气候变化与伊朗冬小麦的未来：粮食与水资源安全的启示

《Sustainable Futures》：Climate change and the future of winter wheat in Iran: Insights for food and water security

　　

确保旱地粮食安全需要全面了解气候变化（CC）对主粮作物和农业需水量的影响。本研究利用DSSAT-NWheat模型，在连续、空间显式的0.25°×0.25°栅格框架内，评估了气候变化对伊朗冬小麦产量和水分利用的影响。该模型整合了降尺度的NEX-GDDP-CMIP6气候预估、SoilGrids输入数据，以及经区域种植统计资料修正的全球灌溉地图数据集。在SSP245和SSP585情景下，相对于基线，中期和末期预估显示灌溉（5.1–17.7%）和雨养（14.1–60.9%）小麦产量总体增加，而灌溉消耗性用水量（4.1–18.2%）和灌溉耗水量（12.9–33.1%）则有所下降。产量增益可能与气候变化和CO₂升高的共同作用有关。伊朗南部的灌溉小麦产量将下降，尤其在SSP585情景下，本已缩短的生长季因极端温度而进一步缩短。尽管气候变化可能减少灌溉用水量，但由于降水和蒸散量增加，雨养用水量将小幅上升。大多数地区的水分生产力可能提高。不确定性分析表明，除SSP585情景末期雨养条件外，GCM驱动的产量和水分利用不确定性扩散较低。尽管产量提高，但在固定播种面积和人均小麦需求不变的假设下，预计到本世纪中叶全国自给率将下降12.1–14.6%，到本世纪末下降2.5–8.1%，表明仅靠产量增益不足以保障未来粮食供应。因此，建议采取兼顾农业韧性和需求管理的多尺度综合适应策略。

气候变化对伊朗冬小麦生产与水资源安全的影响：基于高分辨率栅格建模的系统评估

一、研究背景与意义

在全球气候变化背景下，保障干旱地区的粮食安全需要全面理解气候变化对主粮作物和农业需水量的影响。伊朗地处中东干旱与半干旱区，冬小麦是该国最重要的主粮作物，在国民食物结构中占据核心地位。伊朗长期推行小麦自给自足政策，但国内小麦生产高度依赖灌溉，对已十分紧张的水资源构成巨大压力。在此背景下，量化评估气候变化对伊朗冬小麦产量和水分利用的影响，对于协调粮食安全与水资源安全之间的权衡关系具有重要的战略意义。

既往研究在评估气候变化对伊朗小麦生产的影响时，主要存在以下局限：其一，采用基于气象站点的外推方法（如全球产量缺口地图集GYGA方法），假设宽阔缓冲区内的土壤和气候特征均一，难以捕捉复杂地理与气候条件下景观的连续空间异质性，在数据稀缺的伊朗地区引入较高不确定性；其二，依赖较早的CMIP5气候预估，且模式集成数量有限，缺乏稳健的定量不确定性分析。因此，采用基于连续空间栅格的建模框架、利用最新的CMIP6多模式集成数据进行高分辨率评估，成为克服上述局限的必要途径。

二、研究内容与主要结论

研究人员构建了覆盖伊朗全境每一个活跃农业栅格单元的0.25°×0.25°连续空间栅格模拟框架，利用DSSAT-NWheat过程模型，在SSP245和SSP585两种共享社会经济路径下，系统评估了21世纪中叶（2030–2049年）和末期（2080–2099年）气候变化对伊朗灌溉和雨养冬小麦产量、消耗性用水量、灌溉耗水量及水分生产力的影响，并进一步分析了未来小麦自给率、多尺度适应策略效果，以及量化了GCM驱动的预估不确定性。

