東北地理所在作物變綠對區域水循環影響研究方面取得重要進展
區域可用水資源與農業生產之間的矛盾一直是制約農業可持續發展的主要因素。東北地區作為我國最大的農業區，在維護國家糧食安全方面發揮著關鍵作用。自21世紀以來，東北地區呈現出前所未有的作物變綠趨勢，然而，作物變綠通過改變水文循環對區域水資源的影響尚不明確。本研究以東北地區為研究區，在前期研究“作物變綠對地表溫度的不對稱影響及其生物地球物理機制 (Yu et al., AFM, 2022)”的基礎上，進一步探討了作物變綠對區域水循環的影響及機制。首先利用時間序列衛星觀測記錄分析了水循環關鍵要素包括蒸散、降水和土壤水分的時空變化特征；進而應用機器學習方法探究了土壤水分對葉面積指數的敏感性，并應用可解釋深度學習方法進行土壤濕度變化的貢獻歸因；最后采用區域氣候模式WRF情景模擬研究作物變化對東北地區區域水分平衡的影響及物理機制。
研究結果表明，2001-2020年，東北地區生長季水循環增強，主要表現為作物蒸散、降水和土壤水分呈顯著增加趨勢。土壤水分對葉面積指數的敏感性具有顯著的區域差異性，西南半干旱地區敏感性為正，典型黑土區敏感性為負，即西南半干旱地區作物變綠會增加土壤濕度，而在典型黑土區則相反。區域氣候模式情景模擬發現，松嫩平原北部作物變綠使蒸散增強，水汽輻合使得下風向降水增加。該研究結果表明在東北地區區域尺度上，氣候變化背景下的“DDWW范式（干的地方越干，濕的地方越濕）”并不適用，景觀格局與配置在影響作物變綠對區域水循環的反饋時發揮著更為重要的作用。此外，降水的增加是導致東北地區作物生長季土壤水分增加的主要因素，有效抵消了作物變綠造成的區域整體水分虧缺。同時，基于CMIP6預測的未來降水持續增加趨勢可以進一步緩解農業發展和水資源之間的沖突。
綜上，本研究為深入理解作物生長對東北地區區域水分平衡的影響提供了科學依據，并強調景觀格局和背景降水變化對厘清作物生長對水循環反饋的重要性。
圖1. 2001-2020年東北地區農田生長季蒸散 (mm·d？1/a, a),、降水 (mm·d？1/a, b)與土壤水分 (m3·m？3/a, c)變化趨勢.
圖2. 2001-2020年東北地區農田生長季蒸散、降水和土壤水分變化趨勢核密度圖（農田變綠：橙色，控制實驗：藍色）
研究成果于近期以“Increased background precipitation masks the moisture deficit caused by crop greening in Northeast China”為題在Journal of Hydrology上發表，由中科院東北地理所于靈雪副研究員等共同完成。該研究得到了中國科學院戰略先導專項（XDA28080503）、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、中國科學院“十四五”網絡安全和信息化發展規劃項目的資助。
論文信息如下：
Lingxue Yu, Xuan Li, Kun Bu, Fengqin Yan, Shuwen Zhang, Tingxiang Liu.Increased background precipitation masks the moisture deficit caused by crop greening in Northeast China. Journal of Hydrology, 2023. https://doi. org/10.1016/j.jhydrol.2023.129857.
Lingxue Yu, Ye Liu, Jiuchun Yang, Tingxian Liu*, Kun Bu, Guangshuai Li, Yue Jiao and Shuwen Zhang. Asymmetric daytime and nighttime surface temperature feedback induced by crop greening across Northeast China, Agricultural and Forest Meteorology, 2022: 325. 109136. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2022.109136
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