过集成多源数据(气象、土壤、土地利用、作物物候等)，采用L-BFGS-B算法进行参数率定，并运用一维Richards方程、MODFLOW和圣维南方程分别模拟非饱和带水流、三维地下水流和沟渠水力过程。

关键技术方法包括：1)构建耦合地表-地下水-作物过程的分布式水文模型；2)采用eFAST方法进行全局敏感性与不确定性分析；3)基于51口监测井和12块农田的实测数据验证模型；4)设计14种控排情景模拟不同沟渠水位调控方案；5)建立产量减少率(YRR)、相对水分胁迫指数(Ry)等定量评估指标。

研究结果揭示：

3.1 敏感性与不确定性分析表明：地下水位和沟渠水位对表层土壤水力参数(n, α, θ_s, K_s)最敏感，作物产量主要受生物量转化效率(BE)、潜在热单位(PHU)和最大叶面积指数(LAI_max)等生理参数调控。

3.2 模型校准验证显示：地下水位模拟R2>0.831，RMSE<0.329m；作物产量模拟中玉米R2>0.69，小麦R2>0.52，与统计年鉴数据吻合良好。

3.3 控排对作物产量的整体影响：玉米产量(7349.9-7757.4 kg/ha)主要受涝渍胁迫影响(YRR_l=5.5%-11.3%)，小麦产量(7585.6-7752 kg/ha)主要受干旱胁迫影响(YRR_d显著高于YRR_l)。

3.4 作物产量与水分胁迫的时空特征：玉米高产区(>7800 kg/ha)分布在南部和中部地区，北部地区因涝渍损失(500-2000 kg/ha)产量较低；小麦高产区位于南部和中部，北部因干旱胁迫严重产量较低。

3.5 降水对控排的响应规律：玉米产量在降水384mm时达到峰值，降水阈值312-401mm；小麦降水阈值354-434mm。偏离阈值时控排效果更加显著。

3.6 作物产量对水文条件的响应：玉米产量与地下水位(GWT)呈强线性关系(|R|>0.84)，每米GWT变化引起产量变化-165.0-1578 kg/ha。

研究结论表明，控排主要通过调节地下水位来控制地下水-土壤水交换，进而影响作物水分胁迫响应。机制体现在：1)减少地下水-沟渠排泄量(GtoD)19.8mm/米DWL提升；2)建立GtoS与GWT的线性关系；3)稳定地下水位变异(从2.3降至1.3m)。研究提出了基于降水条件的动态控排方案，较现行固定方案可使玉米和小麦分别增产57和212 kg/ha。

该研究的重要意义在于首次建立了区域尺度控排措施的水文-作物耦合评估框架，揭示了降水阈值主导的涝旱转换机制，提出了基于降水特异性的动态控排策略，为区域水资源精准管理和农业可持续发展提供了过程化的决策支持工具。研究成果可推广到其他作物类型和农业区域，对应对气候变化下的水资源管理具有重要指导价值。