研究背景
在全球化背景下，消費行為的影響早已突破地域界限。許多國家通過進口高耗水產品緩解本國水資源短缺，但卻無形中將水資源壓力轉移至出口國，進一步加劇了當地的水資源壓力，威脅可持續發展目標 SDG 6.4（確保可持續的淡水提取與供應，以應對水資源短缺）和 SDG 12（確保可持續的消費與生產模式）的實現。為此，亟需在全球尺度上建立高空間分辨率的水資源利用邊界超載（即在特定時空尺度上，水資源利用量超過水資源可持續利用閾值的現象）清單，并將其與最終消費的影響精確關聯，從而精準識別全球供應鏈中由消費驅動的水資源短缺熱點地區及其關鍵部門，進而優化經濟空間布局，保障全球水資源安全。然而，如何在多空間尺度下準確識別不同部門水資源利用邊界超載的熱點地區，并將其有效追溯至最終消費行為，仍是一項亟待攻克的挑戰。
近日，由CEADs團隊成員山東大學威海前沿交叉科學研究院趙旭教授領銜構建了一套全球尺度、高空間分辨率、多部門、低不確定性的消費端水資源利用邊界超載評估模型。該模型通過耦合ISIMIP2a驅動的15種全球水文模型、5種全球環境流量需求（EFR）方法和區域間投入產出模型EMERGING，實現了網格級水資源利用邊界超載在消費端的精準溯源。基于該模型，本研究揭示了全球245個經濟體的消費活動對網格、城市、流域、國家等多空間尺度水邊界超載的影響，為精準識別水資源短缺的消費者責任提供科學依據。相關研究成果以“Tracking grid-level freshwater boundary exceedance along global supply chains from consumption to impact”為題，近日發表于Nature出版社旗下期刊《Nature Water》。山東大學趙旭教授、浙江大學汪笑溪研究員、倫敦大學學院孟靖教授、格羅寧根大學Klaus Hubacek教授為論文共同通訊作者；格羅寧根大學博士研究生侯思雨、清華大學博士研究生霍婧雯、山東大學趙旭教授為論文共同第一作者。
基于以上研究成果，CEADs與山東大學合作在CEADs網站發布了匹配EMERGING模型的2015年的全球245 個經濟體和 134 個部門的全球用水和水邊界超載清單。該清單目前可在CEADs網站公開免費下載https://ceads.net/data/input_output_tables/。
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研究結果
2015年全球5弧分網格尺度水資源利用邊界超載總量為3021 km³，占全球總取水量的 64%。盡管這些超載區域僅占全球陸地面積的 4.6%，卻覆蓋了全球約42%的人口（31億人），且廣泛分布于干旱、半干旱地區及主要農業生產區（論文圖1）。農業灌溉部門，包括谷物、油料作物、可食用水果以及其他作物，共同貢獻了全球水資源利用邊界超載量的70%。灌溉部門超載熱點遍布于主要的農產品產區，包括華北平原、塔里木盆地、印度河流域、德干高原、兩河流域、尼羅河流域、澳大利亞的墨累-達令盆地、美洲太平洋沿岸流域以及美國的大平原（論文附件圖1）。電力生產占全球水資源利用邊界超載的18%，且主要分布在電力需求較高的區域，包括中國東部沿海、印度半島、美國東北部以及歐洲西北部。制造業部門占全球超限的7%，其次是居民用水部門（包括家庭和服務業），占6%。以上兩部門因取水造成的超載熱點主要集中在人口稠密地區，尤其是主要制造業城市群，包括中國的京津冀地區、長三角、珠三角、成渝城市群，越南的河內，日本-環太平洋城市群，印度的新德里和孟買，以及西歐和美國東部的城市群。畜牧業對全球超限的貢獻為0.2%。本研究提供的行業細分信息揭示了各行業用水對不同超載熱點的貢獻，但這在以往研究中常被忽視。例如，西歐城市群和美國東北部的超載主要歸因于本地電力生產用水需求。而這些熱點往往被那些僅關注灌溉部門或采用粗略空間尺度的研究所忽視。
