《Agricultural Water Management》：The world is being fed at the expense of nature: A remote sensing based global assessment from 2000 to 2019
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摘要翻译：理解农业生产力的动态变化对于评估全球在保障自然的同时实现粮食安全的能力至关重要。这需要追踪粮食生产相对于自然资源利用的状况。农业用水管理综合评估（CAWMA）是一项由CGIAR领导、700多名科学家参与的重大研究，提出了未来粮食生产的六种情景；其最优
摘要翻译：理解农业生产力的动态变化对于评估全球在保障自然的同时实现粮食安全的能力至关重要。这需要追踪粮食生产相对于自然资源利用的状况。农业用水管理综合评估（CAWMA）是一项由CGIAR领导、700多名科学家参与的重大研究，提出了未来粮食生产的六种情景；其最优情景描绘了到2050年实现粮食、经济和环境目标的路径。研究人员利用经过验证的全球数据集的卫星遥感数据，得出了2000年至2019年关键农业变量的时空显式趋势，并将其与CAWMA最优情景预测进行了比较。研究结果表明，世界已大幅偏离该情景，与更为悲观的展望相一致。全球农业生产增长了24.3%，接近预测的26.2%的粮食需求增长，但这是通过农田面积扩大11.5%（比预测的3.6%快三倍）、灌溉面积至少增加15.0%（比预测的6.1%快两倍以上）实现的。作物耗水量增加了25.3%，而预测值为7.4%。土地生产力仅提高了11.6%，而预测值为21.7%；水分生产力下降了1.6%，而预测值为增长12.9%。这些趋势证实了持续的资源密集型习惯，危及自然，并破坏了长期的水和粮食安全。为了扭转这些轨迹，研究人员建议将农业情景建立在结合遥感与统计数据的经验证据基础上；定期更新生产力模型；提高政策制定者的数据可获取性；转向粮食生产的系统性转型；并采取局部差异化但全球协调的应对措施。
论文解读：全球农业用水与生产力趋势的遥感评估——基于CAWMA最优情景的实证比较
研究背景与问题：过去二十年间，经济、人口和营养压力共同推动了粮食生产需求的急剧上升。与此同时，全球评估强调必须限制农田扩张、减少作物耗水量、遏制生物多样性丧失并应对水资源短缺与气候变化。这一复杂挑战要求提高农业生产力，即在不再扩大土地和水资源使用的前提下生产更多粮食。农业生产力包括土地生产力（每公顷作物产量）和水分生产力（每立方米水的作物产量）。尽管提高农业生产力已被广泛认可，但主要作物的土地生产力增长近期有所放缓，农田扩张却超出生态安全界限。现有的农业情景预测往往忽略作物生长的关键生物物理约束，过度依赖经济假设和技术乐观主义，可能产生误导。因此，需要将模型预测与实际经验数据进行比较，以判断农业生产力预测是否过于乐观。此前Seijger等人基于FAOSTAT数据比较了CAWMA预测与实际趋势，但存在统计数据不一致、空间粒度有限、未纳入作物耗水量分析以及仅关注三种主要作物等问题。为此，本研究利用卫星遥感数据，对CAWMA最优情景的预测进行独立、时空一致的全农田系统评估。
研究内容与方法：研究人员从CAWMA中识别出六个可通过遥感估算的关键农业变量：农田面积、灌溉面积、作物耗水量、总农业生产、土地生产力和水分生产力。研究获取了多种开放获取的遥感数据集：农田面积来自Potapov等（2022b）的30米分辨率数据，生物量数据来自Running和Zhao（2021）的500米分辨率数据，蒸散发数据来自Running等（2021）的500米分辨率数据，复种指数来自Liu等（2021）的250米分辨率数据，灌溉面积则采用约2019年的多个遥感产品进行比较。分析时段为2000—2019年，按4年为一个时期（2000–2003、2004–2007、2008–2011、2012–2015、2016–2019）进行聚合，以平滑短期波动。像素级估计汇总到CAWMA定义的七个区域：撒哈拉以南非洲（SSA）、拉丁美洲和加勒比（LAT）、中东和北非（MENA）、南亚（SAS）、经济合作与发展组织国家（OECD）、东欧和中亚（CAS）、东亚和太平洋（EAS）。研究人员将观测到的趋势与CAWMA“乐观但可行情景”（最优情景）的预测进行比较，该情景的预测值来自Molden（2007）表13.3，覆盖2000—2050年。为与观测期（2000—2019）直接比较，研究人员根据预测的年变化率将预测值转换为19年等效变化。需要指出的是，灌溉面积变化并非来自时间连续的统一遥感产品，而是通过比较FAO约2000年的基准灌溉面积与多个遥感产品约2019年的估计值，以指示变化的可能方向和大致幅度。
