黄河流域水-肥-粮系统耦合特征及其对气候变化的响应
批准号:
52109071
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘文丰
依托单位:
学科分类:
农业水利与农村水利
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘文丰
中文摘要
在区域尺度下研究水-肥-粮耦合系统的时空演变规律并探索其对气候变化的响应机制是农业水科学的难点问题,然而当前研究缺少在区域尺度对这一耦合系统的深入刻画,未能全面反映这一复杂系统的互馈规律及对气候变化的响应。本项目拟以黄河流域水-肥-粮耦合系统为背景,基于大尺度作物模型PEPIC,构建适宜黄河流域的水-肥-粮耦合系统模拟模型,解决流域尺度水-肥-粮耦合系统研究的技术难题。以作物用水强度和化肥施用强度为纽带,阐明黄河流域水-肥-粮系统的耦合特征及其时空演变规律。结合新一代气候模式数据,探索未来气候变化对黄河流域水-肥-粮耦合系统的影响机制并识别其关键的气候影响因子,构建基于灌溉和施肥的气候变化应对措施空间,最终制定流域尺度气候变化影响的应对方案。通过厘清黄河流域水-肥-粮耦合机制及其对气候变化的响应规律,为黄河流域农业高质量发展与生态保护提供理论依据和科学支撑。
英文摘要
Investigating the spatiotemporal characteristics of water-nutrient-food interactions and exploring their responses to climate change at reginal levels have been a scientific challenge in agricultural water research. However, previous researches merely conducted a comprehensive study on revealing the interacting mechanism of this complex coupling system regionally. In this proposed project, the Yellow River basin was selected as the study area. Based on the large-scale grid-based crop model PEPIC, a local-suitable simulation model related to water-nutrient-food system for the Yellow River basin will be developed. This project will determine the characteristics of the water-nutrient-food interactions in the Yellow River basin and their spatiotemporal changing patterns based on agricultural water use intensities and nutrient application intensities. By combining new-generation climate model outputs, impacts of future climate change on the water-nutrient-food interactions and the major influential climatic factors will be identified in the Yellow River basin. Finally, regulation strategies related to irrigation and fertilization will be put forward for mitigating the impacts of climate change. The results derived from this project are expected to provide detailed and sound scientific supports towards high-quality agricultural development and ecology protection in the Yellow River basin.
本研究聚焦于黄河流域水-肥-粮系统的耦合特征及其对气候变化的响应机制,旨在通过构建大尺度作物模型 PEPIC,精准模拟农业生产过程中水资源消耗、肥料施用与粮食产量之间的复杂相互作用,并探讨气候变化背景下水资源短缺、氮磷流失及农业可持续管理策略。研究开展了黄河流域主要粮食作物(玉米和小麦)的参数化分析与精细化模拟,在县级尺度上揭示了农业强度的空间分布格局。结果表明农业灌溉、作物耗水、氮肥施用与磷肥施用等变量在空间上呈现显著的集聚特征,表明区域管理对农业资源利用效率具有重要影响。为优化农业资源配置,研究构建了县域尺度的农业资源利用效率优化路径,并提出“逐步推进策略”,使农业强度较高的区域逐步向资源利用效率最优区域靠拢,最终在减少氮磷投入的前提下,使黄河流域玉米和小麦产量分别提高 29.2% 和 7.4%,有效提升农业资源利用效率。在水资源短缺评估方面,研究创新性地构建了结合蓝水和绿水的农业用水短缺指数,更加全面地量化了农业生产对水资源的依赖程度及其在不同气候情景下的变化特征。在农业养分流失方面,研究系统评估了极端气候变化对氮流失的放大效应,发现尽管极端湿润年份发生频率低于 3%,但其导致的农业氮流失占总量的 10%-25%,未来气候变化将进一步显著增加极端氮流失。基于降水变化、施肥强度及土壤特性之间的复杂相互作用,研究开发了极端气候适应性氮管理方案(CLEANS),通过优化氮肥投入策略,在确保作物产量损失不超过 3% 的前提下,使极端氮流失减少 21%-46%,为未来农业非点源污染治理提供了科学依据。整体而言,本研究不仅深化了对黄河流域水-肥-粮耦合系统的机理认知,揭示了极端气候变化背景下水资源短缺与农业非点源污染的关键驱动机制,同时提出了优化农业管理的创新性方法,为黄河流域乃至其他气候脆弱地区的农业可持续发展提供了重要的理论支撑与实践指导。研究成果已发表于 Science Advances、Water Resources Research、Journal of Hydrology等国际权威期刊,进一步推动了农业水资源管理与环境保护的交叉学科发展。
国际应用系统分析研究学会2023暑期青年科学家项目
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批准号:52311540127
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:4.5万元
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批准年份:2023
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负责人:刘文丰
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依托单位:
国内基金
海外基金