中国灌溉诱导蒸散发（IrrET）通过大气再循环大部分以降水返回陆地：2000–2020年高分辨率源–汇归因

《Earth's Future》：China's Irrigation-Induced Evapotranspiration Largely Returns to Land as Precipitation Through Atmospheric Recycling

　　

灌溉诱导蒸散发（IrrET）是灌溉水消耗（IWC）的大气通量，常被视为局地淡水耗竭，但该水通过大气再循环以降水返回何处仍缺乏量化。研究人员开发了中国IrrET的高分辨率估计，并将其与拉格朗日水分追踪（Lagrangian moisture tracking）结合，以量化其对局地和远程降水的贡献。该方法识别源于IrrET的水汽在何处贡献降水，而非模拟灌溉对降水的动力响应。IrrET由基于卫星的蒸散发（ET）与ERA5-Land基线ET之间的残差估算，并考虑数据集间偏差和灌溉耕地比例。所得IrrET估计经校准后与地级IWC统计高度一致（R=0.91，R_bias=?6%，根均方误差（RMSE）=0.28 km³ yr^?1）。2008–2017年，中国IrrET对降水的贡献为189.5 km³ yr^?1，其中65%落在陆地，包括47%在中国境内和18%在邻国陆地。水分追踪进一步揭示区域源–汇关系的差异：青藏高原和黄土高原获得净大气水输入，而其余区域表现为净大气水输出者。2000–2020年中国IrrET以2.8 km³ yr^?2的速率增加，主要归因于灌溉面积扩张。在固定气候源–汇关系下，该增加对应额外73.6 km³的归因降水。这些结果将局地灌溉水耗竭与区域水分再循环联系起来，并表明在耦合人–水–气候系统中评估灌溉可持续性时应考虑大气再分配。

研究背景与问题：灌溉支撑农业生产力与粮食安全，但也是全球最大用水部门，约占淡水取水的70%和消耗性用水的90%；近几十年灌溉扩张显著改变水文系统。灌溉水消耗（IWC，灌溉取水中经蒸散发消耗而难以返回地表水体或含水层的部分）主要通过蒸散发发生，灌溉诱导蒸散发（IrrET，灌溉引起的增量水汽通量）因此被用于量化IWC。传统水核算常将IrrET视为局地淡水耗竭，忽略其进入大气后可由风输送并以降水返回。已有研究认识到灌溉–降水反馈，但实际IrrET的大气归因仍难以量化：以往估计受陆气模式中灌溉量、时间、方式（如漫灌、喷灌、滴灌）及是否施加水约束的影响；区域气候模拟的侧边界条件可能抑制域外灌溉信号，限制远距离水分输送和遥相关。由此，IrrET水汽在陆地和海洋间如何分配、局地与远程再循环比例、源灌溉区与下游降水汇如何联系均不清楚。该研究据此构建中国高分辨率IrrET估计，并以卫星ET与ERA5-Land基线ET残差估算IrrET，校正数据集间偏差和灌溉耕地比例；再结合UTrack拉格朗日水分追踪源–汇分数，量化IrrET对局地和远程降水的贡献，强调这是水汽来源归因而非模拟灌溉的动力降水响应。IrrET估计经校准与地级IWC统计高度一致（R=0.91，R_bias=?6%，RMSE=0.28 km³ yr^?1）。2008–2017年中国IrrET贡献降水189.5 km³ yr^?1，65%落陆，其中47%在中国、18%在邻国陆地；区域源–汇关系分化，青藏高原和黄土高原为净大气水输入，其余农业区为净输出；2000–2020年IrrET以2.8 km³ yr^?2增加，主要因灌溉面积扩张；固定气候源–汇关系下，该增加对应额外73.6 km³归因降水。其意义在于将局地灌溉耗水与区域水分再循环联系，提示灌溉可持续性评估需纳入大气再分配。

关键技术方法：研究人员以八套卫星蒸散发（ET）产品表征中国农田总ET，并用六个涡度相关站点及桃园（Taoyuan）水量平衡ET观测评估；站点观测经Science Data Bank获取，地级IWC统计（2010–2020）来自31省水资源部门和中国经济社会大数据研究平台。以ERA5-Land为不显式表示灌溉的基线ET，在准纯雨养耕地网格上计算卫星ET与ERA5-Land的月偏差，用随机森林（RF）预测灌溉网格偏差；对准纯灌溉网格取正残差为IrrET，对部分灌溉或负残差网格以RF估算IrrET_unit再乘灌溉耕地比例。以空间格局效率（SPAEF）分农业区选择ET产品，并用RF校准至地级统计，生成CIrrET1km。采用UTrack拉格朗日水分追踪2008–2017年气候态源–汇分数，将月IrrET归因到下游降水；构建农业区转移矩阵和净大气水量平衡；按灌溉面积与IrrET_unit分解趋势。

