未来灌溉技术转型与气候变化对干湿热胁迫的复合影响研究

《Nature Communications》：Compounding future escalation of emissions- and irrigation-induced increases in humid-heat stress

本研究针对全球灌溉技术转型与气候变化对极端热胁迫的复合影响这一关键问题，通过开发与共享社会经济路径-典型浓度路径(SSP-RCPs)相一致的灌溉技术份额(ITS)数据集，并改进社区地球系统模型CESM2以模拟不同情景下的灌溉水需求及热胁迫变化。研究发现，在SSP1-2.6路径下，高效灌溉技术的推广可降低灌溉用水量，而在SSP3-7.0路径下，灌溉扩张将加剧水资源压力并新增灌溉热点区。灌溉虽能缓解极端干热，但会加剧湿润热胁迫，特别是在人口密集区。该研究发表于《Nature Communications》，强调了在气候变化背景下可持续灌溉发展对水资源安全和公共健康的重要性。

　　

在全球气候变化和人口增长的双重压力下，农业灌溉作为最大的淡水消耗部门，其可持续管理对粮食安全和水资源保护至关重要。传统灌溉方式效率低下，导致水资源浪费和土壤盐碱化等问题，而高效灌溉技术的推广虽能节水，却可能通过改变地表能量平衡影响区域气候，特别是极端热事件的发生。更复杂的是，灌溉对热胁迫的影响存在“双重效应”：一方面，蒸散冷却可缓解基于气温的干热极端事件；另一方面，灌溉增加大气湿度，可能加剧基于湿球温度的湿润热胁迫，后者对人体健康的影响更为直接和严重。然而，未来不同的社会经济发展和气候变化路径(SSP-RCPs)将如何影响灌溉技术的转型，以及这种转型又如何与气候变化相互作用，共同塑造未来的干热和湿润热胁迫风险，仍是一个未被充分探索的关键科学问题。

为了回答这些问题，研究人员开展了一项综合建模研究。他们首先开发了一个与SSP-RCP情景(SSP1-2.6和SSP3-7.0)相一致的全球网格尺度瞬变灌溉技术份额(ITS)数据集。该数据集考虑了不同国家的社会经济能力(以GDP、治理强度等指标的主成分表示)和干旱气候条件(以降水表示)对灌溉技术升级动机的影响。基于此数据集，研究人员改进了社区地球系统模型CESM2，使其能够逐年更新灌溉技术信息，并进行了多集合的瞬变气候模拟(1985-2074年)，对比了有/无灌溉技术转型情景下的结果，从而分离出灌溉自身以及与其他强迫(如温室气体排放)共同作用对灌溉用水量(IWW)和极端热胁迫的影响。

研究采用的关键技术方法主要包括：基于共享社会经济路径(SSP)数据库和部门间影响模型比较计划(ISIMIP3)输出，运用水文经济框架进行灌溉技术份额预测；发展并应用了包含滴灌、喷灌、漫灌和水稻淹灌等多种灌溉技术模块的社区地球系统模型CESM2进行气候模拟；利用模型输出的3小时分辨率2米气温(T_2m)和湿球温度(T_w)数据，通过百分位数法定义极端干热(T_2m > 99th percentile)和湿润热(T_w > 99th percentile)事件，并分析其暴露时间的变化。

灌溉面积与技术份额的未来变化

研究结果显示，灌溉面积和技术的未来变化强烈依赖于SSP-RCP情景。在SSP1-2.6(绿色道路)下，全球灌溉面积保持相对稳定(约2.8×10⁶ km²)，但高效灌溉技术(滴灌和喷灌)份额迅速增加，到2100年约占三分之二(图1a)。而在SSP3-7.0(崎岖道路)下，灌溉面积持续扩张，至本世纪末超过4×10⁶ km²，但高效技术份额增长缓慢，到2100年不足二分之一(图1b)。区域上，社会经济能力较高的地区(如中北美、东亚，第1组)灌溉面积稳定且技术升级快；传统灌溉热点但社会经济能力较低的地区(如南亚、西中亚，第2组)在SSP3-7.0下面积扩张迅速；而历史灌溉稀少的地区(如西非、南非，第3组)在SSP3-7.0下成为新的灌溉热点区(图2)。

灌溉用水量的响应

灌溉用水量(IWW)的变化直接反映了灌溉面积和技术转型的综合效应(图4)。历史时期(1985-2014年)，全球IWW约为1700-2000 km3 yr?1，北印度、中国东部和美国中部是灌溉用水强度最高的地区(图4a)。未来时期，在SSP1-2.6下，全球IWW略有下降至约1700 km3 yr?1(图4d)，特别是在第1组和第2组地区，由于灌溉面积稳定和技术效率提高，IWW显著减少(图4e,f)。相反，在SSP3-7.0下，全球IWW持续上升至约2400 km3 yr?1(图4d)，主要驱动因素是第2组地区灌溉面积的扩张和第3组地区(如非洲)新灌溉热点的出现(图4c,g)。这表明，在可持续发展路径下，提高灌溉效率可以抵消甚至减少用水需求，而在高挑战路径下，不可持续的灌溉扩张将极大加剧区域水资源压力。

