严重的洪水显著降低了全球水稻产量

《SCIENCE ADVANCES》：Severe floods significantly reduce global rice yields

水稻洪水灾害导致全球产量年均下降4.3%，中国东部地区达14%。研究采用CaMa-Flood模型和差分法量化洪水对水稻产量的因果影响，发现近40年极端洪水频率增加，且耐洪水稻品种可减少70%以上损失。

　　水稻作为全球超过一半人口的主要粮食作物，其产量受到极端气候事件的显著影响。研究表明，水稻在遭受洪水淹没超过7天时，其产量损失尤为严重，这种现象在世界范围内造成了重大农业影响。特别是在中国和印度等主要水稻生产国，洪水造成的产量损失尤为突出。本研究通过结合洪水动力学模型和双重差分法（Difference-in-Differences, DiD），评估了水稻作物被完全淹没对产量损失的因果影响，并探讨了未来可能的变化趋势。

### 水稻产量对洪水的敏感性

水稻虽然是一种半水生作物，能够适应一定程度的灌溉或浅水淹没，但在不受控制的洪水条件下，特别是当水稻被完全淹没超过7天时，其生长受到严重影响。这种淹没会限制水稻的氧气和光照供应，从而抑制光合作用，同时高流速的洪水可能对水稻植株造成物理性破坏。例如，在2011年东南亚洪水期间，泰国、柬埔寨、菲律宾和缅甸等地超过100万公顷的稻田受到严重破坏。而在收获阶段，洪水则会使得田间作业变得困难，进一步影响产量。

相比之下，干旱对水稻产量的影响更为显著，其造成的产量损失可达25.4%。然而，干旱通常影响范围更广，而洪水则更多地集中在特定区域。因此，研究洪水对水稻产量的影响相对较少，尤其是在与干旱影响相比的情况下。本研究旨在填补这一研究空白，通过更精确的方法，评估洪水对水稻产量的长期影响，并为应对气候极端事件提供科学依据。

### 洪水事件的定义与识别

本研究提出“水稻毁灭性洪水”这一概念，定义为水稻被完全淹没至少7天的事件。这一标准基于洪水动力学和水稻生长阶段的相互作用。水稻在生长过程中，不同阶段对洪水的敏感度不同，例如在幼苗期和开花期，淹没对产量的影响更为严重。通过使用CaMa-Flood洪水动力学模型，我们能够模拟洪水的深度和持续时间，并结合水稻生长阶段来判断洪水是否对产量造成毁灭性影响。

模型在1980年至2015年间运行，空间分辨率为0.25度（约25公里）。通过对比历史数据和模型模拟结果，我们发现模拟结果与实际记录的洪水影响区域高度一致。例如，在印度，2008年的洪水影响了约100万公顷稻田，而我们的模型预测为103万公顷，误差仅为3%。此外，在中国，1998年的洪水影响了约300万公顷稻田，而模型预测为330万公顷，高出10%。这些结果表明，模型在识别水稻毁灭性洪水方面具有较高的准确性。

### 全球洪水对水稻产量的影响

通过分析全球主要水稻产区的洪水数据，我们发现水稻毁灭性洪水的平均产量损失为4.3%。这一损失在不同地区表现出显著差异，其中中国东海岸的损失高达14%。在中国，由于其水稻种植面积大，且洪水频繁发生，这种损失对国家粮食安全构成严重威胁。在印度，洪水对产量的影响也较为显著，但其损失率略低于中国。

此外，全球主要水稻生产流域中，如亚马逊流域、湄公河流域、恒河流域和印度河-恒河流域，水稻毁灭性洪水的频率较高。这些流域的洪水不仅影响水稻产量，还可能对当地经济和社会造成深远影响。例如，根据EM-DAT数据库，洪水造成的经济损失与水稻产量损失之间存在显著负相关，表明水稻产量减少往往伴随着更大的经济损失。

