通过双维度水行星边界与贸易框架量化中国各省份的安全运行空间

《Environmental Impact Assessment Review》：Quantifying the safe operating space of Chinese provinces through a dual-dimension water planetary boundary and trade framework

　　

摘要

相对于行星边界量化人类用水对于限制水文退化至关重要。在此，我们将蓝水和灰水的行星边界双维度框架与虚拟水贸易分析相结合，以评估2002年至2017年间中国30个省份的水资源压力。灰水足迹主导了边界超越的变化，在2012年达到峰值，随后随着严格的国家污染控制政策的实施，到2017年下降了49%。这一巨大的生物物理缓解使区域安全空间内的省份数量从2012年的10个增加到2017年的17个。值得注意的是，没有任何省份单独超越了蓝水边界，表明排除灰水的评估可能会忽视水资源相关边界超越的主要来源。累积压力揭示了隐藏的生物物理风险，即尽管各组成部分均保持合规，但总压力却超过了区域边界。高度承压的出口地区如河北支撑了包括北京在内的富裕进口地区的消费。进口依赖指数和出口贡献指数表明，高出口贡献的省份仍处于超越状态，而高进口依赖的省份虽有改善，但很少进入绝对安全操作空间。结构分解分析表明，消费结构的转变而非单纯的技术效率提升，推动了2012年后的恢复。这些发现支持制定空间差异化的监管策略，使生产、消费和贸易在区域水文限制内得到协调。

引言

人类活动的加剧正日益破坏维持全新世条件的地球系统过程，引发了对人类世的日益关注（Rockstr?m等人，2009年；Yang和Paulillo，2026年）。为定义人类的安全操作空间，行星边界框架被提出以识别九个关键地球系统过程的生物物理极限（Paulillo等人，2026年；Rockstr?m等人，2009年；Steffen等人，2015年）。其中，淡水循环是根本性的，因为它支撑着生态系统功能、气候调节和人类福祉（Rockstr?m等人，2023年；van Vuuren等人，2025年）。因此，水行星边界已成为更广泛的行星边界框架的核心组成部分，并在全球范围内持续受到学术关注。

水行星边界研究的发展大致可分为三个阶段，从全球阈值设定演进到区域降尺度应用，最近更是纳入了贸易相关的压力转移。第一阶段（2009-2015年）的研究聚焦于全球水行星边界的制定，通过在行星边界框架内提出行星尺度的淡水极限建立了概念基础（Rockstr?m等人，2009年；Steffen等人，2015年）。这一阶段在将水可持续性从单纯的相对效率指标重新定义为绝对生物物理极限方面至关重要。然而，全球汇总的阈值可能掩盖严重的局部耗竭和生态压力，因为淡水资源在空间上高度异质，且不具温室气体那样的混合特性。第二阶段（2016-2020年）的文献聚焦于区域边界降尺度，源于认识到水行星边界评估必须反映淡水系统的空间异质性和流域特定的生态需求（Gleeson等人，2020年；Zipper等人，2020年）。在此期间，全球极限越来越多地被转化为流域、国家和次国家尺度的边界，通过纳入当地水文条件、水资源可利用量和环境流量需求来实现（Bj?rn等人，2020年）。与此同时，水足迹核算也越来越多地与边界框架相联系，使得人类取水能够相对于本地生物物理极限进行评估（Li等人，2020年）。第三阶段即当前阶段（2021年至今）的探索聚焦于贸易-边界耦合，通过强调区域边界超越不仅受当地用水影响，还受贸易诱导的跨区域水资源压力再分配影响，从而扩展了水行星边界研究（Liu等人，2026年；Matu?tík等人，2025年；Tian等人，2024年）。在这一阶段，核心问题从估算区域水行星边界转变为理解水数量、质量和区域间贸易如何共同塑造边界超越。

中国在此背景下提供了一个特别重要的案例，因其经济规模庞大、水资源禀赋与生产需求之间空间错配明显，以及高度互联的省际贸易网络。现有研究广泛使用多区域投入产出模型追踪虚拟水流并从水量和水质角度评估贸易的环境影响（Chen等人，2025年；Li等人，2022年；She等人，2025年；Sun等人，2023年；Wang和Wang，2025年）。这些研究对隐含水转移和供应链驱动因素产生了重要见解（Fu等人，2024年；Li等人，2023年；Li等人，2025年；Shi等人，2025年）。然而，大多数分析仍聚焦于足迹量、效率或相对压力指标，未明确地将这些结果与区域尺度的绝对区域生物物理极限联系起来（Liu等人，2026年；Matu?tík等人，2025年）。因此，这些研究量化了消耗或污染的水量，但很少评估这些压力是否超过了当地水文临界点（Lu等人，2025年；Richardson等人，2023年）。在这方面，水行星边界框架不可或缺，因为它将分析重点从效率提升转移到确保人类活动遵循区域水文循环的生物物理约束（Wang-Erlandsson等人，2022年）。

