東北地理所在東北黑土區農業水資源可持續供給風險識別方面取得重要進展
水和養分是決定糧食生產的重要因素，雖然氮肥的大量投入可提高糧食產量，但水資源依舊是限制糧食增產的關鍵要素。灌溉可增加糧食產量，但也增加了區域水資源供給壓力。有研究表明未來的農業水資源短缺將在世界許多地區進一步加劇。以往大多數關于水資源短缺的研究只關注藍水(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（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的水)是雨養農業的唯一水源，也是灌溉農業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鍵挑戰。
東北黑土區是我國重要商品糧生產基地，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，農業是最大的淡水用戶，消耗了世界上70%-86%的可用水資源，是造成區域水資源短缺程度上升的最大原因。尤其在國家糧食增產戰略背景下，灌溉農業將進一步擴張，必將加劇水資源的供給壓力，導致局部區域水資源枯竭。農業水資源的可持續供給是保障糧食安全的重要手段和前提。因此，開展東北黑土區農業水資源可持續供給風險及其安全保障策略研究對我國糧食安全生產具有重要意義。
中國科學院東北地理與農業生態研究所和中國林業科學研究院科研人員聯合以東北黑土區為典型研究區，在系統總結農業生產面臨的水資源問題基礎上，通過CWatM–Modflow分布式水文模型和基于藍、綠水資源的農業水資源短缺指數（WSIag），系統評價東北黑土區水稻、玉米和大豆不同生育期水資源可持續供給風險，提出農業水資源可持續供給安全保障策略。研究結果表明：（1）1981~2020年期間，東北黑土區耕地面積增加了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）東北黑土區作物生育期內平均有效降雨量為274~495mm之間，整體呈現“南高北低，東豐西欠”的空間分布格局；可利用綠水資源呈現增加趨勢，可利用藍水資源量東北和南部減少，中間區域增加的趨勢，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育期水資源壓力較大（WSIag>0.4）的區域均超過水稻種植面積的37%以上。同時，快速發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，針對目前東北農業水資源存在的問題，我們建議可將WSIag<0.4的區域進行虧缺灌溉。同時，重點關注快速發育期水資源保障程度是解決東北黑土區農業水資源短缺的關鍵核心。
圖1 東北黑土區耕地面積（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（1981-2020年）
圖2 東北黑土區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） 作物實際蒸發量；（d） 作物實際蒸發量變化率；（e） 農業綠水資源量；（f） 農業綠水資源量變化率；（g） 農業藍水資源量；（h） 農業藍水資源量變化率
圖3 東北黑土區作物灌溉需水量（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、大豆不同生育期農業水資源短缺指數（WSIag）的平均值，（b）~（d） 2001-2020 年水稻、玉米、大豆不同生育期農業水資源短缺指數變化特征。（注釋：第 1 階段：泡田期，第 2 階段：初始生育期，第 3 階段：快速發育期，第 4 階段：生育中期，第 5 階段：成熟期）
該研究發表在中國科學院1區期刊Science Bulletin上，由中國科學院東北地理所齊鵬副研究員（第1作者）、聯合培養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“農業生態安全屏障構建戰略研究”（2022-JB-03-03）、吉林省優秀青年科技人才項目（應用技術類）（20230508099RC）和國家自然科學基金（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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