研究背景
在全球化背景下，消费行为的影响早已突破地域界限。许多国家通过进口高耗水产品缓解本国水资源短缺，但却无形中将水资源压力转移至出口国，进一步加剧了当地的水资源压力，威胁可持续发展目标 SDG 6.4（确保可持续的淡水提取与供应，以应对水资源短缺）和 SDG 12（确保可持续的消费与生产模式）的实现。为此，亟需在全球尺度上建立高空间分辨率的水资源利用边界超载（即在特定时空尺度上，水资源利用量超过水资源可持续利用阈值的现象）清单，并将其与最终消费的影响精确关联，从而精准识别全球供应链中由消费驱动的水资源短缺热点地区及其关键部门，进而优化经济空间布局，保障全球水资源安全。然而，如何在多空间尺度下准确识别不同部门水资源利用边界超载的热点地区，并将其有效追溯至最终消费行为，仍是一项亟待攻克的挑战。
近日，由CEADs团队成员山东大学威海前沿交叉科学研究院赵旭教授领衔构建了一套全球尺度、高空间分辨率、多部门、低不确定性的消费端水资源利用边界超载评估模型。该模型通过耦合ISIMIP2a驱动的15种全球水文模型、5种全球环境流量需求（EFR）方法和区域间投入产出模型EMERGING，实现了网格级水资源利用边界超载在消费端的精准溯源。基于该模型，本研究揭示了全球245个经济体的消费活动对网格、城市、流域、国家等多空间尺度水边界超载的影响，为精准识别水资源短缺的消费者责任提供科学依据。相关研究成果以“Tracking grid-level freshwater boundary exceedance along global supply chains from consumption to impact”为题，近日发表于Nature出版社旗下期刊《Nature Water》。山东大学赵旭教授、浙江大学汪笑溪研究员、伦敦大学学院孟靖教授、格罗宁根大学Klaus Hubacek教授为论文共同通讯作者；格罗宁根大学博士研究生侯思雨、清华大学博士研究生霍婧雯、山东大学赵旭教授为论文共同第一作者。
基于以上研究成果，CEADs与山东大学合作在CEADs网站发布了匹配EMERGING模型的2015年的全球245 个经济体和 134 个部门的全球用水和水边界超载清单。该清单目前可在CEADs网站公开免费下载https://ceads.net/data/input_output_tables/。
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研究结果
2015年全球5弧分网格尺度水资源利用边界超载总量为3021 km³，占全球总取水量的 64%。尽管这些超载区域仅占全球陆地面积的 4.6%，却覆盖了全球约42%的人口（31亿人），且广泛分布于干旱、半干旱地区及主要农业生产区（论文图1）。农业灌溉部门，包括谷物、油料作物、可食用水果以及其他作物，共同贡献了全球水资源利用边界超载量的70%。灌溉部门超载热点遍布于主要的农产品产区，包括华北平原、塔里木盆地、印度河流域、德干高原、两河流域、尼罗河流域、澳大利亚的墨累-达令盆地、美洲太平洋沿岸流域以及美国的大平原（论文附件图1）。电力生产占全球水资源利用边界超载的18%，且主要分布在电力需求较高的区域，包括中国东部沿海、印度半岛、美国东北部以及欧洲西北部。制造业部门占全球超限的7%，其次是居民用水部门（包括家庭和服务业），占6%。以上两部门因取水造成的超载热点主要集中在人口稠密地区，尤其是主要制造业城市群，包括中国的京津冀地区、长三角、珠三角、成渝城市群，越南的河内，日本-环太平洋城市群，印度的新德里和孟买，以及西欧和美国东部的城市群。畜牧业对全球超限的贡献为0.2%。本研究提供的行业细分信息揭示了各行业用水对不同超载热点的贡献，但这在以往研究中常被忽视。例如，西欧城市群和美国东北部的超载主要归因于本地电力生产用水需求。而这些热点往往被那些仅关注灌溉部门或采用粗略空间尺度的研究所忽视。
图1 2015年全球5弧分网格尺度水边界超载分布
图2 2015年全球5弧分网格尺度分部门水边界超载分布
研究进一步将网格尺度的水资源利用边界超载与全球245个经济体和135个经济部门的消费影响相关联，发现全球约 73%的水边界超载可溯源至中国、印度、美国、欧盟、巴基斯坦、伊朗、埃及等十个国家和地区的消费需求（论文图2c）。从消费端人均水资源利用边界超载来看，中亚和中东-北非地区（MENA）国家的人均消费责任排名居前。包括阿联酋、科威特、阿曼、土库曼斯坦、卡塔尔、沙特阿拉伯、利比亚和伊拉克等国的消费端人均水资源利用边界超载超过1500立方米/人（见图2d）。其次是澳大利亚（1461 立方米/人）、加拿大（1032 立方米/人）、美国（949 立方米/人）和欧盟28国（496 立方米/人）。相比之下，印度和中国消费者的人均责任低于全球平均水平（435 立方米/人）。
图3 2015年生产端和消费端水边界超载足迹前十大经济体及部门分布
2015年，约24%的水资源利用边界超载隐含在国际贸易中，其中主要贡献部门为谷物、油料种子、可食用水果和坚果等农产品部门。由于EMERGING 模型纳入了更多国家和部门，从而能够识别更多新兴和发展中国家的水资源利用边界超载，并追溯其消费端影响，这是以往研究中无法实现的。研究发现，MENA地区通过进口糖类、谷物和可食用水果，将其 16.2% 水资源压力“外包”至同样面临水资源压力的南亚中部，尤其是印度、巴基斯坦和伊朗。这可能会加剧恒河、印度河和底格里斯-幼发拉底河流域的季节性水资源短缺问题。而新兴经济体中的超载热点多集中在其主要城市，例如天津、上海、广州、河内、胡志明市和曼谷。这些城市拥有世界一流的港口、丰富的劳动力资源以及相对完善的制造业基础。其纺织品、机械与设备类产品的出口是其水资源利用边界超载的主要原因，而这些出口大多流向西欧、日本和美国等发达经济体。
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政策建议
解决上述问题需要各方利益相关者的共同努力。首先，热点地区的生产者可采取包括技术进步、产业升级以及经济空间布局调整等综合性措施。考虑到灌溉农业在许多地区是水资源利用边界超载的主要原因，转向节水技术，如滴灌和微喷灌溉系统，可以显著缓解热点地区超载问题。同时，为了调和新兴经济体的工业化与水资源枯竭之间的矛盾，行业的规模和布局可以根据其水资源利用边界来确定。对于可能面临初期投资成本困难的地区，国际合作至关重要，以促进新技术的广泛传播，并为节水基础设施的建设提供帮助。其次，主要进口经济体应认识到自己在水资源利用边界超载中的作用，并建立补偿机制。例如，采纳类似碳税的水资源税可以帮助内化水资源短缺的成本，确保消费者对全球水资源短缺影响负责，并转向水资源丰富、成本较低的供应商。对于严重依赖进口的水资源短缺国家，在实施虚拟水进口战略时，考虑供应国的水资源利用边界至关重要。这有助于避免加剧其他地方的水资源利用边界超载，并减少通过进口引发的食品和水危机的风险。
本研究基于行星边界理论和环境流量需求方法，识别了全球多尺度水资源利用边界超载的热点区域，从而在更精细的尺度上追溯全球水资源短缺的消费者责任。研究提供的网格级水资源利用边界超载清单也为我国贯彻落实水资源刚性约束制度提供了重要科学支撑。
