地球大数据科学论丛 ||《中亚干旱区水-能-粮-生态系统评估与可持续发展》|中亚干旱区水-能-粮-生态系统评估与可持续发展|地球|大数据|科学

水、能源、粮食和生态系统作为社会经济发展最重要的基础性资源，在减贫、人类福祉和区域可持续发展方面发挥着重要作用，是人类社会实现社会-经济-环境可持续发展的根本保障。预计至 21 世纪中叶，人类对于粮食和能源的需求将分别保持 50% 和 35% 左右的增长，全球缺水比例将高达 40%。随着对能源和粮食需求的不断增加，环境退化以及水资源压力问题越来越突出，水-能源-粮食-生态系统面临着严峻的挑战。为了应对这些挑战，亟须打破单一学科限制，系统而全面地了解和管理水-能源-粮食-生态系统之间的纽带关系，以实现系统协同与可持续发展。

中亚地处欧亚大陆腹地，与中国接壤 3300 多千米，山水相连、民族相通，但地缘政治复杂。在全球变暖和国际环境日趋多变的今天，中亚干旱区的水、能源、粮食、生态环境问题被日益关注，其中水资源问题(主要指水资源短缺、水污染等)已经成为生态环境可持续管理的突出问题。在气候变化和人类活动的双重影响下，中亚地区上下游国家在水权、能源补偿机制等方面的矛盾日趋突出，跨境河流的水危机、水冲突成为“一带一路”倡议的潜在挑战，并且，水-能源-粮食-生态系统之间存在紧密而复杂的关系，任何一个子系统的变化都会对其他子系统产生不同程度的影响。气候变化、人口增长和城市化等系统外部因素也将直接影响纽带关系的变化。为此，如何确保水-能源-粮食-生态系统协同发展，成为当前迫切需要解决的核心问题。

《中亚干旱区水-能-粮-生态系统评估与可持续发展》一书是中国科学院新疆生态与地理研究所陈亚宁研究员团队结合多年的工作积累和资料诊断分析，对中亚干旱区水资源、粮食资源、能源和生态系统的变化与耦合关系的系统性科学总结。该书系统分析了中亚地区的水资源利用效率及承载力，评估了气候变化背景下的水安全风险，揭示了不同变化情景下作物供需水变化，分析了荒漠植被对干旱的响应机制，研究了水-能源-粮食-生态系统的稳定性和互馈机制，提出的可持续发展理论框架可为加强“一带一路”倡议在国际合作发展中的作用、实现联合国 2030 可持续发展目标(sustainable development goals，SDGs)提供重要的决策支持。

全书共 9 章。各章节主要内容如下：

第 1 章主要介绍中亚地区气候水文特征及未来趋势，并对未来气候变化趋势进行了预估。
第 2 章从气候变化和社会经济角度详细论述了当前中亚地区水资源状况，并对中亚地区水资源利用效率和承载力进行了评估。
第 3 章系统分析了中亚地区农业生产的现状和存在的问题，评估了未来气候变化对作物需水量以及粮食产量的影响。
第 4 章阐释了中亚地区水安全问题的影响因素，并评估了中亚地区的水安全状况。
第 5 章分析了中亚地区植被生态系统及其水分利用效率的时空演变规律及驱动因素。
第 6 章探讨了中亚地区的干旱风险及未来趋势。
第 7 章从多角度评估了中亚地区生态承载力和生态足迹，并对生态安全进行了综合评估与趋势预测。
第 8 章主要介绍中亚地区由能源消耗所引发的生态环境问题，并分析了能源消费 CO2 排放与经济增长之间的脱钩与响应关系。
第 9 章系统论述了中亚地区水-能源-粮食-生态系统的纽带关系，阐述了各子系统之间压力的传递机制。

▋地球大数据科学论丛

第二次工业革命的爆发，导致以文字为载体的数据量约每 10 年翻一番；从工业化时代进入信息化时代，数据量每 3 年翻一番。近年来，新一轮信息技术革命与人类社会活动交汇融合，半结构化、非结构化数据大量涌现，数据的产生已不受时间和空间的限制，引发了数据爆炸式增长，数据类型繁多且复杂，已经超越了传统数据管理系统和处理模式的能力范围，人类正在开启大数据时代新航程。

当前，大数据已成为知识经济时代的战略高地，是国家和全球的新型战略资源。作为大数据重要组成部分的地球大数据，正成为地球科学一个新的领域前沿。地球大数据是基于对地观测数据又不唯对地观测数据的、具有空间属性的地球科学领域的大数据，主要产生于具有空间属性的大型科学实验装置、探测设备、传感器、社会经济观测及计算机模拟过程中，其一方面具有海量、多源、异构、多时相、多尺度、非平稳等大数据的一般性质，另一方面具有很强的时空关联和物理关联，具有数据生成方法和来源的可控性。

