摘要
水是事关国计民生的基础性自然资源和战略性经济资源。目前，水资源短缺及污染问题已严重制约了我国经济社会发展。为此，我国先后出台了一系列政策措施，以落实最严格的水资源管理制度。农业是我国第一大用水部门，科学、系统地量化和评估农业活动水资源利用现状是破解水资源瓶颈制约的关键。水足迹是一种衡量水资源消耗与水污染状况的综合指标，可清晰地描绘农业活动的耗水和污染特征。传统基于清单层次的农业水足迹研究仅关注于直接过程，并多从生产和贸易视角开展水足迹量化和虚拟水流动分析，不足以全面地评估农业活动水资源情况和缓解当前严峻的水资源短缺形势，亟需基于多视角针对直接和间接农业水足迹环境影响展开全面的量化分析。考虑到水足迹研究的区域差异，直接采用国外模型会造成水足迹评价结果的偏差，而符合我国国情的农业水足迹量化模型尚且匮乏。此外，现有研究多立足于农业水足迹现状评估，缺乏对“经济社会—农业活动—资源—环境”复合系统内部要素作用机理和演变趋势的深入探索。鉴于此，本研究创建了符合我国国情的农业水足迹量化模型，并以粮食作物为研究对象，从生产、贸易和消费三个视角开展了模型应用和全过程水足迹核算。同时，本研究采用系统动力学方法进一步模拟了粮食生产水足迹现状水平和未来演变趋势，为保障粮食绿色、安全发展提供决策参考。研究进展如下: 首先，基于我国水资源禀赋、地理信息和人口规模等参数，创建了包括清单构建、水足迹特征化影响类别选择和特征化当量因子计算以及归一化基准值核算在内的农业水足迹量化模型。其中，清单构建涵盖了农业活动的直接过程(如灌溉用水和化肥流失)和间接过程(如化肥和柴油生产)数据。模型特征化评价包含了六个中间点和三个终点影响类别，并通过特征化当量因子计算，实现清单同影响类别的关联。同时，本研究核算了我国区域水资源消耗和污染物排放的水足迹，并以此为基准值，实现上述不同影响类别的结果汇总和横向对比。 其次，开展了生产端模型应用分析，量化了我国粮食生产水足迹，并进行了溯源分析和时空演变规律探索。我国2019年主要粮食作物(小麦、玉米和稻谷)生产造成的水足迹归一化结果为0.55。上述环境影响主要归因于直接水消耗和直接排放等直接过程，以及化肥、柴油和电力生产等间接过程。在2010-2019年间，我国粮食生产水足迹整体呈现上升态势。农业经济效应是水足迹年际变化的主要驱动因素。在单产和整体视角下的粮食生产水足迹空间差异性均较为明显。其中，新疆地区单位作物水足迹最高，河南和湖南省整体作物水足迹最高。此外，粮食生产水足迹呈现显著的整体和局部空间聚集特征，高值省份聚集分布在山东、河南和安徽等粮食主产区。 再次，将本研究创建的农业水足迹量化模型应用于贸易端，分析了我国2019-2020年省际粮食贸易及其伴生的水足迹环境影响流动格局。我国省际间主要粮食作物贸易造成的水足迹归一化结果流动量为0.13。主要流出省份为安徽和新疆地区，主要流入省份为山东和广东省，且玉米贸易是隐含水足迹流动的关键因素:同非贸易情景相比，省际间粮食贸易会导致宏观层次水足迹归一化结果增加约1.46×10-2。新疆地区至广东和山东省的玉米贸易、河南省至广东省的玉米贸易、安徽省至浙江省的稻谷贸易是导致宏观层次环境影响增加的关键。与之相反，产生环境效益的关键贸易路径为吉林和黑龙江省至山东省的玉米贸易。 此外，开展了消费端模型应用分析，揭示了我国粮食消费水足迹结果、空间分布和结构特征。我国2019-2020年主要粮食作物消费造成的水足迹归一化结果为0.53。空间分布格局表明山东省粮食消费水足迹为全国最高。我国粮食消费水足迹同样呈现空间聚集效应:高值区域连片分布于东部和南部省份，低值区域多集中于西部省份。此外，我国各省粮食消费水足迹结构多以内部水足迹为主导。其中，吉林、河南和内蒙古等地区内部化程度最高;经济发达的北京和上海市则凭借其自身区位优势和需求拉力，呈现较高程度的水足迹外部化。 最后，为阐释农业水足迹演进趋势，本研究将农业水足迹量化模型同系统动力学方法进行了集成，构建了“粮食生产水足迹—粮食安全”系统动力学仿真模型。该仿真模型涵盖了经济社会、粮食生产、粮食消费和水足迹影响四个子系统。并以水足迹强度和粮食自给率作为衡量粮食生产水足迹和粮食安全的指标。模拟结果表明在基准情景下，水足迹强度和粮食自给率预测期间分别呈现下降和上升的趋势。粮食结构调整、农资投入管控和膳食结构调整综合情景模拟结果可深化单一政策效益值，实现2030年水足迹强度下降2.64％，粮食自给率上涨4.02％。 综上所述，本研究创建了符合我国国情的农业水足迹量化模型，并从生产、贸易和消费三个视角开展了粮食水足迹核算应用研究，用以验证模型多维视角应用的可行性。此外，通过将该模型同系统动力学相耦合，实现了多系统间的演变趋势和权衡效应分析。本研究不仅可为粮食活动水消耗及污染的源头预防和全过程管控提供精准决策支撑，还可为科学、系统的多维视角农业政策的制定提供理论、技术与路径支持。
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