東北地理所在東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)供給風險識別方面取得重要進展
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。通常利用藍水資源短缺指數(shù)（即藍水的利用量與藍水可利用量的比值）作為評價指標衡量區(qū)域或流域的水資源短缺程度。然而，僅基于藍水的評估不能完全反映作物生產(chǎn)的實際水分脅迫狀況。同時，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估中經(jīng)常被忽視。同時，隨著人類對綠水重要性的認識逐步加強，對綠水資源短缺評估得到重視。迄今為止，在不同作物生育期的水資源短缺評估中適當納入藍水和綠水仍然是一個關(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)將進一步擴張，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)供給風險及其安全保障策略研究對我國糧食安全生產(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、綠水資源的農(nóng)業(yè)水資源短缺指數(shù)（WSIag），系統(tǒng)評價東北黑土區(qū)水稻、玉米和大豆不同生育期水資源可持續(xù)供給風險，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，可利用藍水資源量東北和南部減少，中間區(qū)域增加的趨勢，正逐漸進入豐水期（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，快速發(fā)育期是玉米和大豆水資源壓力最大的時期，面積占比分別達到了33.8%和25.3%（圖5）。最終，針對目前東北農(nóng)業(yè)水資源存在的問題，我們建議可將WSIag<0.4的區(qū)域進行虧缺灌溉。同時，重點關(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） 作物實際蒸發(fā)量；（d） 作物實際蒸發(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)藍水資源量；（h） 農(nóng)業(yè)藍水資源量變化率
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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