東北地理所在東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)供給風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方面取得重要進(jìn)展
水和養(yǎng)分是決定糧食生產(chǎn)的重要因素，雖然氮肥的大量投入可提高糧食產(chǎn)量，但水資源依舊是限制糧食增產(chǎn)的關(guān)鍵要素。灌溉可增加糧食產(chǎn)量，但也增加了區(qū)域水資源供給壓力。有研究表明未來的農(nóng)業(yè)水資源短缺將在世界許多地區(qū)進(jìn)一步加劇。以往大多數(shù)關(guān)于水資源短缺的研究只關(guān)注藍(lán)水(即來自河流、水庫和湖泊的水)的提取和可用性。通常利用藍(lán)水資源短缺指數(shù)（即藍(lán)水的利用量與藍(lán)水可利用量的比值）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)衡量區(qū)域或流域的水資源短缺程度。然而，僅基于藍(lán)水的評(píng)估不能完全反映作物生產(chǎn)的實(shí)際水分脅迫狀況。同時(shí)，綠水(即作物從雨水或土壤水中蒸發(fā)的水)是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的唯一水源，也是灌溉農(nóng)業(yè)水資源的重要組成部分，約占全球作物用水量的85%，在水資源和稀缺性評(píng)估中經(jīng)常被忽視。同時(shí)，隨著人類對(duì)綠水重要性的認(rèn)識(shí)逐步加強(qiáng)，對(duì)綠水資源短缺評(píng)估得到重視。迄今為止，在不同作物生育期的水資源短缺評(píng)估中適當(dāng)納入藍(lán)水和綠水仍然是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
東北黑土區(qū)是我國重要商品糧生產(chǎn)基地，擁有耕地面積約5.8億畝，在保障我國糧食安全方面具有重要作用。然而，農(nóng)業(yè)是最大的淡水用戶，消耗了世界上70%-86%的可用水資源，是造成區(qū)域水資源短缺程度上升的最大原因。尤其在國家糧食增產(chǎn)戰(zhàn)略背景下，灌溉農(nóng)業(yè)將進(jìn)一步擴(kuò)張，必將加劇水資源的供給壓力，導(dǎo)致局部區(qū)域水資源枯竭。農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)供給是保障糧食安全的重要手段和前提。因此，開展東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)供給風(fēng)險(xiǎn)及其安全保障策略研究對(duì)我國糧食安全生產(chǎn)具有重要意義。
中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所和中國林業(yè)科學(xué)研究院科研人員聯(lián)合以東北黑土區(qū)為典型研究區(qū)，在系統(tǒng)總結(jié)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的水資源問題基礎(chǔ)上，通過CWatM–Modflow分布式水文模型和基于藍(lán)、綠水資源的農(nóng)業(yè)水資源短缺指數(shù)（WSIag），系統(tǒng)評(píng)價(jià)東北黑土區(qū)水稻、玉米和大豆不同生育期水資源可持續(xù)供給風(fēng)險(xiǎn)，提出農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)供給安全保障策略。研究結(jié)果表明：（1）1981~2020年期間，東北黑土區(qū)耕地面積增加了22%，有效灌溉面積增加了430%；灌溉用水量與有效灌溉面積增加趨勢(shì)一致，從2000年的397億m3，增加到2020年的477億m3（圖1）。（2）東北黑土區(qū)作物生育期內(nèi)平均有效降雨量為274~495mm之間，整體呈現(xiàn)“南高北低，東豐西欠”的空間分布格局；可利用綠水資源呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，可利用藍(lán)水資源量東北和南部減少，中間區(qū)域增加的趨勢(shì)，正逐漸進(jìn)入豐水期（圖2）；隨著灌溉面積增加，與2001~2005年5年均值相比，2016~2020年灌溉需水量增加了180億m3（圖3）。（3）水稻在泡田期、初始生育期和快速發(fā)育期水資源壓力較大（WSIag>0.4）的區(qū)域均超過水稻種植面積的37%以上。同時(shí)，快速發(fā)育期是玉米和大豆水資源壓力最大的時(shí)期，面積占比分別達(dá)到了33.8%和25.3%（圖5）。最終，針對(duì)目前東北農(nóng)業(yè)水資源存在的問題，我們建議可將WSIag<0.4的區(qū)域進(jìn)行虧缺灌溉。同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注快速發(fā)育期水資源保障程度是解決東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水資源短缺的關(guān)鍵核心。
圖1 東北黑土區(qū)耕地面積（1981-2020年）、有效灌溉面積（1981-2020年）、灌溉用水量（2000-2020年）和干旱指數(shù)（1981-2020年）
圖2 東北黑土區(qū)藍(lán)綠水資源演變特征 （a） 不同生育期有效降雨量；（b） 有效降雨量變化率；（c） 作物實(shí)際蒸發(fā)量；（d） 作物實(shí)際蒸發(fā)量變化率；（e） 農(nóng)業(yè)綠水資源量；（f） 農(nóng)業(yè)綠水資源量變化率；（g） 農(nóng)業(yè)藍(lán)水資源量；（h） 農(nóng)業(yè)藍(lán)水資源量變化率
圖3 東北黑土區(qū)作物灌溉需水量（a）2001-2005年空間分布特征（b）2006-2010年空間分布特征（c）2011-2015年空間分布特征（d）2016-2020年空間分布特征（e）2001-2020年水稻、玉米、大豆灌溉需水量年際變化特征
圖 4 （a）水稻、玉米、大豆不同生育期農(nóng)業(yè)水資源短缺指數(shù)（WSIag）的平均值，（b）~（d） 2001-2020 年水稻、玉米、大豆不同生育期農(nóng)業(yè)水資源短缺指數(shù)變化特征。（注釋：第 1 階段：泡田期，第 2 階段：初始生育期，第 3 階段：快速發(fā)育期，第 4 階段：生育中期，第 5 階段：成熟期）
該研究發(fā)表在中國科學(xué)院1區(qū)期刊Science Bulletin上，由中國科學(xué)院東北地理所齊鵬副研究員（第1作者）、聯(lián)合培養(yǎng)碩士王海慶和王迎彬、李曉宇研究員、劉世榮院士、張守攻院士、姜明研究員（通訊作者）和章光新研究員共同完成。研究得到中國工程院咨詢項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)生態(tài)安全屏障構(gòu)建戰(zhàn)略研究”（2022-JB-03-03）、吉林省優(yōu)秀青年科技人才項(xiàng)目（應(yīng)用技術(shù)類）（20230508099RC）和國家自然科學(xué)基金（42230516）共同資助。
論文信息及鏈接如下：
Peng Qi,Haiqing Wang,Yingbin Wang,Xiaoyu Li,Shirong Liu,Shougong Zhang,Ming Jiang* and Guangxin Zhang. Risk of sustainable agricultural water supply and security strategy in the Black Soil Region of Northeast China. Science Bulletin,2025.
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