基于SWAT+模型的农业水文措施对蓝绿水动态和作物产量的综合影响评估——以埃塞俄比亚塔纳湖子流域为例

本研究针对农业水文措施对水资源和作物产量的综合影响评估不足的问题，以埃塞俄比亚塔纳湖子流域为研究区，采用SWAT+模型模拟了土壤/石埂、保护性耕作、不同施肥量(100 kg/ha和200 kg/ha)及种植时间调整等措施对蓝水(blue water)、绿水流量(GWF)、绿水储量(GWS)和玉米产量的影响。研究发现早期种植和施肥可显著提高作物产量(最高增加24.5%)，但会减少蓝水资源；保护性耕作和晚期种植则导致产量下降。研究强调了区域特异性策略在平衡农业生产与水资源可持续管理中的重要性，为类似地区提供了科学依据。

　　

在全球水资源日益紧张的背景下，如何平衡农业生产与水资源可持续利用成为关键科学问题。特别是在以农业为经济支柱的发展中国家，如埃塞俄比亚，农业水文措施的实施往往只关注单一目标——要么侧重于提高作物产量，要么侧重于改善水文过程，缺乏对两者综合影响的系统评估。更值得注意的是，现有研究大多忽略了从蓝水(blue water，指地表水和地下水)和绿水(green water，包括土壤水分蒸发蒸腾消耗量(GWF)和土壤储水量(GWS))的角度进行综合分析，而这对于理解水资源的完整循环和制定可持续管理策略至关重要。

埃塞俄比亚的塔纳湖子流域是青尼罗河上游的重要农业区，也是数百万人口生计的来源。近年来，该地区面临着水资源短缺、土壤退化以及粮食安全等多重挑战。尽管已有一些研究评估了气候变化和土地利用对水文的影响，或者探讨了最佳管理措施以减少土壤侵蚀，但针对农业水文措施如何同时影响蓝绿水动态和作物产量的集成研究仍然缺乏。为此，研究团队在《Journal of Hydro-environment Research》上发表了最新成果，利用SWAT+模型对这一空白进行了深入探索。

研究团队首先对SWAT+模型进行了校准和验证，使用2002-2007年的月径流数据进行了参数率定，并使用1995-1999年的数据进行了验证。模型在多个水文站的表现良好，Kling-Gupta效率(KGE)值在0.76到0.92之间，百分比偏差(PBIAS)在4%到14.8%之间，决定系数(R2)在0.75到0.90之间，表明模型具有很高的可靠性。同时，模型还使用2000-2021年的区域平均玉米产量数据进行了作物参数校准，模拟值与观测值高度吻合(2.65吨/公顷)。在此基础上，研究模拟了多种农业水文措施的情景，包括土壤/石埂、保护性耕作、早期种植(提前15天)、晚期种植(推迟15天)以及两种施肥水平(100 kg/ha和200 kg/ha)，并以常规耕作和42 kg/ha施肥为基线进行比较。所有情景均保持其他输入和配置不变，以孤立措施效果。

主要研究结果如下：

3.1. SWAT+模型性能

模型在径流模拟中表现出色，校准和验证期间的KGE、PBIAS和R2指标均达到“良好”至“优秀”水平。玉米产量模拟也与长期区域平均值一致，证明了模型在模拟水文和作物过程方面的可靠性，适合用于后续情景分析。

3.2. 农业水文措施的影响

蓝水变化：在区域平均尺度上，早期和晚期种植均使蓝水减少0.3%（从897 mm降至894 mm），而其他措施（土壤/石埂、保护性耕作和施肥）没有引起显著变化。然而，空间分析显示，所有措施的影响在不同景观单元(LSU)中存在高度异质性。例如，早期种植在部分区域增加了蓝水，而在其他区域则减少；施肥在有些地方提高了蓝水， elsewhere却导致下降。这表明措施效果强烈依赖于当地条件。

绿水流量(GWF)变化：只有种植时间调整对GWF产生了影响，早期和晚期种植均使GWF增加0.4%（从681 mm升至684 mm）。其他措施在区域平均上没有效果。空间上，保护性耕作、早期和晚期种植在大部分地区增加了GWF，而土壤/石埂和施肥则导致多数区域GWF减少。这反映了措施对蒸发蒸腾过程的不同影响。

绿水储量(GWS)变化：早期种植使GWS显著增加3.3%（从121 mm升至125 mm），保护性耕作也带来0.8%的提升， likely due to improved soil infiltration。相反，晚期种植导致GWS大幅减少9.1%（降至110 mm），凸显其可能加剧土壤水分短缺的风险。施肥和土壤/石埂在平均尺度上没有效应，但空间上呈现正负混合的反应。

玉米产量变化：施肥表现出最强烈的正面效应，200 kg/ha和100 kg/ha分别使产量增加24.5%（至3.51吨/公顷）和16.0%（至3.27吨/公顷）。早期种植也能提升产量12.1%，而土壤/石埂的作用较小（+0.4%）。保护性耕作和晚期种植则分别导致产量下降0.7%和6.4%。值得注意的是，空间异质性再次显现：即使是在整体负面的措施如晚期种植下，某些水文响应单元(HRU)仍出现了产量增长；而总体上积极的措施如早期种植，在部分区域反而减产。这强调了优化措施需考虑局部环境因素。

讨论与结论

本研究通过集成模拟揭示了农业水文措施的复杂 trade-offs：一些提高产量的措施（如早期种植和施肥）可能对蓝水资源产生负面影响，而其他措施（如保护性耕作）在增产方面效果不佳。这与全球其他研究的结果一致，例如在Texas High Plains，晚期种植减少了蓝水和产量；在Ethiopian Highlands，土壤/石埂的效应从正到负均有报道。这些发现警示我们，单一尺度的评估可能掩盖重要的局部变异，因此区域特异性的策略制定至关重要。

此外，尽管增加施肥可大幅提升产量，但长期环境风险（如水体富营养化）不容忽视，尤其是在塔纳湖这类敏感生态系统。早期种植虽有益于产量和GWS，但会减少蓝水，这可能下游用水产生冲突。因此，决策者需要在提高 food security 和维护 water sustainability 之间寻找平衡点。

该研究的创新之处在于首次在统一框架内量化了多种措施对蓝绿水及产量的综合影响，并采用了改进的SWAT+模型，其区分洪泛区和高地过程的能力增强了模拟精度。尽管存在假设所有农地种植玉米等局限性，但成果为埃塞俄比亚及其他类似地区提供了宝贵的科学依据，demonstrating the need for integrated, region-specific agro-hydrological planning to achieve sustainable water and food security。未来研究可拓展到其他作物和气候情景，以进一步优化管理策略。