研究结果：全球趋势显示，总农业生产从2000年的108.13亿吨增加到2019年的134.36亿吨，增长24.3%，与最优情景预测的26.2%相近。但这种总量增长的相似掩盖了投入产出结构的巨大差异：农田面积实际扩大11.5%，是预测值3.6%的三倍多；灌溉面积增长因数据源不同介于15%至151%之间，远超预测的6.1%。作物耗水量从5179 BCM增加到6490 BCM，增长25.3%，是预测值7.4%的三倍多。土地生产力仅提高11.6%，不到预测值21.7%的一半；水分生产力反而下降1.6%，而预测为增长12.9%。这表明全球农业正沿着资源扩张而非效率提升的轨迹发展。区域趋势呈现显著差异：农田面积扩张最剧烈的是LAT（39.6%）和SSA（36.1%），而CAS和OECD基本稳定（0.8%和2.4%）。LAT和SSA的农业生产分别增长73.7%和53.1%，远超全球平均，但伴随作物耗水量大幅上升（71.8%和55.1%）。土地生产力在所有区域均有提升，LAT最高（24.4%），MENA和CAS最低（4.1%和4.7%）。水分生产力在几乎所有区域要么停滞要么下降，SAS降幅最大（-5.6%），MENA为-3.7%，EAS为-2.8%，仅LAT和OECD有微弱正增长（1.1%和0.4%）。复种指数变化普遍温和，SAS最高（6.5%）。时间序列显示，LAT和SSA的农田面积持续大幅上升，CAS和OECD保持平稳；LAT的土地生产力从13.89吨/公顷升至17.28吨/公顷，MENA始终最低；几乎所有区域的水分生产力线要么平坦要么向下倾斜。区域分析揭示了不同的发展模式：LAT以出口导向农业推动大规模农田扩张，与大豆种植翻倍相关；SSA受人口增长和出口作物驱动，伴随林地和灌木地转化；MENA在水资源极度稀缺背景下仍扩展灌溉，导致水生产力下降；SAS通过提高复种指数和灌溉扩张实现增长，但水生产力降幅全球最大；EAS在适度农田扩张下实现增长，但耗水量增加引发可持续性担忧；CAS在无农田扩张条件下实现最低生产增长，但水生产力无改善；OECD以集约化为主，但水生产力基本未变。
讨论与结论：研究表明，2000—2019年全球农业走的是扩张而非可持续集约化的道路。土地生产力增长仅为预期的一半，水分生产力反而下降，为满足生产需求，农田扩张和耗水量增长分别超出预测约320%和340%。这种趋势由经济、技术、环境和政策因素共同塑造：经济上追求粮食自给和商品生产，投入品成本上升使集约化缺乏吸引力；技术上产量平台期和光合效率突破有限；环境上土地退化降低了集约化效果，气候变异和干旱促使以面积扩张作为风险规避策略；政策上贸易波动和粮食价格危机促使各国优先通过国内扩张和海外购地保障粮食安全。若延续当前趋势，到2050年全球农田将扩张约30%（约3.26亿公顷），作物耗水量可能增加67%（每年额外3448 BCM水资源）。研究提出五项关键建议：一是将农业预测基于经验证据，整合遥感与统计数据；二是定期更新作物生产与生产力模型；三是提高土地利用、耗水量和作物数据对决策者的可获取性；四是推动粮食生产范式系统性转型；五是采取局部差异化但全球协调的应对措施。研究局限性包括未覆盖非农业用水（工业、市政、数据中心等），基于生物量变化的产量估计可能受到有意减产（如品质提升或亏缺灌溉）的干扰，且跨区域生产力比较需谨慎。结论明确指出，2000—2019年的农业轨迹与CAWMA最优情景严重偏离，生产增长过度依赖农田扩张和耗水量增加，而非土地和水分生产力提升。遥感数据为独立监测农业动态提供了有价值的工具，应优先在现有农田和水资源上提升生产力，并加强遥感数据与作物及社会经济数据的整合，为决策提供支持。该研究发表在《Agricultural Water Management》，为全球农业水资源管理的可持续转型提供了重要的实证依据。
