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在干旱半干旱地区，水资源短缺制约农业发展。研究人员开展 “耦合水文 - 作物模型评估节水灌溉经济和水文效应” 研究。结果表明不同节水措施对作物产量、经济效益和水文有不同影响。为节水策略制定提供依据，意义重大。
在全球范围内，干旱和半干旱地区面临着严峻的水资源短缺问题。大约 71% 的人口经历着中度至重度缺水，约 40% 的全球陆地面积被旱地覆盖。对于这些地区的灌溉区而言，水资源短缺给作物生产和环境保护带来了巨大挑战。为了应对水资源短缺，人们采取了多种节水措施，如洪水深度管理、亏缺灌溉、种植结构调整、喷灌、滴灌等。然而，评估这些节水措施在灌溉区尺度上的综合经济和水文效应却困难重重。一方面，传统的基于指标框架的评估方法，主要依赖于指标的选择、权重分配和统计分析，这种方法虽适用于事后评估，但无法提前预测节水措施的效果。另一方面，现有的物理模型研究往往只关注作物生长或水文的某一个方面，难以全面评估节水措施的综合影响。而且，现有的耦合模型也存在诸多不足，例如应用空间尺度小、模拟详细灌溉措施的能力有限等。在这样的背景下，开展一项能够全面评估节水灌溉措施的研究显得尤为迫切。
中国研究人员针对上述问题，开发了一种水驱动的半分布式模型，即耦合 SWAT（Soil and Water Assessment Tool）–MODFLOW 与 AquaCrop 模型。SWAT–MODFLOW 擅长模拟地表水 - 地下水相互作用，AquaCrop 则在模拟作物产量对水分利用的响应方面表现出色。研究人员将该耦合模型应用于宁夏河东灌区，通过成本效益分析和水文动力学分析，探究不同节水措施的效果，为灌溉措施的选择和节水目标的设定提供参考。该研究成果发表在《Agricultural Water Management》上。
研究人员在研究中主要运用了以下关键技术方法：首先是模型构建技术，建立 SWAT–MODFLOW 模型模拟灌区水文过程，建立 AquaCrop 模型评估节水措施对作物产量的影响，并将二者耦合；其次是数据处理技术，收集气象、土壤、灌溉管理等多源数据，为模型运行提供支持；最后是情景模拟技术，设计不同节水情景，包括亏缺灌溉（S1）、种植结构调整（S2）、土地平整（S3）、喷灌（S4）和滴灌（S5），模拟不同情景下的经济和水文效应 。
研究结果
- 模型评估：通过对比模拟和观测的回流、地下水位以及作物产量，对模型进行校准和验证。结果显示，模型在模拟回流时，Nash–Sutcliffe 效率（NSE）> 0.82，Kling–Gupta 效率（KGE）> 0.79；模拟地下水位时，RMSE 为 2.2m，NSE 为 0.89，KGE 为 0.94；模拟作物产量时，RMSE < 7.2% 的平均作物产量。这表明模型具有较高的准确性和适应性。
- 作物产量效应：在 50% 节水情景下，50% 亏缺灌溉使水稻、玉米和小麦产量分别降低 1.1%、17.3% 和 12.3%。额外的节水措施（如 S3、S4 和 S5）能提高作物产量，但对水稻产量的提升有限。不同作物对节水措施的响应不同，水稻在湿润年份产量较高，玉米和小麦受干旱气候影响较大。
- 经济性能：成本效益分析表明，在 50% 节水情况下，喷灌（S4）是最经济的措施，其次是亏缺灌溉（S1）、滴灌（S5）、土地平整（S3）和种植结构调整（S2）。但不同措施的经济性能在不同水文年份有所差异。随着节水百分比的变化，最具成本效益的措施也会改变，如节水目标 <59% 时，S4 最经济；59% - 64% 时，S3 最经济；>64% 时，S5 最经济 。
- 水文效应：节水措施对含水层和地表水有不同影响。与基线情景（S0）相比，S1 - S5 导致地表水补给（RECH）和地表径流对溪流流量的贡献（SURQ）减少，但 RECH 与 SURQ 的比值在不同情景下差异显著。除 S1 外，其他措施缓解了地下水位下降，其中 S2 效果最明显。同时，S3 - S5 在提高灌溉效率的同时，减少了水流返回溪流的量，且当节水百分比超过 70% 时，地下水位下降加速。
研究结论与讨论
研究人员成功开发了耦合 SWAT–MODFLOW–AquaCrop 模型，并应用于宁夏河东灌区，评估了不同节水措施的经济和水文效应。结果表明，不同节水措施在作物产量、经济效益和水文方面各有优劣。亏缺灌溉在一定程度上适用于水稻种植且在适度节水目标下经济可行，但受天气影响较大；种植结构调整虽经济成本效益不高，但对保护地下水和维持水量有积极作用；土地平整、喷灌和滴灌在保障作物产量方面有一定效果，且在不同节水目标下各有经济优势。这些结论为灌溉区选择合适的节水措施提供了科学依据。
然而，该研究也存在一定局限性。模型未考虑非饱和流、溶质运移等水文过程，对作物生长动态的模拟不够全面，且采用单向耦合方式，未将 AquaCrop 的结果反馈到水文模型中。此外，由于数据可用性限制，部分模拟结果未进行验证。在实际选择节水灌溉措施时，还需考虑土壤盐分、土壤水分动态等因素。尽管如此，该研究为评估节水措施奠定了基础，未来研究可在此基础上进一步完善模型，综合考虑更多因素，为农业水资源管理提供更全面的决策支持。
