土地资源清单与水文整合驱动雨养农业可持续集约化——从传统流域到景观应用

《Agricultural Systems》：Integrating land resource inventory and hydrology to transform rainfed agriculture towards sustainable intensification

　　

本研究构建了整合土地资源清单（LRI）—水文（hydrology）框架，将土壤、水分与种植系统管理有机衔接。研究结果表明，降雨分配（rainfall partitioning）而非降雨总量主导了水资源可利用性。土地形态干预（landform intervention）可将径流（runoff）减少约20%–40%，并显著改善土壤水分状况。通过水资源预算（water budgeting），实现了作物需水与可用水供给的有效匹配。经景观尺度推广应用后，农作物产量实现了倍增，农场收入亦得到大幅提升。

雨养农业占全球耕地面积的约60%–65%，支撑着全球约40%的粮食生产，在半干旱地区维持着近二十亿人口的生计。然而，雨养系统长期面临产量差距持续扩大的困境，其根源在于土壤退化、养分耗竭、入渗能力差、水分保持能力有限以及日益加剧的气候变率，而降雨中约50%–70%以非生产性径流或蒸发形式损失。以往以流域为基础的自然资源管理（NRM）干预虽已取得一定成效，但多局限于基础设施驱动，缺乏对土壤空间变异性、水文过程、水资源可用性与种植系统需求的系统整合。为此，研究人员以土地资源清单（LRI）为核心，结合长期传统流域实验数据与景观尺度应用，开发并验证了一套集LRI、水文过程、水资源预算与种植系统设计于一体的整合框架，旨在将过程层面的水文认知转化为可指导实际耕作系统设计和水资源配置的运营工具。该框架在ICRISAT传统流域（Alfisols和Vertisols）开展长期实验分析，并在印度中央邦Bundelkhand地区的Jhansi集群（约5000 ha）完成景观尺度验证，为半干旱地区雨养农业的可持续集约化提供了科学路径。

研究人员首先依托ICRISAT传统流域长期实验（Vertisols自1975/1976年启动，Alfisols于2000年代初期启动），选取2000–2010年共10年数据开展系统分析。实验中采用配对微流域设计，将改进土地形态系统（宽垄沟，BBF）与传统平地系统进行对比。方法上综合运用了剖面土壤采样与物理性质测定、张力盘入渗仪测量土壤入渗特性、H型测流槽监测径流、重量法监测土壤水分动态，以及作物产量与经济收益评估。在景观尺度应用方面，研究于2018–2022年间在Jhansi集群开展LRI详查与水文评估，对200个土壤样品进行了理化性质分析，并对26口农民自有的浅层水井进行月度地下水动态监测，结合水资源预算方法评估种植系统的补充灌溉需求。

研究结果分为四部分。其中，土壤物理性质研究表明，Alfisols表层砂粒含量高（60%–70%），黏粒含量低，植物可用水（PAW）仅为80–120 mm（1 m剖面）；Vertisols黏粒含量高（40%–60%），持水能力强，植物可用水达150–200 mm，且深层储水能力显著（p<0.001）。水文特征研究通过张力盘入渗仪测量发现，两种土壤在近饱和状态下入渗率较高，但随着吸力增加，入渗率大幅下降——Alfisols减少约70%–75%，Vertisols约60%–70%，表明大孔隙优先流主导近饱和入渗。降雨-径流关系与不同雨型（干旱年、正常年、湿润年）分析显示，BBF土地形态在两种土壤上均显著减少径流，其中Alfisols在湿润年径流从平地系统的213 mm（22%）降至BBF系统的186 mm（19%），Vertisols从258 mm（23%）降至215 mm（20%）；方差分析（ANOVA）表明，BBF在轻至中度降雨事件下效果尤为显著（p<0.05）。同时，Vertisols表现出更高的土壤水分含量和更缓慢的水分消耗速率。种植系统性能结果表明，Vertisols凭借更高的水分储量，在各雨型下维持相对稳定的产量和净收益（高梁等效产量SEY为5.93–7.00 t/ha，净收益为889–1311 USD/ha）；Alfisols则因水分迅速消耗，对降雨变率更为敏感，但间作系统（如花生+木豆）在正常年份净收益较单作系统显著提高。景观尺度应用结果显示，实施LRI-水文框架干预后，新增蓄水能力731,000 m3，相当于景观尺度约14.6 mm的静态蓄水能力，按径流重复蓄满次数估算，年径流收集潜力约为40–45 mm；功能水井数量从20口增至220口，季风后约80%–90%的水井恢复功能。种植制度发生显著转变，休耕地大幅减少，花生面积从240 ha扩展至2100 ha，小麦从225 ha增至900 ha，全年粮食总产量从5698吨提高到12,350吨/年，实现翻倍；农业净收益从1.312百万美元增至3.318百万美元，户均年净收益从854美元提高到2214美元，并促成350个家庭的回流。

讨论部分指出，雨养系统的降雨分配并非单纯的气候功能，而是受土壤物理性质、孔隙尺度水力行为、持水特性和土地形态共同调控的景观属性；种植系统适宜性本质上受土壤-水分相互作用约束，降雨分布和有效降雨比例比总降雨量更能决定作物生产力。研究进一步表明，可持续集约化并不依赖高外部投入，而是通过系统性地评估资源供给、作物需水及供需缺口，将新增水资源精确分配到补充灌溉和种植集约化中。研究结论强调，雨养系统的有效管理需从降雨中心视角转向土壤-水分-作物整合框架。通过将ICRISAT传统流域的过程认知与Jhansi集群的景观实践相结合，研究证实土壤类型和土地形态对降雨分配、水分储存及作物表现具有决定性作用；宽垄沟（BBF）等土地形态干预可使径流减少约20%–30%，并改善降雨保持与土壤水分供给。景观应用中，新增水资源使作物种植强度提高，总产量实现两倍以上增长，家庭及景观尺度的农业收入显著提升。该整合LRI-水文框架为半干旱地区应对降雨变率、土壤退化和水资源短缺提供了可复制、可扩展的科学决策路径，并有助于实现雨养农业生态系统的可持续集约化和土地退化零增长目标。