《Journal of Cleaner Production》：Long-term scenarios for climate adaptation of cotton crops in China, considering multidimensional biophysical and socio-economic scenario analysis
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气候变化重塑农业用地适宜性，棉花种植区北移166公里并抬升47米，经济因素主导实际种植布局，需协同生物物理适宜性与社会经济因素实现可持续适应。
郭思萌|吴凤琪|王宇涵|王健|张正贵|潘占雷|崇晨曦|李鹏程|黄伟斌|孙桂林|李欣|王书晨|李俊宏|张耀鹏|赵文琪|翟梦华|高磊|刘连涛|王占彪
中国河北省保定市，河北农业大学农学院，国家棉花生物育种与综合利用重点实验室河北研究基地，邮编071001
摘要
气候变化正在从根本上重塑农业用地的适宜性，这对水资源利用、碳排放和作物产量产生深远影响。了解气候对耕地种植适宜性的长期驱动因素，并探索气候-农业-社会系统的多部门协调应对方案，对于缓解和适应气候变化至关重要。本研究构建了一个多维度框架，以评估1960年至2100年中国棉花（世界上最重要的经济作物之一）的气候适应情景。通过将物种分布模型与社会经济情景分析相结合，我们得出三个关键发现：（1）由于气候变化-土壤-地形相互作用，历史上棉花的高适宜区向北移动了166公里，同时海拔也上升了47米；（2）虽然气候适宜性决定了土地潜力，但实际种植决策仍主要由经济回报驱动，并受到当地生产管理水平的制约；（3）可持续适应需要平衡生物物理适宜性与生产效率和循环经济实践。本研究不仅强调了气候变化对农业用地变化的影响，还揭示了气候适宜性、社会经济因素和生产因素之间的协同机制，这些机制为有针对性的土地利用规划提供了依据。基于这些发现，我们建议未来的农业政策应优先考虑气候智能型土地利用分区，支持新兴适宜地区的适应性基础设施建设，并提供经济激励措施，以指导气候变化情景下的种植结构优化。这些见解在优化气候智能型农业结构、促进农业适应气候变化以及实现可持续和清洁生产方面发挥着关键作用。
引言
为满足全球人口增长带来的对农产品日益增长的需求（预计到2050年将达到约97亿人口，FAO，2017年），提高未来作物产量已成为确保全球农业消费的核心挑战（Clapp等人，2022年；Tilman等人，2011年）。然而，气候变化加剧了全球变暖，并增加了极端天气事件的频率，对农业生产构成了严重威胁（Tilman等人，2011年）。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的估计，由于气候变化的加剧影响，到2100年约有22亿公顷的土地将不再适合农业生产，尤其是在气候敏感地区（IPCC，2022年；Robinson等人，2021年）。同时，气候变化可能使一些目前不适合耕种的地区（如某些高纬度和干旱地区）变得适宜，为耕地的再利用和开发提供了新的机会（Hannah等人，2020年；He等人，2019年）。这种大规模的耕地利用变化必将导致农业生产系统的巨大变化（如水资源管理的变化）和重大的环境影响（如可能的碳排放增加）（Zabel等人，2014年；Yang等人，2025年）。了解长期气候变化下耕地种植适宜性的变化模式和驱动因素，有助于探索气候-农业-社会系统的多部门协调应对方案，这对于缓解和适应气候变化至关重要（Wen和Chen，2023年；Xie等人，2023年）。
棉花作为中国最重要的经济作物之一，约占全球棉花产量的24%，在全球棉花纺织供应链中发挥着关键作用。因此，确保稳定的高棉花产量对中国经济安全及其产业链的稳定性至关重要（Dai等人，2017年）。中国的棉花种植覆盖了从湿润的东部沿海地区到干旱的西北部等多个地区，这些地区的地理和气候条件复杂多样。然而，全球变暖显著改变了气象资源的时空分布，导致中国的农业气候带向北移动（Ceglar等人，2019年）。这种变化影响了各个地区的棉花种植适宜性和高产潜力（Holst等人，2013年）。尽管栽培技术和作物育种在一定程度上缓解了气候变化的影响，但调整种植区域的分布对于棉花的长期气候适应仍然至关重要。
