《Agricultural Water Management》：Northward expansion of multiple cropping systems exacerbates agricultural water stress
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本研究针对全球变暖背景下多熟制(CS)北移加剧农业水资源压力的关键问题，通过卫星观测与DSSAT模型模拟相结合，量化了黄淮海流域2001-2022年CS变化对农业耗水量(AWC)、根区土壤含水量(SWCR)和水生产率(WP)的影响，并预测2050年不同情景下CS北移将导致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，为保障粮食-水安全协同管理提供了科学依据。
随着全球气温持续升高，农业生产格局正在发生深刻变化。在气候变暖的驱动下，多熟种植制度(CS)呈现出明显的北移趋势，这一变化在提高粮食产量的同时，也对水资源短缺地区构成了严峻挑战。特别是在中国北方黄淮海流域(HHH)——这个以全国6%的淡水资源支撑着75%粮食产量的重要农业区，多熟制的扩张与水资源时空错配的矛盾日益突出。尽管多熟制北移现象已被观测到，但其对农业水循环关键要素的定量影响机制尚不明确，且缺乏对未来发展的预测评估，这极大制约了应对气候变化的农业水资源规划与管理决策。
为填补这一研究空白，发表在《Agricultural Water Management》上的研究，综合运用卫星遥感和作物生长模型，首次系统量化了黄淮海流域多熟制变化的历史轨迹与未来情景对农业水资源的多维度影响。研究团队创新性地将基于卫星观测的实际多熟制提取与基于地形气候模式的未来适宜性评估相结合，并利用改进的DSSAT(Decision Support System for Agrotechnology Transfer)模型实现了区域尺度的网格化模拟，揭示了多熟制北移通过增加作物生育期和改变种植结构而影响水分消耗的内在机制。
研究采用了几个关键技术方法：基于MODIS遥感数据的多熟制提取技术，通过Savitzky-Golay滤波和峰值识别算法准确识别了不同种植制度；基于CMIP6气候模式的多情景预测方法，采用SSP1-2.6、SSP3-7.0和SSP5-8.5三种典型路径预测2050年多熟制分布；改进的DSSAT区域化模拟技术，通过网格化参数分配和Python批量调用，实现了大尺度作物-水过程模拟；灌溉缺水量(IWD)评估方法，量化了多熟制扩张对农业用水压力的影响。
3.1. 多熟制的时空变化特征
研究发现，过去22年间黄淮海流域43.86%的耕地多熟制程度增加，主要表现为单熟制向双熟制的转变，面积达8.58万km2，集中分布在黄河下游和淮河流域。而到2050年，在SSP5-8.5情景下多熟制北移面积最大可达19.98万km2，三熟制面积将比2022年增长7.8倍。
3.2. 多熟制对农业耗水量的影响
模型模拟表明，历史时期多熟制发展使农业耗水量(AWC)增加15.6%，而未来情景下这一增幅将达46.7%-68.4%。双熟制替代单熟制是耗水量增加的主要驱动力，因其延长了农田植被覆盖期和作物蒸腾时间。
3.2.3. 未来预测
多熟制扩张将导致根区土壤含水量(SWCR)降低12.4%-19.3%，同时使水生产率(WP)提升2.6%-31.6%。值得注意的是，双熟制在SSP3-7.0情景下表现出最高水生产率，这与冬小麦-夏玉米轮作系统较高的水分利用效率有关。
研究结论明确指出，多熟制北移在提升粮食生产能力的同时，将显著加剧黄淮海流域的农业用水压力。到2050年，灌溉缺水量(IWD)可能达到206亿m3，相当于南水北调中线年调水量的2倍。这一发现警示我们，在气候变化背景下，亟需通过优化种植结构布局、推广节水品种和技术，实现粮食安全与水安全协同管理。该研究不仅为理解多熟制变化的水文效应提供了量化依据，也为制定气候变化适应型农业水资源管理策略提供了重要科学支撑。
