文献阅读 | 全球粮食和能源的用水竞争

题目

Global competing water uses for food and energy

作者

Yue Qin

期刊

Environmental Research Letters

时间

2021年6月

一作

单位

Department of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing 100871, People’s Republic of China

Department of Geography, Ohio State University, Columbus, OH 43214, United States of America

链接

https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac06fa

研究背景

粮食安全与能源安全是全球可持续发展的两项重要议程，而淡水资源对维持全球粮食和能源安全发挥着重要作用。粮食和能源系统是全球最主要的用水系统。粮食和能源生产之间的用水竞争是全球粮食-能源-水纽带关系的重要组成部分。如果不能有效地辨析三者间的相互联系，粮食和能源生产用水竞争可能会影响其正常生产活动，从而威胁全球和区域的粮食和能源安全。

尽管以往研究已充分认识到粮食和能源生产之间竞争用水的重要性，但现有研究较少关注全球尺度上两者间竞争的历史时空趋势和未来气候变化下的演变特征，难以制定有针对性的用水缓解机会和跨部门用水协调战略。

该研究基于历史趋势（2006-2015年）和潜在气候变暖（+4℃）情景下水资源的时空演变，系统分析了各情景中农业和电力生产用水竞争的时空分布，以表征区域和季节性竞争用水对全球主要流域人口的影响。根据各流域的季节和部门特点，进一步探讨了潜在风险流域的水资源压力减缓机会。这项研究旨在全面描述历史趋势和气候变暖情景下粮食和能源生产的用水竞争情况，揭示跨部门水资源管理机会，以更好地应对水资源危机。

研究方法

1、整合农业用水量和电力生产用水量

26种作物的全球每月灌溉农业用水量来自Global Crop Water Model(GCWM)。利用月度种植面积和作物日历，输入气候变量（即风速、温度和降水量），使用彭曼公式基于土壤水分平衡估计网格水平上特定作物的灌溉用水量。考虑灌溉面积的变化对灌溉农业蓝水消耗的影响，基于FAO的灌溉设施普及面积时间序列数据对GCWM结果进行调整。

根据World Electric Power Plants（WEPP）数据库估算全球火力发电的季节性冷却用水量。基于以WEPP数据为基础获得的分燃料类型装机容量、燃烧技术、冷却技术类型和热效率等信息，结合Modern-Era Restrospective analysis for Research and Applications, v.2 （MERRA-2 再分析数据集）的月平均气象数据，开发了火力发电机组的单元级耗水系数。

水力发电机组通过水库蒸发消耗水量。基于Jensen-Haise等经验公式估计Global Reservoir and Dam （GRanD）数据库中约6800个大坝的月平均水库蒸发量。再采用功能排序分摊法，基于水库功能的总数（N）和水电的相对功能排名（R）确定分配给水电的份额。

整合以上数据得到2006-2015年农业和电力部门的流域尺度上季节性和年平均用水量，并将电力部门用水量占总用水量的比例高于（或低于）50%的流域定义为“电力主导”（或“农业主导”）。

2、历史气候和气候变化情景下的地表月度径流

基于全球气候和水量平衡数据集TerraCimate获得1985-2015年栅格级月经流量（2.5角分分辨率），同时基于PatternScaling方法模拟了变暖情景（+4℃）下的月径流以表征气候变化对未来水资源可获得性的影响。结合流域尺度上径流数据与需水数据，量化了历史气候和变化情景下全球主要流域的水资源可获得性。

研究结果

1.农业和电力生产用水的历史演变

2006-2015年，全球主要流域的灌溉农业生产平均消耗淡水约1230km³（超过一半的淡水用于水稻、小麦和玉米），是发电耗水的7.5倍（其中，水电约占90%，煤电约占6%）。同时，粮食和电力生产用水具有不同的空间分布（图1）。灌溉农业用水量主要集中在中北纬地区，特别是亚洲和北美流域；而发电用水多的流域分布相对分散，主要位于北纬高纬度地区、中国南部、北美北部、南美洲东南部以及非洲。因此，粮食和电力生产之间的水资源竞争表现出明显的地理空间差异，大部分以农业为主导，少数流域（可忽略不计）从农业主导（电力主导）转换为电力主导（农业主导）。

图 1 农业和电力生产的全球用水和竞争。（a）展示了全球年平均灌溉用水量地图；（b）展示了电力生产的水消耗；（c）展示了灌溉农业生产用水与发电的相对比率；（d）展示了2006-2015年间用水竞争的历史趋势。这里只显示人口暴露量相对较大的流域。在（d）中，如果一个流域在2006-2015年间的总用水量的功率一直高于（低于）50%，则该流域被归类为“Always Pow (Agr)-dominant”，如果它的功率分数在2015年高于（低于）50%，但在十年中并不总是如此，则被归类为“Switch to Pow (Agr)-dominant”。

2.竞争用水及其对缺水的影响

基于年均水平，目前处于严重缺水（0.4<wsi<=1）和极度缺水（WSI>1）的流域以农业用水为主（图2）。全球50%的流域总人口面临农业为主的严重缺水（23%）和极度缺水（27%）。可见，灌溉农业是解决流域严重缺水问题的关键部门。

图 2 全球缺水和用水竞争。（a）展示了全球缺水和耗水情况；（b）展示了与2015年电力部门用水量占总用水比例有关的流域级缺水散点图。流域根据总人口总数分组（按颜色和大小）。水资源短缺程度高的流域多以农业用水量为主。