研究得出以下核心结论：总体上，灌溉小麦产量在中世纪和末期分别增加5.1%–6.7%和9.6%–17.7%，雨养小麦分别增加14.1%–28.9%和24.6%–60.9%，产量增益主要归因于气候有利变化与CO₂肥效的协同作用；然而，伊朗南部若干热点区域（胡齐斯坦R#1、法尔斯南部R#2、俾路支斯坦南部R#3）的灌溉小麦在SSP585情景下将出现显著减产，末期降幅达12.5%–32.9%，主要原因是高温胁迫急剧加速作物物候发育、缩短关键的开花与灌浆期；灌溉小麦消耗性用水量下降4.1%–18.2%，灌溉耗水量减少12.9%–33.1%，相当于节约0.86–1.76十亿立方米（BCM）灌溉用水；大多数区域水分生产力提高9.6%–44.3%。尽管产量增长显著，但受人口增长影响，全国小麦自给率预计将下降12.1–14.6%（中期）和2.5–8.1%（末期），表明仅依靠生物物理产量增益不足以保障未来粮食安全，亟需需求侧管理措施。

三、关键技术方法

该研究采用的核心方法包括：第一，基于DSSAT-NWheat模型的高分辨率栅格模拟框架，将研究区离散化为0.25°×0.25°网格，与降尺度气候驱动数据空间分辨率对齐，并根据各栅格内实际种植面积比例进行面积加权聚合；第二，使用NASA NEX-GDDP-CMIP6数据集提供的28个全球气候模式（GCM）双情景（SSP245、SSP585）降尺度日值气候预估数据，覆盖基线（1995–2014）、中期（2030–2049）和末期（2080–2099）三个时段；第三，采用SoilGrids 250m高分辨率土壤属性数据，通过土壤转换函数估算DSSAT所需的水力参数；第四，灌溉区域划定基于联合国粮农组织（FAO）全球灌溉地图数据集（GIMD）第5版，并结合伊朗农业部（MOA）统计数据修正；第五，作物品种遗传参数来自Fallah基于农业研究教育推广组织（AREEO）多环境区域试验的校准结果，包含4个灌溉品种（Pishtaz、Chamran、Tajan、Shahriyar）和4个雨养品种（Azar2、Sardari、Tajan、Karim）；第六，采用非参数Bootstrap（100次迭代）程序量化GCM驱动的预估不确定性，以相对置信区间宽度（RCIW）为指标。

四、主要研究结果

（一）产量预估

灌溉小麦产量在SSP245和SSP585情景下中期分别平均增加5.1%和6.7%，末期分别增加9.6%和17.7%；雨养小麦产量中期分别增加14.1%和28.9%，末期分别增加24.6%和60.9%。然而，SSP585情景下南部热点区域出现显著减产，其中R#1在中期和末期的产量变化分别为?4.3%和?17.7%，R#2为+2.7%和?12.5%，R#3为?13.1%和?32.9%。法尔斯省雨养热点R#4在中世纪SSP245和SSP585下分别减产6.8%和5.7%。

（二）CO₂肥效贡献

通过对比动态CO₂（+CO₂）与恒定历史CO₂（?CO₂）模拟结果发现，仅气候变化的效应下（?CO₂），SSP585末期雨养和灌溉产量仍分别增加33.4%和6.5%；而CO₂肥效将SSP585末期雨养产量增幅提升至60.9%，并大幅缩减了减产面积比例。以SSP245中期灌溉情景为例，忽略CO₂肥效时46.5%的种植面积面临减产，考虑后降至9.7%。

（三）与GAEZ预估对比

与FAO全球农业生态区划（GAEZ）基于CMIP5的预估相比，雨养产量变化趋势高度一致，均预测21世纪雨养小麦产量显著上升；但灌溉产量方面，GAEZ预估变化幅度较小（?3.0%至+0.5%），而本研究预估增益为5.1%–17.7%，差异可能源于气候数据、模型结构及情景设置的差异。

（四）未来小麦自给率

在固定种植面积和人均小麦需求不变的假设下，全国小麦产量将从基线的1060万吨增至SSP245下1130–1200万吨和SSP585下1190–1340万吨；但考虑SSP2和SSP5人口增长后，自给率从基线的77.0%下降至SSP245下的62.4%–68.9%和SSP585下的64.9%–74.5%。

