气候、水资源与粮食重心北移对中国北方粮食干旱风险影响的定量评估

Aridification in Northern China in the past half century has reduced precipitation and increased drought frequency. Our previous research on agricultural drought assessment indicates that this has also increased the agricultural drought risk, and resulted in sharp and frequent changes in grain yields. In recent 30 years, the center of China's grain production has kept moving from the humid south to the water-scarce and drying north. While the total grain production in north has been increasing because of the irrigation expansion, the potential agricultural risk is foreseeable due to the rapid depletion of water resources, especially groundwater resources. The objective of the current research is to use crop models (e.g. Crop-DNDC and AquaCrop) to quantify agricultural drought risk at the county level in the entire Northern China. The risk will be evaluated based on deriving from drought-induced grain yield losses and probability analysis using daily climate data during the past 50 years. With consideration of extreme drought situations, groundwater availability, and future climate change by 2050, the project is to map the spatiotemporal variation of drought risks in Northern China, and examine a balancing point between sustainable water use and reasonable grain production levels in this region.

近50年来北方干旱化导致降水减少和干旱频率显著增加，我们在辽宁的前期研究表明这种气候干旱化已经导致了一些地方农业系统进入了剧烈动荡时期、农业干旱灾害风险显著增加。项目的目标是回答在我国粮食生产重心北移、北方水资源大量消耗的情况下，我国整个北方粮食干旱风险的时空变化规律是什么？极端气候和水资源条件下的粮食安全水平如何？在加强资源管理情景下，如何保持北方水资源和粮食生产比重的协调性？基于Crop-DNDC和AquaCrop作物模型，项目拟用过去50年和未来至2050年的气候数据计算县级粮食因旱损失和频率，评估气候对北方粮食干旱风险的时空变化规律。通过建立北方水资源及其近10年动态变化数据库，量化北方各地水资源及供用水状况。在假设储备地下水消耗殆尽、极端干旱的条件下，计算北方的粮食减产水平。在提高灌溉效率、供水总量控制和水资源可持续利用的条件下，计算北方在当前与未来气候条件下的合理粮食生产比重。

我国北方近本世纪以来干旱化趋势显著，气象干旱的频率增加。本项目的目标是定量化评估我国在粮食生产的重心北移、北方水资源大量消耗情况下北方粮食干旱风险的时空变化规律。通过利用Crop-DNDC 和 AquaCrop和SWAP作物模型和60年气象数据，对我国三大粮食作物水稻、玉米和小麦进行逐日模拟，得到如下认识：.(1) 我国农业干旱对水稻、玉米、小麦的综合农业旱灾风险是35±2%；.(2) 我国灌溉面积达到总耕地面积的50%以上，将农业旱灾风险减少了31±2%；即从35±2%减少到4±2%。其中小麦从55±2% 减小到7±2% ，水稻从33%减小到2±2%；玉米从27±2%减小到7±2%。.(3) 根据已有的水资源数据，从1999年到2014年，北方平原区地下水处理减少了1092亿立方米，对全国粮食产量贡献了3±2%。在平常年份，过度开采地下水对粮食的贡献已经很小。.(4) 自1978年来，南方（秦岭淮河以南）粮食播种面积下降了22.4%，计算表明，如果恢复其中1/4，可弥补北方粮食因地下水超采而带来的粮食产量；如果进一步增大恢复力度，可减少北方灌溉面积，使得北方平原区地下水水位下降趋势逆转，促进地下水储量增加。.(5) 如果地下水储量完全枯竭，类似2002年的旱灾可造成河北和山东的粮食分别减产51±2%和52±2%。河北和山东的水资源总量会减少近2/3，其中地表水会减少近80%。即使当年的所有水资源量能够完全被人类利用，也只能够满足正常需水量的40%左右。因此保障地下水安全是未来社会经济稳定发展的基石。.(6) 利用9个全球气候模式的气候数据驱动作物模型，模拟结果表明，到2050年前各种排放路径下，平均粮食单产都会增加（+2.5~3.3%）；但是2050年后若持续增温，粮食单产将出现递减趋势。9个模型中有7个模型的输出结果表明极端农业旱灾风险在各种排放情景下未来都会增加，当前100年一遇旱灾可能在RCP2.6情景下变成30年一遇，在RCP4.5情景下变成13年一遇，在RCP8.5情景下变成5年一遇。