《Agricultural Water Management》：Drip irrigation threatens the security of farmland shelterbelts in arid and semi-arid regions
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为揭示节水灌溉对非目标植被的生态影响，研究人员综合运用Sentinel-1/2与GF-2遥感时序数据及HYDRUS-2D水文模型，系统评估了张掖市农田防护林（FSB）安全。研究发现，滴灌导致根区土壤水分减少43.75%，引发“水文断联”，致使FSB面积在2017-2023年间减少38.9%，其归一化植被指数（NDVI）较漫灌区低58%。该研究为协调农业节水与生态安全提供了关键理论与策略支持。
在广袤而缺水的中国西北地区，农业是社会经济的基础，但日益严峻的水资源短缺对国家粮食安全构成了巨大挑战。为了应对这一危机，自20世纪90年代以来，中国大规模推广节水灌溉技术。其中，滴灌因其能将水精准输送到作物根部、显著减少蒸发和深层渗漏，而成为干旱地区农业的明星技术。据报道，在中国，采用滴灌后，单位面积农田的年耗水量从150万立方米降至80万立方米，水资源利用效率从30%提高到了50%。然而，当我们为农作物的高效用水欢呼时，一个隐藏的生态代价可能正在被忽视：那些默默守护在农田边缘、抵御风沙、保持水土、调节小气候的“绿色卫士”——农田防护林（Farmland Shelterbelts, FSB）。
在传统的漫灌方式下，大量的侧向渗漏和深层渗漏会无意中为田地周围的FSB提供至关重要的“水补贴”。而转向滴灌，则从根本上改变了这一水文过程。滴灌将土壤水分集中在浅层作物根区，改变了湿润模式的空间格局，这可能减少侧向再分配和深层补给，而这些正是深根系的防护林所依赖的。这种局部水分重新分配可能为FSB创造了一种“水文断联”，威胁其生存。那么，滴灌这一旨在“节水”的技术，是否正在以一种意想不到的方式“渴死”我们的防护林？为了回答这个关乎农业可持续性与生态安全的紧迫问题，一组研究人员在典型农业城市——甘肃省张掖市展开了一项深入而系统的研究，其成果发表在《Agricultural Water Management》期刊上。
研究人员综合运用了宏观遥感监测与微观水文模拟相结合的技术方法。在宏观尺度，他们利用Sentinel-1/2卫星时间序列数据（2017–2023年）和随机森林（Random Forest）分类器，绘制了FSB的分布图并量化其覆盖变化；同时，利用高分二号（GF-2）卫星影像获取了NDVI时间序列（2015–2024年），以评估植被活力。在微观尺度，他们使用HYDRUS-2D模型模拟了滴灌下的土壤水分动态；模型的关键土壤水力参数利用2017年灌溉季（8月除外）的实地土壤水分观测数据进行校准，并独立使用2017年8月灌溉期的观测数据进行了验证，确保了模拟的可靠性。
研究结果揭示了滴灌对农田防护林的多维度影响：
3.1. 土壤水力参数验证
模型校准与验证结果显示，使用优化后的参数，模型对2017年8月独立观测数据的模拟精度显著提高，决定系数（R2）从初始参数的0.543提升至0.899，均方根误差（RMSE）降至0.0181。这证明了优化后的HYDRUS-2D模型能够可靠地再现土壤水分动态，为后续机制分析奠定了基础。
3.2. 灌溉转型下FSB的时空动态与NDVI变化
