文献阅读 | 融雪变化的农业风险

题目

Agricultural risks from changing snowmelt

作者

Yue Qin, John T. Abatzoglou, Stefan Siebert, Laurie S. Huning, Amir AghaKouchak, Justin S. Mankin, Chaopeng Hong, Dan Tong, Steven J. Davis & Nathaniel D. Mueller

期刊

Nature Climate Change

时间

2020年4月

一作

单位

1 Department of Geography, The Ohio State University, Columbus, OH, USA.

2 Sustainability Institute, The Ohio State University, Columbus, OH, USA. 

3 Department of Earth System Science, University of California, Irvine, Irvine, CA, USA.

链接

https://www.nature.com/articles/s41558-020-0746-8

研究内容

灌溉用水占据全球用水的85%。大部分灌溉用水都由地表水供应，且地表径流的季节性分布对融雪的变化非常敏感。气候变化可能会改变地表水的供应，进而威胁灌溉作物的生产。

许多研究已经评估了气候变化带来的年降水量和干旱情况变化对农业的影响，但较少关注地表径流变化对农业的潜在风险。以往大多数研究都强调雪对水资源供应的重要性，一些研究使用基于过程的水文模型来更直接地估计了融雪对区域总径流的贡献。然而，迄今还没有全球研究有效分析次年度积雪和径流动态，因此无法刻画灌溉农业因融雪而面临的风险。在这里，我们分析了灌溉农业对融雪径流的全球依赖性，并分析了气候变化对流域和农作物的风险。

研究方法

使用地形气候数据集来量化每个主要流域的历史每月径流规模（1985-2015）以及径流来自降雨和融雪的比例。基于全球的作物-水模型、灌溉配备面积的年度时间序列和同期灌溉用水资源数据，估计作物特定的月灌溉用水需求，进一步估计出每个相应流域中融雪满足灌溉需求的比例。除非另有说明，否则本文只关注地表水的供求关系，而忽略所有其他水源。我们的月度计算假设降雨和融雪径流的使用与每个月的供给成正比。当某月的地表水供应不足以满足灌溉和其他部门的需求时，本文量化了地表水需求的不足，这些需求可能由其他地表水源来满足，例如前几个月水库的蓄水径流、流域间转移和海水淡化。最后，重复分析2 °C 和4°C变暖情景下预测的融雪和降雨径流变化。

研究结果

图1显示了1985-2015年的平均融雪径流比例以及2°C和4°C情景下的平均变化。全球所占面积超过26%的陆地上，融雪对径流的贡献超过50%。世界上大约40%的灌溉黑麦和大麦产量，以及20%的灌溉甜菜、葡萄、向日葵、土豆和棉花产量，都位于这些以融雪为主的流域中。全球变暖导致来自融雪的径流占比大幅下降（橙红色）。生活在这些以融雪为主的地区的人口在2°C和4°C的变暖情景中分别从占全球人口的8%下降到6%和3%。

图1. 近几十年（1985-2015年）和未来气候变暖情况下融雪径流的地理格局

图2说明了每月径流（红色和蓝色曲线分别显示降雨和融雪）与每月水需求（堆叠条）之间的关系。这些流域的融雪量满足了大部分年度灌溉用水需求。以加州的圣华金流域（图2a）为例，目前冬季降雨量径流最大，当时对水的需求最低，随着春季需求的增加，几乎所有消耗的径流都是融雪，夏季总径流几乎消失，需要替代水源以满足地表水需求。

图2. 近几十年（1985-2015年）月平均径流和地表水需求，以及未来变暖情景下的径流

在2°C和4°C的变暖情景下，融雪径流会减少并提前到更早。然而，在相同情况下，降雨径流增加，而在时间方面变化不大。根据规模和时间，降雨径流增加可能可以弥补融雪径流在满足灌溉用水需求方面的不足（如印度），也可能实现不了（如圣华金）。

图3描绘了流域对融雪依赖的两个方面：融雪满足灌溉用水需求的比例和按流域面积标准化的灌溉用水量。绿黄相间的流域中，融雪满足灌溉需求的比例相对较小，这些地区的灌溉需求主要通过降雨径流、储存和转移来满足。深蓝色流域是灌溉用水需求都相对较高的盆地。

图3. 依赖融雪的灌溉农业区域

图4根据融雪依赖的两个方面，分析了特定作物的月度融雪依赖。从全球范围来看，北半球夏季的水稻和棉花，以及春季的小麦和草地，尤其依赖于融雪（图4深蓝色）。不同作物每年灌溉地表水总消耗量差异很大，每种作物的灌溉用水量也有大幅度的季节性变化。小麦在北半球春季消耗的水最多，而大多数其他作物（例如椰枣、向日葵、大豆、高粱、土豆和豆类）在夏末（7月和8月）和初秋（9月）对灌溉用水的需求最大。

图4. 按作物类型分的季节性融雪依赖（1985-2015年）

对于目前依赖融雪的流域（图3中深蓝色流域），图5a显示了在 4 °C 变暖情景下，当前融雪和替代来源满足的灌溉需求占比将来如何变化。由于气候变暖的情况下融雪径流减少，所有依赖融雪的流域的灌溉用水需求份额都有所下降。此外，许多流域未来降雨的增加并不能弥补融雪的损失。如果灌溉需求不改变，将需要越来越多的新替代水源满足这些需求。图5a左上象限中的流域未来更可能面临挑战，预计这些区域的灌溉用水比例将下降，需要增加替代水供应。

图5. 4°C情景下流域面临的融雪变化风险

为了从流域融雪变化的视角来评估风险，首先将融雪危害指数（SHI）定义为雪融径流在灌溉需求中比重的预期减少量和替代水源在需求中比重的预期增加量。风险进一步取决于灌溉农业面临融雪危害的相对脆弱性。给定地理、政治和经济因素，脆弱性主要受流域间转移和蓄水可得性的影响，以及能否可持续地进行额外的地下水开采。水库蓄水是表明流域是否具备应对此类挑战的指标之一。定义水库蓄水指数（RSI）为每个依赖融雪的流域的替代地表水需求与储水库水的比例，较低的RSI表示具有更大的灵活性，可通过地表水存储来适应替代水需求的增长。水库蓄水量为每年超额径流和当前水库蓄水能力的最低值。目前许多亚洲和北美盆地的水库蓄水量已超过40%。在变暖情景下，这些盆地对替代水源的需求甚至可能增加到现有水库蓄水量的70%。由于流域利用地下水和地表水来满足总体灌溉需求，如果地表水供应减少，就有可能用地下水替代。然而，一些流域几乎完全依赖地表水，表明脆弱性和适应性挑战加剧。此外，几乎所有的高SHI流域的地下水补给率相对较低，因此，即使地下水适合灌溉，地下水抽水也难以持续。图5b映射了4°C变暖情景下图5a左上象限中所有流域的SHI。具有高SHI的盆地主要位于美国西部、南欧、中国西部和中亚。本文研究结果突出了目前最依赖融雪径流的灌溉农业地区，并通过确定哪些作物最依赖融雪，可能有助于指导关于适应未来变化的农业和水资源管理的研究，对灌溉农业以及全球粮食安全具有重大影响。

编辑：林鹏昇

排版：江琴

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