地球大数据科学是自然科学、社会科学和工程学交叉融合的产物，基于地球大数据分析来系统研究地球系统的关联和耦合，即综合应用大数据、人工智能和云计算，将地球作为一个整体进行观测和研究，理解地球自然系统与人类社会系统间复杂的交互作用和发展演进过程，可为实现联合国可持续发展目标(SDGs)做出重要贡献。

中国科学院充分认识到地球大数据的重要性，2018 年年初设立了 A 类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”(CASEarth)，系统开展地球大数据理论、技术与应用研究。CASEarth 旨在促进和加速从单纯的地球数据系统和数据共享到数字地球数据集成系统的转变，促进全球范围内的数据、知识和经验分享，为科学发现、决策支持、知识传播提供支撑，为全球跨领域、跨学科协作提供解决方案。

在资源日益短缺、环境不断恶化的背景下，人口、资源、环境和经济发展的矛盾凸显，可持续发展已经成为世界各国和联合国的共识。要实施可持续发展战略，保障人口、社会、资源、环境、经济的持续健康发展，可持续发展的能力建设至关重要。必须认识到这是一个地球空间、社会空间和知识空间的巨型复杂系统，亟须战略体系、新型机制、理论方法支撑来调查、分析、评估和决策。

一门独立的学科，必须能够开展深层次的、系统性的、能解决现实问题的探究，以及在此探究过程中形成系统的知识体系。地球大数据就是以数字化手段连接地球空间、社会空间和知识空间，构建一个数字化的信息框架，以复杂系统的思维方式，综合利用泛在感知、新一代空间信息基础设施技术、高性能计算、数据挖掘与人工智能、可视化与虚拟现实、数字孪生、区块链等技术方法，解决地球可持续发展问题。

“地球大数据科学论丛”是国内外首套系统总结地球大数据的专业论丛，将从理论研究、方法分析、技术探索以及应用实践等方面全面阐述地球大数据的研究进展。地球大数据科学是一门年轻的学科，其发展未有穷期。感谢广大读者和学者对本论丛的关注，欢迎大家对本论丛提出批评与建议，携手建设在地球科学、空间科学和信息科学基础上发展起来的前沿交叉学科——地球大数据科学。让大数据之光照亮世界，让地球科学服务于人类可持续发展。

——郭华东

中国科学院院士

地球大数据科学工程专项负责人

▋本书内容简介

本书对中亚地区水资源、粮食、能源以及生态系统的变化与耦合关系进行系统研究。重点分析了中亚地区的水资源利用效率及承载力，评估了气候变化背景下的水安全风险，研究了不同变化情景下作物供需水变化，解析了荒漠生态系统对干旱的响应机理，揭示了水-能源-粮食-生态系统的稳定性和互馈机制，提出的可持续发展理论框架可为加强“一带一路”倡议在国际合作发展中的作用、实现联合国 2030 可持续发展目标提供重要的决策支持，为减少区域贫困、增加人类福祉、保障丝绸之路经济带核心区的健康稳定提供科学参考。

▋读者对象

本书可供水资源、粮食安全、生态学、国际关系及相关领域的科研人员和管理人员，以及高等院校相关专业师生参考。

▋主要作者简介

陈亚宁

中国科学院新疆生态与地理所研究员、博导，荒漠与绿洲生态国家重点实验室主任，国家重大科学研究计划项目首席科学家。兼任国际水文科学协会（IAHS）中国遥感分委会主席、自治区党委水资源管理专家委员会成员、自治区专家顾问团顾问。入选新世纪“国家级百千万人才工程”和新疆首批天山领军人才。主要从事干旱区水资源与生态环境保护研究。以第一和通讯作者在中国科学、科学通报等刊物上发表SCI论文400余篇，主编《中国西北干旱区水资源研究》《干旱区科学概论》等中（英）文专著20余部，多份咨询建议被刊录和领导批示。连续3年（2020~2022年）入选全球高被引科学家和全球前2％顶尖科学家榜单。成果获国家科学技术进步奖二等奖4项，新疆科技进步奖特等奖1项、科技进步奖一等奖5项、自然科学奖一等奖1项（均排名第一）。先后荣获何梁何利基金科学与技术创新奖、全国优秀科技工作者、全国“五一”劳动奖章、全国创新争先奖、中国科学院优秀共产党员以及中国科学院杰出科技成就奖。