基于GF-2高分辨率时序数据（2015–2024年）的分析表明，滴灌区FSB的平均NDVI为0.13，而漫灌区为0.31，降低了58%，这定量揭示了滴灌引起的长期水分胁迫。然而，在2023年极端干旱期间，一个微妙的模式出现：尽管漫灌区FSB的NDVI急剧下降（30.3%），滴灌区FSB的下降速度相对较慢（9.1%）。这表明，虽然滴灌限制了总体生长潜力，但其对根区水分的精确调控可能在急性缺水期间提供了生存底线。
土地覆盖分类的时间序列分析（2017–2023年）揭示了防护林覆盖度明显的“减少-恢复”模式。从2017年的基线来看，FSB面积减少了38.9%，年减少率为5.56%。这一收缩与高标准农田的持续扩张形成对比。尽管自2020年起，随着生态干预措施的实施出现了恢复趋势，但新补植的网络仍处于幼龄阶段，尚未弥补生态损失。
3.3. 滴灌下水文过程的模拟
HYDRUS-2D模拟结果揭示了滴灌下土壤水分传输的各向异性。三维可视化显示出一个特征性的“洋葱形”湿润锋，其在水平湿润半径和垂直入渗深度上都受到空间限制。定量分析表明，水平水分扩散被限制在滴头周围50厘米半径内。垂直入渗深度比水平扩散浅18%，最大湿润锋穿透深度仅达41厘米。对耦合非饱和-饱和流模型的分析识别出在10小时滴灌周期内不同的水力状态转变。
对灌溉系统的对比分析揭示了效率与补给之间的关键差异。滴灌通过最小化深层渗漏和蒸发损失，显著提高了水分利用效率（Water Use Efficiency, WUE），但其改变了传统漫灌的三维水分分布模式。张掖市大满超级站的土壤水分监测（2013–2022年）显示，在2017年至2018年实施滴灌期间，关键根区（40–160厘米深度）的水分含量出现了43.75%的显著下降。这一水文转变改变了FSB的供水模式，使其从依赖多种水源（降水、地下水、侧向渗流）转变为主要依赖垂直地下水提取。
3.4. FSB的死亡趋势
对张掖市七个代表性滴灌区GF-2卫星监测数据（2015–2024年）的分析，建立了原生FSB死亡面积与高标准农田扩张之间的定量关系。模型预测显示，随着张掖市高标准农田到2024年达到2099.8平方公里（年扩张约133平方公里），由滴灌引起的水分胁迫将导致23.81平方公里的原生FSB死亡。定量来看，持续的干旱胁迫导致FSB年死亡率为1.253 ± 0.3平方公里/年。政策规定的1:1补植机制面临挑战，高台县水务局数据显示，补植FSB的成活率仅为0.75 ± 0.06%。
3.5. 滴灌对FSB生存能力的综合影响
多尺度分析的综合表明，滴灌通过三个相互关联的机制引发FSB退化：（1）水文断联；（2）水源转移；（3）由农田扩张驱动的土地平整竞争加剧。
结论与讨论部分强调了本研究的重要发现与意义。 本研究揭示了滴灌通过引发“水文断联”、迫使FSB水源单一化以及加剧土地竞争三大机制，严重威胁干旱区农田防护林的生态安全。尽管滴灌在极端干旱时期展现出一定的短期韧性，但其造成的长期慢性水分胁迫导致了FSB覆盖面积的显著萎缩和植被活力的持续下降。这一发现指出了一个现代农业发展中的悖论：追求最高的农业水分利用效率（WUE），无意中切断了历史上对FSB至关重要的“低效”侧向渗流这一生命线。
在政策层面，尽管有补植规定，但极低的成活率和政策未覆盖的自然死亡区域，使得累计的FSB退化可能超过政策缓解的损失。因此，研究建议需要将生态需水纳入区域水资源管理框架，并采取针对性措施，如选用抗旱树种替代耗水量大的杨树，可降低30–40%的灌溉需求；以及调整滴灌设施布局（如将滴灌带延伸至防护林）以缓解根区水分竞争。
这项研究为理解节水农业的生态副作用提供了详实的证据和清晰的作用机制，强调在推动农业现代化和建设高标准农田的过程中，必须将生态系统的水需求纳入整体规划，发展兼顾生产效率与生态韧性的适应性管理策略，这对于保障干旱半干旱地区农业与生态的协同可持续发展具有重要的理论和实践意义。
