适度的气候目标有助于提升粮食-水资源-排放相互关联体系的韧性

《Journal of Cleaner Production》：Moderate climate targets promote more resilient Food-Water-Emission nexus

　　摘要：实现气候目标可能会改变粮食-水-排放三者之间的相互作用。然而，不同的气候减缓路径如何影响这一关系中的协调性与稳定性仍不清楚。为填补这一空白，本研究构建了一个粮食-水-排放关系框架，从协同作用和结构韧性两个角度评估减缓政策如何重塑这一关系。利用全球变化评估模型，对14个主要粮食生产地区的农业系统在三种气候减缓情景下的状况进行了模拟。斯皮尔曼相关性分析用于量化各关键子指标间的协同效应与权衡关系，而通过分析这些关系在气候政策约束下的稳定性来评估整体关系的韧性。研究结果表明：1）气候减缓的影响具有高度的区域差异性；2）气候政策能有效缓解水资源压力并促进粮食-水-排放三者间的协同作用，但非二氧化碳排放仍与粮食和水资源系统存在权衡关系，凸显了粮食生产与气候减缓之间的矛盾；3）不同地区的关系韧性存在显著差异，一些地区在严格的减缓措施下仍能保持较为稳定的协同关系，而其他地区则出现韧性下降或协调性恶化；4）如远低于2℃这样的适度气候目标，能够在保持关系韧性的同时，促进各系统间更均衡的协调发展。与以往研究相比，本研究在全球尺度上量化了气候减缓如何重塑粮食-水-排放子系统间的相互作用及整体韧性，表明适度减缓措施结合差异化的政策策略对于实现全球农业的可持续发展至关重要。

引言：全球粮食系统对人类生存与发展至关重要，但目前面临着资源有限以及人口快速增长带来的日益严峻的挑战。到2050年，全球粮食产量需增加近70%，才能满足预计91亿人的粮食需求（FAO，2009）。为满足这一需求，粮食生产相关的能源需求预计在2050年前将增长超过50%。与此同时，世界资源研究所警告称，水资源供应的不确定性正在增加，预计到2040年，世界上大部分地区都将面临高压力水资源状况，这将为灌溉和粮食生产带来困难（Maddocks等人，2015）。资源的激烈竞争使得粮食相关系统之间存在复杂的相互关联，各系统之间既存在协同效应，也存在权衡关系。除了努力实现资源节约外，减少粮食系统中的排放也极为重要，因为全球范围内粮食系统每年的碳排放量高达18吉吨二氧化碳当量，占全球温室气体总排放量的34%（Crippa等人，2021）。因此，这些复杂的相互联系表明，采用整体视角理解粮食、水与排放系统之间的相互作用至关重要，因为在某一领域的干预可能会通过反馈机制和间接效应影响到其他领域（Ansari等人，2023；Farmandeh等人，2024）。

随着全球对可持续发展问题的关注不断加深，粮食系统的转型已成为应对气候变化和资源压力的关键举措。各国已承诺在2025年前将农业和粮食系统纳入其国家适应计划和国家自主贡献中，旨在提升粮食系统的韧性并推进全球气候目标（FAO，2023；Amahnui等人，2025）。然而，气候减缓措施可能会以相反的方式改变粮食相关系统的关系。它可以通过减少排放推动可持续转型，但也可能加剧粮食生产、水资源和土地使用之间的权衡。例如，生物能源的发展（Doelman等人，2022）以及碳汇造林（Bousfield等人，2024）虽然可以减少碳排放，但会占用大量农业用地，从而与粮食生产目标相冲突。同样，合成肥料虽能在短期内提高农业产量，但其过度使用可能导致水体富营养化，进而引发水资源与粮食生产之间的权衡（Menegat等人，2022；Du等人，2024）。这些动态表明，气候政策及生产相关的干预措施可能会改变现有的系统关系，使得人们无法确定各种减缓路径究竟是能改善系统间的协调性，还是会导致粮食-水-排放关系的不稳定（Gilmore和Buhaug，2021；Kabir等人，2024；Lee等人，2024）。