尽管取得了这些进展，水行星边界框架的实际应用仍面临巨大挑战。目前，水行星边界评估主要将水资源压力等同于物理稀缺，依赖蓝水足迹来量化耗竭（Feng等人，2022年；Hou等人，2025年；Li等人，2020年；Zhao等人，2023年），而作为水质度量的灰水足迹被视为一个单独的关注点（Cao等人，2023年；Chapagain和Hoekstra，2011年）。这种分离在概念上是有限的，因为稀释污染物所需的同化能力丧失有效地减少了可利用的淡水库存，其方式类似于物理消耗（Liu等人，2024年）。因此，相对于区域承载能力，水资源消耗和污染共同压力所产生的累积压力很少被系统评估（Liu等人，2022年）。因此，迫切需要一种将基于多区域投入产出的贸易分析与双维度（数量和质量）水行星边界评估相结合的综合分析框架，但仍存在几个关键缺口。首先，大多数区域水行星边界应用将蓝水和灰水独立处理，目前没有统一的指标来捕捉由两者共同压力驱动的水行星边界超越，即使每个组成部分都在其各自阈值内。其次，尽管虚拟水贸易越来越被认可为区域水资源压力的关键驱动因素，但其在放大边界超越方面的作用尚未被系统量化，且刻画一个区域在传递或吸收此类压力方面作用的贸易强度指标仍然缺失。第三，尽管结构分解分析已用于识别区域水足迹变化的驱动因素，但消费结构调整和技术效率提升对边界恢复的相对贡献仍知之甚少，尤其是在重大政策干预的背景下。

为弥补这些缺口，本研究对2002年至2017年间中国30个省份的水行星边界进行了综合评估，因数据限制排除了西藏、台湾、香港和澳门。本研究通过将蓝水足迹和灰水足迹纳入统一的水行星边界框架来推进现有文献。通过结合多区域投入产出模型和结构分解分析，本文量化了省份水行星边界状况的时空变化，并揭示了其背后的社会经济驱动因素。本研究对当前贸易-边界耦合分析的一项关键贡献是，根据区域特定的边界超越状况（基于数量、基于质量或累积压力）与它们在虚拟水贸易网络中的作用之交集，开发了差异化的省份分类框架。这一类型学为未来水资源治理提供了重要见解，使政策制定者能够超越一刀切的解决方案。通过区分水资源压力是由当地过度开采、污染排放还是贸易诱导的需求驱动，该框架可为更具针对性、区域特定的策略提供科学依据，这些策略同时解决水量控制和水质改善。最终，这种综合方法有助于在次国家尺度上实现水行星边界框架的实用化，并提供了一条可行的路径，以减轻区域边界超越并将水文系统恢复至其安全操作空间内。

章节摘要

考虑数量和质量的水行星边界

在方法上，现有的区域水行星边界研究通常采用自上而下、自下而上或混合方法来确定区域阈值（这些方法的详细比较见表S3）。在本研究中，为系统考察蓝水足迹、灰水足迹和省际虚拟水贸易如何共同塑造水行星边界超越，我们采用基于环境流量需求的自下而上框架，遵循Stewart-Koster等人（2024年）的方法，建立了省级水行星边界基准。

省级水安全操作空间的时空演变

基于2002年、2007年、2012年和2017年省级水行星边界状况的框架，没有任何省份在任何年份表现出蓝水超越，表明蓝水足迹从未在灰水足迹保持在区域内的情况下超过区域水边界（见图2）。蓝水超越的完全缺失表明，水质恶化或数量与质量的综合效应是研究期间的主导压力。因此，边界评估

在区域水边界评估中纳入灰水和累积压力的必要性

本研究揭示，2002年至2017年间没有任何中国省份表现出严格的蓝水超越。这表明物理蓝水足迹从未在灰水足迹同时保持安全的情况下独立突破区域边界。这一观察并不否认物理取水评估的相关性；相反，这些指标准确地识别了受绝对水量限制的区域。然而，严格蓝水超越的完全缺失

结论

本研究将多区域投入产出模型与双维度行星边界框架相结合，评估了2002年至2017年间中国省份的安全操作空间。省级边界状况的演变几乎完全由灰水足迹主导，该足迹在2012年达到峰值，随后在严格的国家污染控制下，到2017年下降了49%。这一减少成功恢复了边界合规，使安全省份数量从2012年的10个增加到2017年的17个。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了江苏省社会科学基金（资助编号：25EYA001）、国家自然科学基金委员会（资助编号：42101289、72474139、72374107）、江苏省自然科学基金（编号：BK20230062）、中国博士后科学基金（编号：2024M751472、2025T180514）以及国家社会科学基金（24ZD098）的支持。本工作还得到了北京大学高性能计算平台的支持。

蔡北鸣|白亚强|刘宇|王锋|张伟

河南大学资源与环境工程学院，地理科学与工程学院，郑州450046，中国