中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 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)國家重點實驗室研究員王樹東帶領(lǐng)的生態(tài)水文遙感團(tuán)隊在灌溉用水估算領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究團(tuán)隊提出一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和遙感觀測數(shù)據(jù)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氣候變化情景下中國灌溉用水的變化趨勢和經(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。中國擁有全球最大面積的灌溉農(nóng)田，占中國耕地面積的一半以上。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于制定最優(yōu)的水資源分配政策的重要性日益凸顯。

據(jù)介紹，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，在全國尺度和未來氣候變化情景下適用性差?；诖耍撗芯繄F(tuán)隊開發(fā)了一個基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新模型，通過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)動因子、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和數(shù)值模型模擬，在數(shù)據(jù)驅(qū)動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(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。通過11個農(nóng)田站點的獨立觀測驗證，模擬數(shù)據(jù)與實地觀測數(shù)據(jù)具有顯著相關(guān)性，準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

全國灌溉用水在2030年-2100年的變化趨勢和經(jīng)濟(jì)影響

該研究團(tuán)隊進(jìn)一步考慮了一系列氣候和社會經(jīng)濟(jì)情景，將建立的機(jī)器學(xué)習(xí)框架與四個先進(jìn)的地球系統(tǒng)模型結(jié)合，提供了未來70年中國灌溉用水的變化趨勢和相關(guān)成本。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，基于不同的溫室氣體排放情景，未來70年，約60%的省份的灌溉用水量都會增加，特別是西北和華北區(qū)域。對比20世紀(jì)80年代至2010年的數(shù)據(jù)，全國灌溉用水到2050年預(yù)計最高將增加17.1%，灌溉用水的增加帶來每年新增成本最高達(dá)到39.1億美元；到2100年預(yù)計最高將增加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。

該項研究提出了一種有效估算當(dāng)前和未來灌溉用水的方法，研究成果可以擴(kuò)展到其他面臨日益增長的灌溉需求的國家。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)在氣候變化和社會經(jīng)濟(jì)動態(tài)背景下進(jìn)行水資源的可持續(xù)利用與管理。

針對中國未來氣候變暖導(dǎo)致灌溉用水量持續(xù)增加的情況，王樹東建議，可以通過提高灌溉效率、推廣節(jié)水型農(nóng)業(yè)、實施水資源管理政策、加強(qiáng)水資源保護(hù)和補(bǔ)給、發(fā)展再生水利用等多種舉措實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和管理。

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（AGU）旗下全球變化旗艦期刊Earth's Future（《未來地球》）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)國家重點實驗室為本研究的第一完成單位，劉凱博士為第一作者，王樹東為通訊作者。