灌溉对干热和湿润热极端事件的差异化影响

灌溉对极端热事件的影响呈现出明显的差异化特征。历史灌溉有效地减少了极端干热事件的年暴露时间，在南亚、东亚等灌溉密集区，冷却效应超过25小时/年(图5c)。然而，灌溉却轻微增加了极端湿润热事件的频率，特别是在西中亚、地中海等地区(图5d)。这种“冷却干热、加剧湿润热”的模式在未来情景下依然存在，甚至在SSP3-7.0下更为显著。例如，在SSP3-7.0下，灌溉使南亚某些网格细胞的干热暴露时间减少超过100小时/年，但同时使西中亚的湿润热暴露时间增加超过100小时/年(图5g,h)。在SSP1-2.6下，社会经济发达地区(如中北美)的灌溉对干热的冷却效应几乎消失，而在技术升级缓慢的地区(如南亚)，冷却效应依然明显(图5e)。这表明，灌溉技术的升级(如转向更节水的滴灌)在减少用水的同时，也可能减弱其缓解干热胁迫的效益，但可能有助于减轻其加剧湿润热胁迫的不利影响。

气候变化主导热暴露的急剧增加

尽管灌溉对热胁迫有调节作用，但温室气体增加等气候强迫效应远大于灌溉本身的影响。与1985-2014年相比，在2045-2074年，所有强迫共同作用导致极端干热和湿润热事件的暴露时间大幅增加，且在SSP3-7.0下的增加幅度远大于SSP1-2.6(图6)。例如，在SSP3-7.0下，中非地区的年湿润热暴露时间增加超过1600小时(≥17.8倍)，而灌溉在其中贡献的增加量通常小于100小时(图5h, 6d)。两种情景下的差异在热带地区最为显著，湿润热暴露时间的差异可超过800小时(图6f)。这表明，选择可持续的发展路径(SSP1-2.6)对于减缓极端热胁迫，特别是危害更大的湿润热胁迫，具有决定性意义。

灌溉放大干热与湿润热暴露差异

在灌溉密集区(传统热点区和新热点区)，灌溉的作用使得干热和湿润热暴露时间之间的差异进一步扩大(图7)。在这些地区，未来两种极端事件都变得更加频繁，但湿润热暴露时间的增长速度远快于干热。例如，在SSP3-7.0下，传统热点区的平均干热暴露时间从历史时期的不足100小时增至2070年代的约250小时，而湿润热暴露时间则从约300小时增至约1400小时(图7b)。灌溉的贡献在于，它一方面减少了干热暴露(如SSP3-7.0下减少50-100小时)，另一方面又增加了湿润热暴露(增加20-100小时)，从而使得两类极端事件的风险格局进一步分化。这凸显了在灌溉农业区，除了关注气温，必须加强对湿润热指标的监测和评估。

研究结论与意义

本研究首次将SSP-RCP情景框架下的灌溉技术转型路径与地球系统模型耦合，系统地评估了未来气候变化与人类用水管理互动对热胁迫的复合影响。研究得出结论：未来的灌溉用水需求和热胁迫风险高度依赖于社会经济和气候路径选择。可持续发展路径(SSP1-2.6)结合灌溉效率提升能有效降低水资源压力，而高挑战路径(SSP3-7.0)下的灌溉扩张则可能引发新的水资源危机并显著增加热胁迫风险。灌溉作为一种重要的人类强迫，其“双重效应”——缓解干热但加剧湿润热——在未来依然显著，且在人口密集的灌溉热点区，这种效应会放大两类热胁迫的差异。

该研究的重要意义在于：首先，它强调了将人类水资源管理决策纳入气候风险评估的必要性，灌溉不仅是适应手段，其本身也是重要的气候强迫因子。其次，研究明确指出了湿润热胁迫对未来人口健康的威胁可能比干热胁迫更大且对发展路径更敏感，这为气候适应政策，尤其是农业和公共卫生部门的干预，提供了新的科学依据。最后，研究结果强烈支持通过可持续发展路径、限制温室气体排放、避免不可持续的灌溉扩张以及加速高效灌溉技术普及来协同应对水资源短缺和极端热胁迫的双重挑战。未来的研究需要更精细化的灌溉技术数据集、更完善的模型参数化以及纳入水资源限制，以进一步提升预测的准确性，为可持续农业和水资源管理提供精准指导。