农业生态系统模型AHC-2.1R的升级：冻融土壤中水-汽-热-盐耦合传输的模拟突破

针对季节性冻土区农业生态系统模型中冻融过程模拟不足的问题，研究人员通过改进AHC模型（AHC-2.1R），实现了水-汽-热-盐耦合传输、作物生长与冻融条件的同步模拟。新增雪盖模块与能量平衡算法，显著提升模型稳定性与精度，为寒区农田水盐氮管理提供可靠工具。

　　

在广袤的季节性冻土区，每年土壤的冻结与解冻如同大地的呼吸，深刻影响着农业生态系统的水热盐动态。然而，现有农业模型对冻融过程的模拟往往过于简化——或忽略冰相转化，或仅通过固定冰点（如0℃）粗暴修正导水率。这种"偷懒"导致模型在寒区应用中频频失灵：无法捕捉冻层水分上移形成的"返盐潮"，难以预测越冬作物根系损伤，更遑论指导精准灌溉。正如研究者Xu Xu团队在《Journal of Hydrology》中指出的，这种缺陷使得现有模型在全年农业管理中形同"跛脚巨人"。

中国农业大学的研究人员对此发起攻关，对自主开发的农业生态系统模型AHC（Agro-Hydrological & chemical and Crop systems simulator）进行"冻伤修复手术"。升级后的AHC-2.1R模型首次实现冻融条件下水-汽-热-盐传输、氮碳周转与作物生长的全耦合模拟。关键技术突破包括：重构基于Richards方程的水热耦合方程组、开发节点净水通量限制算法、引入雪盖能量平衡模块等。研究团队采用"实验室冻柱实验+田间向日葵两年观测"的双重验证策略，数据涵盖土壤含水率、盐分浓度、温度梯度及作物生长指标。

主要技术方法
研究结合室内控制实验（土壤柱冻结试验）与田间长期观测（内蒙古河套灌区向日葵田），通过数值解法同步求解水热耦合偏微分方程。采用有限差分法离散计算域，引入相变能量阈值判定冰水转化，新增雪层动态模块计算地表能量分配。模型输入包括气象数据、土壤参数、作物特性及管理措施，输出涵盖土壤水盐热通量、作物生物量累积等指标。

研究结果

1. AHC模型改进原理
   升级版AHC-2.1R采用混合形式Richards方程描述非饱和流，耦合Fourier热传导定律与相变潜热项。特别设计"能量供给法"判定相变时机，当土壤节点温度低于冻结阈值且系统能量不足时触发冰水转化，避免传统固定冰点导致的数值震荡。

2. 冻柱实验验证
   在-15℃边界条件下，模型成功再现冻结锋面推进过程。模拟显示上层土壤含水率下降12.3%（实测11.8%），冰层形成导致下层水分上移量达4.7 mm/d（实测4.3 mm/d），盐分随水分迁移形成表层富集现象，电导率峰值误差<8%。

3. 田间应用评估
   河套灌区2019-2021年观测显示，模型对5 cm土层温度日变化的纳什效率系数（NSE）达0.91，返盐期土壤溶液浓度预测相对误差<15%。向日葵开花期叶面积指数（LAI）模拟值2.8与实测2.7吻合，产量预测误差仅3.2%。

4. 敏感性分析
   雪盖反照率参数敏感性最高（S_i
   =0.43），忽略雪层会使冻深低估18 cm。相变潜热计算方式直接影响水分上移通量，传统方法会导致返盐量低估29%。

结论与意义
AHC-2.1R的冻融模拟能力实现三重跨越：物理机制上，通过水-汽-热-盐-冰多过程耦合，首次在农业模型中完整刻画"冻胀-返盐-伤根"连锁反应；数值稳定性上，双限制算法（通量限制+能量阈值）使相变模拟迭代次数减少67%；应用价值上，模型可量化评估冬季覆盖措施对春播墒情的影响，为寒区"水-盐-肥-苗"协同调控提供决策工具。正如Yutao Liu在讨论部分强调的，这种"全年周期模拟"范式将改变传统农业模型"重生长季、轻越冬期"的局限，为应对冻土区气候变化提供新型数字孪生平台。