随着本世纪气候变化的加剧，未来棉花种植区域的适宜性仍不确定。因此，迫切需要对中国棉花种植适宜性进行长期评估，以保护现有的高适宜区域并战略性地规划和开发未来的高适宜区域，从而提高对变化气候条件的适应能力（Shi等人，2021年）。此外，尽管气候变化直接决定了棉花种植区域的适宜性，但实际种植布局不仅受气候因素的影响（Feng等人，2017年）。棉花种植是一个涉及社会-气候-农田生态系统调节的复杂过程（Zhang等人，2023b）。实际上，棉花种植区域的位置和种植面积的变化还受到社会经济因素的影响，包括当地农民的意愿、生产技术水平、市场需求和政策支持（Wang和Xiao，2018c；Wang等人，2018a，2018b；Feng等人，2022年；Zhang等人，2024年）。在气候变化的背景下，棉花种植布局的变化与社会发展之间的关系仍然复杂，目前缺乏系统性的研究。
因此，本研究旨在解决以下科学问题：
(1)在中国历史和未来的气候变化背景下，棉花种植适宜区域的时空变化及其驱动因素是什么？
(2)棉花的气候适宜性、生产投入因素和社会经济要素如何相互作用影响实际的棉花种植布局，它们对棉花产量的综合影响是什么？
(3)如何优化中国未来的棉花种植布局和策略，以适应气候变化并确保可持续生产？
为回答这些问题，本研究采用机器学习优化的空间决策模型（SDMs），系统地评估了1960年至2100年中国棉花种植适宜区域，确定了它们的时空变化和关键驱动因素。在省级层面，研究进一步探讨了棉花气候适宜性、生产投入因素、社会经济要素与棉花种植布局之间的关系，分析了它们对棉花产量变化的综合影响。基于这些发现，研究提出了一个更全面、科学和合理的策略，以优化棉花生产和消费布局，为优化气候智能型农业结构、促进农业适应气候变化以及实现可持续和清洁生产提供理论依据。本研究的技术流程图如图1所示。
研究区域和棉花分布记录
中国适宜棉花种植区域的时空变化
经过机器学习的SDMs成功识别了棉花适宜性的关键驱动因素，在所有时期内的AUC值均为0.90 ± 0.02，表明其对预测中国适宜棉花种植区域的准确性很高（图S3和S4）。Jackknife分析显示，棉花适宜性的主要驱动因素是4月至10月的累积温度（27.0%–30.2%）和总降水量（7.0%–9.6%）、坡度（19.0%–29.5%）以及干旱指数（5.2%–8.4%）、海拔
棉花种植区域正在向北移动并向更高海拔地区扩展
为了解决第一个科学问题，我们使用高分辨率、大规模、长期的数据集模拟了中国适宜棉花种植区域的时空变化。结果表明，棉花种植对气候变化非常敏感（Wu等人，2024a），其适宜区域出现了显著的时空变化。从1960年到2020年，中国适宜棉花种植的区域主要向西北部种植区转移
结论
本研究采用机器学习优化的SDM系统地评估了1960年至2100年中国适宜棉花种植区域的时空动态。分析评估了气候因素、社会经济条件和农业投入对棉花种植分布和产量的综合影响，为制定长期可持续生产和气候适应策略提供了关键见解
CRediT作者贡献声明
郭思萌：撰写——初稿、方法论、资金获取、数据管理、概念构思。吴凤琪：撰写——初稿、软件开发、方法论、数据管理、概念构思。王宇涵：撰写——审稿与编辑、软件开发、形式分析。王健：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。张正贵：撰写——审稿与编辑、可视化、监督。潘占雷：撰写——审稿与编辑、验证、监督。崇晨曦：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了“丝绸之路经济带创新驱动发展试验区”和“吴昌石国家创新示范区”的科学技术发展计划（2023LQJ03）、河北省研究生创新资助项目（CXZZBS2025093）以及“天山人才”培训计划的支持，该计划旨在研究棉花在碳达峰和碳背景下的碳汇功能及棉花纺织品的碳标签创建
