农业水足迹对气候变化的响应机理与评估研究

Production, consumption and trade of regional virtual water are impacted by climate change significantly which makes it important to study the response of virtual water system to climate change. As a more intuitive indicator, water footprint can be used to describe virtual water and consequently is used in this study. To study the response of regional agricultural water footprint to climate change, Haihe watershed is selected as the case study area. CROPWAT model is used to calculate the footprint and component values of main crops for the past 60 years with an attempt to discover their spatiotemporal variation characteristics. A sensitivity analysis is conducted to analyze the response of crop water footprint tendency variation to climate factors and find out the main sensitive factors. DSSAT model is used to simulate the growing process of main crops in the study area in order to discuss impact of climate factors on the crop yield and cropping system and reveal the response mechanism of regional agricultural footprint to climate change. Based on the future regional climate change scenarios and taking the mid-long term regional social and economic development plan into consideration, agricultural water footprint and component values in the future 30 years are predicted. The prediction results will be used to evaluate the change tendency of future agricultural water footprint based on DSSAT crop model. Research findings can provide theoretical meanings to understand the influence of climate change and are beneficial to the practical decision making for regional agricultural water resource management policy.

虚拟水的生产、消费和贸易各环节明显受到气候因素的影响，深入认识虚拟水系统对气候变化的响应问题显得越来越迫切，而水足迹则是描述虚拟水的更直观指标。针对区域农业水足迹对气候变化的响应问题，以海河流域为案例研究区，采用CROPWAT模型计算过去60年区域主要农作物水足迹及其分项值，探寻区域农业水足迹的时空变异规律；基于敏感系数法分析作物水足迹趋势变化对气象因子的响应程度，探究其主要敏感因子；采用DSSAT作物模型对海河流域主要农作物生长过程进行模拟，探讨气候因子对农作物产量和种植制度的影响程度，揭示区域农业水足迹对气候变化的响应机理；在构建未来区域气候变化情景的基础上，结合区域社会经济发展规划预估未来30年农业水足迹及其分项值，评估未来农业水足迹变化情势，提出农业水足迹适应气候变化的管理措施。研究成果不仅对于深入认识气候变化的影响具有理论意义，而且对于区域农业水资源管理政策制定具有实际应用价值。

虚拟水的生产、消费和贸易各环节明显受到气候因素的影响，深入认识虚拟水系统对气候变化的响应问题显得越来越迫切，而水足迹则是描述虚拟水的更直观指标。本研究基于日尺度土壤水量平衡法对1956年以来海河流域14种农作物的绿水、蓝水和灰水足迹进行核算，识别水足迹时空差异的主要影响因子，分析水足迹对主要气象因子的全局敏感性，在此基础上引入DSSAT作物模型，并与未来气候变化情景耦合，对主要作物的产量、水足迹进行模拟评估。主要成果如下：.（1）海河流域冬小麦和夏玉米的总水足迹分别为201亿m3/a（52%绿水，29%蓝水，19%灰水）和151亿m3/a（73%绿水，3%蓝水，24%灰水）。冬小麦和夏玉米多年平均水足迹（单位质量）为1580m3/t和1275m3/t。冬小麦和夏玉米的水足迹均呈显著下降趋势。14种作物的水足迹呈现显著的空间差异。.（2）农业生产投入因素，如农业机械总动力、化肥施用折纯量对冬小麦水足迹直接影响最大。气象因子中风速对冬小麦水足迹直接影响较大。冬小麦水足迹对温差最为敏感，其一阶和总阶敏感系数分别为0.49和0.60。.（3）建立了DSSAT模型土壤、气象及农业管理数据库，经率定和验证指出了符合历史长期观测数据的冬小麦和夏玉米的品种参数。.（4）RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5情景下，到2050年，冬小麦生育期平均缩短3d/10a，4d/10a和3d/10a，产量分别升高26%，16%和13%，水足迹分别下降10%，11%和13%。对于夏玉米，生育期平均缩短3d/10a，1d/10a和6d/10a，产量分别下降22%，31%和58%，水足迹分别上升41%，60%和151%。高排放情景会对夏玉米的生长及水分利用效率产生严重不利影响。.研究成果有利于加深对气候变化影响农业水循环过程的认识，同时对于流域管理者应对全球气候变化，缓解农业水资源短缺问题具有一定参考价值。