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FASE 亮文解读丨西北农林卓拉研究员团队—预测气候变化情景下新疆灌溉棉花生产的水足迹 |
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论文标题：Water footprint of irrigated cotton production in Xinjiang under predicted climate change scenarios
期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering
作者：Pengcheng TIAN, Zhiwei YUE, Xiangxiang JI, Ning YAO, Pute WU, La ZHUO
发表时间： 15 Jun 2025
DOI：10.15302/J-FASE-2024585
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Jun 2025, Volume 12 Issue 2
· 第十三篇 ·
▎论文ID
Water footprint of irrigated cotton production in Xinjiang under predicted climate change scenarios
预测气候变化情景下新疆灌溉棉花生产的水足迹
文章类型：Research Article
发表年份：2025年
第一作者：田鹏程
通讯作者：卓拉
Email: zhuola@nwafu.edu.cn
作者单位：西北农林科技大学水土保持科学与工程学院；中国科学院水土保持研究所
Cite this article :
Pengcheng TIAN, Zhiwei YUE, Xiangxiang JI, Ning YAO, Pute WU, La ZHUO. Water footprint of irrigated cotton production in Xinjiang under predicted climate change scenarios. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(2): 367-377 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024585
· 文 章 摘 要 ·
新疆作为我国水资源最匮乏的省份之一，棉花产量占全球的25%。然而，在两种气候变化情景下，新疆棉花生产的用水量变化尚不明确。本研究考虑了三种灌溉技术 (沟灌、微(滴)灌和喷灌)，在5角分网格尺度上模拟了新疆棉花生产在2050年代和2090年代气候变化情景下的蓝水和绿水足迹。以2000–2018年为基准期，结果显示：基准期内新疆棉花水足迹为4264立方米/吨，其中蓝水占83%。在气候变化情景下，预测新疆干旱化趋势将加剧，水资源压力持续增大。由于CO2浓度升高，在两种共享社会经济路径 (SSP) 情景下——代表中等社会经济发展与较低排放的SSP2-4.5，以及高增长高排放的SSP5-8.5——2090年代棉花水足迹分别趋于减少19.3%和35.7%。蓝水足迹总体呈下降趋势，但其占总水足迹的比例将略有上升，最大增幅为3.4%；绿水足迹同样呈下降趋势，分别减少33.7% (SSP2-4.5) 和47.2% (SSP5-8.5)。三种灌溉技术中，喷灌的节水潜力最大，降幅可达40.1%。
· 文 章 亮 点 ·
1. 多种气候变化情景下，新疆南部干旱化趋势预计将加剧。
2. 这些情景下，棉花水足迹有望减少。
3. 喷灌被证实具有最高的节水潜力。
· Graphical abstract ·
· 研 究 内 容 ·
▎引言
政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 第六次评估报告指出，人类活动已导致大气、海洋和陆地持续变暖。气候变化引发了更频繁、更强烈、更广泛且更持久的极端天气事件，对作物生产构成重大威胁——干旱条件下作物产量可能下降40%，同时需增加灌溉用水以维持生产。
现有研究在探讨气候变化对农业生产与水资源的影响时，往往过度关注粮食作物而忽视了经济作物。经济作物对我国轻工业发展至关重要，是出口创汇的重要来源。其中，棉花占我国经济作物总种植面积的32.3%，种植面积仅次于花生，是典型的高耗水经济作物。研究其耗水结构，对缓解区域水资源压力具有重要意义。然而，在大区域尺度上，现有研究对经济作物在不同灌溉技术下的耗水对长期气候变化的响应关注不足。
新疆是我国最西端的省份，属最干旱地区之一，但其棉花产量占全国的91.0%，贡献了农民收入的35%和全球产量的25%。由于水资源严重短缺，新疆棉花节水灌溉的普及率逐年提高，但不同灌溉方式 (沟灌、微灌、喷灌) 下棉花耗水对未来气候变化的响应仍不明确。
水足迹 (WF) 是衡量作物生产耗水的关键指标，包含绿色水足迹、蓝色水足迹和灰色水足迹。其中，蓝色与绿色水足迹合称为消耗性水足迹，是评估农业水资源利用效率的核心参数。本研究聚焦消耗性水足迹，系统评估了新疆棉花在两种气候变化情景 (SSP2-4.5：中等排放路径；SSP5-8.5：高排放路径) 下，不同灌溉技术的水足迹时空响应，旨在为区域节水农业发展与水资源优化配置提供科学依据。
