灌溉扩张与气候变化共同加剧陆地水资源消耗的机制研究

《Nature Water》：Irrigation-induced land water depletion aggravated by climate change

本研究通过7个地球系统模型揭示了1901-2014年间灌溉扩张对全球水循环的深远影响。研究发现灌溉扩张通过增强蒸散发（ET）显著减少大气对陆地的净水输入（P-ET），在气候变化导致的干旱趋势基础上进一步加剧了南亚等地区的水资源消耗。卫星观测显示陆地水储量（TWS）下降速率因灌溉扩张而扩大6倍，表明当前灌溉模式不可持续性。该研究为制定可持续灌溉政策提供了关键科学依据。

　　

随着全球人口增长和生活水平提高，农业灌溉面积在20世纪经历了快速扩张。目前灌溉农业支撑着全球约40%的粮食和纤维生产，但同时也消耗了全球70%的淡水提取量和90%的淡水消耗量。这种不可持续的水资源利用方式已导致许多地区出现河流流量减少、湖泊萎缩和地下水水位持续下降等问题。传统研究多基于观测数据或仅考虑陆地过程的模拟，往往忽略了土地-大气相互作用，难以捕捉灌溉对水循环的长期影响。

为了解决这一科学问题，由苏黎世联邦理工学院主导的国际研究团队开展了灌溉模型比较计划（IRRMIP），利用7个地球系统模型（Earth System Models, ESMs）进行了1901-2014年期间的耦合模拟。研究通过对比考虑灌溉扩张（tranirr）和固定1901年灌溉水平（1901irr）的两组实验，首次系统量化了历史灌溉扩张对全球水循环的全面影响。

研究方法上，团队主要采用多模型比较分析框架，整合了CESM2、NorESM2、E3SMv2等7个主流地球系统模型的模拟结果。通过土地利用 harmonization 2（LUH2）数据集获取历史灌溉面积变化数据，并利用GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星观测的陆地水储量异常数据验证模型性能。研究还创新性地采用时期对比法（1901-1930年与1985-2014年）来分离灌溉扩张与其他气候强迫因素的影响。

灌溉扩张与用水量增加

研究显示，1901-2014年间全球灌溉面积增长了5.4倍，从1901年的约50万平方公里扩展到2014年的270万平方公里。南亚地区的灌溉面积在1960年后呈现加速扩张趋势，从1960年的25万平方公里增至2014年的70万平方公里以上。相应地，全球灌溉用水量（Irrigation Water Withdrawal, IWW）从1901年的200-500 km3 yr?1增加到2014年的900-4000 km3 yr?1。

降水、蒸散发和径流的变化

灌溉扩张显著增强了陆面蒸散发（ET），在1996-2014年间，南亚地区的蒸散发因灌溉增加了58.2 mm yr?1。然而，降水变化在不同区域和模型间存在较大差异，南亚地区降水减少了7.7 mm yr?1，而中北美和西亚中部地区则分别增加了18.6和21.2 mm yr?1。径流变化方向取决于模型中对灌溉取水的具体处理方式。

净水输入减少未被增强的降水所抵消

研究表明，灌溉扩张通过增强蒸散发显著减少了大气对陆地的净水输入（P-ET）。在南亚地区，灌溉扩张使P-ET的下降趋势从1960年前的-0.418 mm yr?2加剧到1960年后的-0.797 mm yr?2。类似的变化也发生在地中海、中北美和西亚中部等灌溉热点区域。

陆地水资源损失未获上游来水补偿

基于GRACE卫星观测数据显示，许多灌溉热点区域如美国西南部、地中海地区、西亚北部和印度北部都出现了显著的陆地水储量（TWS）下降趋势。模型模拟进一步证实，灌溉扩张显著改变了TWS的演变轨迹。在南亚地区，TWS的下降速率从1960年前的-3.655 mm yr?1加剧到1960年后的-13.449 mm yr?1。

研究结论指出，灌溉扩张对水通量的影响强度取决于灌溉水量，但在干旱和半干旱地区（如西亚中部和地中海地区）的相对重要性更为突出。这些地区本身具有较干燥的背景气候，大部分降水都以蒸散发的形式损失，而灌溉扩张进一步加剧了这种损失。同时，气候变化在1960年后进一步放大了灌溉引起的水资源消耗效应。

该研究强调了在气候变化背景下制定可持续灌溉策略的紧迫性。作者建议通过采用节水灌溉技术（如滴灌和喷灌）、优化作物种植结构以及加强全球粮食贸易中的虚拟水流动来缓解水资源压力。然而，研究也承认当前地球系统模型在作物轮作、多重生长季节和灌溉技术表征等方面存在局限，需要进一步发展和完善模型参数化方案，以更准确地评估灌溉对地球系统的影响。

这项发表在《Nature Water》的研究为理解人类活动如何改变全球水循环提供了新的视角，强调了在气候变化背景下需要重新审视灌溉农业的可持续性。研究结果对制定全球水资源管理政策和实现可持续发展目标具有重要的科学指导意义。