基于过程的水盐作物模型与休耕策略优化干旱盐渍区区域灌溉管理

本文针对干旱盐渍区农业面临的水资源短缺与土壤盐渍化空间异质性难题，推荐研究人员集成分布式水盐作物模型(WAVES)与优化算法，构建了多情景灌溉优化模型。研究通过耦合盐分胁迫效应、咸水灌溉阈值与休耕策略，实现了地表水-地下水联合调配与边际土地利用优化。结果表明：优化方案使塔里木灌区皮棉产量最高提升9959吨(+3.3%)，土壤含盐量是分配决策主导因子，严重盐渍区应优先实施休耕。该研究为干旱盐渍区棉花生产的水盐协同调控提供了科学范式。

　　

在全球气候变化背景下，干旱半干旱地区的农业生产正面临着日益严峻的水资源短缺和土壤盐渍化双重挑战。据统计，全球约10亿公顷土地受到盐分影响，其中20%的灌溉农田存在盐渍化问题，而超过三分之二的盐渍土集中在干旱半干旱区域。中国新疆塔里木灌区作为典型干旱盐渍区，不仅年均降水量仅46毫米，蒸发量却高达2500毫米，还面临着地下水位下降、地下水矿化度最高达15克/升的困境。在这片棉花种植面积占比超过84%的重要农业区，如何通过科学的水盐管理实现水资源高效利用与农业可持续发展，成为亟待解决的关键问题。

近日发表于《Agricultural Water Management》的研究通过创新性地耦合过程模型与优化算法，为这一难题提供了系统解决方案。研究团队基于经过覆膜效应改进的分布式水盐作物模型WAVES（WAter Vegetation Energy and Solute model），构建了三种不同情景的灌溉优化模型：仅地表水灌溉无休耕、仅地表水灌溉允许休耕、以及地表水-咸水联合灌溉允许休耕。该模型首次同步考虑了盐分对作物生长的胁迫效应、咸水资源利用阈值和空间异质性特征，为干旱盐渍区灌溉管理提供了全新视角。

研究采用的技术方法主要包括：1）基于地理信息系统（GIS）和遥感技术构建1700个网格单元的分布式WAVES模型，该模型通过理查兹方程求解水分运移，通过对流扩散方程模拟盐分传输；2）通过随机森林算法识别影响水分分配的关键因子重要性；3）建立产量-灌溉量二次函数关系替代复杂模型运算，提升优化效率；4）运用LINGO(18.0)软件求解多目标约束优化问题。所有模拟单元的基础数据来自2021年塔里木灌区实地监测与遥感反演结果。

3.1. 不同地表灌溉可用量下的水资源分配

优化结果显示土壤含盐量是灌溉分配的主导因子。当可用地表水有限（3.4亿立方米）时，有限的水资源优先分配给高产田（非严重盐渍区），而严重盐渍区（土壤含盐量≥6克/千克）获得的灌溉量接近设置下限150毫米。随着可用水量增加，分配策略发生显著转变：当可用水量达8.5亿立方米时，严重盐渍区获得的灌溉量（555毫米）反而高于区域平均水平。这种动态调整机制体现了优化模型对水资源稀缺程度的自适应能力。地下水埋深是第二重要影响因素，靠近河流和水库的区域因地下水补给作用而减少了灌溉需求。

3.2. 含休耕选项的产量优化

休耕策略的实施效果与水资源可用量密切相关。当可用地表水仅3.4亿立方米时，休耕比例达到6.9%，且全部集中在塔里木河北部严重盐渍区。随着可用水量增加，休耕比例逐渐下降，当水量充足时优化方案不再安排休耕。与传统均匀灌溉相比，允许休耕的优化方案使皮棉产量最高提升3.29%（9959吨），水资源利用效率显著提高。这表明在缺水年份，对低产盐渍区实施战略性休耕既可减少资源投入，又能提高整体生产效益。

3.3. 咸水灌溉与灌溉水盐度阈值

研究首次将咸水灌溉阈值纳入优化框架。结果显示：当地表水供应减少25%（5.1亿立方米）时，仅需开采700万立方米咸水即可将产量损失控制在10%以内；若要将产量维持在2021年水平，则需要开采1.73亿立方米咸水。值得注意的是，咸水灌溉仅允许在无风险区域（根据盐度阈值划定）实施，这些区域占灌区面积的42.1%。通过咸水与地表水的联合调度，可在干旱年份有效保障区域生产稳定性。

研究结论表明，通过耦合过程模型与优化算法，可实现干旱盐渍区灌溉水资源的精准配置。土壤盐分空间异质性是决定分配策略的核心要素，缺水条件下应优先保障非严重盐渍区用水，而水量充足时可通过增加盐渍区灌溉促进盐分淋洗。适度咸水资源开发（矿化度≤3克/升）可缓解地表水短缺压力，但需严格遵循分区阈值管理。严重盐渍区（土壤含盐量≥6克/千克）作为优先休耕对象，可通过自然降水或人工淋洗（冬灌定额426-650毫米）逐步恢复地力。

该研究的重大意义在于建立了可推广的水盐协同优化管理框架，首次实现了过程模型与资源优化的有效嫁接。提出的动态分配策略既考虑了农业生产的可持续性，又兼顾了资源约束下的经济效益最大化。研究结果对中亚等类似干旱盐渍区的农业生产具有重要借鉴价值，为"一带一路"沿线国家的农业水资源管理提供了中国方案。未来研究需进一步考虑离子特异性效应（钠吸附比SAR）和土壤碱化风险，并通过引入HYDRUS-UNSATCHEM等模型增强对复杂水盐运移过程的模拟能力。