【文献分享】华北平原水-地-粮关系对农业可持续发展的动态模拟

　　《Dynamic simulation of the water-land-food nexus for the sustainable agricultural development in the North China Plain》一文发表于国际期刊《Science of the Total Environment》2024年912期，作者是舒佳瑶，来自中国地质大学。

　　基于农业虚拟资源流动的区域间农产品贸易对于可持续发展具有重要意义农业发展。本文聚焦于华北平原（NCP）的粮食作物（水稻、小麦和玉米,并使用Penman-Monteith方程来模拟作物需水量。本文进一步分析了与粮食贸易相关的虚拟土地和虚拟水的流动，使用环境扩展的多区域投入产出模型。评价土地、水、粮食耦合协调，评价区域农业生产资源配置的合理性。2007年至2017年，全国农贸中心与其他地区粮食贸易所体现的农业虚拟土地和虚拟水分别增长了48.10%和34.41%，表明全国农作物主产区和集散地地位逐步巩固。国家农业虚拟资源主要向东南沿海地区转移，总体呈资源由北向南转移的趋势。国家农用地和水资源总供给量显著增加，而虚拟资源跨区域转移量呈减少趋势。由于农作物种植结构不合理，区域资源配置不均衡，NCP水-地-粮关系耦合协调性远低于全国平均水平。本研究为三大粮食作物虚拟水地资源的贸易流动和耦合关系提供了重要信息，有助于缓解农业生产中的资源压力，促进NCP农业的可持续发展。

　　华北平原（黄淮海平原）由5个省（山东、河南、河北、江苏、安徽）和2个城市（北京、天津）组成（图1）。全区共有317个县市，总人口超过2.5亿，其中67.79%以农业为生。平原为冲积型，地势低洼，海拔一般在50米以下。NCP总面积约为350 ×105公顷，是中国第二大平原。平原耕地面积超过230,105公顷，约占中国耕地面积的20%。平原农业实行夏玉米-冬小麦轮作制，生产我国夏玉米30%以上，冬小麦产量占70%以上;因此，NCP是中国主要的粮食产区。然而，一些地区降水不足，因为年平均潜在蒸散量超过1000毫米。地下水遭到破坏，导致旱涝灾害频发。NCP已成为中国最干旱的地区之一，面临严重的水资源短缺。此外，土地退化也逐渐变得更加严重。

（１）作物需水量

　　2007年、2010年、2012年、2015年和2017年5个不同年份小麦、水稻和玉米作物需水量模拟结果见表4。2007—2010年，产地小麦、水稻和玉米作物需水量显著增加，产量分别为629.36-726.48、344.43-379.44和260.72-376.52×108m³。这一发现表明，在气候条件和作物类型没有发生重大变化的情况下，2007年至2017年，NCP种植的三种主要谷物的数量显著增加。NCP种植的主要谷物是小麦，约占三大谷物作物总需水量的50%;此外，该地区小麦的作物需水量占全国总量的70%。小麦是一种灌溉密集型作物，在其生长周期中消耗大量地下水，这导致了生态危机，包括地下水位下降、土壤盐碱化和地面沉降。玉米方面，2017年作物需水量为376.52×108m³，与估计的作物需水量相比增加了44.41%。这一结果表明，玉米种植的增加增加了NCP的农业用水需求，这阻碍了缓解该地区当前缺水状况的努力。

（2）虚拟水、土地和粮食贸易

　　与粮食贸易相关的虚拟水（图2 a）和虚拟土地（图2 b）在NCP生产端与其他省份消费端之间的流动关系如图2所示。全国大会党的各省在资源需求方面主要表现出自给自足。除北京和天津外，全国大党各省的虚拟资源提供了当地50%以上的需求。北京和天津消耗的虚拟资源相对较少，占NCP总量的1%，其需求主要由外省进口来满足。河南是NCP最大的资源提供者，在研究的十年中，向NCP的其他六个省份和中国其他六个地区出口了大量虚拟资源。2007—2017年，河南省虚拟土地总产量增加，均值为8610.24×10³电子烟在这段时间里，河南的虚拟水总产量接近300×108m³，跌至182.90×108m³，并增加到372.76×108m³，表明整体呈上升趋势。河南粮食贸易总产量由4184.40×10增加4ton 在2007年达到5937.27×10⁴吨在这一年里 2017.2007—2017年河北省虚拟土地生产量波动明显，但对其他省份的虚拟土地供应量没有明显变化。例如，在 2010 年，产量为 4837.32 × 10³ha，1825.81 × 10³为河北本地需求分配。2017年产量达到5439.46×10³公顷，其中 2903.60 × 10³HA是根据当地需求分配的。因此，河北省的总产量似乎与当地虚拟土地需求的增加同时增加并行。河北省虚拟水总产量稳步增长，从172.26×10增长8到 205.93 × 108m³.粮食贸易总产量也有所增加，从2241.45×10⁴至 3258.68 × 10⁴吨。河北省虚拟资源生产主要面向中部地区（北京、天津、山东），并有向西南地区扩张的趋势。安徽提供的虚拟资源主要向东海岸和西北方向流动，并呈现向西南扩张的趋势。从2007年到2017年，安徽虚拟土地产量上升，从4314.79×10增加3至 6012.60 × 10³电子烟安徽粮食贸易产量从2235.33×10增加4至 3561.84 × 10⁴吨。虚拟水的产量增长缓慢，从208.96上升到10×8至 237.80 × 108m³。江苏的虚拟资源生产主要面向东部沿海、西南和安徽等地区。江苏对虚拟资源的需求并不大，江苏研究的3个虚拟资源自给率超过65%。2012年以前，江苏虚拟土地产量增长，然后趋于稳定，均值超过4000×10³电子烟虚拟水的供应量增加到 193.08 × 108m³在研究的十年中。2012年以前粮食贸易供应量上升，2012年之后稳定，平均值为2800×10³电子烟山东的资源自给率高于江苏，平均为75%，这意味着与江苏相比，山东拥有更高的资源生产，但对其他省份的供应较少。2007年至2017年，从国家协调中心流向其他地区的虚拟资源总量呈明显上升趋势。NCP生产的农作物主要满足当地需求，农业虚拟资源自给率随时间推移而增加，降低了跨区域供给的比例。

