《Agricultural Water Management》：Development and testing of a DRAINMOD-based decision-support tool for designing and evaluating saturated buffers
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为解决农业地下排水导致的硝酸盐污染问题，研究人员开发了一款名为SBTool的决策支持工具。该工具整合了DRAINMOD水文模型与硝酸盐去除模块，可针对具体地点的天气、土壤和缓冲带特性，预测排水量及硝酸盐负荷去除量（NLRSB）。经爱荷华州两个田间站点多年实测数据验证，工具预测性能优异。该研究实现了饱和缓冲带（SB）的“因地设计”和效益定量评估，为保护规划和氮交易提供了可靠的科技支撑。
在自然排水不畅的土壤中，铺设地下排水系统是保障作物高产的必要措施。然而，这一“功臣”也带来了令人头疼的副作用：它将土壤中过量的氮素，尤其是硝酸盐，快速排入沟渠与河流，导致地表水水质恶化，甚至引发下游水体的富营养化等问题。面对这一农业面源污染的挑战，科学家们寻找着既能保障粮食生产，又能保护水环境的“两全之策”。近年来，一种称为“饱和缓冲带”的边缘场地保护措施应运而生，它通过在排水出口处设置控制系统和布水管，将部分排水“截留”并引导至农田边缘的植被缓冲带。水流在渗过富含有机质的缓冲带土壤过程中，硝酸盐会被微生物通过反硝化作用等过程大量去除，之后再排入受纳水体，从而实现“净化”排放。已有田间研究证实，饱和缓冲带平均能削减约44%-48%的硝酸盐负荷，展现了巨大的应用潜力。
但理想很丰满，现实却有些“骨感”。虽然平均削减效果显著，但不同地点乃至同一地点不同年份的去除效率差异巨大，报告的年去除率范围从7%到92%不等。这种巨大的变异性给实践带来了难题：如何为千差万别的具体场地设计一个高效、可靠的饱和缓冲带？目前，尚缺乏能够基于具体地点条件进行饱和缓冲带设计或量化其环境效益的软件工具。现有的一些复杂模型（如Hydrus-2D、MODFLOW）虽然可以模拟其功能，但参数需求多、操作复杂，难以被工程师和决策者直接用于设计和评估。因此，开发一款用户友好、基于可靠科学模型的决策支持工具，对于推动这一环保措施的精准设计和广泛应用至关重要。
为此，由美国密歇根州立大学Yousef Abdalaal、Ehsan Ghane等人领衔的研究团队，开展了一项旨在填补这一空白的研究。他们的目标是开发并测试一款基于DRAINMOD水文模型的决策支持工具——SBTool，用于在当地天气、土壤、田间排水和饱和缓冲带特性的基础上，预测排水量以及硝酸盐负荷去除量。这项研究最终成功构建了SBTool工具，并利用美国爱荷华州两个站点长达数年的实测数据进行了验证，证明了其良好的预测性能。相关论文发表在农林水管理领域的知名期刊《Agricultural Water Management》上。
研究人员为开发SBTool，主要运用了几项关键技术方法：首先，利用地理空间分析（基于Python和公开库）自动提取目标田块和缓冲带的土壤数据（来自gSSURGO数据库）及气象数据（来自PRISM气候数据集）。其次，集成并应用了成熟的DRAINMOD水文模型来模拟田间在常规排水和受控排水模式下的每日排水量。第三，开发并应用了一个饱和缓冲带模型（SB模型），该模型基于稳态流假设和一级动力学反硝化过程，用于估算分流至缓冲带的水量及其硝酸盐去除量。最后，通过爱荷华州两个具有长期监测数据的真实饱和缓冲带站点（BC1和IA1，数据来源于Transforming Drainage数据库及合作方实测数据），对工具的整体预测性能进行了系统性的验证与评估。
