气候变化重塑中国黄河流域谷类作物灌溉需水量与水分生产力

《Agricultural Water Management》：Climate change reshaped cereal irrigation requirements and water productivity in the Yellow River Basin, China

　　

气候改变正引致作物需水与生产效率发生变化，然而其对区域尺度灌溉需水量（Irrigation Water Requirements, IWR）及作物水分生产力（Crop Water Productivity, WP_c）的影响尚缺乏充分认知。研究人员采用耦合农业水文模型EPIC-SWBM，量化了1975–2024年间气候长期影响对黄河流域（Yellow River Basin, YRB）灌溉玉米和小麦系统的作用。研究运用夏普利值分析（Shapley value analysis），将气候驱动变化归因于大气水分供给、蒸散发需求及温度相关作物响应三条途径。结果表明，玉米各子区域IWR均呈上升趋势但无统计显著性，而玉米WP_c在流域中部、南部及东南部显著下降，降幅最高达0.03 kg·m^?3·decade^?1；小麦WP_c在流域西部和中部部分区域下降，而小麦IWR在西部及中北部显著增加，速率分别为9.4和11.8 mm·decade^?1。蒸散发需求上升是大部分地区灌溉压力增加和WP_c下降的主导驱动因子，而降水增加在湿润地区（尤其东南部）部分缓解了灌溉压力。基于IWR与WP_c的联合变化趋势，32.9%的玉米种植区和33.3%的小麦种植区被划定为高风险区。这些发现突显了气候变化下水需求与生产效率之间日益失衡的问题，并强调了路径特异性适应策略的必要性，包括在以需求驱动为主的区域实施土壤水分保蓄措施，以及在热胁迫成为关键限制因子的区域开展作物适应性调整。

本研究发表于《Agricultural Water Management》，旨在系统解析气候变化对黄河流域两大主粮作物灌溉需水量与水分生产力的长期影响机制，并为区域农业水资源适应性管理提供科学依据。

研究背景方面，灌溉农业在全球淡水取用量中占比约70%，而气候变化正通过改变水循环过程加剧水资源供需矛盾。黄河流域作为中国重要的粮食生产基地，承载着全国约15%的耕地面积，却长期面临严峻的水资源短缺问题，农业用水占流域地表水取水量的62%、地下水取水量的58%。尽管既有研究多聚焦于作物产量对气候变化的响应，或利用遥感与机器学习技术监测耗水状况，但这些方法往往受制于实际供水条件，难以反映气候驱动的完整灌溉需求及其对区域灌溉系统的生物物理压力。灌溉需水量（IWR）和作物水分生产力（WP_c）作为过程性指标，能够揭示气候对农业的作用机制，然而目前仍缺乏覆盖多年代际、高空间分辨率的连续数据集。因此，构建兼具机理性与高效性的农业水文模型框架，对流域尺度灌溉需求与生产效率的时空演变开展长期评估，具有重要的科学与实践价值。

研究人员开展了以下研究：首先，构建并验证EPIC-SWBM耦合模型，集成环境政策综合气候模型（Environmental Policy Integrated Climate model, EPIC）与根区土壤水分平衡模型（Soil Water Balance Model, SWBM），在1 km分辨率下模拟1975–2024年黄河流域玉米和小麦的灌溉系统；其次，采用固定管理、近无水分胁迫的自动灌溉情景（土壤水分阈值设为田间持水量的80%），以剥离管理变化影响、单独识别气候效应；第三，运用夏普利值分析，将气候驱动变化分解归因于大气水分供给（P，以降水量PRE表征）、大气蒸散发需求（D，以参考蒸散发ETo表征）和温度相关生理约束（T，以热胁迫指数TSI表征）三条途径；第四，基于IWR与WP_c变化趋势的联合响应，构建双变量风险分类框架，识别农业水风险空间格局。

研究得出的主要结论及其重要意义包括：揭示了过去50年气候变化重塑流域灌溉需水与水分生产力的空间异质性规律，量化了不同气候途径的贡献率，发现约三分之一种植面积面临高风险，为路径特异性适应策略的制定提供了精细化的科学依据。

关键技术方法方面，研究主要采用四种技术手段：一是基于中国气象局109个气象站日值数据，运用普通克里金插值获取1 km格网气象驱动场；二是构建EPIC-SWBM耦合模型，以动态双层土壤结构替代原EPIC多层土壤方案，并分作物子区设定参数集，经71组文献提取的作物蒸散发与产量数据集完成校准与验证；三是设计三因子全因子实验（2³），包含8种气候情景组合，应用夏普利值分析量化各途径对IWR和WP_c变化的边际贡献；四是采用Mann-Kendall趋势检验与Sen斜率估计，结合IWR增降与WP_c升降的双 corridor联变化，划分高风险的5类农业水风险区。

研究结果部分按照原文结构分述如下：

模型校准与验证：EPIC-SWBM模型对实际作物蒸散发（ET_{c act}）和产量具有良好的模拟精度。校准阶段，玉米ET_{c act}和产量的决定系数（R²）均达0.74，平均相对误差（MRE）约9%；小麦ET_{c act}和产量的R²分别为0.65和0.69，MRE介于9.2%–11.2%之间。独立验证结果进一步证实模型在不同试验条件下的稳健性，表明该模型适用于流域长期农业水需求与生产力模拟。

