影响印度西北部水稻灌溉水生产力的因素：来自农民田间的证据

《Journal of Environmental Management》：Factors governing irrigation water productivity of rice in northwestern India: evidence from farmers’ fields

水稻种植中干式直播（DSR）较传统移栽（PTR）显著提升灌溉水生产率（IWP），但实际灌溉水量仍高于试验田，需通过政策支持和技术培训进一步节水。

　　西北印度地区是全球地下水过度开采的热点区域之一，农业用水的高强度使用导致地下水位每年平均下降约0.4米。该地区的农民通常在雨季（称为“kharif”）种植水稻，采用传统的淹水育苗移栽方式，这种方式依赖于政府提供的电费补贴和对谷物作物的最低收购价保障。尽管研究试验表明机械化旱地直接播种水稻（DSR）能够显著减少用水量而不影响产量，但目前尚缺乏对农民实际操作中灌溉用水节省和灌溉水生产率（IWP）提升的实证数据。因此，本研究在农民田间安装了100个水流计，测量了季节性用水情况，并通过小组访谈评估了DSR和传统移栽水稻（PTR）的生产实践和产量。研究结果表明，DSR不仅显示出更高的水稻产量，而且其IWP显著优于PTR。此外，研究还发现，DSR的灌溉用水量仅略低于PTR，但仍比研究试验中记录的数值高出1.6至2倍，这表明DSR在减少灌溉用水方面仍有较大的潜力。研究还指出，DSR的采用使得农民从双季稻-小麦轮作转向三季稻-马铃薯-小麦或稻-小麦-玉米的轮作模式，以增加收入，这种变化可能会抵消部分节水效益。总体而言，DSR能够提高IWP，而通过灌溉调度培训，农民可以进一步减少灌溉用水量，从而释放出宝贵的电力资源和政府补贴。然而，仅靠技术手段无法解决地下水危机，必须通过系统性的政策平衡农民收入和水资源保护。

印度作为一个以农业为主的国家，农业贡献了超过18%的国内生产总值，并且支持着超过43%的人口（世界银行，2021）。20世纪60年代和70年代的绿色革命极大地改变了农业格局，通过推广高产作物品种、发展灌溉基础设施、使用机械化和化学肥料，使原本干旱的西北印度地区成为重要的粮食生产基地。在这一过程中，西北印度的作物种植模式也发生了重大变化，将高粱和珍珠粟等作物替换为水稻种植，而在旱季则将大麦和豆类作物替换为小麦种植。这种变化形成了以水稻-小麦为主的轮作系统，该系统目前仍然覆盖了大部分农业景观（Deb等，2024c；Dhanda等，2022）。例如，哈里亚纳邦在2019年相对于1960年，水稻和小麦的产量分别增长了242%和305%（经济与统计分析部，2020）。然而，尽管绿色革命在保障印度粮食安全方面取得了显著成效，其带来的副作用也十分严重，包括地下水位的迅速下降和土壤退化（Aryal等，2020；Deb等，2024b；Joshi和Tyagi，1991；Urfels等，2024）。地下水位的快速下降已成为政府、环保组织和农民共同关注的焦点。

在哈里亚纳邦，地下水过度开采受到多种因素的影响。其中，缺乏有效的地下水治理机制（Chandra和Brozovi?，2024）和农业用电的高额补贴（Gupta，2023）是主要原因。这些因素促成了该地区钻井数量的快速增长，从2000年的约500万口增加到2020年的约800万口（Jangra，2023）。这些钻井在保障粮食安全的同时，也导致了地下水的无节制抽取。与此同时，地下水位的平均深度从2002年的9.8米（地下水平面以下）增加到2020年的20.2米（CGWB，2023；Sitender等，2023）。此外，卫星数据在过去的十年中也证实了这一趋势，例如，Long等（2016）和Rodell等（2018）分析了从2002到2015年的重力恢复与气候实验（GRACE）数据集，发现西北印度地区的整体水资源储量每年减少约19.2±1.1立方公里。与此同时，地下水抽取对能源系统和政府财政造成了巨大压力，因为政府为农民的灌溉行为提供了大量补贴。因此，要逆转地下水的下降趋势并稳定地下水位，需要大幅减少作物的耗水量，同时减少灌溉用水量可以释放出宝贵的能源和财政资源。

