近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（空天院）遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王樹(shù)東帶領(lǐng)的生態(tài)水文遙感團(tuán)隊(duì)在灌溉用水估算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)的全國(guó)尺度灌溉用水量估算模型，并基于該模型揭示了未來(lái)氣候變化情景下中國(guó)灌溉用水的變化趨勢(shì)和經(jīng)濟(jì)影響。

　　灌溉農(nóng)業(yè)約占全球耕地面積的20%，貢獻(xiàn)了40%以上的糧食產(chǎn)量。中國(guó)擁有全球最大面積的灌溉農(nóng)田，占中國(guó)耕地面積的一半以上?？梢哉f(shuō)，灌溉用水對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量至關(guān)重要，尤其是在水資源短缺的地區(qū)，頻繁的干旱和極端氣溫可能加劇其影響。因此，在全球氣候變化導(dǎo)致糧食安全日益受到挑戰(zhàn)的背景下，準(zhǔn)確估算灌溉用水變化對(duì)于制定最優(yōu)的水資源分配政策的重要性日益凸顯。

　　現(xiàn)有的灌溉用水估算方法，受到數(shù)據(jù)可用性和模型結(jié)構(gòu)的約束，在全國(guó)尺度和未來(lái)氣候變化情景下適用性差?；诖?，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新模型，通過(guò)整合一系列高精度水文要素衛(wèi)星遙感產(chǎn)品（降水、蒸散、土壤水分和雪水當(dāng)量）、氣象驅(qū)動(dòng)因子、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和數(shù)值模型模擬，在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)框架下估算全國(guó)尺度的灌溉用水。新模型在估算灌溉用水方面表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性，與中國(guó)339個(gè)地級(jí)市的水利部公報(bào)值相比，確定系數(shù)（R2）介于0.86到0.91之間，均方根誤差從0.261到0.361立方千米/年不等。通過(guò)11個(gè)農(nóng)田站點(diǎn)的獨(dú)立觀測(cè)驗(yàn)證，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)具有顯著相關(guān)性，準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

　　該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步考慮了一系列氣候和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景，將建立的機(jī)器學(xué)習(xí)框架與四個(gè)先進(jìn)的地球系統(tǒng)模型結(jié)合，提供了未來(lái)70年中國(guó)灌溉用水的變化趨勢(shì)和相關(guān)成本。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，基于不同的溫室氣體排放情景，未來(lái)70年，約60%的省份的灌溉用水量都會(huì)增加，特別是西北和華北區(qū)域。對(duì)比20世紀(jì)80年代至2010年的數(shù)據(jù)，全國(guó)灌溉用水到2050年預(yù)計(jì)最高將增加17.1%，灌溉用水的增加帶來(lái)每年新增成本最高達(dá)到39.1億美元；到2100年預(yù)計(jì)最高將增加34.8%，每年新增成本最高達(dá)到65億美元，研究結(jié)果突顯了水資源可持續(xù)利用與管理的迫切性。

　　該項(xiàng)研究提出了一種有效估算當(dāng)前和未來(lái)灌溉用水的方法，研究成果可以擴(kuò)展到其他面臨日益增長(zhǎng)的灌溉需求的國(guó)家。該研究結(jié)果也可為農(nóng)業(yè)用水政策制定和決策提供重要信息，有利于指導(dǎo)在氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)背景下進(jìn)行水資源的可持續(xù)利用與管理。

　　該研究成果以“Uncovering Current and Future Variations of Irrigation Water Use Across China Using Machine Learning”（應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法揭示目前和未來(lái)中國(guó)灌溉用水變化）為題，于2024年3月9日在美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)（AGU）旗下全球變化旗艦期刊Earth’s Future（《未來(lái)地球》）上發(fā)表。該研究由空天院、中國(guó)氣象科學(xué)研究院和美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)等單位合作完成，遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本研究的第一完成單位，劉凱博士為第一作者，王樹(shù)東為通訊作者。

　　

　　圖1.灌溉用水估算框架在全國(guó)尺度和未來(lái)氣候變化情境下的驗(yàn)證與評(píng)估

　　

 

　　圖2.全國(guó)灌溉用水在2030-2100年的變化趨勢(shì)和經(jīng)濟(jì)影響