综述：通过水-能源-食物纽带关系转型农业水资源管理：趋势、机遇、障碍与解决方案

本综述系统探讨了如何通过水-能源-食物（WEF）纽带关系推动农业水资源管理（AWM）的转型，重点分析了当前趋势（如智能灌溉和可再生能源整合）、实施机遇（包括数字技术应用和土著作物开发）、主要障碍（政策碎片化和技术获取不均）以及系统性解决方案（如跨部门协同治理和循环经济模式），为构建兼顾生产力、公平性和生态韧性的可持续农业系统提供了重要参考。

　　

摘要

农业水资源管理（AWM）正朝着转型思维发展，水、能源和食物等相互关联的部门需要被整体管理。趋势表明，跨部门和谐的战略可优化用水效率和生产力，整合可再生能源，促进可持续粮食生产并增强生态韧性，同时考虑农民的经济激励。然而，AWM的主要挑战是在水资源短缺、退化和枯竭的情况下管理水和能源以进行粮食生产。这需要从当前AWM实践转变，这些实践侧重于以公平、保护、消费和循环经济为代价的单因素生产力和资源使用效率。这需要减少农业用水、增加环境流量、最小化浪费和再利用资源。本系统综述确定了将传统AWM实践转变为水-能源-食物（WEF）纽带知情系统的途径，该系统公平、包容、综合且具有韧性，平衡社会生态系统。本综述确立了WEF资源的相互联系，作为可持续作物生产中资源使用效率的驱动因素，突出了智能AWM系统的趋势、机遇、障碍和解决方案。建议提出从当前以生产为中心的AWM转变为对人类和自然系统具有变革性、公平性、可持续性和韧性的AWM。

1 引言

水资源短缺和相关极端天气，特别是干旱和洪水日益严重和频繁，加上为满足不断增长人口的粮食需求而扩大农业灌溉用地，持续加剧环境退化和自然资源基础的枯竭。农业仍然是气候变化的主要原因之一，既是温室气体排放的来源，又是全球变化的受害者，因为它是一个气候敏感部门。除了是水资源的主要污染者和导致环境退化之外，农业 alone 占全球可用淡水取水量的约70%，其中大部分用于作物生产。因此，农业经济体面临与水资源短缺和作物减产相关的严峻挑战，导致水、粮食和营养不安全。联合国粮食及农业组织（FAO）估计，到2050年，全球农业用水需求将增加50%以上以满足增长的粮食需求。这发生在极端天气日益增加的背景下，主要影响全球南方依赖降雨作物生长的脆弱人群。这些挑战凸显了向更高效的农业水资源管理过渡的必要性，包括创新解决方案以可持续管理作物用水并实现“每滴水更多作物”。

水资源短缺挑战因此需要智能农业水资源管理（AWM）实践，其重点是在减少负面环境影响的同时优化作物生产中的用水效率。这些智能实践和技术包括使用高效灌溉技术及应用节水实践，如覆盖和覆盖作物、捕获和储存水、种植抗旱作物以及改善土壤健康以增加保水性。主要目标是提高作物-水生产力，这是AWM的基本概念，它推进了农业部门内的转型议程。这指的是高效用水，同时最大化作物生产。作物-水生产力 essentially 量化了作物产量相对于耗水量的关系，促进了“每滴水更多作物”的理念。这对于用有限的水资源满足全球粮食需求至关重要。因此，作物水生产力是AWM的焦点，因为它是提高产量和用水效率的关键。在有限供水下增加农业中的生产性用水对于满足未来粮食需求至关重要。

研究表明，AWM受到水-能源-食物（WEF）纽带的影响，趋势表明全球对这些部门相互关联性的认识不断提高。当前日益恶化的水资源短缺挑战、日益增加的 domestic 和工业能源需求以及粮食不安全挑战，特别是在气候变化的背景下，正推动向更整体和变革性的实践转变，这些实践促进农业中高效用水、整合可再生能源源并采用循环经济模式。WEF纽带描述了三个部门之间复杂而错综的相互关系。例如，粮食和能源的生产和消费需要大量水用于灌溉和冷却，而水的提取、运输和分配也需要大量能源。同样，食物产生生物质能。理解这三个部门之间的这些相互联系对于协调和整合资源管理以实现可持续发展至关重要。