改变管理实践可以有效减少地下水的消耗和能源使用，但需要谨慎考虑这些干预措施如何影响整个水循环（Deb等，2025；Hellegers和van Halsema，2021）。这包括采用短生育期水稻品种（Humphreys等，2010）、交替湿润干燥（Bouman和Tuong，2001）、将水稻替换为其他高价值且耗水量较少的作物（作物多样化/替代）（Brar等，2022；Dubey等，2024），以及推迟移栽时间（Rajput等，2024；Urfels等，2022）。其中，直接播种水稻（DSR）作为一种农业干预措施，具有显著的节水潜力。DSR是一种水稻种植方法，通过播种机直接将稻种播入田间，从而省去了传统的育苗、移栽和土壤 puddling 这些耗水的步骤。全球范围内的田间研究表明，采用DSR相比传统移栽方式可以将灌溉水生产率（IWP）提高29%至53%（Ishfaq等，2020；Jin等，2024；Yadav等，2011b, 2012）。此外，DSR还能带来一系列额外的好处，包括减少甲烷排放、降低生产成本和节省劳动力，这些都有助于可持续发展（Kumar和Ladha，2011）。值得注意的是，自新冠疫情以来，DSR的使用量显著增加，主要得益于其节省劳动力的特点，目前已被印度各邦政府推广，并且估计西北印度地区的15%至20%的农民已经采用了DSR。然而，无论是DSR还是PTR，农民在实际操作中如何进行灌溉仍是一个未被充分研究的领域。

提高IWP需要识别出影响其的关键变量，并对其进行深入评估以提升整体生产力。由于IWP取决于灌溉投入和作物产量，因此受到多种因素的影响，包括气候条件、生物物理特性、农业管理措施和社会经济变量（Descheemaeker等，2011；Li等，2016；Zwart和Bastiaanssen，2004）。已有研究显示，DSR的产量与PTR相当（Alam等，2018；Devkota等，2020；Peramaiyan等，2023；Yadav等，2011a），但两者在IWP上的差异主要源于灌溉用水量（IWA）。气候变量如太阳辐射、降水量和温度是决定作物需水量和产量的重要因素（Casolani等，2020；Deb等，2022；Sun等，2024）。同样，生物物理特性包括土壤和植物的特性，这些特性决定了灌溉用水的需求（Ali和Talukder，2008；Thanh等，2023；Tripathi等，2021；Yi等，2022）。农业管理变量包括作物管理、除草和土壤养分管理，这些都会影响作物产量和需水量（Deb等，2014, 2024a）。社会经济因素，特别是教育水平和财富状况，已被证明与作物选择、灌溉基础设施和灌溉用水量之间存在直接联系，这些因素最终控制着IWP（Hatch等，2022；Liu等，2024；Tatis Diaz等，2022）。因此，影响IWP的因素需要从多个变量入手进行全面评估，以了解它们如何影响IWP。

基于上述背景和问题，本研究旨在探讨在DSR和PTR两种种植方式下影响IWP的关键因素，并纳入一系列综合变量进行分析。本研究的创新之处在于两个方面：首先，我们考虑了通常被忽视的社会经济变量，这些变量很可能对IWP产生影响；其次，尽管以往的研究主要依赖于定量分析来确定影响IWP的变量，但本研究采用了一种混合方法，以识别和诊断控制IWP的关键属性。具体的研究目标包括：a）在两个以水稻为主的哈里亚纳邦县（Karnal和Panipat）中，量化DSR和PTR的IWP；b）确定这两种种植方式下影响IWP的关键属性；c）提出能够提高IWP的农业实践建议。本研究的成果将在制定政策干预措施和田间管理策略方面发挥重要作用，以提高IWP并促进可持续发展，通过恢复地下水位来缓解地下水枯竭问题。