### 洪水事件的时空特征

水稻毁灭性洪水在全球范围内表现出明显的季节性和区域差异。在某些地区，如中国长江流域，洪水主要集中在春季和夏季，这与水稻的生长周期高度吻合。而在其他地区，如印度和亚马逊流域，洪水的发生与季风系统密切相关。在正常年份，季风降雨为水稻生长提供了必要的水分，但在异常湿润的年份，过量的降雨可能导致洪水，从而严重破坏水稻产量。

值得注意的是，洪水的持续时间和淹没深度对产量损失的影响不同。在某些地区，如Sabarmati流域，洪水持续时间较长，超过30天，这可能是由于流域地形平坦，洪水退去的速度较慢。而在其他地区，如尼罗河流域，洪水的持续时间较短，但其发生频率较高。这些差异表明，洪水对水稻产量的影响不仅取决于其强度，还与流域的地理和气候条件密切相关。

### 未来洪水趋势与应对策略

随着气候变化的加剧，极端天气事件的频率和强度预计将继续上升。本研究通过极端降雨作为洪水的代理变量，对未来的洪水趋势进行了初步预测。结果显示，主要水稻生产流域的极端降雨量预计将在未来几十年内增加，这可能导致水稻毁灭性洪水的频率和强度上升，从而进一步威胁粮食安全。

为了应对这一挑战，培育抗洪水稻品种成为一项重要的适应策略。已有研究表明，抗洪水稻品种能够在被淹没的情况下存活更长时间，例如通过进入休眠状态或快速伸长茎秆以维持呼吸和光合作用。然而，目前抗洪水稻的种植面积和普及率仍然较低，因此，扩大抗洪水稻的推广和应用是保障水稻产量的关键。

### 经济影响与社会意义

洪水对水稻产量的影响不仅限于农业层面，还可能对整个社会经济产生深远影响。根据EM-DAT数据库，洪水造成的经济损失与水稻产量损失之间存在显著负相关，表明水稻产量减少往往伴随着更大的经济损失。例如，印度和中国在水稻毁灭性洪水事件中，平均损失可达数亿美元。这提示我们，应对洪水对水稻产量的影响不仅是农业问题，更是经济和社会问题。

此外，洪水与干旱的复合影响可能导致水稻产量损失达到单个事件的两倍。这种复合效应表明，气候变化带来的极端天气事件不仅需要单独应对，还需要考虑其相互作用。因此，制定综合性的适应策略，包括改善农业管理、加强基础设施建设和推广抗逆作物，对于减少气候极端事件对水稻产量的影响至关重要。

### 研究方法与数据来源

本研究采用了多种数据来源和分析方法，以确保结果的准确性和可靠性。首先，我们使用了全球水稻产量数据（GDHY），该数据集覆盖了1981年至2016年，空间分辨率为0.5度。通过将这些数据与洪水模拟结果进行对比，我们能够评估洪水对水稻产量的影响。其次，我们使用了CaMa-Flood洪水动力学模型，该模型能够模拟洪水的深度和持续时间，并结合水稻生长阶段进行分析。

为了进一步验证模型的准确性，我们还使用了卫星观测数据，如GIEMS-2，该数据集提供了全球水稻种植区的洪水覆盖情况。通过对比模拟结果和卫星数据，我们发现模型在主要水稻生产国的预测精度较高，尤其是在中国和印度等国家。此外，我们还应用了双重差分法（DiD）模型，该模型能够有效控制时间和空间异质性，从而更准确地评估洪水对水稻产量的因果影响。

### 结论与建议

本研究揭示了水稻毁灭性洪水对全球水稻产量的显著影响，并强调了气候变化背景下这一问题的加剧趋势。在中国和印度等主要水稻生产国，洪水造成的产量损失尤为严重，这不仅影响国家粮食安全，还可能对经济和社会稳定产生深远影响。因此，发展抗洪水稻品种、加强农业基础设施建设、优化水资源管理以及提升气候适应能力，成为保障水稻产量的关键措施。

此外，洪水与干旱的复合影响进一步凸显了应对气候极端事件的复杂性。在制定适应策略时，需要综合考虑多种因素，包括气候模式、地理条件和农业实践。通过科学研究和政策支持，可以有效减少气候极端事件对水稻产量的负面影响，从而保障全球粮食安全。