因此，现有研究不仅探讨了粮食-水-能源系统内的协同效应与权衡关系，还越来越多地关注这些系统对政策或气候冲击的韧性。在更广泛的韧性研究中，韧性并不仅限于灾后恢复，而是一个涵盖干扰吸收、适应能力以及功能恢复等多维度的概念（Holling，1973；Walker等人，2004；Folke，2006；Hosseini等人，2016）。这一更广义的概念已被引入到系统关联研究中，用以评估相互关联的资源系统在外部冲击下能否保持稳定或恢复功能。例如，Ioannou和Laspidou在2022年提出了一个针对水-能源-粮食系统的韧性评估框架，用于量化系统吸收冲击并恢复功能的能力。此外，还有研究表明，资源管理策略能够显著提升系统的稳定性，尤其是在极端条件下（Nú?ez-López等人，2022）。另外，治理机制在增强水-能源-粮食系统韧性方面也发挥着关键作用，有效的治理体系对于在面对气候干扰时保持系统稳定至关重要（Tian等人，2025）。因此，提升系统韧性对于减少气候变化对粮食系统的长期负面影响、确保其在不同减缓路径下的可持续发展具有重要意义。

了解气候减缓路径如何重塑粮食-水-排放关系，对于指导全球范围内的可持续农业发展及气候政策制定至关重要。尽管已有大量研究探讨了局部层面的减缓措施或特定行业间的相互作用（Sardo等人，2023；Simpson等人，2023；Jones-Crank，2024；Richelle等人，2025），但从全球视角来看，统一气候政策下粮食-水-排放关系间的相互作用仍不明确。不过，现有的相关研究通常仅聚焦于协同效应与权衡关系的评估，这是一种单一维度的视角，很少考虑系统在气候政策冲击下的协调性调整，而这正是关系韧性所体现的内容（如图1所示）。这一被忽视的维度实际上指的是在政策引发的扰动下，子系统间互动模式的稳定性或结构持续性，而非系统输出的恢复情况。因此，考虑关系韧性对于丰富这一概念作为政策实践和决策支持工具的意义至关重要。通过弥补这些不足，本研究为识别哪些地区和子系统互动对政策引发的扰动最为敏感提供了重要见解，有助于设计差异化的减缓策略，从而在全球范围内实现粮食安全、水资源可持续利用与减排目标的平衡。

本研究旨在回答以下研究问题：首先，不同的气候减缓路径如何改变14个主要粮食生产地区粮食-水-排放关系中的协同效应与权衡关系？其次，在更为严格的气候目标下，粮食-水-排放关系能在多大程度上保持稳定的互动模式？第三，在气候政策约束下，哪些地区会出现协调性提升、韧性下降或系统关系恶化？基于这些问题，本研究运用全球变化评估模型，模拟了14个主要粮食生产地区在三种气候减缓情景下的农业发展路径。依据七个粮食-水-排放关系子指标，建立了21对指标关系，用以量化粮食、水与排放系统间的协同效应与权衡关系。随后分析了这些关系在不同情景下的变化情况，并将关系韧性定义为在政策引发的扰动下子系统间互动模式的稳定性，而非系统输出的恢复情况。

本研究的贡献体现在三个方面：首先，与那些仅关注某一种减缓技术或局部案例的研究不同，本研究构建了一个全面的粮食-水-排放关系框架，便于在全球范围内比较不同气候政策路径对粮食、水与排放系统间协同效应与权衡关系的影响。其次，以往关于粮食-水-排放关系的研究大多忽略了非二氧化碳类的温室气体排放，而本研究则将甲烷和氧化亚氮也纳入指标体系，从而更全面地呈现温室气体排放及其与粮食和水资源系统之间的相互作用。第三，本研究将气候目标视为一种外部扰动，构建了一个扩展的评估框架，用于分析气候目标对粮食-水-排放关系的影响，同时探讨在政策变化背景下该关系是否仍能保持稳定。

本研究的其余部分结构如下：第二部分阐述研究框架与方法；第三部分展示2050年粮食-水-排放关系的预测结果、系统层面与区域层面的关系状况，以及不同气候减缓情景下的关系韧性；第四部分是对研究结果的讨论；第五部分为研究的主要结论；第六部分则提出具体的政策建议。