▎研究方法与数据
研究基于国际水足迹计算框架，采用AquaCrop作物模型模拟棉花生长周期内的土壤水分动态平衡。模型以5弧分网格为空间单元，结合逐日气象数据 (温度、降水、参考蒸散量) 驱动，区分灌溉与降水对土壤水分的贡献，最终量化棉花生产的蓝水与绿水足迹。
具体数据来源包括：基准期 (2000–2018年) 气象数据来自CRU-TS4.04数据库；未来情景 (2050年代、2090年代) 气象数据基于BCC-CSM2-MR气候模型输出的SSP2-4.5、SSP5-8.5情景，通过WorldClim数据库获取；土壤类型与水分数据来自ISRIC SoilGrids；棉花种植面积与灌溉分布数据来自MIRCA2000数据集；作物参数参考联合国粮食及农业组织 (FAO) 相关指南。模型通过逐日土壤水分平衡方程，动态计算蓝水与绿水的蒸散量，结合棉花单产数据，最终得到单位产量的水足迹。
▎研究结果
1. 新疆未来气候变化趋势
与基准期1080毫米的参考作物蒸散量 (ETo) 相比，新疆未来两种情景下的年均ETo均呈增加趋势。2090年代SSP5-8.5情景下，ETo年增长率达14.3% (图1)。冬季和早春的ETo增幅尤为突出，2090年代SSP5-8.5情景下增长率分别高达93%和53%，而夏季增幅较小，仅约8%，表明干旱季节的蒸发需求显著上升。
图1 不同情景下月度参考作物蒸散量与降水量变化。
基准期新疆年均降水量为135毫米，两种未来情景下降水变化趋势相似：7–9月降水量高于基准期，其他月份低于基准期。总体而言，年降水量呈下降趋势，平均减少15.1%，其中2090年代SSP5-8.5情景降幅最大，达16.4%。无论何种情景，2090年代的ETo均高于2050年代，而降水量呈减少态势。
2. 未来气候变化对棉花水足迹时空分布的影响
(1) 棉花水足迹的基准期与预测期时空分布
从时间尺度看，未来情景下，无论采用沟灌、微灌还是喷灌，2090年代的灌溉水足迹均相对较低。在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，2090年代沟灌、微灌和喷灌的灌溉水足迹较基准期分别减少17.8%、16.5%、24.8%和34.1%、33.7%、40.1%。与基准期相比，2050年代棉花灌溉生产总水足迹中蓝色水足迹的占比将增加3.4%和3.0%，2090年代则增加3.1%和3.0% (图2)。
图2 新疆棉花生产中三种灌溉技术的蓝色与绿色水足迹。
从空间尺度看，基准期新疆棉花的平均灌溉水足迹为4260 m³·t-¹，其中蓝色水足迹为3560 m³·t-¹。棉花水足迹的空间分布存在显著区域差异，高值区主要集中在北疆，低值区位于南疆和西南地区 (图3)。新疆棉花蓝色水足迹呈现南北梯度分布；绿色水足迹的空间分布差异较大，无明显规律且整体值较低。
图3 新疆基准期与预测期棉花水足迹相对变化 (审图号：新S(2025)016号)。
在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，2090年代棉花灌溉水足迹整体呈下降趋势，降幅分别为19.3%和35.7%，且空间分布差异显著。两种情景下，2090年代的相对变化具有相似的空间分布特征：部分区域 (主要为北疆) 的水足迹显著下降，其他区域 (主要为南疆和西部地区) 降幅较小。SSP5-8.5情景下，2090年代棉花水足迹的下降趋势更明显，多数区域降幅为SSP2-4.5情景的1.5倍，北疆大部分地区降幅超过40%。
(2) 棉花蓝色和绿色水足迹对未来气候变化的响应
在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，2090年代蓝色水足迹的占比将达86.4%，高于基准期的83%。2090年代棉花蓝色水足迹整体呈下降趋势，降幅分别为16.5%和33.4%，且空间分布差异显著。SSP2-4.5情景下，2090年代降幅较大的区域主要集中在北疆，降幅较小的区域位于南疆，仅西部和西南部的少数区域预测蓝色水足迹呈上升趋势。SSP5-8.5情景下，2090年代无区域呈现蓝色水足迹上升趋势，且降幅更明显，南疆部分区域降幅超过40% (图4)。
图4 新疆棉花预测的蓝色 (?WFbl) 与绿色 (?WFgr) 水足迹相对变化 (审图号：新S(2025)016号)。
两种未来气候情景下，2090年代新疆棉花生产绿色水足迹的降幅分别为33.7% (SSP2-4.5) 和47.2% (SSP5-8.5)。空间上，两种情景下绿色水足迹均呈下降趋势，南疆降幅较大，北疆降幅较小，但部分区域预测呈上升趋势。SSP5-8.5情景下，2090年代新疆棉花生产绿色水足迹整体下降趋势更显著，各区域降幅超过SSP2-4.5情景，最大降幅超过60%。
· 结 论 ·
本研究表明，新疆未来将面临更干旱的气候趋势 (ETo上升、降水减少)，棉花生产对灌溉的依赖将进一步增强，水资源压力加剧。两种气候变化情景下，新疆棉花灌溉水足迹总体呈下降趋势，主要归因于CO2浓度升高的“施肥效应”对作物产量的促进作用。蓝水足迹占比小幅上升，但总量下降；绿水足迹显著减少。空间上，北疆蓝水足迹降幅更突出，南疆绿水足迹降幅更显著。三种灌溉技术中，喷灌节水潜力最大，是未来新疆棉花生产节水的优先选择。
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