南京市作物水足迹评估与种植结构优化：基于CROPWAT模型的水资源压力分析

针对快速城市化地区农业水资源管理效率低下的问题，南京研究人员采用CROPWAT模型和Mann-Kendall趋势分析法，评估了2002-2022年南京市主要作物的水足迹(WF)时空变化。研究发现作物WF在工业和生态农业区占比超90%，总WF下降11.67%，并通过多目标优化模型提出种植结构调整方案，可节水9.1亿m3 、节约耕地7148.58 hm2 ，为可持续农业水管理提供科学依据。

　　

随着中国城市化进程加速，南京等快速发展的城市面临严峻的农业水资源挑战。过度灌溉导致土壤盐渍化、地下水超采等问题，而传统水资源管理方法已无法满足经济社会发展需求。更复杂的是，气候变化引发的极端干旱加剧了作物水资源管理的不确定性。在这个背景下，水足迹（Water Footprint, WF）评估成为指导可持续农业水管理的重要工具。南京作为长江流域重要的粮食产区，其水稻等高耗水作物的种植加剧了当地水资源压力。尽管南京位于湿润地区，但季节性缺水问题日益突出，加之城市化驱动的耕地转化，使得粮食-土地-水系统的矛盾愈发尖锐。

为应对这些挑战，南京的研究团队在《Ecological Indicators》发表了题为"The application of water footprint for assessing the crop water resources stress in Nanjing City, China"的研究。该研究采用CROPWAT模型和Mann-Kendall趋势分析法，系统评估了2002-2022年南京市主要作物的水足迹时空变化特征，并构建多目标优化模型提出种植结构调整策略。

研究主要运用了四项关键技术方法：1) 基于FAO Penman-Monteith方程的作物蒸散发(ET_c
)计算；2) CROPWAT模型量化蓝水（灌溉水）、绿水（土壤水）和灰水（污染物稀释水）足迹；3) 农业水资源压力指数（AWSI、BWSI等）评估体系；4) CPLEX求解的多目标优化模型，数据来源于南京市统计年鉴（2002-2021）和江苏省水资源公报。

3.1 作物生产的时空变化
研究发现南京市作物播种面积20年间呈非线性下降趋势，平均年播种面积345,706.19 hm²
。六合区播种面积最大（105,918.1 hm²
），雨花台区最小（450 hm²
）。水稻和小麦占总产量的78.9%，其中六合区贡献最大（295,741.8±74,719.3 t）。

3.2 作物水足迹的时空变化
作物水足迹总体下降11.67%，从2002年1.08×10¹²
m³
降至2022年0.959×10¹²
m³
。工业新区（六合、浦口、栖霞）和生态农业区（江宁、溧水、高淳）占总量90%以上。水稻水足迹最大（58.35×10¹⁰
m³
），灰水足迹主要来自水稻和油菜的氮肥淋失。

3.3 农业水资源压力评估
农业水足迹强度指数（AWFI）均值为0.741，显示高水足迹强度；农业水资源稀缺指数（AWSI）均值为0.382，属中度压力。蓝水稀缺指数（BWSI）为0.108，表明低水平蓝水压力。综合水利用指标（CWI）为0.311，反映中等水利用效率。

3.4 基于虚拟水的种植结构优化
多目标优化模型显示，调整后可减少播种面积7,148.58 hm²
（2.01%），节水9.1亿m³
（6.73%）。其中水稻节水7.04%（5.41→5.82亿m³
），大豆面积应减少16.69%，因其单位产量耗水量较高。

研究讨论指出，工业新区水足迹最大与集中农业活动相关，而降水变化通过影响绿/蓝水比例间接改变水足迹。水稻的高灌溉依赖和油菜的氮肥敏感是灰水足迹主因。优化种植结构可缓解水资源压力，但需考虑干旱季节影响和灌溉效率提升。

该研究为快速城市化地区农业水管理提供了重要科学依据：1) 揭示了不同土地利用区（工业、生态、城市核心区）水足迹的空间异质性；2) 通过多目标优化平衡产量与耗水矛盾；3) 提出的政策建议（如作物结构调整、水足迹纳入水税体系、分区管控等）对实现SDG 6（清洁饮水）和SDG 12（负责任消费）具有实践价值。研究特别强调，在湿润地区同样需要关注"工程性缺水"问题，这对长江经济带水资源管理具有示范意义。