优化地下灌溉系统（OPSIS）对斯里兰卡甘蔗可持续生产的适用性评估：基于APSIM模型的当前与未来气候情景分析

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Assessing the aplicability of OPSIS for sustainable sugarcane production in Sri Lanka

本研究通过参数化校准APSIM-Sugar模型（版本7.10），系统评估了优化地下灌溉系统（OPSIS）相较于传统地面灌溉和雨养条件对斯里兰卡甘蔗品种SL-96128的适用性。结果表明，OPSIS在粘壤土中能显著提升甘蔗鲜重产量（最高145.94 t/ha）、地上部生物量（6,191 g/m2）和蔗糖产量（2,443 g/m2），且在未来气候情景（2020–2039年，20个GCMs和RCP 4.5/8.5路径）下仍保持稳定性，产量变异系数最低。研究为热带地区甘蔗节水灌溉技术提供了理论依据。

　　

引言

甘蔗是一种高度需水的作物，在日益严重的水资源短缺和气候多变性背景下，优化灌溉对于维持生产力至关重要。本研究评估了优化地下灌溉系统（OPSIS）与常规地面灌溉及雨养条件在斯里兰卡甘蔗栽培品种SL-96128上的表现。OPSIS是一种结合地下管道、重力流和太阳能泵的灌溉排水技术，特别适用于易受干旱和涝渍胁迫的甘蔗系统。作物模拟模型如农业生产系统模拟器（APSIM）为评估此类技术在不同环境和管理制度下的性能提供了有力工具。本研究旨在利用APSIM-Sugar模型，结合当前和未来气候数据，评估OPSIS在斯里兰卡热带条件下的适用性。

材料与方法

APSIM-Sugar模型的参数化与校准

研究数据来源于斯里兰卡Ampara地区Hingurana的田间试验，针对当地品种SL-96128进行模型参数化。模型通过调整辐射利用效率（RUE，主作物增至2.0，宿根作物增至1.85）、最大株高（从默认6,000 mm降至4,000 mm）和茎秆比例（CF从0.70降至0.65）等参数，显著提高了模拟精度。校准后的模型在鲜重产量模拟中表现出良好拟合度（RMSE = 7.82 t/ha, R²= 0.85）。

OPSIS与常规灌溉及雨养条件的比较

模拟在Sevanagala（粘壤土，排水不良）和Hingurana（壤质砂土，中度排水良好）两个地点进行，覆盖1980–2010年的历史气候数据。灌溉制度包括雨养、地面灌溉（每14天灌溉60 mm，季节上限600 mm）和OPSIS灌溉（以第五层土壤饱和度与含水量差作为灌溉输入）。土壤剖面分为六层，关键参数如体积密度（1.19–1.50 g/cm³）、饱和导水率（KS为60–1,000 mm/天）等通过pedotransfer函数（PTFs）估算。

未来气候下OPSIS的性能

利用20个全球气候模型（GCMs）和两种代表性浓度路径（RCP 4.5和RCP 8.5）生成2020–2039年气候情景，通过AgMIP工具转换为APSIM格式。模拟未考虑CO₂施肥效应，因C4植物（如甘蔗）对此响应有限。

结果与讨论

APSIM-Sugar模型对SL-96128的校准效果

模型校准后，模拟与观测的鲜重产量高度一致（一致性指数d = 0.95），验证了模型在斯里兰卡条件下的可靠性。

OPSIS、地面灌溉和雨养条件的比较评价

在两种土壤类型下，OPSIS均显著优于其他灌溉方式。在Sevanagala的粘壤土中，OPSIS的鲜重产量（145.94 t/ha）、生物量（6,191 g/m²）和蔗糖产量（2,443 g/m²）最高；而在Hingurana的砂质土中，因毛细作用弱，上层土壤易干旱，OPSIS优势减弱（鲜重128.90 t/ha），但仍优于地面灌溉（121.97 t/ha）和雨养（100.38 t/ha）。土壤质地显著影响灌溉效果，粘壤土因保水能力强更适宜OPSIS应用。

未来气候下的甘蔗生长与产量

在未来气候情景下，OPSIS仍保持最高产量稳定性，鲜重产量较基线期（1980–2010）提升2–3%，且产量变异系数最低。雨养条件的产量不确定性最高，而OPSIS在RCP 4.5和RCP 8.5下均表现出更强的抗气候波动能力。

结论

OPSIS作为一种高效灌溉技术，在斯里兰卡甘蔗生产中具有显著优势，尤其在粘壤土条件下能显著提升产量和资源利用效率。未来气候背景下，OPSIS可有效缓解气候变化对甘蔗生产的负面影响，但需针对砂质土壤进行系统设计优化。本研究为热带地区甘蔗可持续灌溉提供了重要理论支撑和实践指南。