论文标题：Impact of climate extremes on agricultural water scarcity and the spatial scale effect

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Jiongjiong LIU, Yilin ZHAO, Wenfeng LIU

发表时间：15 Dec 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024574

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环境变化下的可持续农业水资源管理

Sustainable Agricultural Water Management Under Changing Environment

专 辑 文 章 介 绍

· 第一篇 ·

▎论文ID

Impact of climate extremes on agricultural water scarcity and the spatial scale effect

极端气候对农业水短缺的影响及空间尺度效应

文章类型：Research Article

发表年份：2024年

第一作者：刘炯炯1,2,3

通讯作者：刘文丰1,2,3

Email: wenfeng.liu@cau.edu.cn

作者单位：1. 农业水资源高效利用国家重点实验室；2. 甘肃武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站；3. 中国农业大学水利与土木工程学院中国农业水资源研究中心。

Cite this article :

Jiongjiong LIU, Yilin ZHAO, Wenfeng LIU. Impact of climate extremes on agricultural water scarcity and the spatial scale effect. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(4): 515–526 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024574

· 文 章 摘 要 ·

在极端气候频发的背景下，量化农业水资源短缺受极端气候的影响程度至关重要。然而，当前的研究较少关注不同空间尺度及复合极端气候事件对农业水资源短缺的具体影响。

本研究通过农业水短缺指数 (Agricultural Water Scarcity Index, AWSI) 分析了1971至2010年间我国二级和三级流域的极端降水和极端温度对农业水短缺指数的影响。结果显示，干旱年份和高温年份的AWSI显著上升，且降水变化对AWSI的影响大于温度。在二级流域中，干旱年份的AWSI较多年均值高约26%，极端干旱条件下增加约49%；而在三级流域中，分别增加28%和55%。在高温年份，AWSI较多年均值增加约6.8%（三级流域为7.3%），在极端高温年份增加约19.1%（三级流域为15.5%）。这些结果表明，与二级流域相比，三级流域的AWSI评估能够更准确地反映极端气候事件对农业水短缺的影响，强调了更精细的空间尺度对于流域水资源短缺预测的重要性，突出了制定极端干旱和极端高温复合条件下水资源管理策略的迫切程度。

总体而言，本研究为降水和温度变化对农业水短缺的影响及不同空间尺度效应提供了深入分析，有助于优化水资源管理和气候适应策略。

· 文 章 亮 点 ·

1. 极端降水对农业水短缺指数AWSI的影响大于极端温度。

2. 相较于二级流域，三级流域的AWSI评估更能准确捕捉到极端气候的影响。

3. 干旱年份三级流域的AWSI相较于多年均值增加约28%；极端干旱条件下相较于多年均值增加约55%。

4. 复合极端干旱高温条件使部分地区AWSI增加超60%。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

水资源短缺是指农业及其他经济部门的用水需求超过可用水资源的状态。自20世纪90年代末以来，气候变化、农业扩张、工业发展和人口增长等加剧了水资源开发。农业作为全球最大的用水部门，受气候变化的影响更加显著。绿水资源对农业至关重要，而在水资源短缺评估中，绿水往往被忽略。

我国人均可再生淡水资源约为全球平均水平的三分之一，近年来许多地区的水资源短缺问题日益严峻。以往研究对区域水资源短缺的空间特征及潜在驱动因素缺乏深入探讨，强调了在研究水资源短缺时考虑尺度效应的必要性和在我国范围内进行多尺度深入研究的紧迫性。

Liu等人开发了农业水短缺指数 (AWSI)，综合考虑了蓝绿水的可用性。本研究以我国二级和三级流域为研究区域，应用AWSI探讨了1971至2010年间复合极端降水和极端温度条件对AWSI的影响及空间尺度效应。

▎研究区域概述

我国灌溉面积占耕地面积的40%，但灌溉作物贡献了全国约75%的粮食产量。为满足日益增长的人口对粮食供应的需求，到2030年，我国的灌溉面积要从当前5300万公顷扩大至7300万公顷。二级流域和三级流域分别有58个和212个，其年均降水量和温度的空间分布如图1所示。

