作物种植模式转变对温室气体排放时空扰动与水资源需求的驱动机制

为应对粮食安全与可持续农业发展的双重挑战，中国农业科学院团队通过DNDC模型量化了1995-2020年主要粮食作物种植模式转变对GHG（温室气体）排放和水资源需求的影响。研究发现小麦向水稻玉米的转型使农业土壤GHG排放峰值达898.52 TgCO2 e，水资源需求达541.92 Gm3 ，区域优化种植可降低排放强度，为农业低碳转型提供科学依据。

　　

在全球气候变化与水资源短缺的双重压力下，如何平衡粮食增产与环境可持续性已成为农业领域的核心难题。中国作为世界最大的粮食生产国，过去25年间经历了显著的作物种植结构调整，但这种转变对生态环境的影响始终缺乏系统评估。中国农业科学院联合多所机构的研究团队在《European Journal of Agronomy》发表的研究，首次揭示了作物种植模式转变如何通过水-氮耦合作用扰动温室气体排放格局。

研究采用过程模型DNDC（DeNitrification-DeComposition）结合337个地级市作物分布数据，构建了覆盖水稻、小麦、玉米三大主粮的模拟体系。通过整合29项田间实验数据验证模型精度，并引入 municipality-level 参数反映中国农业特色。

空间和时间的种植模式演变
1995-2020年间中国主粮种植面积呈现"扩张-收缩-复苏"波动趋势，其中玉米占比从26%激增至41%，而小麦下降12%。这种转变使东北地区单季稻面积扩大3.2倍，长江中下游双季稻比例下降19%。

温室气体排放与水需求响应
作物更替导致2015年GHG排放达历史峰值（898.52 TgCO₂
e），其中水稻贡献72%的CH₄
排放。水资源需求空间分异显著，华北平原小麦-玉米轮作区单位产量耗水比长江流域低34%。

区域优化潜力
模拟显示东北地区减少10%单季稻改种玉米可使排放强度降低18 kgCO₂
e/t；长江中下游扩种冬小麦与早稻可协同实现减排12%与节水9%。

该研究创新性地揭示了作物空间重分布对农业环境效应的放大作用，证实通过区域特异性种植优化可实现"减排-节水-稳产"三重效益。研究提出的"作物-区域-管理"协同调控框架，为《巴黎协定》下中国农业低碳转型提供了可操作的路径，其方法论对全球粮食主产区具有示范意义。