《Agricultural Water Management》：Long-term biochar addition improves post-rice wheat production by ameliorating soil mechanical impedance and moisture condition as well as promoting root growth
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本研究针对全球变暖背景下多熟制（CS）扩张加剧农业水资源压力的科学问题，通过融合卫星观测与地形气候模式，系统分析了2001–2022年黄淮海流域（HHH）CS时空变化，并预测了2050年情景。研究基于栅格化作物生长模型（DSSAT）量化了CS变化对农业耗水（AWC）、根区土壤含水量（SWCR）及水分生产率（WP）的影响。结果表明，过去22年43.86%耕地CS增加，导致AWC上升15.6%、SWCR下降7.2%、WP提高11.7%；未来CS北扩将引发206亿m3灌溉缺水量（IWD），相当于南水北调中线年调水量的2倍。成果为气候变化下农业水资源优化配置提供了关键科学依据。
随着全球气候变暖进程加速，农业生产系统正经历深刻变革。多熟种植制度（Cropping Systems, CS）作为提高土地产出效率的重要方式，其空间格局的演变直接关系到粮食安全与水资源的可持续利用。尤其在黄淮海流域（Huang-Huai-Hai River Basin, HHH）这类耕地密集但水资源短缺的区域，CS的北扩趋势在提升粮食产量的同时，也加剧了农业用水矛盾。然而，现有研究多集中于历史CS变化的定性描述，对未来发展趋势及其水文效应的定量评估尚显不足，更缺乏考虑实际作物生长特征的大尺度模拟分析。在这一背景下，厘清CS变化与农业水资源消耗之间的内在机制，成为应对气候变化、保障水-粮安全协同管理的迫切需求。
发表于《Agricultural Water Management》的这项研究，通过整合多源遥感数据、气候模型与改进的作物生长模型，首次在区域尺度上系统揭示了HHH流域过去20余年CS的时空动态，预测了未来气候情景下CS的扩张潜力，并量化了其对农业水循环关键要素的影响。研究团队建立了一套融合卫星观测指标与地形-气候约束条件的CS识别方法，突破了传统依赖气象因子外推的局限性。在此基础上，通过栅格化处理将点尺度的DSSAT（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）模型扩展至整个HHH流域，模拟了不同CS情景下的农业耗水量（Agricultural Water Consumption, AWC）、根区土壤含水量（Soil Water Content at Root zone, SWCR）及水分生产率（Water Productivity, WP），并引入灌溉缺水量（Irrigation Water Deficit, IWD）指标评估区域农业水压力。
研究的关键技术方法主要包括：基于MODIS植被指数时间序列曲线拟合与去噪算法提取历史实际CS；结合CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）未来气候情景与地形适宜性准则划分未来CS潜力区；采用改进的DSSAT模型进行栅格化作物-水过程模拟，并利用地面观测站点与统计数据进行参数校准与结果验证。
3.1. 多熟制的时空变化特征
3.1.1. 实际多熟制
分析表明，2001–2022年间HHH流域CS呈现明显的空间分异与动态变化。至2022年，单熟制、双熟制与三熟制面积分别为29.53万km2、26.92万km2和1.98万km2。与2001年相比，双熟制与三熟制面积分别增长27.91%和234%，而单熟制面积减少19.7%。空间上，CS增加的区域主要集中在黄河下游与淮河流域，表现为单熟制向双熟制的转变（8.58万km2）；CS减少的区域则主要分布于京津冀地区及黄河中上游，以双熟制退化为单熟制为主。时序分析进一步显示，2012–2022年期间CS强化趋势更为显著。
3.1.2. 未来多熟制
在未来气候情景下，CS北扩趋势将持续。至2050年，SSP5-8.5情景下CS变化面积最大达29.23万km2，三熟制面积将较2022年扩大7.8倍，双熟制在SSP3-7.0情景下达到最大面积43.18万km2。空间上，三熟制边界将由淮河流域向北推进至海河流域，双熟制则向西北方向扩张，单熟制范围显著萎缩。
3.2. 多熟制对农业耗水的影响
3.2.1. DSSAT模型性能
模型验证显示，模拟产量与观测值的R2介于0.55–0.72，蒸散发模拟R2为0.64–0.84，威尔莫特一致性指数（Willmott index, WI）均高于0.68，表明模型在模拟CS变化的水文响应方面具有可靠性。
3.2.2. 历史变化
与实际CS变化同步的模拟结果表明，2001–2022年间CS强化使AWC增加15.6%，SWCR降低7.2%，WP提升11.7%。AWC上升区与CS增加区高度吻合，SWCR下降主要发生在CS强化的南部边缘区与淮河流域，WP提升最显著区域出现在单熟制向双熟制转换的农区。
3.2.3. 未来预测
未来CS变化将进一步加剧水文效应。与2022年相比，2050年AWC预计增加46.7–68.4%，SWCR下降12.4–19.3%，WP提升2.6–31.6%。值得注意的是，双熟制在SSP3-7.0情景下WP提升最显著，反映出其水分利用效率的优势。
4. 讨论与结论
本研究通过多尺度模拟揭示了CS扩张对农业水资源的双重影响：一方面，CS增加通过延长作物覆盖期与优化资源利用提升了WP；另一方面，它显著增加了AWC并降低了SWCR，导致区域水分亏缺风险加剧。未来CS北扩将使HHH流域IWD最高达206亿m3，约相当于南水北调中线年调水量的2倍，凸显了水资源约束下CS布局优化的紧迫性。
研究创新性地将遥感反演的实际CS与气候-地形约束下的未来CS预测相结合，构建了区域尺度的CS-水过程模拟框架，弥补了传统田间试验难以捕捉空间连续变化的不足。然而，CS未来发展仍受水资源条件、农业政策及社会经济因素等多重不确定性影响，未来需进一步耦合水文模型与作物模型，并在全国尺度开展更精细化的模拟评估。该研究成果为制定气候变化适应型农业水资源管理策略提供了科学依据，强调在推动多熟制增产的同时，必须重视水资源可持续性的边界约束。