因此，AWM与社会经济发展、人类福祉和可持续发展相互关联。例如，在撒哈拉以南非洲（SSA）和东南亚（SEA），农业是大多数国家经济的关键，农业用水占可用淡水资源的 almost 三分之二。同样，农业在中亚、北非、东南亚、SEA和SSA的国内生产总值（GDP）中贡献近10%，并占这些区域总取水量的至少四分之三。因此，转型农业中的水资源管理是新兴经济体的优先事项，因为它显著促进创造就业、改善生计和更广泛的经济发展，后者通过出口赚取外汇。然而，需要从当前传统的资源密集型AWM实践和单因素生产力方法转向综合资源保护和循环经济。这需要从循环经济 perspective 减少用水、最小化浪费和再利用资源。向综合和变革性AWM的转型是由传统实践推动的，这些实践 often 优先考虑以长期可持续性为代价最大化产出，而循环经济方法强调关闭资源循环和再生自然系统。转型导致了可持续粮食系统，增强人类和环境健康，创建对社会负责和经济可行的系统，优先考虑促进道德采购的农业实践并减少整个粮食生产和消费周期中的浪费，不仅涉及资源使用效率。这促进了可持续粮食系统的发展，并推动了可持续和有韧性的水资源管理。韧性的特点是重叠的时空决策，依赖于水用户和竞争部门之间的相互依赖关系，通过高效灌溉、集水和综合害虫管理实现，这些增强了农场盈利能力、人类健康和环境可持续性。

作为一个跨学科主题，AWM跨越了农学、气候学、地质学、经济学和社会学的传统领域。这些学科各自开发了各种基于部门的经验模型以推进农业中的水资源管理。然而，缺乏全面和整体模拟所有主要水文、水质和作物生长方面以应对当前跨部门挑战的综合模型。因此，这一背景推动了本研究，通过检查水、能源和食物之间的潜在关系并理解综合AWM的趋势、机遇、障碍和解决方案，来解开理论和实践叙事，以最小化非生产性水损失、优化作物水生产力和改进AWM和农艺实践。本研究提供了通过WEF纽带增强用水效率的整体和综合AWM的全面概述。

2 综述过程

本综述涉及一个跨学科过程，促进了对文献的系统评估以解决特定的研究问题。问题包括：（a）当前的AWM实践是什么？（b）这些实践如何改善气候变化适应和韧性？（c）需要什么措施来将农业中的水资源管理转变为基于纽带的 climate-smart 过程？（d）与农业中水资源管理相关的趋势、机遇、障碍和解决方案是什么？这些问题指导了文献的选择，结果有助于理解当前实践的优点和缺点，并指导制定连贯的建议。这些建议指导了创建转型框架，以将AWM转变为一个综合的、基于纽带的智能系统，解决现有的跨领域挑战，同时促进与其他系统的包容性。

系统综述过程促进了选择与审查主题相关的相关出版物。选定的出版物涉及AWM、WEF纽带、AWM与WEF纽带之间的相互联系以及推动向基于纽带的智能农业实践转型的趋势、机遇、障碍和解决方案。这是通过使用主要文献搜索引擎实现的，包括Google Scholar、Scopus、Mendeley和Web of Science。搜索中使用的术语包括“综合农业水资源管理”、“农业水资源管理和水-能源-食物纽带”、“农业水资源管理实践”、“农业水资源管理案例研究”、“智能农业水资源管理实践”、“转型农业水资源管理系统”、“作物-水生产力”、“综合水资源管理”、“可持续水资源管理”、“水-能源-食物纽带和用水效率”、“向智能农业水资源管理实践转型”、“农业水资源管理趋势”、“资源使用效率障碍”和“提高农业用水效率的机会”。搜索重复了一些全称的缩写，如“AWM”、“WEF”、“IWRM”（综合水资源管理）和“WUE”（用水效率）。检索到192篇同行评审和灰色文献。经过筛选，最终考虑用于研究的文章数量在消除100篇后减少到92篇。图1展示了文献选择和筛选过程中遵循的步骤，产生了n=192篇文献，经过 thorough 筛选，排除了n=100篇文章。这导致n=92篇文章被考虑进行合成。

