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本文通过 10 年模拟，研究三种灌溉情景对巴基斯坦棉麦种植的影响，为节水增产提供依据。
### 长期模拟研究：不同灌溉情景对巴基斯坦半干旱地区棉麦种植的影响
在水资源匮乏的半干旱地区，灌溉系统现代化对于提升灌溉效率、节约用水以及增加作物产量意义重大。巴基斯坦的灌溉农业在民生、粮食安全和扶贫方面占据重要地位，但人口增长和气候变化使水资源供应愈发紧张。为探寻合适的灌溉策略，本研究开展了一项为期 10 年（2007 - 2017 年）的模拟实验，评估了三种不同灌溉情景对巴基斯坦旁遮普省哈克拉支渠（Hakra Branch Canal，HBC）辖区内棉麦种植的土壤水盐平衡和作物水生产力的潜在影响。
研究区域与方法
- 哈克拉支渠概况：HBC 位于巴基斯坦旁遮普省，是印度河流域灌溉系统的一部分。该地区灌溉效率低、地下水位下降、存在水涝和次生盐碱化问题，作物水生产力也较低。年种植强度为 129%，棉麦轮作是主要种植模式，覆盖超过 60% 的辖区面积。当地年平均降雨量约 250mm，远低于年平均参考蒸散量 1800mm，农业用水依赖运河水和地下水。运河水通过 “Warabandi” 系统分配，地下水抽取在农业灌溉中占比高，且水质差异大。
- 观测与模型：研究监测了两个棉麦田的灌溉、土壤水和溶质动态以及作物生长参数。使用土壤 - 水 - 大气 - 植物（Soil–Water-Atmosphere-Plant，SWAP）模型进行模拟，该模型基于物理过程，能模拟土壤水和溶质流动与作物生长的动态相互作用。模型所需的气象数据来自当地气象站，其他参数根据实地观测和已有研究设定，并进行了校准和验证。
- 灌溉情景设定：定义了三种灌溉情景。参考灌溉情景基于当地农民的现行灌溉方式；精准地面灌溉系统（precision surface irrigation system，PSIS）采用激光平地和灵活供水，通过固定灌溉深度和灵活灌溉时间来提高用水效率；高效灌溉系统（high-efficiency irrigation system，HEIS）采用喷灌，基于 “恢复到田间持水量” 的灌溉深度标准，同时设置了有无淋洗分数（leaching fraction，LF）的两种情况。
结果与讨论
- 模型校准与验证：通过对比模拟结果和实地观测数据，对 SWAP 模型进行校准和验证。结果显示，模拟的土壤水分、土壤盐分和作物产量与观测值吻合良好，模型的均方根误差（RMSE）较低，表明模型能较好地模拟研究区域的土壤水盐动态和作物生长，可用于进一步的灌溉情景分析。
- 不同灌溉情景的影响
- 参考情景：参考情景下，年平均灌溉量为 1590mm，大量灌溉导致约 42% 的水分渗漏到地下水，土壤盐分积累不明显，棉麦作物未受到显著的水盐胁迫，作物产量和水生产力处于一定水平，但仍有提升空间。
- PSIS 情景：PSIS 情景下，固定灌溉深度为 80mm 且采用较低的每日作物胁迫标准（> I0.90）时，有利于维持土壤盐分，提高棉麦产量和水生产力。与参考情景相比，PSIS 可实现一定程度的节水，且在特定条件下能提高作物产量和水生产力。
- HEIS 情景：HEIS_noLF 情景虽能大幅减少灌溉需求，但会导致土壤盐分显著积累，降低作物产量和水生产力。而 HEIS_LF 情景通过增加额外灌溉进行淋洗，减少了盐分积累，提高了作物产量和水生产力，且与 PSIS 情景在平均灌溉量、土壤水盐平衡、作物产量和水生产力等方面相似。
- 情景对比：PSIS_80mm 和 HEIS_LF 在 I0.95 情景下，与参考情景相比，可节省超过 40% 的灌溉量，提高棉花作物的平均产量和基于蒸散的水生产力 WPET约 30%，提高小麦和棉花作物基于灌溉的水生产力 WPET超过 50%。然而，HEIS_noLF 存在土壤盐分增加的风险，会对作物产量和水生产力产生不利影响。PSIS 和 HEIS_LF 能维持土壤盐分在作物耐受范围内，且 PSIS 成本较低，更具推广潜力。
研究结论
本研究利用 SWAP 模型评估了不同灌溉系统对巴基斯坦旁遮普省 HBC 辖区棉麦种植的长期影响。结果表明，PSIS 和 HEIS_LF 在节水、提高作物产量和水生产力方面具有潜力，但 HEIS_noLF 因土壤盐分积累风险限制了其优势。不过，本研究仅为田间尺度模拟，存在一定局限性。未来需开展长期田间实验，监测高效灌溉系统对土壤水盐平衡、作物产量和水生产力的影响，并在更大尺度上评估精准灌溉的效果，以确定研究结果的适用性，为半干旱地区可持续农业发展提供更可靠的依据。