研究结果
3.1. 工具在预测地下排水量方面的性能
基于统计性能指标，SBTool预测的排水量与实测值吻合良好。在年尺度上，纳什-苏特克利夫效率（NSE）为0.68，克林-古普塔效率（KGE）为0.74，百分比偏差（PBIAS）为4.1%，一致性指数（IoA）为0.89，综合评定性能为“良好”。尽管在月尺度上表现稍弱，但工具成功捕捉了排水量的年际变化趋势，预测值与实测值的年均绝对偏差仅为56±37毫米，表明其在评估长期水文性能方面是可靠的。
3.2. 工具在预测分流至缓冲带水量方面的性能
工具预测的分流至缓冲带的水量（QDP）也与实测值令人满意地吻合。在年尺度上，NSE为0.70，KGE为0.61，PBIAS为1.8%，IoA为0.88，性能同样被评定为“良好”。预测值紧随实测值的年际变化趋势，平均绝对偏差为39±34毫米。需要指出的是，在极端高流量事件期间，模型的预测存在一定低估，这是因为当前SB模型将最大分流量限制在缓冲带土壤的输水能力之内，而实际中可能存在优先流等额外水文过程。
3.3. 工具在预测排水硝酸盐负荷方面的性能
工具预测的排水硝酸盐负荷（NLDD）与实测数据基本一致。年尺度NSE为0.44，KGE为0.59，PBIAS为3.4%，IoA为0.80，性能评定为“满意”。预测偏差部分源于未考虑硝酸盐浓度的季节性变化（工具使用了年平均浓度），部分源于排水量预测误差的传递。
3.4. 工具在预测饱和缓冲带硝酸盐去除负荷方面的性能
工具预测的饱和缓冲带硝酸盐去除负荷（NLRSB）表现优异。在年尺度上，NSE为0.66，KGE高达0.79，PBIAS为-9.1%，IoA为0.90，综合性能为“良好”。这证明工具能够有效地整合水文和生物地球化学过程，可靠地估算饱和缓冲带带来的环境效益。在拥有八年数据的BC1站点，分流水量（QDP）和硝酸盐去除负荷（NLRSB）的预测误差分别仅为5.7%和6.1%；在四年数据的IA1站点，误差分别为-17.5%和-13.6%。
研究结论与意义
本研究成功开发并验证了一款基于DRAINMOD的新型决策支持工具——SBTool。该工具首次实现了基于具体地点条件的饱和缓冲带设计及其环境效益（尤其是硝酸盐去除）的定量化预测。与现有设计方法或复杂模型不同，SBTool将强大的模拟引擎与用户友好的界面相结合，通过自动化的地理空间数据获取和模型运算，为使用者提供了便捷、可靠的设计与评估平台。
其重要意义在于：
- 1.
推动精准环保实践：SBTool使饱和缓冲带的设计从“经验估算”迈向“精准模拟”，可以根据特定田块的土壤、气候、排水系统及缓冲带特性进行定制化设计，有望提高投资效率和处理效果。
- 2.
量化生态效益，支撑环境市场：工具提供了对分流水量和硝酸盐去除量的可靠、基于田间的量化结果。这种可信的量化对于支持新兴和未来的氮交易项目至关重要，为生态补偿、绿色信贷等环境市场机制提供了科学依据，从而有助于激励农民广泛采用这一保护措施。
- 3.
助力流域尺度治理：通过在大范围内推广和应用此类工具进行优化设计，可以更有效地规划饱和缓冲带的布局，累积计算其对区域硝酸盐负荷的削减潜力，从而帮助实现流域乃至河流盆地的氮减排目标。
- 4.
工具框架灵活可扩展：SBTool采用组件化结构，未来可以方便地集成其他水文或水质模型，或添加新的目标函数以适应不同流域或管理目标的需求，具有良好的发展前景。
总而言之，这项研究不仅为缓解农业排水硝酸盐污染提供了一个强有力的技术工具，也为连接科学研究、工程实践与政策管理搭建了一座桥梁，对促进农业可持续发展和水环境保护具有重要的实践价值。
