APSIM-MODFLOW耦合模型揭示灌溉调度对华北平原地下水动态的影响机制

华北平原地下水超采严重威胁粮食安全与生态平衡。本研究通过构建APSIM-MODFLOW耦合模型，量化不同灌溉方案（1-5次灌溉及充分灌溉）对冬小麦-夏玉米轮作区产量及地下水位的时空影响。研究发现3次灌溉（每次70 mm）可实现产量与地下水消耗的平衡，而1-2次灌溉能使区域地下水获得补给。该研究为制定分区差异化灌溉政策提供了科学依据，对实现农业节水与地下水可持续管理具有重要实践价值。

　　

华北平原作为中国重要的粮食生产基地，长期依赖地下水灌溉维持冬小麦-夏玉米轮作系统的高产，导致地下水位以年均1米的速率持续下降。这种"粮仓"与"水荒"的矛盾在子牙河平原尤为突出——该区域地下水位埋深已达5-60米，形成巨大的地下水漏斗。尽管前人通过田间试验提出3次灌溉（210 mm/年）是平衡产量与耗水的"最优解"，但这些点尺度研究忽略了河流侧渗、山前补给等区域水文过程，难以指导大范围水资源管理。

针对这一科学难题，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心的研究团队创新性地将农业系统模型APSIM与地下水模型MODFLOW耦合，构建了首个能同步模拟作物生长与区域地下水动态的评估框架。该研究以15620 km²
的子牙河平原为研究对象，基于25个气象站、17口监测井的8年观测数据，设置了从雨养到充分灌溉的7种情景，系统量化了灌溉频次对粮食产量、实际蒸散发(ETa)、深层渗漏(L)及地下水位的影响。相关成果发表在《Agricultural Water Management》期刊。

研究主要采用三项关键技术：1）APSIM 7.9模型模拟作物生长与根区水通量，其土壤模块基于Richards方程模拟水分运动，作物模块整合了光合-生物量分配机制；2）MODFLOW 2005构建三维地下水模型，通过LPF包输入水力传导度等参数，用Recharge包接收APSIM输出的渗漏量；3）地理空间分析技术处理90m DEM、30m土地利用数据，实现0.1°×0.1°作物模型与1 km×1 km地下水模型的尺度转换。

研究结果揭示出三个关键规律：

3.1 模型验证
耦合模型对地下水位的模拟R²

0.6（校准期）和>0.5（验证期），成功再现了2016年暴雨事件引发的异常水位回升。APSIM对小麦产量的模拟误差<10%，验证了模型系统的可靠性。

3.2 产量响应特征
冬小麦产量在灌溉1-3次时增速显著（3950→6297 kg/ha），超过3次后增幅趋缓；夏玉米产量在2次灌溉后即达平台期（7598 kg/ha）。充分灌溉虽使总产量达峰值（16475 kg/ha），但与5次灌溉（15415 kg/ha）差异有限。

3.3 水循环组分变化
ETa变化与产量趋势一致，而渗漏量(L)在灌溉≥2次后急剧上升。L-I差值（补给潜力）仅在雨养情景为正（+58 mm），1-2次灌溉时接近平衡（-12~-34 mm），5次灌溉时赤字达-210 mm。

3.4 地下水位时空演变
区域平均地下水位在雨养和1次灌溉时分别上升0.61 m/yr和0.12 m/yr，而3次灌溉导致0.65 m/yr下降。空间分析显示：山前区（石家庄、邢台）即使雨养仍出现水位下降，而邯郸北部在5次灌溉下因河流补给仍保持水位稳定。

讨论部分指出，传统点尺度研究低估了区域补给量，本研究发现1-2次灌溉（70-140 mm）即可维持含水层采补平衡，较前人结论更为乐观。但这一平衡点存在空间异质性：南部和石津灌区需维持现有3次灌溉以保证产量，而北部（沧州等地）应减至1次灌溉。研究创新性地揭示充分灌溉虽提高产量，但其-1.47 m/yr的水位降速与5次灌溉相当，证实精准灌溉比单纯增加水量更有效。

该研究的核心价值在于：1）首次实现APSIM-MODFLOW在轮作系统的耦合，为农业-水文联合建模提供新范式；2）提出"分区差异化灌溉"政策框架，在保证粮食安全前提下，可使子牙河平原地下水开采量减少30-50%；3）发现渗漏量在灌溉≥2次时发生突变，为制定灌溉阈值提供量化依据。未来研究需加入包气带水分运移模块，以更精确刻画地表-地下水转化过程。这些成果对全球其他依赖地下水灌溉的农业区（如印度恒河平原、美国高平原）具有重要借鉴意义。