文献阅读 | 灌溉农业对食物-能源-水-CO2耦合系统的影响

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 Communication

时间

2020年11月

一作

单位

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

School for Environment and Sustainability, University of Michigan, Ann Arbor, MI, 48109, USA

链接

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19520-3

研究内容

由于粮食生产消耗大量的水、能源和肥料，造成环境负担以及其他全球性挑战，例如水资源短缺、全球变暖和污染，在资源拮据的情况下确保不断增长的全球人口的粮食安全成为了全球面临的最大挑战之一。已经有越来越多的研究探索了食品生产和贸易对环境的影响，其中灌溉农业对环境的影响尤其深刻，而且用于国内消费和国际贸易的灌溉农业在全球范围内正在增加。然而，在复杂的环境和社会经济因素背景下，灌溉农业对农业和其他领域的食物-能量-水-二氧化碳关系的影响缺乏系统和定量分析。本研究跨食物传递系统(华北平原(NCP))、 食物接收系统(中国的其余部分)和溢出系统(受传递和接受系统影响的湖北省)，使用生命周期评估、模型情景分析和耦合框架(国内外的社会经济-环境交互体系)，分析了灌溉农业对食物-能量-水-二氧化碳（FEWC）关系的影响。

研究方法

本研究主要采用了中国国家气象信息中心的农业气象数据和中国农业科学院农业信息研究所的基本农业数据，以及从农业生态实验站获得的作物蒸散发量数据和南水北调中线工程可行性研究报告的工程资料。各种建筑材料的碳排放因子和能源强度因子来源于ELCD（欧洲生命周期数据库）、IPCC和Ecoinvent数据库。采用《2002年水利工程机械定额》来确定机械选择、机械公式以及各单位能耗情况。

研究结果

中国北部平原的环境影响

由于灌溉农业的影响，NCP的食物传递系统中的所有县在水资源使用上都是不可持续的（图1-3），但NCP的粮食生产完成了其对中国其他地区食物可持续供应的任务。2010年，该地区用于灌溉农业的总用水量是该地区可再生农业用水量的四倍多，灌溉农业本身也消耗了大量的能源，排放了大量的二氧化碳。

图1. 食物传递系统、溢出系统和接收系统对环境的影响

图2. 不同情景下，华北平原灌溉农业的水足迹(a)、能源足迹(b)、碳足迹(c)、作物产量(d)、水可持续性(e)和食物可持续性(f)

图3. 中国华北平原灌溉农业的水足迹、能源足迹、碳足迹和水可持续性

模型情景下的环境影响

在不同情景下，NCP的水足迹、能源足迹、碳足迹、作物产量、水可持续性指标的差异很大（图2）。

水足迹最少的三个情景分别是S11（饮食结构变化B情景：谷物摄入从164.7 kg/y变为94.0 kg/y）、S15（最大水分转移和饮食结构变化C情景）和S12（饮食结构变化C情景：谷物摄入从164.7 kg/y变为75.0 kg/y）。水足迹最高的三个情景分别是S1（气候变化情景）、S2（气候变化和在正常流量年份减少灌溉频率情景）和S4（气候变化和在低流量年份减少灌溉频率情景）。水足迹最少的前三种情景（S11、S15、S12）也在能源、碳足迹最低的前三种情景之列。然而，S11和S12的水和食物可持续性最低，这在很大程度上是由于与这些情景作物产量较低（即这两种情景是三个最低产量情景中的两个）。产量最高的三个情景分别是S5（升级为滴灌情景）、S6（升级为喷滴灌情景） 和S8（升级为滴灌且种植制度改变情景），但其中有两个情景(S5和S6)的能量和碳足迹最高。这些情景的排名表明，作物产量是由更多的能源和水消耗推动的，而不一定是以可持续的方式推动的。总的来说，结果表明，在15种情景中，有11种（S1-S10，S13）情景可能无法保证水的可持续性。同样，在15种情况中有7种（S2-4，S7，S10-12）可能无法确保食物的可持续性。在15种情景中，只有2种情景能够同时实现水和粮食的可持续性，其余情景中至少不能实现水或粮食的其中一种的可持续性。

NCP地区环境结果有着较大的空间差异（图3）。除西北部少数县外，水分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。各县间FEWC结果的差异似乎与农业生产、工业化、农业实践、水资源利用等方面的异质性一致。另外，在15种情景下，不同县域的环境影响也存在较大的空间差异。

溢出效应

溢出系统受食品贸易的影响吸收了大量的环境负担。例如，湖北省没有直接参与NCP地区的食品贸易，但由于建设和运营用于缓解NCP地区水资源压力的南水北调工程，损失了大量的土地和水(图1)。南水北调工程每年从湖北调水95亿m³，其中21亿m³用于NCP地区的灌溉农业。在湖北省，南水北调工程占地310 km²。其中耕地149.3 km²，灌丛22.5 km²，林地44.2 km²，其他类型土地96.1 km²。与南水北调工程相关的二氧化碳排放量约为310万吨(图4)。此外，由于为NCP地区的粮食生产调水，南水北调工程在整个生命周期中存在大量的能源足迹(图4)。

图4. 南水北调工程生命周期各阶段的水足迹(a)、碳足迹(b)和能源足迹(c)

研究结论

本研究首次评估了在复杂的环境和社会经济因素(如气候变化、饮食变化、灌溉技术、作物种植策略和引水工程)下，不同地区之间的交互与权衡是如何发生的。NCP地区的灌溉农业对我国的粮食安全及相关的资源消耗和环境有着重要影响，而湖北省虽然没有作为传递和接收系统参与到交互过程中，但仍然受到影响，甚至遭受损失（入水土流失）。不仅在不同部门之间环境影响相互关联，而且在不同地区之间跨越边界相互影响。具体体现在不同地区之间也发生了跨部门的问题，比如确保中国其他地区的粮食安全带来了不可持续的用水、能源和碳足迹。

政策上，更多的以消费为基础的政策(解决与消费有关问题的政策)可以与面向供应的管理相结合，以减少粮食生产的压力及其相关的环境负担和资源消耗。单独应用供应导向的管理(旨在解决供应相关问题的管理)往往会增加水的使用、能源消耗和二氧化碳排放，这是因为它会给人一种错误的感觉，即错误地认为自然资源、海洋和大气对于吸收更多排放的二氧化碳的能力是无限的。这种错误的看法会鼓励更密集的资源消耗，并加剧与食品生产相关的环境负担。因此，以消费为基础的政策，例如鼓励饮食转向资源密集型较少的作物和在消费方面打击粮食浪费的政策，可以帮助实现可持续发展。建议中国政府可以同时考虑供给侧和消费侧的管理。

编辑：肖逸龙

排版：江琴

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