用水总量和分行业用水与竞争的季节性变化显著（图3），其中夏季总用水量最大（约490km³）。6-8月粮食和电力生产耗水最多，因有充足的供水并无严重缺水情况，而12-2月的缺水情况最为严重。同时，季节性缺水的空间分布与年均水平截然不同。在北半球冬季，北半球高纬度地区等流域面临严重缺水，而其他季节时严重缺水流域主要集中在中东、中亚、北非和美国西部。

图 3  4℃变暖情景下全球流域污水资源管理措施时的季节缺水情况。MAM,，JJA，SON，DJF分别表示为3-5月、6-8月、9-11月、12-2月。

尽管全年严重缺水流域主要以农业为主导，电力部门在特定季节中对当地缺水产生重要影响。例如，在北半球冬季，处于极度缺水流域的全球人口从年均水平的27%增至52%，其中1.9亿人在电力主导的流域。

3.气候变暖情景下的用水竞争

气候变化预计将重塑季节性水资源的规模和时间，影响能源和粮食生产，进一步影响人类社会的可持续发展，特别是已经极度缺水的流域。在4℃变暖场景下，部分流域季节性供水减少，其中同时面临高水资源压力和可用水减少的热点流域主要是由灌溉农业主导（图4）。

图 4  4℃变暖情景下全球流域无水资源管理措施时的季节缺水情况

4.有针对性的用水缓解机会

该研究进一步探讨了农业和电力部门的季节性用水缓解机会（达到较低的缺水水平（WSI<0.4））。研究发现，历史气候和4℃变暖情景中，需要提高水利用效率的流域主要位于非洲北部和南部、中东、中亚、美国西部和澳大利亚东南部。其中，农业部门在全年都提供了可行的缓解机会，而电力部门提供的缓解机会具有季节性，如高纬度流域（Lena、Volga和Mackenzie River）的冬季缓解机会最大。

个别流域（例如夏季的Yenisei流域）的电力或农业部门的用水减少都可以缓解用水压力；而两个部门均无缓解机会的流域则需要额外的供水（如跨流域调水）、地下水补给或季节性水管理（如跨季水库蓄水）来缓解缺水情况。这些做法一定程度上放宽了对用水效率的要求，但可能造成地面沉降、蒸发损失和更严重的缺水等环境影响。因此，提高农业和/或电力部门的用水效率更关键。

图 5 部门水缓解机会。在没有其他水管理措施的情况下，农业和电力部门所在2015年实现相对较低的季节性缺水（WSI<0.4）。红色、绿色和蓝色表示电力部门、农业部门或两者都需要减少用水。从浅到深的阴影表示需要的缓解程度越来越大。如果两个部门都存在缓解机会，阴影设置为所需的较低缓解程度。灰色表示季节性供水充足，黄色表示这两个部门的水缓解措施不足以缓解缺水问题，需要其他水管理措施。

对全球各地的特定流域的用水缓解机会分析发现，不仅流域间、流域的部门间存在显著差异，季节性差异也十分显著（图6）。例如，亚洲的Tigris/Euphrates流域的小麦、大麦和棉花产量分别占北半球春季、冬季和秋季流域总用水量的48%、34%和19%,这些作物在相应季节为当地提供了最大的水资源缓解机会；而Volga流域（欧洲）的电力部门用水量占年总用水量的60%（52%-74%），电力部门（主要是水力发电）提供更大的缓解机会，且四季所需缓解程度不一，依次为无需缓解（春季）、不足缓解（夏季）、4%（秋季）和79%（冬季）。因此，跨季节水管理（如季节性水库蓄水）在缓解具有相似特征的流域的缺水情况中发挥重要作用。

图 6 部门用水和对一些缺水流域需要的缓解。柱状图表示农业和电力部门的季节性用水量，按主要作物种类和燃料类型分列（左Y轴）。上（下）面板显示北半球（南半球）流域。绿点和品红点分别表示在没有其他水管理做法时，农业和电力部门所需缓解用水（右Y轴）。位于100%以上的点表明，仅通过相应部门的水缓解措施不足以实现相对较低的季节性缺水。位于0%以下的点表明，即使不进一步减少用水，也有充足的季节性供水。

研究结论

这项研究通过开展系统的全球分析，描述全球主要流域在历史（2006-2015年）和潜在变暖气候（4℃变暖情景）下灌溉农业和电力生产的季节性竞争用水。文章强调，基于平均水平，全球目前面临严重和极度缺水的流域几乎都以农业用水为主，而这些流域往往还同时面临气候变化下（4℃情景）水资源减少的潜在威胁。相比之下，电力主导的流域只容纳了13%的总人口且缺水情况不严重。同时，电力部门的用水竞争更具季节性，尤其是北纬高纬度流域的冬季。与年平均水平相比，1、2和12月暴露于以电力为主的极度缺水流域的人口数量（1.9亿）大幅增加。

灌溉农业在全年都提供了缓解水资源压力的机会，而电力部门在北半球冬季提供了有针对性的缓解机会。许多流域（例如，俄罗斯中部和东部、中国东北、印度中部和非洲西北部的北半球冬季）因农业和电力部门都无法缓解用水压力而需要替代水资源和/或更好的跨季水资源管理。由于只关注电力和农业部门的水资源缓解机会，该研究可能忽视了流域内已经实施的水资源管理措施的效果，高估了季节性缺水程度和所需的用水缓解水平。

跨季节和跨流域水资源竞争的巨大差异对识别并制定不同季节和区域的针对性水资源压力缓解机会提供了数据基础。文章强调，在当前和潜在变暖的气候下，灌溉用水可能是解决大多数地区严重缺水问题的关键，而电力部门可以在特定区域或季节有效缓解水资源压力。

编辑：覃栎 李诗雨 徐沙沙

排版：徐沙沙

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