动态土壤湿度依赖参数对APEX模型径流与作物产量估算的影响机制研究

为解决传统APEX模型静态参数假设在干湿条件下适应性不足的问题，美国农业部农业研究局团队创新性引入土壤湿度依赖的动态参数体系。研究通过2000次随机参数校准与验证，发现动态参数使模型综合误差降低14%（校准）和10%（验证），显著提升径流预测精度（p<0.01），并揭示参数16（CN保留参数）、20（径流曲线数初始截留）等在干旱条件下需上调的规律。该成果为气候变化背景下农业水文过程精准模拟提供新范式，发表于《Agricultural Water Management》。

　　

在气候变化加剧和农业水资源管理需求日益迫切的背景下，传统农业政策/环境扩展模型（APEX）的静态参数假设面临严峻挑战。粘土层土壤地区尤为突出——雨季时粘土层阻碍水分下渗导致地表径流激增，旱季则因土壤龟裂加速水分流失，这种动态变化使静态参数模型在极端气候事件频发时预测失准。美国农业部农业研究局（USDA-ARS）团队通过长期农业生态系统研究网络（LTAR）的观测数据发现，APEX模型在干旱年份作物产量预测误差可达常规年份的3倍，而径流模拟偏差与土壤湿度呈显著非线性关系。

为破解这一难题，研究团队选择密苏里州中部密西西比河流域（CMRB）的6个典型粘土层农田（2007-2020年数据），创新性地开发了可随表层6 cm土壤湿度（阈值35%体积含水量）切换的双态参数系统。研究采用改进的随机邻域搜索算法结合梯度下降法，对8个关键水文参数（如参数16、20、49等）进行干湿状态独立校准，并引入厚度加权根系补偿参数P₁₁₁和最大水分利用系数P₁₁₂优化根系吸水模型。

2.1 研究区域与数据基础
依托CMRB站点的30个重复样地（0.34 ha），选取免耕玉米-大豆-小麦轮作系统（NTCSW）的6个地块。采用帕歇尔槽和气泡式水位计监测径流（2016-2020），结合1秒间隔的联合收割机产量图（2000-2020），构建包含207次径流事件和54季作物产量的数据集。

2.2 模型改进关键技术
（1）动态参数模块：8个D型参数（如土壤蒸发系数12、冠层截留最大值49）实现干湿状态分轨校准；
（2）根系补偿算法：引入P₁₁₁（单位：m）修正土层厚度对水分补偿因子UC的影响（公式1）；
（3）石灰施用区：限定15 cm或粘土层顶部（取较浅者）为石灰作用域，解决免耕系统石灰淋溶模拟缺失问题。

3.1 校准性能突破
动态参数使T_1C（前1%最优参数集）的综合误差O_F降低14%（p<0.01），其中径流组分O_R改善11-28%。参数16和20在干旱条件下的最优值比湿润状态高42%和63%，这与粘土层干缩裂缝增强入渗的野外观察相符。

3.2 验证稳健性验证
尽管验证地块存在土壤属性差异，动态参数仍保持9-10%的误差降低。值得注意的是，参数17（植物覆盖土壤蒸发因子）在干旱时最优值趋近于0，反映作物覆盖对抑制蒸发的失效机制。

3.3 参数动态规律
通过2000次校准发现的显著模式包括：干旱条件下CN保留参数需上调（增强持水）、径流初始截留参数需增大（减少径流），而冠层截留能力参数49提高可解释为作物气孔调节导致降水再分配改变。这些发现揭示了粘土层土壤"旱时渗漏、涝时滞流"的特殊水文响应机制。

这项研究首次系统论证了APEX模型参数的非静态特性，其创新点在于：（1）建立土壤湿度-参数响应函数库，为模型跨气候区应用提供转换系数；（2）揭示粘土层土壤参数动态调整的物理依据，如参数20与粘土裂隙度的关联性；（3）开发的双态参数框架可扩展至其他过程模型。研究结果对精准预测气候变化下边缘农田的水文响应具有重要价值，如预测显示当干旱频率增加30%时，静态参数模型可能低估玉米减产幅度达18%。未来研究可探索参数动态化的机器学习实现路径，并整合土壤裂隙度定量观测数据以进一步提升模型精度。