3 结果

3.1 从WEF纽带角度看AWM的趋势

WEF纽带强调了水和能源资源对于作物生产和农业管理的相互关联性。当前AWM的趋势强调优化资源使用、促进可持续实践并在此框架内整合气候变化考虑因素。这些包括采用更高效的智能灌溉技术、育种节水作物和提高农业中的能源效率。然而，这些传统的 niche-specific 实践 often overlook 包容性，并未 fully 考虑可持续性与其他部门的相互关联性，如社会福祉、环境健康和经济发展。这有可能导致意外结果，包括导致不公平和无效的倡议和计划。

当传统的AWM实践在脱离更广泛的相互关联系统的情况下实施时，它们面临限制和潜在妥协，并阻碍实现可持续发展目标（SDGs）。当前实践 only 加剧现有的跨领域挑战，因为全球人口增长和饮食变化对水、能源和食物的需求不断增加。同样，气候变化仍然是最大的威胁，因为降雨模式和温度制度被改变，导致极端洪水和干旱，这些退化和耗尽水资源并影响农业生产力。因此，传统的 niche-specific 水资源管理实践需要转向一个综合和包容的系统，考虑性别、社会福祉、环境健康和经济发展，如果它们要 contribute 可持续性。农业转型应整合数字转型并包括技术进步，如人工智能（AI）、物联网（IoT）、地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和智能传感器（SS）以提高用水效率和精准农业。将 linked 系统整合到AWM中加速了人们对WEF纽带在综合管理中作用的日益认识。将传统实践整合到更大的水资源管理框架中，考虑水资源可用性、土壤健康和气候韧性等因素，对于可持续性至关重要。

3.2 采用综合系统进行水资源管理的机遇

农业中的综合水资源管理提供了 significant 机会以提高用水效率、增加作物产量并促进可持续农业实践。通过结合各种技术，如智能灌溉、废水再利用、综合农业系统和整体方法，如WEF纽带，农民可以从 informed perspective 优化水、能源和土地资源；减少环境影响；并增加粮食生产。采用和实施灌溉技术，包括精准灌溉，以及节水作物选择，减少了农业中的用水，农业 already 消耗全球可用淡水资源的70%以上。这些智能技术 enable 更高效地向作物供水，最小化蒸发和径流损失，从而确保水在需要时和需要的地方被精确使用。

这也提供了一个机会来主流化本土未充分利用的作物，因为它们对当地恶劣气候条件更具韧性，并且需要更少的农业投入，使它们成为面对气候变化的宝贵资源，除了更营养和确保水和粮食安全之外。本土未充分利用的作物是当传统作物因 erratic 天气模式失败时的安全网。此外，智能技术通过利用可再生能源源，如太阳能用于抽水，以及传感器技术和自动化系统进行精确供水，优化了灌溉农业中的能源使用。这些因素减少了对传统能源源的依赖，降低了运营成本，并提高了水和能源效率，从而降低了农业中的能源足迹。此外，采用智能AWM实践提供了从废水中回收养分用于农业再利用的机会，减少了对合成肥料的依赖并最小化了水污染。这通过WEF纽带得到增强，它促进了制定连贯战略，通过促进可持续资源管理的循环系统将食物浪费整合到资源循环中来关闭循环。