IWR和WP_c的时空格局：50年平均值显示，流域西北部（特别是子区II）降水最低而ETo最高，导致玉米IWR常超400 mm；东南部因降水充裕、ETo较低，灌溉需求相应减少。玉米WP_c高值区（2.6–2.8 kg·m^?3）位于东北及中东部，小麦WP_c高值区（1.8–2.0 kg·m^?3）集中于黄河下游。时间趋势上，玉米子区I、II、III的IWR上升，其中子区I增速最高（9.39 mm·decade^?1）；玉米WP_c在中部（III区，?0.0205 kg·m^?3·decade^?1）和南部（IV区，?0.0281 kg·m^?3·decade^?1）显著下降。小麦IWR在I区（9.42 mm·decade^?1）和III区（11.77 mm·decade^?1）显著增加；WP_c在I区和III区分别下降0.0150和0.0100 kg·m^?3·decade^?1，而IV区微增0.0073 kg·m^?3·decade^?1，呈现局部稳定性。

气候影响归因：各子区ETo和TSI普遍上升，指示大气需求增强和暖化驱动的生理转变。空间归因分析显示，D是大多数地区IWR增加和WP_c下降的主导因子。玉米IWR方面，P在中部和东南部为主控因子，D主导其余区域；除V区外全流域IWR增加，V区因降水增加约27%导致IWR净降75%。小麦IWR各子区均净增，D为一致主导因子，如III区D正贡献11.5%，被P的?4%部分抵消，净增8%。WP_c变化受D负效应与T正效应的对抗调控：D增强导致水分利用效率降低，而TSI升高意味着热胁迫减轻，对WP_cc增6.5%，几近被D的?6%抵消。空间上，玉米WP_c变化在西北和北部由T主导，其余由D主导；小麦WP_c变化在东部和南部由T主导，多数区域由D解释。IV区T正贡献5%，克服D负压力后净增0.8%。P对WP_c影响有限，这与自动灌溉下水分胁迫近乎消除有关。

农业水风险分类：约42.2%玉米区和46.6%小麦区无显著趋势，系统相对稳定。高风险区占玉米32.9%、小麦33.3%，为气候脆弱性关键热点，其中玉米高风险区集中于北部，小麦高风险区向东南和西南部延伸。退化类（双降）占玉米18.5%、小麦0.9%，反映玉米区系统性衰退；强化类（双升）占小麦17.8%、玉米6.0%，显示小麦系统以水资源消耗换取生产力提升。理想类（IWR降WP_c升）极为有限且空间破碎，主要散见于流域东南部。超半数流域面积正经历显著农业转型，趋向脆弱性加剧或资源消耗强化。

讨论部分，研究人员从方法论层面阐述了EPIC-SWBM模型的创新价值。相较于点位插值或统一参数集的方法，该模型通过动态双层土壤结构和子区特异性参数，在降低参数需求的同时保留了土壤水分平衡与作物生长的关键过程，支持更全面的归因分析。夏普利分析能够处理气候驱动因子的强烈非线性交互，克服了传统相关或回归方法的局限。路径分析揭示同一气候变量的多重作用机制：升温既增加ETo，又通过调节作物生理产生热胁迫效应，在较冷子区部分缓解热限制、提升WP_c，但此类效益空间受限，通常被蒸散发需求主导效应所淹没。这一发现与全球尺度暖化增加灌溉需求的认知一致，同时拓展了既有研究仅关注IWR或WP_c单一维度的不足，表明灌溉需求增加未必伴随成比例的生产效益。

研究进一步指出，约三分之一种植面积的高风险特征要求优先布局气候适应策略。鉴于流域普遍存在灌溉赤字和水资源配置失衡，IWR上升可能加剧供需缺口，特别是增加下游渠井灌区的地下水开采压力。适应措施应针对主导气候约束精准施策：在蒸散发需求主导的高风险区，需减少非生产性耗水，采用覆盖保墒、残茬保留等土壤水分保持技术；在热胁迫限制区（如Wheat I），宜推广耐热品种与调整播期。下游冬小麦-夏玉米轮作区呈现作物间响应差异，玉米趋向退化型、小麦趋向强化型，尽管轮作系统净WP_c可能稳定，但作物季特异性脆弱性不容忽视。

局限性方面，研究假设播种日期和灌溉耕地不变，未能纳入历史管理适应和灌溉扩张的影响；EPIC温度胁迫函数未显式表征花期、灌浆期等敏感阶段的短时热害；自动灌溉情景代表气候灌溉需求而非实际用水，在水资源约束区域可能高估灌水量；大气CO₂肥效未予考虑，未来研究需纳入以完善评估。

研究结论部分翻译如下：本研究将基于过程的农业水文模型（EPIC-SWBM）与途径归因分析相结合，评估了1975–2024年间黄河流域玉米和小麦灌溉需水量（IWR）与作物水分生产力（WP_c）的长期气候影响。结果揭示了气候变化重塑IWR、WP ple华德及其气候控制因素方面存在强烈的空间异质性。在子区尺度上，玉米IWR未检测到显著长期趋势，而玉米WP_c在流域中部、南部和东南部分别以0.0205、0.0281和0.0188 kg·m^?3·decade^?1的速率显著下降。小麦IWR在西部和中北部分别以9.42和11.77 mm·decade^?1显著增加，而小麦WP_c在西部和中部部分区域分别以0.0150和0.0100 kg·m^?3·decade^?1显著下降。蒸散发需求上升是大多数地区IWR增加和WP_c下降的主导驱动因子，而降水变化仅在湿润地区部分抵消了这些效应。温度相关胁迫效应更具区域特异性，暖化在部分凉爽地区缓解了热限制，但在热胁迫仍突出的地区增加了脆弱性。通过整合IWR和WP_c的变化，研究进一步识别了不同的农业气候风险类别，约33%的玉米和小麦面积被归为高风险。这些发现表明，气候变化不仅影响作物需水量，还影响水分转化为产量的效率。更广泛而言，该研究提供了一个基于过程的框架，用于识别途径特异性适应优先事项，以支持持续气候变化背景下更可持续的农业水资源管理。