基于概率视角的不同干旱情景下主要粮食作物水足迹变化研究

本文通过概率方法评估了2001-2021年东北地区主要作物水足迹（WF）对干旱的响应。研究发现作物水足迹与生长季标准化降水蒸散指数（SPEI）呈正相关，响应时间尺度主要为1个月。极端干旱下玉米、水稻和大豆的绿色水足迹（WFgreen）低于40分位数的概率分别达68.5%、95.9%和41.7%。研究为决策者缓解干旱对水资源影响提供了科学依据。

　　

Highlight

基于干旱事件的随机性和复杂性特征，概率框架为量化作物水足迹（WF）对干旱胁迫的响应提供了更丰富的信息。不同作物类型的水足迹对干旱的响应存在明显的时空差异。

Temporal-spatial characteristics of drought and crop WFs

多时间尺度标准化降水蒸散指数（SPEI）捕捉了2001-2021年东北地区三种作物的干旱特征。多时间尺度SPEI表明特定月份的干旱强度变化较小，同一年内不同时间尺度下的干旱发生情况基本一致。总体而言，生长季（5-8月）干旱强度以轻度和中度为主，干旱发生主要集中在5月和8月。

Spatiotemporal differences in the response of crop WFs to drought

干旱是水循环的间歇性干扰，显著影响农业生产中的水资源可用性。作为雨养作物的唯一水源，绿色水资源占全球作物耗水量的80%以上，对全球粮食和水安全至关重要。东北地区作为中国主要粮食产区及雨养作物优势种植区，作物生长高度依赖绿色水资源。

Uncertainties and limitations

基于Copula的条件概率模型存在若干不确定性。尽管研究尝试使用六种常用Copula函数描述水足迹（WF）与标准化降水蒸散指数（SPEI）的依赖结构，但Copula模型的固有不确定性可能会传播并影响干旱条件下水足迹变化的估算。为推断不确定性范围，本研究采用自助法（bootstrapping）估计了95%置信区间的Copula参数。

Conclusions

基于干旱事件的随机性和复杂性，概率框架有助于更全面地量化作物水足迹（WF）对干旱胁迫的响应。不同作物类型的水足迹对干旱的响应存在明显时空差异：雨养作物绿色水足迹（WF_green）与SPEI的正相关主要集中在中西部地区，而负相关主要出现在北部地区。