3.3 采用智能AWM实践的障碍

采用智能AWM实践对于将系统转变为一个更可持续和资源高效的系统至关重要。然而，转型需要传统实践的 significant 变化，包括考虑与社会经济和生态系统的相互联系。直到最近，大多数研究和实践 only 侧重于资源使用效率和单因素生产力，以 connected 系统为代价，导致环境退化、自然栖息地破坏、水污染和枯竭以及温室气体排放增加等挑战。

许多地区普遍缺乏综合规划和管理，导致水、能源和农业部门被孤立管理，阻碍了有效的纽带解决方案。这因有限的技术和信息获取以及薄弱的治理和制度框架而加剧。小农 particularly 普遍缺乏实施高效水资源管理实践所需的技术和信息，使它们容易受到气候变化的影响。它们 also 暴露于 poorly framed 政策框架，这些框架阻碍了综合资源管理战略的实施。此外，巨大的社会和经济不平等存在， particularly 在全球南方，导致对资源和机会的不平等获取， often 加剧了脆弱社区中气候变化和资源不安全的影响。气候变化不确定性是转型AWM的主要障碍，因为不可预测的降雨模式和极端天气事件对水资源管理和农业规划构成了 significant 挑战， particularly 在雨养系统中。

3.4 推进综合AWM实践的解决方案

如前所述，农业是最 water-intensive 部门和水资源的最大污染者之一。因此，农业中的水资源管理对于高效资源使用和可持续性至关重要，因为它直接影响作物产量、生态健康和粮食安全。然而，作物生产面临风险，如气候变化和人口增长，这些紧张了水资源。这需要该部门采用智能实践以促进可持续农业用水。基于云的大数据平台、物联网、灌溉技术和精准农业的优势和可及性包括增加水资源管理、增加作物生产力和减少资源浪费。此外，创新农业实践，如覆盖作物、覆盖、保护性耕作和土壤质量改善，支持土壤水分保持，促进健康植物生长并减轻干旱和水资源短缺的不利影响。

在农业中采用WEF纽带方法对于转型整个农业价值链至关重要，因为它认识到该部门与水和能源的相互联系，在实现可持续性和增强资源分配和管理方面 equally important。WEF纽带得到其他创新实践的支持，如整合 climate-smart 农业方法，包括免耕农业、覆盖作物和作物多样化等，以增加对气候变化的韧性并提高用水效率。优先考虑这涉及投资于节水技术并加强治理和制度框架。对 climate-smart 技术的投资，得到连贯政策和治理框架的支持，加速了农业中的水资源管理并促进了利益相关者合作，包括性别包容性。这些努力 also 鼓励利益相关者合作，通过让当地社区参与决策并赋予它们采用可持续水资源管理实践的能力。研究人员、政策制定者、农民和实践者之间的合作促进了及时实施本地开发和社区驱动的创新解决方案，这些解决方案推动了可持续水资源管理。此外，利用AI、IoT和其他新兴数字技术改善了水监测、预测和决策，这些活动增强了农业中的综合水资源管理。

4 通向综合AWM系统的转型路径

通向综合AWM的转型路径涉及从 fragmented、部门特定的方法转向一个整体的、系统的方法，该方法拥抱整个水循环及其与其他部门的相互作用。转型需要解决关键问题，包括水资源短缺、污染和低效用水。农业中水资源管理转型的需求由（a）日益增加的水资源短缺，（b）环境退化和（c） fragmented 水资源管理实践驱动。由于人口增长、城市化和气候变化导致的退化，对水资源的竞争增加和枯竭需要更高效和可持续的水资源管理实践。主导小农农业的传统和不可持续农业实践 contribute 水退化和污染，通过向环境释放养分和农药，危及人类和环境健康。当前基于部门的模型 promote 孤立的水资源管理， often 加剧用水低效、水质差和多个用户之间的冲突。

