文章导读
遥感技术显著提升了农业水文监测能力，但作物结构变化的尺度效应及其对区域水循环响应机制的影响仍有待进一步厘清。为此，中国科学院地理科学与资源研究所宋献方研究员团队针对宁夏平原灌溉农业区，构建了跨尺度耦合分析框架，系统量化了2004年–2023年作物种植结构转型与多尺度地表水体变化之间的关系及其差异化驱动特征。研究从尺度响应角度将水体划分为三类机制：大型湖泊主要受气候变化影响，黄河河道表现为人类用水与自然过程共同作用，而小型水体则更可能受局地农田灌排过程控制。同时，研究结合K-means湖泊分类方法与主成分分析-Spearman相关分析体系，实现了对农业结构变化与水资源约束条件下水文响应差异的尺度化解析。该研究为干旱区灌溉农业水文过程的分级认知提供了参考，也为区域水资源精细化管理提供了新的分析视角。
研究过程及结果
本研究以2004年–2023年宁夏平原为研究区，基于多源遥感与统计数据，构建作物种植结构与地表水体的长时间序列数据集。在作物识别方面，2019年–2023年采用Sentinel-2多光谱时序数据与Random Forest分类模型进行精细制图；2004年–2018年结合Alpha Earth融合影像，一个全球范围、30米分辨率的日尺度无缝地表反射率数据立方体 (SDC)，利用基于Transformer的时序分类模型重建历史作物分布。地表水体信息来源于长时间序列水体数据集，并结合黄河河道及湖泊数据进行分类提取。在驱动分析方面，采用Shannon多样性指数 (SHDI) 刻画作物结构演变，利用Mann–Kendall趋势检验与Sen斜率分析水体变化趋势，并通过主成分分析 (PCA) 提取农业结构与气候因子，并结合Spearman相关分析识别不同尺度水体的关键驱动因素。
图1. 研究区域 (宁夏平原)。
1.作物种植结构由多样化向玉米主导转变
2004年–2023年间，宁夏平原作物结构发生显著重构。玉米种植面积持续扩张 (+50.8%)，逐渐成为绝对主导作物；小麦面积大幅下降 (−74.3%)，水稻亦呈明显下降趋势 (−44.6%)。与此同时，葡萄、蔬菜等经济作物快速增长，但整体占比仍不足以改变主粮结构趋势。Shannon多样性指数 (SHDI) 在2017年达到峰值后显著下降，表明农业系统由“多元结构”逐步向“单一化结构”转变。
图2. 种植结构演变与SHDI趋势。
图3. 2004年–2023年宁夏平原主要作物的地方莫兰指数。
2.地表水体总体萎缩且呈显著季节压缩特征
研究区地表水体总体面积在2004年–2023年呈下降趋势，2013年后下降尤为明显，年最大水体面积以约−5.32 km²/年速度减少。黄河水面面积下降14.41%，而湖泊系统相对稳定但季节波动增强。水体变化呈现显著“冬季高、夏季低”的季节结构，同时年际上表现为峰值收缩而非均匀下降，说明水体变化主要由灌溉排水强度下降驱动，而非自然水体持续退化。
图4. 2004年–2023年宁夏平原地表水总面积、面水体及黄河流域的时空变化 (a) 地表水面积的月变化；(b) 年最大和平均地表水面积；(c) 地表水面积的月分布。
图5. 2004年–2023年宁夏平原最大地表水范围空间分布。
3.不同尺度水体对农业与气候的响应存在显著差异
主成分分析结果表明，农业结构变化 (PC1) 与气候变化 (PC2) 共同构成系统主要驱动，但不同水体响应机制差异显著。大型湖泊主要受气候变化控制，与农业结构无显著相关性；黄河水体变化与农业灌溉强度呈中等相关；而小型湖泊则不受宏观气候或统计农业变量显著影响，主要受局地农田灌溉—排水过程控制，体现出强烈的尺度依赖性。
图6. (a) 卫宁灌区、青铜峡灌区引水量及其总和；(b) 卫宁灌区、青铜峡灌区排水量及其总量。
图7. 不同政策驱动阶段作物多样性时空变化，其中黑色实线表示SHDI值，蓝色虚线表示变化方向。
研究总结
本研究基于长期时序数据，揭示了宁夏平原农业结构调整与地表水动态之间的耦合关系。结果表明，农业系统向玉米主导结构的演变，是区域水资源格局变化的重要人类活动信号之一，其通过改变灌溉需求与排水过程，对地表水体的时空分布产生影响。同时，不同尺度水体对驱动因子的响应存在显著差异，体现出灌溉农业区水文过程的尺度依赖特征与系统异质性。研究结果为理解干旱区农业活动与水文过程之间的相互作用提供了实证支持。
研究展望
未来研究可从以下三个方面进一步拓展：首先，引入更高分辨率遥感数据与地下水观测资料，以揭示地表水–地下水之间的耦合机制；其次，结合物理水文模型与机器学习方法，提升对灌溉—排水过程的机理模拟能力；最后，加强小尺度农田水文过程的田间观测，以弥补当前基于统计分析与遥感反演的局限，从而更系统地刻画出人类活动影响下的区域水循环过程。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2073-4441/18/8/978
Water 期刊介绍
主编：Jean-Luc PROBST, University of Toulouse, France
Water 期刊于2009年创刊，是一个国际性、跨学科的同行评审开放获取半月刊。发表论文主题涵盖水科学的所有方面，包括水资源领域相关的科学、技术、管理和治理等原创性研究论文和综述论文。
2025 Impact Factor：3.5
2025 CiteScore：6.7
Time to First Decision：17.7 Days
Acceptance to Publication：2.8 Days
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/water
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