3.1 卫星派生ET产品与IrrET估计评估：通过站点观测和地级IWC统计评估，多数ET产品能捕捉月变化（站点R多>0.70），但普遍系统性低估，尤其高ET条件；初始IrrET能反映空间变化但低估量级。采用SPAEF选产品和RF校准后，留一年交叉验证R=0.93、RMSE=0.30 km³ yr^?1，留地级验证R=0.88、RMSE=0.35 km³ yr^?1；最终CIrrET1km与统计一致（R=0.91，R_bias=?6%，RMSE=0.28 km³ yr^?1）。结论：校准产品具有良好样本外表现和统计一致性。

3.2 灌溉诱导ET的时空格局：通过CIrrET1km分析，IrrET集中于主要灌溉农业区；长江中下游平原占26%，北方干旱半干旱区24%，黄淮海平原15%，东北平原12%，黄土高原和青藏高原较少；季节上5–8月达峰。2000–2020年全国IrrET以2.8 km³ yr^?2增加，灌溉面积扩张贡献71%，IrrET_unit变化贡献29%；黄淮海平原增加主要因面积扩张，北方干旱半干旱区和长江中下游则由面积扩张和IrrET_unit增加共同驱动。结论：IrrET空间异质、季节性强并显著增加。

3.3 灌溉诱导ET对降水的贡献：通过UTrack源–汇分数归因，2008–2017年中国IrrET平均贡献降水189.5 km³ yr^?1；65%落陆，35%落海；陆上47%在中国、18%在邻国陆地，邻国中俄罗斯8%、蒙古2%、日本2%。中国内北方干旱半干旱区22%、长江中下游20%；青藏高原获9%的灌溉贡献降水但IrrET不足全国1%，显示源–汇空间错配。固定气候源–汇下，2000–2020年IrrET增加对应额外73.6 km³归因降水，其中51.3 km³（约70%）来自灌溉面积扩张。结论：IrrET大部分以降水返回陆地且贡献具有跨境和区域不均特征。

3.4 IrrET通过大气水分再循环的区域源–汇联系：通过农业区转移矩阵和净大气水量平衡，区内再循环最强为北方干旱半干旱区15.71 km³ yr^?1和长江中下游9.41 km³ yr^?1；长江中下游、东北平原和青藏高原分别接收远程再循环降水8.11、7.82、6.79 km³ yr^?1；多数农业区净大气水量平衡为负（净输出），黄土高原和青藏高原为正（净输入），中国以外为最大汇。结论：IrrET源–汇关系区域分化，存在净输入区和净输出区。

讨论部分指出，传统取水核算将灌溉取水分为水文回流和消耗性用水，后者视为局地淡水耗竭，未描述其大气命运；大气水分追踪补充了取水核算。国家尺度上，2008–2017年灌溉取水341.7 km³ yr^?1，非消耗152.2 km³ yr^?1，IrrET 189.5 km³ yr^?1；其中89.8 km³ yr^?1以降水返回中国，相当于总取水26%，99.7 km³ yr^?1经大气输出国界。区域上非消耗水文回流占取水28%–57%，源区内大气返回占5%–33%；黄淮海平原水文回流比例较低但源区内大气返回小；北方干旱半干旱区和青藏高原等内陆区源区内大气返回较高。大气再分配不抵消水源区淡水耗竭，但构成常规核算之外的路径。不确定性包括：UTrack基于ERA5，灌溉未显式表示，轨迹为气候态水分连接而非灌溉特定路径；固定气候轨迹假设下，2008–2017年与1991–2020年ERA5气候态春夏季水分输送高度一致（空间相关0.996–0.997，平均相对差1.19%–1.46%），支持输送气候态代表性，但未表示年际和长期变化；2000–2020年变化应解释为固定气候输送下IrrET驱动的归因降水变化。贡献不等于动力响应，灌溉可增强或抑制降雨；ERA5-Land基线可能继承灌溉信号而使IrrET低估；剩余系统偏差主要影响绝对量，空间非均一偏差可改变源区相对贡献；未来需结合灌溉显式耦合陆气模式、集合水分追踪和观测约束。

研究结论（翻译）：本研究开发中国灌溉诱导蒸散发（IrrET）高分辨率数据集，并结合拉格朗日水分追踪量化灌溉水消耗（IWC）如何通过大气水分再循环贡献降水。结果表明，中国IrrET的相当部分以降水返回陆地，既贡献中国境内也贡献邻国陆地；水分追踪揭示明显区域源–汇关系：青藏高原和黄土高原获得的IrrET贡献降水大于其本地IrrET，其他农业区相反；在固定气候源–汇关系下，2000–2020年IrrET增加对应更多归因降水，主要因灌溉面积扩张。这些发现将局地消耗性用水与大气水分再分配联系起来；灌溉消耗仍是源区真实淡水耗竭，尤其在缺水区，但部分消耗水随后以再循环降水重返陆地水循环；区域灌溉可持续性评估应同时考虑局地淡水耗竭和消耗水后续大气再分配。