（3）NCP与其他省份之间的农业虚拟水、土地和粮食流动

　　利用MRIO模型获取了2007—2017年粮食贸易流量中体现的农业虚拟水和土地数量。结果表明，NCP的虚拟资源总量显著增加。此外，NCP与其他地区之间的贸易在供需方面也显著增加。这些结果表明，全国粮食主产区地位不断巩固，粮食供应和转型等职能不断强化。

　　NCP与其他省份之间的虚拟水流如图3所示。总体而言，NCP 的虚拟供水量从2007年的 118.38 ×109m³ 增加到2017年的 159.96 × 109m³在这一年里。NCP的虚拟水主要流向上海、浙江、福建和广东，而2017年主要流向西南地区，包括四川、重庆、云南和广西。从其他地区进口的虚拟水总量也从2007年的151.79×109m³增加到2017年的 170.41 × 109m³，主要来自吉林（14.48×109m³)。NCP中的虚拟水主要供应给东部和南部沿海省份。从2007年到2017年，获得虚拟水出口的省份数量明显增加，表明NCP与其他省份之间的农业水资源贸易更加频繁。

（4）虚拟水-土地-食物关系的耦合协调

　　2007—2017年全国生产、消费侧水-地-粮耦合系数变化见图6。生产侧方面，2007年和2017年全国平均水陆粮耦合系数（0.63–0.64）远高于华北平原（0.56–0.59）。江苏（平均0.71）和山东（平均0.69）在10年内达到全国水平，安徽、河南和河北的耦合系数均呈递增趋势。其中，河北（0.65）和安徽（0.71）在2017年超过全国平均水平，说明当地水土资源配置良好，种植结构趋于合理。生产端的水-地-粮耦合系数代表了这三个重要因素在农产品种植和作物种植过程中的资源消耗的协调性。研究区作物产量在10年内呈现出非常明显的上升趋势，但三要素的耦合没有，说明农业技术和作物在生产过程中的损失没有明显改善。随着作物生产要素投入的增加，相应的损失和浪费资源要素的绝对值不断增长。总体来看，10年NCP地区农作物栽培的水-地-粮耦合呈正向趋势，耦合协调系数略有增加。

　　从消费侧看，华北平原水-地-粮耦合系数（0.57–0.54）低于全国平均水平（0.64–0.65），区域发展趋势不一。河南、山东、江苏的耦合协调性远低于全国平均水平。安徽、河北和河南三省的水-地-粮耦合水平在过去十年中有所下降，表明它们对目标作物的需求有所下降。山东、江苏两地产消结合良好。到2017年，这些省份的水-地-食物耦合系数有所增加，但仍低于全国平均水平。10年间，华北平原生产侧耦合系数基本稳定，但略有上升，消费侧耦合系数在10年内下降。同时考虑到NCP作物产量的显著增加，我们假设NCP地区粮食作物的消费习惯较差，不利于提高资源利用率。

　　NCP是中国主要的粮食产区，但相对于其高产而言，面临着很高的缺水压力。在这项研究中，我们重点关注NCP中的粮食作物（水稻、小麦和玉米）。我们应用Penman-Monteith方程来模拟作物的需水量，并使用2007-2017年期间的环境扩展多区域投入产出模型确定了与谷物贸易相关的虚拟土地和虚拟水的流动。本研究评估了土地-水-食物关系的耦合协调性，揭示了区域农业生产中资源配置的合理性。该研究的主要发现如下：

　　全国农大区粮食贸易所蕴含的农业虚拟土地和水资源主要向东南沿海地区输送。中国资源总体呈南北流动趋势。随着粮食生产和省际粮食贸易重心北移，从高水压区向低水压区的虚拟调水将增加，这将进一步加剧NCP水资源短缺和区域资源配置不均。

　　2007年至2017年，全国大会党与其他省份粮食贸易所体现的农业虚拟土地和水资源明显增加，虚拟土地增长48.10%，虚拟水增长34.41%。这一发现表明，NCP正在巩固其作为中国农作物主要产区和集散地的地位。虚拟土地和水资源的增加限制了该地区的协调和可持续发展，并对NCP的资源承载能力构成威胁。

　　在所研究的十年中，随着NCP粮食作物产量的增加，粮食供应量占NCP总产量的比例增加，而跨地区粮食贸易所体现的虚拟资源总流量减少。因此，在研究期间，农业资源的利用率在一定程度上得到了改善，缓解了区域间运输过程中产生的资源损失。

　　NCP中土地-水-食物关系的耦合协调在生产和消费方面都远低于全国平均水平。研究建议，应因地制宜地采用更合理的粮食种植模式，发展节水型耕作模式和生产技术，减少耗水作物出口，提高水资源利用率，缓解农业生产资源冲突。

　Shu Jiayao, Bai Yuping, Chen Qi, et al.Dynamic simulation of the water-land-food nexus for the sustainable agricultural development in the North China Plain[J]Science of the Total Environment,2024,912:168771.

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来源：Science of the Total Enviro-nment

责编：陈梦涵

文字：陈梦涵

排版：向云娜

校对：李欣芮