（五）适应策略

播期调整方面：在SSP585末期，R#1和R#2推迟播种两周分别增产5.2%和7.0%，R#3推迟三周增产14.7%；R#4提前两周可将减产转为增产7.9%–8.6%。氮肥管理方面：增施25%和50%氮肥分别使雨养产量增加12.7%–19.0%和25.1%–33.8%，灌溉产量增加6.1%–7.6%和8.9%–10.7%；相应地，中期自给率在SSP245下可从62.4%提升至69.1%和73.3%，在SSP585下从64.9%提升至69.5%和73.9%；末期在SSP245下从68.9%提升至75.5%和77.3%，在SSP585下从74.5%提升至78.5%和83.5%。但增施氮肥也带来环境代价，未来氮淋溶每生长季预计增加0.25–0.48 kg ha^?1。

（六）水资源利用预估

灌溉小麦消耗性用水量（即实际蒸散量ET）在92%以上的模拟栅格中下降，SSP245下中期和末期分别减少4.1%和5.5%，SSP585下分别减少8.0%和18.2%。灌溉耗水量（IWC）在SSP245下减少12.9%和18.5%，SSP585下减少15.9%和33.1%，对应节约灌溉水0.86–1.76 BCM。雨养小麦消耗性用水量变化较小（?3.9%至+4.0%）。物理水分生产力（WP）在95%以上区域提高，灌溉条件下提高9.6%–44.3%，雨养条件下提高10.6%–57.8%。

（七）建模不确定性

灌溉小麦产量RCIW为10.3%–21.4%，ET为8.6%–17.8%；雨养小麦产量RCIW为16.7%–34.2%，ET为10.6%–22.1%。除SSP585末期外，RCIW总体低于30%，表明GCM间一致性较好。SSP585末期雨养产量RCIW超过30%的区域约占58%，反映出高排放情景下远期雨养预估具有较高不确定性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，雨养小麦产量增益大于灌溉系统，主要归因于未来降水在生殖生长阶段（EB期和灌浆期GF期）的有利再分配——EB期降水增加24%–66%，GF期增加29%–79%，而这两个阶段的降水与雨养产量相关性最强。同时，雨养小麦多种植在较冷凉地区，生长季较长，气候变暖导致的生育期缩短主要影响降水较少的季末阶段，反而缓解了终端水分胁迫。南方灌溉热点区域的减产机制则在于：这些区域基线温度已较高（生长季均温16.5–20.8°C）、生长季本身较短（110–150天），未来变暖使全伊朗小麦生长季缩短6.7–29.5天，且EB和GF阶段缩短最为显著，直接损害籽粒形成与灌浆过程，导致产量下降。灌溉用水量下降的机制包括生育期缩短、CO₂肥效提高蒸腾效率、生长季内降水增加，以及作物成熟期提前至旱季之前使需水更多由有效降水满足。不确定性方面，灌溉系统因水分胁迫变异较小而预估不确定性较低，雨养系统则因完全暴露于气候强迫而具有较高不确定性，SSP585末期尤为突出。此外，DSSAT-NWheat通过区分T_max和T_min并模拟T_max超过34°C时的叶片加速衰老，能够有效捕捉高温胁迫效应。

研究结论：气候变化总体上将促进伊朗灌溉和雨养小麦产量增长，但南部特定热点区域面临灌溉减产风险；消耗性用水量和灌溉耗水量将大幅下降，为缓解伊朗地下水超采提供了宝贵的生物物理机遇，但需要严格的水治理框架确保节约的水资源用于生态流量而非不可持续的农业扩张；由于产量增长系统性落后于人口增长，全国小麦自给率预计下降，亟需采取动态播期调整、增加肥料投入、选育耐热品种等多尺度适应措施，以保障长期粮食安全。