人才强校 | 任理教授研究小组在有关华北平原地下水压采与冬小麦减产的农业水文模拟研究中取得新的进展

本网讯 近日，我校资源与环境学院土壤和水科学系任理教授指导博士生李佩的系列研究工作以姊妹篇论文“Evaluating the effects of limited irrigation on crop water productivity and reducing deep groundwater exploitation in the North China Plain using an agro-hydrological model: I. Parameter sensitivity analysis, calibration and model validation” （https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.04.053）和“Evaluating the effects of limited irrigation on crop water productivity and reducing deep groundwater exploitation in the North China Plain using an agro-hydrological model: II. Scenario simulation and analysis” （https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.03.034）的形式在线发表于国际水文科学的著名学术期刊《Journal of Hydrology》上。

华北平原是我国重要的冬小麦主产区，对保障我国口粮安全具有不可替代的作用，但该地区又是我国乃至世界在小麦生产上强烈依赖于井灌的典型区域，特别是位于华北平原中东部区域的河北省黑龙港地区，由于浅层广泛分布咸水，几十年来不同程度地开采深层地下水用于农田灌溉，导致大面积深层地下水位降落漏斗的形成。2019年1月水利部、财政部、国家发展改革委和农业农村部发布了《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，而黑龙港地区被列为目前我国开展这一地下水超采综合治理行动方案中最重要的区域。博士研究生李佩在任理教授的精心指导下，以农业可持续发展与水资源可持续利用的国家实际需求为应用研究目标，以深层地下水严重超采区主要分布的华北平原黑龙港地区为应用研究背景， 历时近四年完成了这项既切合该地区水粮安全决策的实际需求又具有多学科交叉特点的农业水文模拟研究工作。

在这对儿姊妹篇论文的第一篇中，作者详细介绍了论文的创新特色之一，即通过繁杂的数据挖掘如何收集了大量的多源多尺度数据，进而构建能够反映研究区的气象-土壤-作物-水资源等多因素异质性的2809个分布式模拟单元。在对模型参数进行全局敏感性分析的基础上，在多个试验站点尺度怎样对参数进行细致的率定和验证，并在区域尺度上对模型所模拟的产量和蒸散量的精度进行验证，这篇论文是紧密结合《华北地区地下水超采综合治理行动方案》相关内容开展农业水文模拟研究工作的重要前提，它不仅为姊妹篇论文的第二篇所要开展的限水灌溉情景下模型的运用奠定了扎实的基础，还为今后类似的相关研究提供了具有参考意义的参数值。

在这对儿姊妹篇论文的第二篇中，基于该地区相关田间试验研究的文献和政府管理部门的有关政策文件，设计了11种限水灌溉情景、进行了大量的模拟试验，获得了不同的限水灌溉情景相较于现状灌溉对冬小麦和夏玉米的产量、蒸散量、水分生产力影响的时空变化，这对于有关管理部门实施不同的限水灌溉方案具有参考意义。在对产量、蒸散量、作物水分生产力和水量平衡组分进行分析的基础上，确定了冬小麦、夏玉米和轮作周年的产量最高或相应的作物水分生产力最高的推荐灌水时间的空间分布及其动态，这是该项农业水文模拟研究中颇具应用意义的定量化结果。接着，基于模拟结果优化得到了模拟时段内冬小麦平均产量在14种减幅阈值约束下其生育期内蒸散量最小的灌溉模式的空间分布，并据此获得了研究区内各县（市）域在20年内冬小麦的平均产量在这些减幅阈值约束下所优化的灌溉模式的水分生产力以及与现状灌溉相比的产量和灌溉量及蒸散量的变幅，这对于县（市）级政府有关管理部门考虑降低冬小麦单产水平所能削减的井灌量和节水的效果具有决策参考意义。此外，依据水利、水文地质和农业部门的有关资料和数据，通过合理的假设，估算了研究区尺度、水资源三级区尺度和县（市）域尺度上这些优化的灌溉模式对深层地下水的压采量。这对于黑龙港地区这个国家高度重视的深层地下水超采区压减冬小麦井灌量的治理方略具有重要的参考价值。这篇论文还通过定义冬小麦的优化灌溉模式对深层地下水的限采贡献指数这个指标，分别在研究区所涉及的水资源三级区尺度和县（市）域尺度上评估了冬小麦不同减产幅度阈值约束下优化的灌溉模式对深层地下水的限采贡献，这对于流域管理机构和地方政府更好地开展黑龙港地区冬小麦井灌所导致的深层地下水超采的治理提供了一定的科学支撑。

这项成果是任理教授在近15年率领课题组开展海河流域农业水文模拟研究的基础上，最近5年结合地下水超采治理的国家目标、聚焦京津以南河北平原这一重点区域所开展的农业水文模拟的系列研究工作，其中有关河北省太行山山前平原的农业水文模拟研究结果已经分别于2016年和2018年同样发表在这个国际水文科学领域的著名学术期刊上。这项研究得到了国家公益性行业（农业）科研专项/农业部行业计划项目“京津冀种植业高效用水可持续发展关键技术研究与示范”（No. 201303133）第1课题“京津冀不同区域种植业节水潜力分析与优化方案研究”、国家科技支撑计划项目“渤海粮仓科技示范工程”（No. 2013BAD05B00）的课题“农田多水源高效利用技术研究与示范”和中国工程院重大咨询项目“农业资源环境若干重大战略问题研究”（No. 2016-ZD-001）第1课题“我国农业水资源高效利用发展战略研究”的资助。

据悉，这不仅是我校在国际水文科学的著名学术期刊《Journal of Hydrology》上首次发表农业水文研究方面的姊妹篇论文，也是国内结合当前华北平原深层地下水超采治理的国家需求，在区域尺度上所开展的农业水文模拟研究的定量化结果首次发表在专业的著名国际学术期刊上。