《Water Resources Research》：Future Warming Decreases Irrigation-Induced Yield Benefits in Global Food Production
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灌溉在过去使得粮食生产比农民仅依赖雨养（R）系统时更高且更稳定。然而，在气候变化下，由于作物水分需求增加和可用水量限制，其未来效益可能会降低。研究人员在当前灌溉农田上比较了灌溉和雨养条件下的作物产量。他们使用集成作物与水分模型（CROVER），在至2100年的
灌溉在过去使得粮食生产比农民仅依赖雨养（R）系统时更高且更稳定。然而，在气候变化下，由于作物水分需求增加和可用水量限制，其未来效益可能会降低。研究人员在当前灌溉农田上比较了灌溉和雨养条件下的作物产量。他们使用集成作物与水分模型（CROVER），在至2100年的多种气候情景下进行模拟，并将两者差异作为灌溉效应的指标进行量化。研究发现，灌溉对产量的效应保持在接近当前水平直到本世纪中叶。这对应于相对于工业化前水平（1850-1900）全球十年平均气温上升至多+2°C的情况。在高温室气体排放情景下，至本世纪末气温上升约+5°C，灌溉效应预计降至当前水平的约64%。在当前灌溉农田分布下，绝对作物产量预计下降约19%，而灌溉诱导的生产增益降至当前水平的约53%。这些结果表明，灌溉作为缓解作物水分胁迫缓冲剂的有效性随变暖而减弱。这凸显了理解气候驱动的作物水分供需变化如何限制灌溉有效性的重要性。
灌溉作为缓解气候变化影响、提高农作物产量的重要适应性措施，在过去半个世纪中通过面积的全球性翻倍扩展，为粮食安全做出了巨大贡献。然而，随着全球气候持续变暖，降水模式改变、极端天气频发，作物水分需求与水资源可用性之间的相互作用变得愈发复杂。以往的研究往往孤立考察水分需求或作物产量，未能全面捕捉水文过程与作物生理生长之间的耦合关系，因此难以准确评估未来气候条件下灌溉效益是持续增强还是逐渐衰退。为探明这一问题，研究人员开展相关研究并将其成果发表在《Water Resources Research》。该研究对理解农业水资源管理与适应气候策略具有深远的指导意义。
研究引入并使用了作物生产与河流环流模型（CROVER，一种将作物生长模型PRYSBI-2与全球水文模型H08耦合的模型系统），结合第5次耦合模式比较计划（CMIP5）中的5个大气环流模式（GCMs）和4个典型浓度路径（RCPs），在1.125°的日空间分辨率下模拟了至2100年的作物生长与水文过程。研究通过三个核心指标——灌溉效应、灌溉诱导生产增益和干旱风险指数——评估了在当前灌溉土地上水分供应带来的效益。后续模型校验与不确定性分析还对比了AgMIP项目下其他全球作物模型的模拟结果。
模型性能与预估表现
通过与历史观测数据比对，CROVER模型成功复现了主要作物产量的空间分布与年际变化特征，仅在部分区域存在如东亚水稻产量低估等系统偏差。尽管模型采用简化的水分配机制且未包含地下水文过程，但其实际模拟的灌溉与雨养产量差异与次国家尺度的估算高度一致，且响应趋势与其他多模型结果相符，证实了其用于量化灌溉效应的可靠性。
全球与区域产量及水分利用预估
研究结果显示，当全球十年平均地表温度较工业化前水平上升超过2°C时，所有情景下的综合平均产量均呈急剧下降趋势。在高度排放情景下，至本世纪末，全球平均综合产量将相对当前水平下降19%。气候变暖同样深刻影响灌溉取水量，在高度排放情景下，至本世纪末全球净灌溉取水量预计下降35.6%。
灌溉效应变化分析
灌溉效应随着气候变暖呈下降趋势，且该响应主要取决于温度上升水平而非特定排放路径。在高温室气体排放情景下，至本世纪末全球平均灌溉效应将降至当前水平的约64%。南亚以及中东和非洲（MEA）地区灌溉诱导的生产增益降幅最为显著，贡献了全球总降幅的63%。在作物类别上，小麦、水稻、玉米和大豆生产均出现不同程度的增益下降。
干旱风险与灌溉关系
基于实际蒸腾与潜在蒸腾比值的农业干旱风险呈现出显著的区域异质性。研究指出，干旱风险下降的区域往往伴随着灌溉效应的缩减。这是由于在降水改善或干旱缓解的区域，雨养系统水分胁迫的减轻缩小了与灌溉条件的产量差距，从而降低了灌溉带来的边际效益。
气候驱动因素与社会经济考量
通过影响因素固定实验证明，降水模式和作物生长期变化对灌溉效应的影响有限且存在相互抵消效应。导致灌溉效应和取水量下降的核心驱动因素是大气二氧化碳浓度（CO2）的持续升高。高CO2环境增强了作物水分利用效率（WUE），降低了作物整体水分需求，这部分降低的水分需求更多缓解了雨养作物的水分胁迫，进而缩小了与灌溉产量的差距。研究同时强调，当前模拟基于固定的土地利用和理想化水分配框架，未充分考虑未来社会经济途径（SSPs）、适应性种植行为、市场反馈及不同用水部门竞争等限制因素。未来的评估框架需进一步与综合评估模型耦合。
研究结论部分指出，随着大气CO2浓度升高降低作物水分需求，干旱风险与水分胁迫被有效缓解，从而缩小了雨养与灌溉条件间的产量差距，导致灌溉效应在高度排放情景下呈现衰退趋势。而在低排放情景下，灌溉效应得以维持。由于不同区域未来气候与水文条件的变化呈现高度的空间异质性，灌溉系统的实际角色与效益将发生显著重构。为此，研究呼吁未来农业水资源管理应当采取因地制宜的弹性调控策略，以应对气候与生理双重因素驱动的复杂效应演变。
