作物虚拟水转移中的资源效率低下、环境不可持续性及社会不平等问题：“锁定”现象——以中国经济作物为例

《Environmental Impact Assessment Review》：Resource efficiency-environmental unsustainability-social inequity “locked-in” for crop virtual water transfer: A case for cash crops within China

　　孙福宾|王伟|赵彦龙|张庄庄|赵子坤|刘帅|卓拉中国陕西省杨凌市712100，西北农林科技大学水土保持与沙漠化控制国家重点实验室摘要从地方到全球实现可持续的水资源分配，需要资源效率、环境可持续性和社会公平三者之间的协同。然而，对于农作物贸易中涉及的虚拟水分配所带来的环境可持续性和社会公平影响，目前尚缺乏评估。本研究提出了一个基于定量指标的评估方法，用于分析次国家尺度上与农作物相关的虚拟水流动的环境可持续性和社会公平特征。研究利用2000年至2018年间中国31个省份的四种经济作物——油料作物（花生、油菜和向日葵）、糖料作物（甜菜和甘蔗）、纤维作物（棉花）以及刺激性作物（茶叶和烟草）的纵向数据，揭示了内部虚拟水再分配的复杂动态。分析结果显示，省际间的虚拟水流动量增长了11.87%，达到了50.09 Gm3/年。这一增长呈现出从西部向东部转移资源的持续趋势，同时伴随着利益分配的不均衡。尽管在整个研究期间水利用效率有所提高，但由此带来的环境效益却始终未能转化为生产地区的实际 socioeconomic利益。这些地区仍然处于不公平的贸易地位，上游的生产者承担着过高的水资源消耗带来的环境成本，而作为主要商品供应者却仅获得微薄的经济收益。因此，效率的提升反而加剧了它们对高耗水出口产品的依赖，通过结构性反弹效应进一步加剧了局部的水资源压力。本研究揭示了次国家尺度上经济作物与水资源、环境及贸易之间的内在关联。此外，还建立了一种稳健且可扩展的方法论框架，用于全面定量评估不同尺度上的虚拟水转移与分配的可持续性。引言自21世纪初以来，经济作物（包括油料、糖料、纤维作物以及刺激性作物）的种植面积大幅增加，全球播种面积增长了27%，农业产值增长了80%（FAOSTAT，2025）。除了为人类提供必要的营养和能源外，这些高耗水作物还成为全球化经济中重要的远程耦合机制，其在农作物生产中的用水量占比超过56%（Hoekstra和Mekonnen，2012；Mialyk等人，2024）。由于不同经济作物的环境需求和品种特性存在差异，其生产往往集中在特定地区，这就需要大量的贸易活动来促进水资源消耗与区域资源限制之间的空间解耦（Bian等人，2023；Zhang等人，2026）。虽然这种大规模的虚拟水贸易实现了全球淡水资源的重新分配（Dalin等人，2017；Mekonnen等人，2024；Zhao等人，2015），但实现明智且可持续的管理还需要同时优化资源效率、环境可持续性和社会公平（ESE）（Hoekstra，2014）。然而，以往的研究大多都是单独分析这三个维度（Gu和Qin，2024；Hekmatnia等人，2024；Hoekstra和Mekonnen，2016；Sinha等人，2023；Yang等人，2006），导致人们对ESE框架内的协同效应和权衡关系理解不够全面（Feng等人，2022；Gao等人，2020；Gu等人，2024；Liu等人，2026）。由于缺乏能够整合这三个维度的综合定量框架，难以实现平衡的水资源管理，尤其是在应对不同社会经济层级之间的不对称影响方面。这种片面的理解往往忽视了“锁定效应”这一结构性困境——这是一种源于路径依赖的现象，使得某些地区陷入特定的发展轨迹之中（Orjuela-Ramirez等人，2025；Unruh，2000）。农作物虚拟水流动的资源效率是基于比较优势理论，即出口地区的单位水足迹应低于进口地区。对于集中生产的经济作物而言，其效率是以理想化的单位水足迹标准来衡量的，该标准代表了在相似的环境和技术条件下可实现的最小水资源消耗量（Mekonnen和Hoekstra，2014）。虽然理论上通过普遍遵循这些标准，全球农作物用水量可以减少近40%，但效率的提升并不必然带来系统的可持续性（Mekonnen和Hoekstra，2014）。例如，2013年中国主要农作物的省际虚拟水流动中，有75%属于低效率状态（Gao等人，2020）。关键在于，那些以生产为导向的地区虽然提升了效率，但却未能真正缓解水资源压力，因为这种提升反而可能使这些地区更加依赖高耗水的出口产品（Hoekstra和Mekonnen，2016）。这种“锁定效应”描述了一种结构性陷阱，即由于历史投资和贸易依赖，生产地区会专门从事高耗水作物的生产，从而导致效率提升与环境压力之间的恶性循环。农作物虚拟水流动的环境可持续性意味着，交易产品中所包含的用水量不应超出当地的生态环境需求。