本研究的实施区域包括哈里亚纳邦的两个县——Karnal和Panipat，这两个县位于西北印度地区，具有半干旱气候。Karnal县的年平均降水量为582毫米，而Panipat县则为680毫米（图1a）。同时，Karnal和Panipat的年平均气温分别为28.3°C和24.2°C。这两个县的地势相对平坦，海拔范围在205至256米之间，并由亚穆纳河及其支流所贯穿。这种地理和气候特征使得该地区在水稻种植中面临较大的水资源压力，同时也为研究灌溉用水与IWP之间的关系提供了独特的环境背景。

为了识别水稻生产中的用水情况，我们选择了100个农场，其中DSR和PTR各占25个，在两个县中均匀分布。我们在这些农场的泵出口处安装了水流计，以测量实际的灌溉用水量（IWA）。我们定义IWP为作物产量与灌溉用水量的比率，并根据实际测量数据进行计算。通过这种方式，我们能够获得农民实际操作中灌溉用水的准确数据，从而更真实地反映IWP的变化。同时，我们还进行了小组访谈，以了解农民在生产实践中的具体做法，包括种植时间、灌溉频率、施肥方式以及作物轮作模式等。这些信息对于分析IWP的影响因素至关重要，因为它们能够揭示农民在实际操作中如何管理水资源，并如何平衡产量与用水效率。

研究结果表明，DSR在两个县中的产量范围分别为5.7至6.3吨/公顷和5.8至6.1吨/公顷，而PTR的产量范围则为5.8至6.1吨/公顷和5.7至6.0吨/公顷。此外，2024年的数据进一步显示，DSR在Karnal和Panipat县的产量分别为6.3吨/公顷和6.2吨/公顷，而PTR的产量则为6.1吨/公顷和6.0吨/公顷。尽管DSR的产量略高于PTR，但研究也发现，PTR在产量稳定性方面表现更优。这一发现表明，虽然DSR在节水方面具有优势，但其产量的稳定性可能受到多种因素的影响，例如土壤条件、气候波动以及农民的管理实践。因此，在推广DSR时，需要充分考虑这些因素，以确保其在实际应用中能够兼顾产量和节水目标。

本研究还发现，DSR的灌溉用水量虽然略低于PTR，但仍然比研究试验中记录的数值高出1.6至2倍。这表明，尽管DSR在理论上能够显著减少用水，但在实际应用中仍存在较大的改进空间。进一步的分析表明，DSR的用水模式与PTR存在显著差异，这主要归因于种植时间、灌溉频率以及农民对灌溉调度的掌握程度。例如，DSR的种植时间通常比PTR更晚，这可能减少了部分季节性降雨的利用，从而导致灌溉用水需求增加。此外，农民在DSR种植中可能更倾向于采用一次性灌溉模式，而PTR种植则可能涉及更频繁的灌溉操作，以维持土壤湿润度。因此，为了进一步减少DSR的灌溉用水量，有必要加强农民对灌溉调度的培训，使其能够根据实际需求合理安排灌溉时间，避免不必要的用水浪费。

研究还发现，农民采用DSR后，其种植模式发生了显著变化，从传统的双季稻-小麦轮作转向三季稻-马铃薯-小麦或稻-小麦-玉米的轮作模式。这种变化的主要目的是提高农业收入，因为马铃薯和玉米等作物的市场价格通常高于小麦和水稻。然而，这种轮作模式的变化可能会对水资源的利用产生一定的影响。例如，马铃薯和玉米的生长周期与水稻不同，可能需要不同的灌溉频率和水量。因此，在推广DSR的同时，也需要考虑作物轮作模式的调整，以确保水资源的合理利用。此外，这种轮作模式的变化可能会对地下水的消耗产生新的影响，例如，增加某些作物的种植比例可能会导致某些时段的灌溉用水需求增加，从而加剧地下水的枯竭问题。因此，在制定政策和推广农业技术时，需要综合考虑这些因素，以实现水资源的可持续利用。

