近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院（空天院）遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員王樹(shù)東帶領(lǐng)的生態(tài)水文遙感團隊在灌溉用水估算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究團隊提出一種基于機器學(xué)習和遙感觀(guān)測數據的全國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灌溉用水的變化趨勢和經(jīng)濟影響。

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

　　現有的灌溉用水估算方法，受到數據可用性和模型結構的約束，在全國尺度和未來(lái)氣候變化情景下適用性差?；诖?，該研究團隊開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于機器學(xué)習的新模型，通過(guò)整合一系列高精度水文要素衛星遙感產(chǎn)品（降水、蒸散、土壤水分和雪水當量）、氣象驅動(dòng)因子、經(jīng)濟統計數據和數值模型模擬，在數據驅動(dòng)框架下估算全國尺度的灌溉用水。新模型在估算灌溉用水方面表現出較高的準確性，與中國339個(gè)地級市的水利部公報值相比，確定系數（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)農田站點(diǎn)的獨立觀(guān)測驗證，模擬數據與實(shí)地觀(guān)測數據具有顯著(zhù)相關(guān)性，準確率達到90%以上。

　　該研究團隊進(jìn)一步考慮了一系列氣候和社會(huì )經(jīng)濟情景，將建立的機器學(xué)習框架與四個(gè)先進(jìn)的地球系統模型結合，提供了未來(lái)70年中國灌溉用水的變化趨勢和相關(guān)成本。研究團隊發(fā)現，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域。對比20世紀80年代至2010年的數據，全國灌溉用水到2050年預計最高將增加17.1%，灌溉用水的增加帶來(lái)每年新增成本最高達到39.1億美元；到2100年預計最高將增加34.8%，每年新增成本最高達到65億美元，研究結果突顯了水資源可持續利用與管理的迫切性。

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

　　該研究成果以“Uncovering Current and Future Variations of Irrigation Water Use Across China Using Machine Learning”（應用機器學(xué)習方法揭示目前和未來(lái)中國灌溉用水變化）為題，于2024年3月9日在美國地球物理學(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、中國氣象科學(xué)研究院和美國賓夕法尼亞大學(xué)等單位合作完成，遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗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尺度和未來(lái)氣候變化情境下的驗證與評估

　　

 

　　圖2.全國灌溉用水在2030-2100年的變化趨勢和經(jīng)濟影響