这一维度通常通过蓝色水资源短缺指数或按短缺程度加权的用水量来衡量，反映了资源占用所带来的直接环境成本（Hoekstra和Wiedmann，2014；Ji等人，2022）。值得注意的是，随着经济作物贸易的全球扩张，这种环境压力日益加剧，因为大约60%的不可持续的虚拟水流动是由棉花、甘蔗和水果等经济作物的出口所导致的，而这些作物本身就依赖于过度开发蓝色水资源（Mekonnen和Hoekstra，2020b）。在中国，与农作物生产相关的不可持续的省际蓝色虚拟水流动比例高达78%，其中棉花是第三大贡献源（Gao等人，2020）。到2018年，与糖料、籽棉、油料作物（大豆除外）以及刺激性作物相关的稀缺虚拟水流动分别占全球总量的2.69%、26.93%、7.30%和0.92%（Shi等人，2025）。这些证据表明，经济作物的地理集中往往会导致不可持续性的“热点”现象。在虚拟水流动背景下，社会公平指的是各国或各地区在承担虚拟水资源负担与获取经济利益之间的平衡程度。这一维度通常通过水资源交换不平等的角度来分析，其特点就是资源密集型的负担与经济附加值在空间上相互分离（Wei等人，2024；Xin等人，2022；Zhao等人，2025）。国际经济作物贸易往往加剧出口国的水资源短缺和不公平现象（Gu等人，2024），而在次国家层面的贸易体系中，这种不公平现象同样普遍存在。虽然以往的研究已经发现了中国各次区域与国际合作伙伴之间在虚拟水贸易方面的经济不平等现象（Wei等人，2024；Xin等人，2022），但在次国家尺度上，针对与农作物（尤其是经济作物）相关的虚拟水流动的社会公平性进行定量评估的研究仍然很少，因此人们对于内部“水价值”差异的结构性机制了解不足。中国是全球主要的油料、糖料、纤维作物以及刺激性作物生产国。全球交易的甘蔗中有近一半（49%），花生中有四分之一（25%）都来自中国（FAOSTAT，2025）。在中国，位于干旱缺水地区的新疆已成为全国最大的棉花生产基地；而云南和贵州等经济社会发展相对落后的西南地区，则是茶叶和烟草等刺激性作物的主要产区（图1）。在过去二十年中，经济作物的灌溉用水量增长速度是谷物作物的1.95倍（Wu等人，2023）。这种差异促进了国内的经济作物虚拟水流动，形成了广泛的省际间虚拟水流动现象（Hu等人，2025；NBSC，2024）。因此，对中国次国家尺度上的经济作物虚拟水流动进行系统评估和管理，不仅是一项区域性的需求，更是从科学角度理解局部资源开发如何影响全球环境变化的关键任务，这为推动高质量农业发展以及实现水资源的公平分配提供了重要的政策依据。本研究通过首次提出并应用多指标ESE评估框架，填补了这一空白，重点分析了2000年至2018年间中国的经济作物情况。研究的一个关键目标是通过同时评估资源效率、环境可持续性和社会公平，来揭示这三者之间的权衡关系，从而具体体现“锁定效应”。与以往主要研究粮食作物的研究不同，本研究聚焦于那些导致水资源、环境及贸易失衡的经济作物，揭示了这三者之间的权衡关系。该框架不仅能够同时评估ESE状况，还能揭示出效率提升未能缓解，甚至可能加剧地区不平等和环境不可持续性之间的结构性矛盾。这一分析为在水资源匮乏的地区实现资源效率、环境完整性和社会公平之间的平衡提供了科学依据。章节片段与农作物相关的省际虚拟水流动估算省际虚拟水流动量可以通过单位水足迹和实际的农作物贸易流量共同确定。从数学上讲，省际经济作物贸易所对应的虚拟水流动量等于省际农作物贸易量与生产地的单位水足迹的乘积。VWTbmn=Tmn×PWFb,mVWTgmn=Tmn×PWFg,mVWTmn=VWTbmn+VWTgmn其中，VWTb [m,n]、VWTg [m,n]和VWT [m,n]分别代表蓝色的虚拟水流动量、绿色的虚拟水流动量以及总的虚拟水流动量。中国内地经济作物省际虚拟水流动的效率2000年至2018年间，中国八种经济作物的全国平均经济水足迹显著下降，蓝色经济水足迹的下降幅度在78.42%（棉花）到95.46%（茶叶）之间，绿色经济水足迹的下降幅度则在80.68%到90.62%之间；到2018年，绿色水资源已满足了每单位产品用水量的76.48%至96.90%（图S2）。然而，尽管整体效率有所提升，但地区间仍存在明显的差异，且实际的水资源流动量仍在继续增加。各省份的经济水足迹存在较大差异。效率与公平的悖论：相对效率与结构性不平等ESE框架揭示了中国次国家层面经济作物虚拟水流动中资源效率与社会不公平性之间的关系。这些虚拟水流动具有明显的方向性：棉花和油料作物主要从中国西北部和北部流向东部沿海地区，而茶叶和烟草则从中国西南部流向中部和东部地区。这种空间分布模式暴露出经济作物生产体系中的水价值失衡问题，即某些地区面临……利益冲突声明作者声明没有已知的、可能影响本文研究的财务利益或个人关系。致谢本研究得到了关键技术研究与发展计划（编号2024YFC3213700）和中国博士后科学基金（编号2025M783202）的支持。