推动向农业中综合水资源管理转型的过程包括（a）识别现有的不可持续农业实践；（b）评估这些实践如何加剧气候变化对农业的影响；（c）探索支持向农业中综合水资源管理转型的战略；（d）识别实现可持续水资源管理的趋势、机遇、障碍和解决方案；（e）制定推动转型的连贯战略和建议；以及（f）实施和监测综合的、climate-smart 的AWM实践。

然而，综合水资源管理将不同部门和行动者聚集在一起，包括农业、工业、城市地区和 environment，以整体管理水资源。它 also 考虑整个水循环（降水、地表水、地下水、废水）及其与其他资源（如土地和能源）的相互联系。整合包括利益相关者包容性（农民、社区以及公共和私营部门）在决策过程中，因为它具有长期可持续性的远见，旨在平衡经济发展、社会公平和环境保护。采用农业中的转型路径加速了向农业中综合水资源管理的转型。它确保水和粮食安全，同时保护人类和地球的环境。

5 建议

AWM是一个跨学科领域，汲取了广泛学科的 expertise，包括农学、气候学、地质学、经济学和社会学。农业中有效的水资源管理需要整体理解这些 various 学科如何相互作用以影响作物生产、水资源可用性以及更广泛的社会经济和社会生态背景。因此，转型AWM需要一个多方面和多中心的方法，如WEF纽带，它整合了资源管理、政策和技术创新，包括利用趋势、解决机遇和障碍以及实施综合智能解决方案。这些干预措施得到促进可持续灌溉、优化水资源管理的能源使用、提供基于自然的解决方案和促进利益相关者合作以 building 韧性的支持。表2提出了一些针对AWM的建议。

这些建议的采纳和实施预计将 catalyze AWM的转型，导致增加资源效率、更好的生计、增强的可持续性以及对人类和环境健康的支持。作为人类-自然系统的关键组成部分，AWM面临多个相互关联的挑战，涉及资源不可用和低效、基础设施、极端天气、不公平、管理不善和治理差。除了与水、能源、土地和食物相互关联之外，AWM also 与社会生态系统相互关联。此外，它作为人类和环境健康、经济增长和可持续发展之间的核心。WEF纽带 steering 整体转型并在操作化和实施农业中的水资源管理方面实现 desired outcomes。AWM的 several 方面在全球南方相对次优，需要从当前实践转向整体干预措施，这些措施 catalyze 向SDGs的进展。因此，AWM的转型应该是包容的、性别响应和 pro-poor。此类行动 foster 平等、公平和赋权，并 redress 先前的不平衡。

6 结论

本综述评估了从WEF纽带 perspective 转型AWM的趋势、机遇、障碍和解决方案。需要一个整体方法，承认这三个部门的相互联系，并 broadly，它们如何 also 与社会经济和社会生态系统相互作用。人们日益认识到系统方法，如WEF纽带和其他变革性方法，如循环经济、情景规划、 horizon scanning 和 One Health，作为加速AWM转型的核心，通过 fostering 协调战略来优化资源使用、最小化浪费并提高整体可持续性， moving beyond 孤立的水资源管理。机遇在于可持续资源使用、关注人类和地球、改善生计和增强可持续性。障碍包括数据限制、缺乏综合分析工具和不充分的制度框架。指导转型的解决方案和路径包括开发以AWM为切入点的综合WEF模型、促进参与式方法和加强治理结构。理解这些相互依赖关系、识别协同效应机会、解决障碍并实施促进可持续资源管理的协同解决方案可能是可持续性、气候变化缓解和适应之间缺失的环节。转型中的共同点是跨相互关联部门的政策连贯性，指导全面的战略行动，导致农业中水资源管理的一致和整体决策的综合路径。农业中水资源的有效管理确保水资源被可持续和公平地使用，支持粮食生产，同时 safeguard 生态系统并在气候变化下促进可持续发展。成功的操作化需要一个跨学科方法，涉及所有利益相关者、科学知识和 context-specific、适应性管理，以确保解决方案是可持续和有效的，以整体改善水和粮食安全、韧性和农业生产力。