从自然到自然–社会–贸易：中国西北内陆河流域水循环的重塑

《Agricultural Water Management》：From natural to natural–social–traded: Reconfiguring the water cycle in Northwest China’s inland river basins

　　

人口增长与消费需求升级对水资源施加了前所未有的压力，“贸易（trade）”已成为水循环演变的新驱动因子。研究人员引入自然–社会–贸易（natural–social–traded）水循环框架，结合长序列水文气象记录与多期投入产出（Input–Output, IO）表，考察中国西北缺水内陆河流域水循环与水平衡的时空演变，刻画自然水文系统与社会经济系统间的水利用竞争。主要发现如下：（1）过去60年该区显著暖湿化，气温以0.33°C/10a、降水以7.40 mm/10a速率增加；冰川消融增强使可用水资源总量上升，流域处于短期开发红利与长期风险并存状态。（2）社会水循环通量2017年达544.8亿 m3（较2002年上升）。第一产业为虚拟水主导源，约占总通量93%，部门间社会水转移联系显著增强。研究期贸易水出口增约70%，出口路径由内陆核心区拓展至沿海。（3）水失衡通量上升、水侵占系数（encroachment coefficient）超2、水平衡系数长期偏低（2017年仅12.0%）共同指向流域用水冲突加剧。“灌溉农业–绿洲经济”惯性发展格局难破。需将虚拟水贸易视为可行供水增量策略，加快产业升级以降低对高耗水产业依赖，建立平衡用水成本与经济效益的有效补偿机制，使流域在保障粮油与水资源需求、筑牢国家生态安全屏障中发挥作用。

研究背景方面，传统水循环研究以自然水文过程为核心，后续衍生出自然–人工二元水循环与水土社会（hydrosocial）循环理论，但既有框架多局限于属地内物理水与工程调度的耦合，未能将跨区贸易嵌入的“隐形”虚拟水（virtual water）流作为独立驱动纳入。中国西北内陆河流域气候干旱、蒸发远超降水，依靠山地降雪与冰川融水维系灌溉农业与绿洲经济，同时正通过棉花、粮食等水密集型产品深度接入全国乃至国际虚拟水贸易网络；本地水资源禀赋与外向型用水需求错位，导致自然、社会、贸易三类水循环组分激烈竞争。在此背景下，Long（2004）提出自然–人工–虚拟三元现象，Deng等（2020）正式化自然–社会–贸易水循环系统，Ma等（2024）在新疆定量测算，但该范式仍处概念 Consolidation 早期，流域尺度实证稀缺。研究人员以西北内陆河四大子流域（塔里木河（Tarim River, TR）、北天山–准噶尔（North Tianshan–Junggar, NTJ）、河西内陆河（Hexi Inland River, HIR）、青海湖–柴达木（Qinghai Lake-Qaidam, QLQ））为对象，在《Agricultural Water Management》发表研究，旨在将虚拟水贸易显式嵌入三元框架，揭示竞争关系并服务流域综合管理。

关键技术方法上，研究人员融合三类定量手段：自然水循环侧采用1961–2017年水文气象长序列，施以Mann–Kendall（M–K）趋势检验与Pettitt变点检验，并辅以双累积曲线交叉验证径流突变；社会水循环侧构建环境扩展的多区域投入产出（Environmentally Extended Input–Output, EEIO）模型，基于2002、2007、2012、2017年四期全国IO表与西北内陆二级行政区统计年鉴，经非调查法编译子流域IO表，将42部门聚合为28部门，借Leontief逆矩阵求解完全用水系数矩阵 H = Q(I?A)^?1，量化部门间与子流域间虚拟水转移；贸易水循环侧在同一IO框架下定义完全用水系数 μ_j^S = Σ_j β_ij^S b_ij^RS，推求跨区贸易虚拟水流出 t_j^RS 与流入 t_j^SR。样本数据源自第三次全国水资源调查评价、各省水资源公报、中国气象数据网、国家青藏高原科学数据中心蒸散发数据集及CLCD土地利用数据。

研究结果部分，3.1 自然水循环演变显示，1961–2017年均温7.89°C，增温0.33°C/10a（1989年后加速至1.01°C/10a），降水147.93 mm/a，增7.40 mm/10a；2002–2017年均水资源775.9亿 m3，冰川融水贡献主导径流增幅，流域转向暖湿但依赖冰冻圈输入。3.2 社会水循环演变表明，社会经济用水由390.6亿 m3（2002）增至544.8亿 m3（2017），第一产业占完全用水超93%（全国平均63%），TR子流域占55.9%；农业向二、三产业净虚拟水转出由207.2亿升至357.6亿 m3，二产对一产拉动强于一产与三产间联系，部门S1（农业）、S6、S24、S12等居用水前列，结构有所优化但升级壁垒仍在。3.3 贸易水循环演变指出，贸易虚拟水流出由254.2亿增至435.3亿 m3（+71.3%），占2017年完全用水79.9%；S1流出超其自身完全消耗，S16、S23、S8等二产出口增速12–45倍；空间上由华北、东部沿海扩至东北、长江与珠江流域，一带一路后流入激增，流域水资源利用率均值79.4%（国际警戒40%）。3.4 流域间水平衡表明，以2012年为拐点先升后降；侵占系数（净出水/本地用水）常年超100%（2017年171.4%），失衡通量（imbalanced flux）2012年峰值236.5亿 m3；按中国工程院生态–经济社会各半建议，2017年全流域水平衡系数仅12.0%，NTJ子流域3.1%、TR子流域0.7%，QLQ因人口稀疏与青海湖补水达75.5%，HIR为43.5%。

讨论部分，研究人员指出暖湿化带来短期灌溉红利（新疆2022年棉花539万吨、粮食1813万吨）与长期冰川负物质平衡、极端水文事件放大并存；水资源开发率52.6%显示普遍超采，贸易子系统从广义社会中分离具三重理论优势——突破属地二元视角、提供比物理调水更灵活的虚拟水替代方案（情景模拟显示中/严方案可节水19.4亿/38.9亿 m3）、为跨境生态补偿机制奠基。局限在于IO表5年基准与出版滞后（本研究止于2017）、行政边界与水文单元错配、未做动态政策仿真。

结论部分翻译如下：

（1）近60年该区显著暖湿化，气温与降水分别以0.33°C/10a与7.40 mm/10a增加；冰川融水增强推高可用水量并驱动耕地扩张，极端水文事件增多共同塑造短期开发收益与长期生态风险并存格局。

（2）社会水循环通量2017年达544.8亿 m3（较2002年上升），第一产业贡献约93%总通量，部门间水循环结构多元化；贸易水出口增70%，出口流由内陆核心区转向沿海。

（3）流域水失衡通量增长、水侵占系数翻倍以上、水平衡系数持续偏低（2017年仅12.0%），此种显著用水失衡加剧产业部门间及本地与外部需求间用水冲突。

（4）应将虚拟水贸易视为可行供水增量策略，加快产业升级降低对高耗水产业依赖，建立补偿机制以有效平衡用水成本与经济效益，使流域在保障粮油与水资源需求及筑牢国家生态安全屏障中履职。