不同水文年型下草甸湿地水分运移动态模拟与平衡机制解析——基于改进HYDRUS-1D模型的科尔沁沙地案例研究

《Agricultural Water Management》：Water transport dynamics in a meadow wetland under different hydrological years: Model simulation and mechanism analysis

本文针对干旱半干旱区草甸湿地水文过程模拟精度不足的问题，构建了HYDRUS-1D与FAO-56 DualKc耦合模型，系统模拟了2013-2020年科尔沁沙地草甸湿地水分运移过程。研究发现改进模型显著提升了土壤水分和蒸散发的模拟精度（验证期R2>0.74，NSE>0.75），揭示了毛细上升持续补给（年均2.54 mm d-1）与深层渗漏脉冲波动（峰值140.26 mm d-1）的双向运移特征。通过SPI6划分水文年型，明确了降水变率驱动水分再分配的关键机制：干旱年植被蒸腾占比70.58%，湿润年深层渗漏增至33.87%。该研究为干旱区湿地水资源管理提供了科学依据。

　　

在广袤的干旱半干旱区，草甸湿地如同镶嵌在沙海中的绿宝石，不仅承载着独特的生物多样性，更是维持区域水平衡的关键枢纽。然而，这些珍贵的生态系统正面临着严峻挑战：气候变暖和人类活动导致地下水位持续下降，湿地面积不断萎缩，水文失衡现象日益凸显。更令人担忧的是，当前对这类湿地水分循环机制的认识仍存在明显不足。传统的水分平衡模型往往将水分运移简化为以蒸散发为主导的单向过程，忽视了深层渗漏和毛细上升的动态交互，导致在复杂地形区的模拟结果存在较大偏差。能否精准刻画草甸湿地的水分运移过程，成为理解其生态水文机制、制定科学水资源管理策略的核心难题。

针对这一科学问题，内蒙古农业大学水资源与环境工程生态水利国家重点实验室的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了最新研究成果。他们以科尔沁沙地典型草甸湿地为研究对象，创新性地将HYDRUS-1D模型与FAO-56双作物系数法相结合，构建了改进的水分运移模拟框架，系统分析了2013-2020年不同水文年型下湿地水分平衡的响应特征。

研究团队综合运用了多种先进技术方法：通过野外定点观测系统连续监测气象参数和土壤体积含水量，采用涡度相关系统测定水热通量，结合压力膜仪测定土壤水力学参数，并运用标准化降水指数（SPI6）进行水文年型划分。核心的模型构建环节，通过求解Richards方程模拟土壤水分一维运动，采用Feddes梯形应力响应函数表征根系吸水，并基于FAO-56双阶段蒸发模型计算实际土壤蒸发。

3.1 校准和验证结果

模型校准验证结果显示，改进的HYDRUS-1D模型在模拟草甸生态系统土壤水分运移过程中表现出色。验证期蒸散发模拟的R²达到0.81，RMSE为0.617 cm³·cm^-3，NSE为0.751；不同土层土壤体积含水量的模拟精度指标R²、RMSE和NSE分别保持在0.74-0.81、0.001-0.011和0.505-0.701范围内，证明模型能够可靠再现湿地水文过程。

3.2 土壤含水量模拟

在0-80 cm土壤剖面中，水分动态呈现明显的垂直分异特征。0-40 cm土层湿度受降水和蒸散发影响显著，雨季含水量常超过0.35 cm³·cm^-3，而40-80 cm深层土壤因地下水持续补给保持相对稳定。土壤水储量（SWS）日际变化介于273-336 mm之间，年平均值达298.43 mm，其季节动态与浅层土壤湿度变化同步。

3.3 蒸散发模拟

2013-2020年期间，日蒸散发量变幅为0.04-7.33 mm d^-1，主要集中于3-5 mm d^-1。植被蒸腾（T）是蒸散发的主导组分，占比达60-95%，7月达到峰值；土壤蒸发（E）则在植被凋落期贡献显著。值得注意的是，8月末至9月初的芦苇收割导致叶面积指数骤降，使蒸散发组成发生剧烈调整。

3.4 底部通量模拟

研究揭示了草甸湿地独特的双向水分运移机制：毛细上升呈现持续稳定的补给特征，平均速率约2.54 mm d^-1；而深层渗漏则表现为明显的脉冲式下渗，最大强度达140.26 mm d^-1。地下水位对降水事件响应灵敏，集中强降水可使水位单次上升达21 cm，凸显降水对地下水补给的主导作用。

3.5 水分平衡过程对降水的响应

通过SPI6指数将生长季划分为不同水文年型后发现，降水变率驱动着水分平衡组分的重新分配。干旱年植被蒸腾贡献70.58%的水分输出，深层渗漏仅占16.81%；而湿润年深层渗漏比例显著提升至33.87%。毛细上升在干旱年对总水分输入的贡献高达61.6%，有效缓解了水分胁迫。这种水分再分配模式体现了草甸湿地对降水变率的自适应调节能力。

研究结论与讨论部分强调，改进的HYDRUS-1D模型成功量化了草甸湿地水分运移的关键过程，揭示了降水变率驱动下水分再分配的内在规律。与传统湿地不同，该生态系统通过毛细上升与深层渗漏的协同调节，维持着蒸散发稳定性。特别在干旱年份，地下水通过毛细作用对根区的持续补给，成为植被生存的关键保障。这种双向运移机制既是草甸湿地的水文特征，也是其生态韧性的体现。然而，该机制高度依赖浅层地下水位的稳定，若未来气候变化或人类开采导致地下水位下降，可能引发湿地生态系统的脆弱性转型。该研究不仅深化了对干旱区湿地水文过程的理解，也为区域水资源合理配置和湿地生态保护提供了定量依据。研究成果提示，在制定湿地管理策略时，需特别关注地下水与地表过程的耦合关系，维系毛细上升的通达性，才能确保这类特殊生态系统的可持续性。