在分析影响IWP的关键因素时，本研究发现，除了直接的农业管理措施外，社会经济因素同样起到了重要作用。例如，农民的教育水平和财富状况直接影响其对农业技术的接受程度和应用能力。受教育程度较高的农民更有可能采用DSR等节水技术，并能够更好地理解灌溉调度的重要性。此外，财富状况较好的农民可能拥有更多的资源来投资节水设备，如高效灌溉系统和土壤改良技术，从而进一步提高IWP。然而，对于经济条件较差的农民来说，这些技术可能成本较高，难以推广。因此，在制定政策时，需要考虑到不同农民群体的经济状况，提供相应的支持措施，如财政补贴、技术培训和基础设施建设，以确保节水技术能够惠及所有农民，而不仅仅是经济条件较好的群体。

此外，研究还发现，灌溉用水量与地下水位的变化之间存在密切关系。在Karnal和Panipat县，地下水位的下降速度较快，这与农业用水的增加密切相关。农民在灌溉过程中往往依赖于泵站抽水，而这些泵站的运行受到电力供应和政府补贴的影响。因此，提高IWP不仅需要改变农业技术，还需要优化电力供应和补贴政策，以减少对地下水的过度依赖。例如，通过推广高效灌溉技术，如滴灌和喷灌，可以显著减少灌溉用水量，同时提高作物产量。然而，这些技术的推广需要相应的基础设施建设和财政支持，这可能对政府的财政状况造成一定压力。因此，在制定政策时，需要在节水和农民收入之间找到平衡点，以确保农业生产的可持续性。

在实际操作中，农民的灌溉行为受到多种因素的影响，包括气候条件、土壤类型、作物种类以及管理实践。例如，在干旱年份，农民可能需要增加灌溉用水量以维持作物产量，而在雨季，他们可能会减少灌溉，以节省水资源。这种灵活性对于提高IWP至关重要，因为它允许农民根据实际情况调整灌溉策略。然而，这种灵活性也可能导致灌溉用水的不均衡使用，例如，在某些年份过度灌溉，而在其他年份则灌溉不足。因此，为了确保IWP的持续提高，需要建立有效的监测和反馈机制，使农民能够及时了解土壤水分状况，并据此调整灌溉计划。

本研究还发现，不同村庄的井的数量对灌溉用水量产生了显著影响。在一些村庄，由于井的数量较多，农民能够更频繁地进行灌溉，从而增加了用水量。而在井数量较少的村庄，农民可能需要更高效地利用每口井的水资源，以减少浪费。因此，在推广节水技术时，需要考虑村庄的基础设施状况，如井的数量、灌溉系统的效率以及水资源的分布情况。例如，在井数量较多的村庄，可以通过优化灌溉调度来减少不必要的用水，而在井数量较少的村庄，则需要加强节水技术的推广，以提高每口井的用水效率。

总体而言，本研究通过实地测量和访谈，揭示了DSR和PTR在灌溉用水和IWP方面的差异，并指出了影响IWP的关键因素。研究结果表明，DSR在提高IWP方面具有显著优势，但其节水潜力仍需进一步挖掘。通过加强农民对灌溉调度的培训，优化电力供应和补贴政策，以及推广高效灌溉技术，可以有效减少灌溉用水量，从而缓解地下水枯竭问题。然而，仅靠技术手段无法彻底解决地下水危机，必须通过系统性的政策干预，平衡农民收入与水资源保护，以实现农业生产的可持续发展。未来的研究可以进一步探讨不同作物轮作模式对水资源的影响，以及如何通过政策支持促进节水技术的广泛应用，从而在保障农民生计的同时，实现水资源的合理利用和地下水位的恢复。