灌溉水利用作为水资源利用的重要组成部分，已经引起了致力于实现区域水安全的学者们的广泛关注。由于自然物理因素的变化，不同地区单位耕地面积的IWU存在差异；因此，即使耕地总面积保持不变，耕地空间位置的变化也会驱动区域总IWU的变化。基于CROPWAT模型和多源数据，估算了中国耕地空间转移引起的IWU变化。结果表明，1990 - 2015年中国耕地质心向西北方向移动了约56 km，导致全国IWU增加了约180亿m3( 7.3 % )。分区域来看，西北部的IWU增幅最大，达到近230亿m3，这主要是由于单位面积农田( 759 ~ 810mm)的IWU较高，是全国平均水平的5倍以上。此外，西北地区灌溉水生产率较低( 0.66 kg / m3 )，仅为全国平均水平的15 %。因此，为缓解西北地区的水粮矛盾，在现有耕地上应以提高产量和降低单位面积灌水量为重点，而不是开垦新的耕地，这就要求西北地区优先采用先进的生产和灌溉技术。本研究可为实现区域水土可持续管理的政策制定提供有价值的参考。
（1）计算区域灌溉用水量(IWU)的CROPWAT模型
通过前期的研究验证了该模型在模拟中国灌溉用水方面的适用性。区域的IWU由区域内所有网格的IWU求和得到，具体如下：
（2）MDI方法分解耕地空间转移引起的区域IWU变化
为识别区域IWU变化主要是由区域耕地面积变化引起还是由单位耕地面积IWU变化引起，进一步采用对数平均迪氏指数( LMDI )方法将区域IWU变化分解为耕地面积因子和单位耕地面积IWU因子。为了将区域IWU变化分解为上述两个因素，将区域耕地IWU表示为：
利用LMDI的加法形式，区域耕地IWU变化可以分解为
这两种效应可以进一步求解为
（3）数据来源
利用中国科学院资源环境科学与数据中心提供的1990年、2000年和2015年陆地卫星专题制图仪卫星影像，解译得到1km×1km格网尺度的耕地空间分布图。
气象数据来自中国地面台站逐日气候数据集(V3.0)，包含824个地面气候站(国家气象科学数据中心)。
作物生产日历来自全球农业生态区(GAEZ)模型，其中根据气候、土壤和地形特征，将中国大陆划分为49个作物生产系统区。
灌溉水利用效率来源于《中国水资源公报》(水利部,2015)。
各作物的灌溉率、复种指数和播种面积占比均来源于国家农业科学数据中心。
1.1990-2015年中国耕地空间变化
1990-2015年中国耕地面积净增加了15.3×103 km2（0.87%），主要位于中国北方地区，其中西北干旱区新增26.7%，东北地区新增12.6%。南方大部分地区耕地面积减少，华南地区下降最多（5.7%）。1990-2000年中国耕地重心向东北移动33km，2000-2015年向西北移动34km，1990-2015年整体向西北移动56km。城市建设占用和人口增长是南方地区耕地减少的原因，现代规模农业发展和跨省耕地补充是西北地区耕地增长的原因。
图3.1990 - 2015年中国耕地重心迁移
2.中国耕地空间转移引起的灌溉用水变化
1990-2015年中国灌溉用水量净增加182亿m3（7.3%），其中单位耕地灌溉用水量增长和耕地面积增长分别贡献了88%、12%。西北地区灌溉用水量增加了226亿m3，单位耕地灌溉用水量为759-810mm，高于全国平均水平5倍。主要原因是该地区高蒸散发、低降水量、高灌溉比例和低灌溉效率。四川盆地和长江中下游灌溉用水量减少47%。
图4.1990-2015年中国9个区域耕地空间转移引起的灌溉用水变化。(a)耕地面积；(b)灌溉用水量；(c)单位耕地面积灌溉用水量。
图5.中国农田水分条件的空间分布。(a)蒸散发。(b)有效降水。(c)灌溉率。(d)有效灌溉效率
3.中国耕地空间转移引起的灌溉水生产率变化
单位面积产量消耗的灌溉用水量被定义为灌溉用水生产力，研究期间中国耕地灌溉用水生产力下降11%，西北地区下降最大（7%），处于全国最低水平。2015年西北地区灌溉用水生产力约为全国平均水平的15%，几乎所有耕地都是低单位产量和高灌溉用水量；南方地区高于全国平均水平的2.5倍。
图6.1990 - 2015年中国九大区域灌溉水生产率变化。
图7.中国灌溉水利用与粮食产量。(a)中国灌溉用水(IWU)空间分布。网格按降序排列并按分位数分类：红色>10%(>361mm)，橙色10%~20%(232~360mm)，黄色21%~40%(130~231mm)，绿色41%~60%(75~129mm)，蓝色<60%(75mm)。(b)中国灌溉用水量(IWU)与粮食产量双累积曲线。x轴表示按栅格IWU降序排列的耕地面积累计百分比，y轴分别表示对应的IWU和产量累计百分比。
1990-2015年中国耕地新增0.87%，整体重心向西北移动56km，导致整体灌溉用水增加了7.3%，灌溉用水生产力下降了11%。西北地区单位耕地灌溉用水量约为全国平均水平5倍，耕地灌溉用水生产力约为全国平均水平的15%，处于最低水平。文章建议不宜在西北地区开垦新的耕地。西北地区现有耕地应优先采用更先进的灌溉技术和作物生产措施以减少灌溉用水量。决策者应当减少南方地区建设用地占用耕地和大规模的耕地撂荒，充分利用南方自然降水资源，并缓解西北地区耕地扩张压力。