圖1 2015年全球5弧分網格尺度水邊界超載分布
圖2 2015年全球5弧分網格尺度分部門水邊界超載分布
研究進一步將網格尺度的水資源利用邊界超載與全球245個經濟體和135個經濟部門的消費影響相關聯，發現全球約 73%的水邊界超載可溯源至中國、印度、美國、歐盟、巴基斯坦、伊朗、埃及等十個國家和地區的消費需求（論文圖2c）。從消費端人均水資源利用邊界超載來看，中亞和中東-北非地區（MENA）國家的人均消費責任排名居前。包括阿聯酋、科威特、阿曼、土庫曼斯坦、卡塔爾、沙特阿拉伯、利比亞和伊拉克等國的消費端人均水資源利用邊界超載超過1500立方米/人（見圖2d）。其次是澳大利亞（1461 立方米/人）、加拿大（1032 立方米/人）、美國（949 立方米/人）和歐盟28國（496 立方米/人）。相比之下，印度和中國消費者的人均責任低于全球平均水平（435 立方米/人）。
圖3 2015年生產端和消費端水邊界超載足跡前十大經濟體及部門分布
2015年，約24%的水資源利用邊界超載隱含在國際貿易中，其中主要貢獻部門為谷物、油料種子、可食用水果和堅果等農產品部門。由于EMERGING 模型納入了更多國家和部門，從而能夠識別更多新興和發展中國家的水資源利用邊界超載，并追溯其消費端影響，這是以往研究中無法實現的。研究發現，MENA地區通過進口糖類、谷物和可食用水果，將其 16.2% 水資源壓力“外包”至同樣面臨水資源壓力的南亞中部，尤其是印度、巴基斯坦和伊朗。這可能會加劇恒河、印度河和底格里斯-幼發拉底河流域的季節性水資源短缺問題。而新興經濟體中的超載熱點多集中在其主要城市，例如天津、上海、廣州、河內、胡志明市和曼谷。這些城市擁有世界一流的港口、豐富的勞動力資源以及相對完善的制造業基礎。其紡織品、機械與設備類產品的出口是其水資源利用邊界超載的主要原因，而這些出口大多流向西歐、日本和美國等發達經濟體。
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政策建議
解決上述問題需要各方利益相關者的共同努力。首先，熱點地區的生產者可采取包括技術進步、產業升級以及經濟空間布局調整等綜合性措施。考慮到灌溉農業在許多地區是水資源利用邊界超載的主要原因，轉向節水技術，如滴灌和微噴灌溉系統，可以顯著緩解熱點地區超載問題。同時，為了調和新興經濟體的工業化與水資源枯竭之間的矛盾，行業的規模和布局可以根據其水資源利用邊界來確定。對于可能面臨初期投資成本困難的地區，國際合作至關重要，以促進新技術的廣泛傳播，并為節水基礎設施的建設提供幫助。其次，主要進口經濟體應認識到自己在水資源利用邊界超載中的作用，并建立補償機制。例如，采納類似碳稅的水資源稅可以幫助內化水資源短缺的成本，確保消費者對全球水資源短缺影響負責，并轉向水資源豐富、成本較低的供應商。對于嚴重依賴進口的水資源短缺國家，在實施虛擬水進口戰略時，考慮供應國的水資源利用邊界至關重要。這有助于避免加劇其他地方的水資源利用邊界超載，并減少通過進口引發的食品和水危機的風險。
本研究基于行星邊界理論和環境流量需求方法，識別了全球多尺度水資源利用邊界超載的熱點區域，從而在更精細的尺度上追溯全球水資源短缺的消費者責任。研究提供的網格級水資源利用邊界超載清單也為我國貫徹落實水資源剛性約束制度提供了重要科學支撐。
