【食物系统】灌溉农业对元耦合系统中粮食-能源-水-CO2关系的影响

原文信息

题    目：Impacts of irrigated agriculture on food–energy–water–CO2 nexus across metacoupled systems

作    者：Zhenci Xu，Xiuzhi Chen，Jianguo Liu，Yu Zhang，Sophia Chau，Nishan Bhattarai，Ye Wang，Yingjie Li，Thomas Connor，Yunkai Li

期     刊：Nature Communications

时     间：2020.11.17

一作单位：Center for Systems Integration and Sustainability, Department of Fisheries and Wildlife, Michigan State University, East Lansing, MI 48823, USA

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19520-3

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研究背景

粮食不安全、能源危机、水资源不安全和全球变暖等全球性挑战威胁着全球许多地区的可持续性发展。因此，联合国推荐了17个可持续发展目标。灌溉农业对实现联合国可持续发展目标具有重要意义。然而，现有的研究缺乏关于灌溉农业对食物-能源-水-CO2关系影响的系统和定量分析。因此，该研究使用生命周期评估、模型情景和元耦合框架（境内和跨境社会经济-环境相互作用）评估了跨越粮食发送系统（华北平原（NCP））、粮食接收系统（中国其他地区）和溢出系统（湖北省，受发送和接收系统相互作用的影响）的灌溉农业对粮食-能源-水-二氧化碳关系的影响。

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研究结果

华北地区的灌溉农业在很大程度上影响着中国的粮食安全以及相关的资源消耗和环境。该研究发现虽然溢出系统（湖北省）没有作为发送或接收系统参与交互，但它仍然受到影响甚至遭受损失。由于食品贸易影响，溢出系统吸收了大量的环境负担。例如，湖北省间接与华北地区进行食品贸易，但由于南水北调工程的建设和运营而损失了大量的土地和水。南水北调工程每年将95亿立方米的水从湖北省调到中国北方，其中21亿立方米用于华北平原的农业用水。南水北调工程还在湖北省占地310平方公里，其中，耕地149.3km2、灌丛地22.5km2、林地44.2km2，草地、荒地等其他土地类型96.1km2。与南水北调工程相关的CO2排放量约为310万吨。此外，由于为华北平原的粮食生产调水，南水北调工程的整个生命周期都存在大量能源足迹。

溢出系统在传统研究和决策中经常被忽视。然而，溢出系统可能会受到元耦合系统的影响，这可能导致严重的环境后果。因此，应强调对溢出系统的环境影响。

该研究构建了15个场景来模拟各种因素对食物-能源-水-CO2结果的影响。如上图所示，华北平原的水足迹、能源足迹、碳足迹、作物产量以及水和可持续性指标在不同情景下差异很大。水足迹最少的前三个情景（按降序排列）包括S11、S15和S12，而后三位（水足迹最多的情景）包括S1、S2和S4。水足迹最少的前三个情景在最低能源和碳足迹方面也名列前三。然而，S11和S12属于水和食物可持续性最低的地区。这主要是由于与这些情景相关的作物产量较低（即最低三种产量情景中的两种）。最高产量（最高的粮食可持续性）来自情景S5、S6和S8。其中 S5和S6的能源和碳足迹最高的。这些情景排名表明，作物产量是由更多的能源和水消耗驱动的，而不一定是以可持续的方式驱动的。

总体而言，结果表明，在15种情景中的11种情况下可能无法保证水的可持续性[即S1-10和S13]。同样，在15种情景中，有7种情况无法确保粮食可持续性[即S2-4、S7、S10-12]。在15个情景中，只有两个情景可以同时实现水和食物的可持续性，而其余情景中无法同时实现水或食物的可持续性。

华北地区的环境后果存在很大的空间差异。如图所示，除了西北部的几个县外，水的可持续性呈向南递减的趋势。另一方面，水足迹、碳足迹和能源足迹在各县之间表现出广泛的异质性。各县食物-能源-水-CO2结果的差异似乎与农业生产、工业化、耕作方式、水利用等方面的异质性一致。

此外，该研究发现，华北地区的粮食供应促进了中国其他地区的粮食可持续性，但华北地区消耗的水是其年度可再生水总量的四倍多，各县之间的食物-能源-水-二氧化碳关系差异很大。

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编者按

该研究对不同情景下与粮食贸易和水转移有关的不同系统的环境影响进行了系统评估，可适用于面临类似可持续发展挑战的其他国家。该研究填补了重要的知识空白。然而，由于数据的限制，该研究没有在家庭层面进行分析。此外，尽管研究中的情景考虑了各种条件，但它们仍不能完全代表灌溉农业中复杂的现实情况。因此，未来的研究可以更广泛、更全面地研究解决方案空间，以理解适应策略。

转自：“西农RE学术社”微信公众号

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