图1 二级流域 (a, c) 和三级流域 (b, d) 年均降水和温度分布 (审图号：GS京 (2024) 1698号)。

▎跨流域AWSI评估

1971至2010年，我国二三级流域AWSI分布呈现显著的区域差异 (图2)。AWSI高值流域主要集中在西北部、北部和中东部地区，尤其是华北平原。而南方地区的AWSI较低，可见AWSI的分布并不均衡。此外，研究发现，将AWSI汇总到二级和三级流域时，差异较为显著。三级流域的水短缺程度更加严重，AWSI大于1的流域较多。

图2 1971–2010年我国农业水短缺指数在二级流域 (a) 和三级流域 (b) 的分布 (审图号：GS京 (2024) 1698号)。

▎AWSI相较于多年均值的相对变化

降水异常对AWSI的影响尤为显著 (图3)。降水异常 < 0时，二级和三级流域的AWSI均呈现显著上升趋势。而温度异常对AWSI的影响相对较弱。

图3 降水和温度异常条件下农业水短缺指数在二级流域 (a) 和三级流域 (b) 的相对变化。

在干旱和高温条件下 (降水异常 < –1.0且温度异常 > +1.0)，AWSI主要呈现增加趋势，尽管干旱且高温条件仅占二级流域和三级流域总样本的3.9%和3.3% (图4和图5)。

二、三级流域干旱年份的AWSI均显著增加 (p < 0.05)。当降水异常 < –2.0时，二级流域的AWSI比多年均值增加约49%，三级流域则增加了55%，尽管这些极端条件仅占总样本的1%左右 (图5)。在干旱年份 (降水异常 < –1.0)，二级和三级流域的AWSI相较于多年均值分别增加了26%和28%。

对于温度异常>+2.5的极端高温年份，二级流域和三级流域的AWSI分别比多年均值增加19%和15%。在高温年份（温度异常 > +1.0），二级流域和三级流域的AWSI相较于多年均值增加约7%。

图4 AWSI对降水和温度异常的响应。对于二级流域 (a) 和三级流域 (b)，降水异常 < –1.0的年份定义为干旱年，> +1.0的年份为湿润年。同样，在二级流域 (c) 和三级流域 (d)，温度异常 < –1.0的年份定义为低温年，> +1.0的年份为高温年。

图5 二级流域 (a, c) 和三级流域 (b, d) 在不同降水和温度异常区间的“流域–年”样本占比 (%)。

▎单一气候变化对AWSI的影响

干旱年份所有流域的AWSI均显著增加 (图6 (a,b)）。相较于西部和南部，北部和东部流域的AWSI变化更明显，表明干旱条件下水资源短缺存在区域差异。这一趋势在三级流域尤其显著，表明三级流域对降水异常的敏感度更高。高温年份二、三级流域的AWSI也呈上升趋势 (图6 (c,d))，与干旱年份的变化趋势一致。

图6 干旱和高温条件下二级流域 (a, c) 和三级流域 (b, d) 的AWSI的相对变化 (审图号：GS京 (2024) 1698号)。

▎复合极端气候对AWSI的影响

在复合干旱高温条件下，大多数二三级流域的AWSI显著增加，高于干旱或高温条件下的AWSI增幅（图7）。此外，许多流域未监测到复合干旱高温年份，尤其是三级流域，表明复合极端气候罕见但影响较为显著。

图7 二级流域 (a) 和三级流域 (b) 在复合干旱高温条件下AWSI的相对变化 (审图号：GS京 (2024) 1698号)。

· 结 论 ·

研究结果显示，在干旱年份，二级流域AWSI相较于多年均值增加约26%，极端干旱年份增加49%。三级流域也呈现类似趋势，AWSI分别增加28%和55%。在高温年份，AWSI相较于多年均值增加约6.8% (三级流域为7.3%)，极端高温年份AWSI增加了19.1% (三级流域为15.5%)。此外，相较于二级流域，三级流域的水资源短缺评估更加精确。因此，建议未来研究重点关注不同尺度对农业水资源短缺的影响、制定更全面的水资源短缺评估指标、基于高分辨率数据模拟AWSI并结合不同气候情景。研究突出了在复合气候条件下应对水资源短缺的紧迫性，对于制定有效的区域水资源管理和适应策略具有重要意义。

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