黄土高原坝地农田土壤水分平衡对降雨变异的响应机制及其生态水文意义

为解决黄土高原坝地农田在气候变化下的水资源管理难题，中国科学院研究人员通过Hydrus-1D模型模拟了2019（干旱年）和2020（正常年）玉米生长季的土壤水分动态，揭示了降雨变异对土壤水储量变化（ΔS）、实际蒸散发（ET）、深层排水（D）和地下水毛细上升（G）的影响规律，为半干旱区农业水资源优化提供理论支撑。

　　

在全球气候变化背景下，黄土高原作为典型的生态脆弱区，面临降雨格局改变与土地退化的双重挑战。坝地农田作为"治沟造地"工程的核心产物，其浅层地下水位的特殊水文条件使土壤水分平衡机制复杂化。以往研究多关注传统坡面系统，对坝地农田在极端气候下的水分运移规律认知不足。中国科学院团队通过高精度监测与数值模拟，首次揭示了这类人工-自然复合系统的水文响应机制。

研究采用Hydrus-1D模型，结合连续300 cm土壤水分剖面监测、涡度相关法（eddy covariance）ET观测和地下水动态数据，对比分析了2019-2020年两个水文条件迥异的玉米生长季。关键技术包括：基于van Genuchten-Mualem方程的土壤水力参数反演、Penman-Monteith方程计算参考蒸散发（ET_o）、以及能量平衡闭合校正的ET数据质控。

3.1 水文气象条件
2019年降雨量（405.7 mm）较长期均值偏低24%，2020年（555.6 mm）接近正常。干旱年降雨集中在生长季后期（9月占31%），而正常年集中在8月（单月266.9 mm），导致地下水埋深在正常年暴雨后骤升80 cm。

3.2 模型评估
模型在0-60 cm根区的Nash效率系数（NSE）达0.68-0.94，ΔS与实测值的阶段累积量R²>0.93。敏感性分析显示饱和含水量（θ_s）和孔隙分布参数（n）对模拟结果影响最大，参数变动20%可导致浅层SWC波动4.8-6.8%。

3.3 土壤水分动态
干旱年最大入渗深度仅100 cm（2019年9月90.9 mm降雨），正常年达150 cm（2020年8月149 mm降雨），深层排水（D）仅出现在正常年填充期（20.18 mm）。

3.4 水分平衡
干旱年ET/P高达0.98，消耗了绝大部分降雨；正常年该比值降至0.73，ΔS占比从16.5%提升至30.3%。毛细上升（G）在苗期贡献最大（2019年17.17 mm），两年总量相近（45.24 vs 34.15 mm），表明地下水在干旱年对ET的补偿作用更显著。

该研究首次量化了坝地农田在不同水文年的水分分配模式，揭示了浅层地下水对农业抗旱的关键作用。研究结果对优化"治沟造地"工程的水文设计、制定气候变化适应策略具有重要指导价值，尤其为半干旱区在降水格局改变背景下实现"藏粮于地"提供了科学依据。模型构建方法还可推广至类似人工-自然复合生态系统的水文过程研究。