水和养分是决定粮食生产的重要因素，虽然氮肥的大量投入可提高粮食产量，但水资源依旧是限制粮食增产的关键要素。灌溉可增加粮食产量，但也增加了区域水资源供给压力。有研究表明未来的农业水资源短缺将在世界许多地区进一步加剧。以往大多数关于水资源短缺的研究只关注蓝水(即来自河流、水库和湖泊的水)的提取和可用性。通常利用蓝水资源短缺指数（即蓝水的利用量与蓝水可利用量的比值）作为评价指标衡量区域或流域的水资源短缺程度。然而，仅基于蓝水的评估不能完全反映作物生产的实际水分胁迫状况。同时，绿水(即作物从雨水或土壤水中蒸发的水)是雨养农业的唯一水源，也是灌溉农业水资源的重要组成部分，约占全球作物用水量的85%，在水资源和稀缺性评估中经常被忽视。同时，随着人类对绿水重要性的认识逐步加强，对绿水资源短缺评估得到重视。迄今为止，在不同作物生育期的水资源短缺评估中适当纳入蓝水和绿水仍然是一个关键挑战。

东北黑土区是我国重要商品粮生产基地，拥有耕地面积约5.8亿亩，在保障我国粮食安全方面具有重要作用。然而，农业是最大的淡水用户，消耗了世界上70%-86%的可用水资源，是造成区域水资源短缺程度上升的最大原因。尤其在国家粮食增产战略背景下，灌溉农业将进一步扩张，必将加剧水资源的供给压力，导致局部区域水资源枯竭。农业水资源的可持续供给是保障粮食安全的重要手段和前提。因此，开展东北黑土区农业水资源可持续供给风险及其安全保障策略研究对我国粮食安全生产具有重要意义。

中国科学院东北地理与农业生态研究所和中国林业科学研究院科研人员联合以东北黑土区为典型研究区，在系统总结农业生产面临的水资源问题基础上，通过CWatM–Modflow分布式水文模型和基于蓝、绿水资源的农业水资源短缺指数（WSI_ag），系统评价东北黑土区水稻、玉米和大豆不同生育期水资源可持续供给风险，提出农业水资源可持续供给安全保障策略。研究结果表明：（1）1981~2020年期间，东北黑土区耕地面积增加了22%，有效灌溉面积增加了430%；灌溉用水量与有效灌溉面积增加趋势一致，从2000年的397亿m³，增加到2020年的477亿m³（图1）。（2）东北黑土区作物生育期内平均有效降雨量为274~495mm之间，整体呈现“南高北低，东丰西欠”的空间分布格局；可利用绿水资源呈现增加趋势，可利用蓝水资源量东北和南部减少，中间区域增加的趋势，正逐渐进入丰水期（图2）；随着灌溉面积增加，与2001~2005年5年均值相比，2016~2020年灌溉需水量增加了180亿m³（图3）。（3）水稻在泡田期、初始生育期和快速发育期水资源压力较大（WSI_ag>0.4）的区域均超过水稻种植面积的37%以上。同时，快速发育期是玉米和大豆水资源压力最大的时期，面积占比分别达到了33.8%和25.3%（图5）。最终，针对目前东北农业水资源存在的问题，我们建议可将WSI_ag<0.4的区域进行亏缺灌溉。同时，重点关注快速发育期水资源保障程度是解决东北黑土区农业水资源短缺的关键核心。

图1 东北黑土区耕地面积（1981-2020年）、有效灌溉面积（1981-2020年）、灌溉用水量（2000-2020年）和干旱指数（1981-2020年）

图2 东北黑土区蓝绿水资源演变特征 （a） 不同生育期有效降雨量；（b） 有效降雨量变化率；（c） 作物实际蒸发量；（d） 作物实际蒸发量变化率；（e） 农业绿水资源量；（f） 农业绿水资源量变化率；（g） 农业蓝水资源量；（h） 农业蓝水资源量变化率

图3 东北黑土区作物灌溉需水量（a）2001-2005年空间分布特征（b）2006-2010年空间分布特征（c）2011-2015年空间分布特征（d）2016-2020年空间分布特征（e）2001-2020年水稻、玉米、大豆灌溉需水量年际变化特征

图 4 （a）水稻、玉米、大豆不同生育期农业水资源短缺指数（WSI_ag）的平均值，（b）~（d） 2001-2020 年水稻、玉米、大豆不同生育期农业水资源短缺指数变化特征。（注释：第 1 阶段：泡田期，第 2 阶段：初始生育期，第 3 阶段：快速发育期，第 4 阶段：生育中期，第 5 阶段：成熟期）

该研究发表在中国科学院1区期刊Science Bulletin上，由中国科学院东北地理所齐鹏副研究员（第1作者）、联合培养硕士王海庆和王迎彬、李晓宇研究员、刘世荣院士、张守攻院士、姜明研究员（通讯作者）和章光新研究员共同完成。研究得到中国工程院咨询项目“农业生态安全屏障构建战略研究”（2022-JB-03-03）、吉林省优秀青年科技人才项目（应用技术类）（20230508099RC）和国家自然科学基金（42230516）共同资助。

论文信息及链接如下：

Peng Qi,Haiqing Wang,Yingbin Wang,Xiaoyu Li,Shirong Liu,Shougong Zhang,Ming Jiang* and Guangxin Zhang. Risk of sustainable agricultural water supply and security strategy in the Black Soil Region of Northeast China. Science Bulletin,2025.