多资源边界下的可持续食品供应链：与物理水转移和农业贸易相关的跨流域资源错配与环境不公

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable food supply chains under multi-resource boundaries: Cross-basin resource mismatches and environmental inequities associated with physical water transfers and agricultural trade

　　

摘要
现代人为干预从根本上重构了食物供应链。虽然大规模实体水调水工程旨在缓解区域性水资源短缺，但食物系统中的农业贸易往往引发反向流动，从而造成深刻的社会 - 生态悖论。然而，这些相互关联的实体水流和虚拟水流如何触发跨流域的多资源错配和空间不平等，目前仍 largely 不明确。以中国长江流域和黄河流域为研究区，我们开发了一个远程耦合分析框架，以评估 2000 年至 2023 年水 - 土地 - 食物 - 碳（WLFC）约束下食物供应链的可持续性。通过整合网络分析、环境足迹核算以及 XGBoost-SHAP 模型，我们系统地识别了双流域之间的资源错配、权衡与协同、空间溢出效应以及非线性驱动机制。结果显示，长江流域和黄河流域食物供应链的可持续性呈逐步增加趋势，年均增长率分别为 2.10% 和 2.23%。然而，其转型路径存在显著差异。长江流域表现出相对协调的改善，由粮食产量（2.98%）和水生产力（1.79%）的增加所驱动，而黄河流域面临农业扩张（3.7%）与刚性水资源约束（0.9%）之间的结构性错配。跨流域分析进一步揭示，农业贸易在 2023 年产生了 97.3 亿立方米的虚拟水流和 137 万吨二氧化碳当量的隐含温室气体排放，加剧了两个流域之间的空间不平等和责任错配。此外，XGBoost-SHAP 模型表明，社会经济因素对食物供应链可持续性的贡献占 70%-91%，表现出显著的非线性阈值效应。这些发现表明，在变化的环境下建设可持续食物供应链需要范式转变，即从局部基础设施管理转向远程耦合多资源治理。

引言
在人类世的背景下，加速的气候变化、持续的人口增长和社会经济转型正在推动行星边界。在此背景下，评估和构建多资源边界下的可持续食物供应链已成为保障全球资源安全和实现联合国可持续发展目标（SDGs）的核心支柱（Li et al., 2021）。粮农组织（FAO）和政府间气候变化专门委员会（IPCC）多次强调，这些供应链中嵌入的水、土地、食物和碳维度并非孤立成分，而是以动态相互反馈为特征的高度互联、复杂系统（McElwee et al., 2020; Li, 2021）。然而，由空间错位和跨界贸易引发的严重资源错配、足迹失衡和系统性风险，正日益成为可持续供应链的结构性障碍（Yamanoshita, 2022; Hu et al., 2026）。传统的和部门化的分散管理措施不足以应对这些级联冲突（Hinz et al., 2020）。因此，有必要发展一种治理范式，以捕捉互联食物供应链中的多资源相互作用、跨尺度反馈和区域间协调。

关于可持续食物供应链的研究已 increasingly 从单一资源优化转向基于纽带关系的分析。早期研究主要关注水 - 能 - 粮（WEF）纽带关系，应用投入产出模型（IOA）和生命周期评价（LCA）等方法量化资源利用中隐含的关联和权衡（Fan et al., 2022; Batoukhteh et al., 2025）。最近，现有研究已转向整合土地利用和碳汇作为将食物供应链与气候行动联系起来的中央支柱的复杂多部门框架（Cao et al., 2023; Bahman et al., 2025; Yang et al., 2025）。嵌入的碳足迹已成为食物供应链活动与气候行动之间的关键联系（Zhang et al., 2024a）。此外，碳中和目标进一步促进了从资源效率评估向气候减缓和适应综合治理的过渡（Su et al., 2025）。因此，在水 - 土地 - 食物 - 碳（WLFC）边界下评估可持续食物供应链，为理解复杂的人与自然系统提供了更全面的视角。

尽管取得了这些进展，现有的 WEF 和 WLFC 研究在空间尺度和分析边界上仍存在明显局限性。大多数研究关注单个流域或行政单元，对跨流域资源再分配和长期距离反馈的关注有限（McDermid et al., 2023; Li et al., 2025）。最近，Liu (2023) 提出了远程耦合框架来追踪长期距离资源反馈，并且它已被广泛应用于虚拟水贸易、全球碳流和跨界资源联系（Hejnowicz et al., 2022; Dekker et al., 2025）。然而，大多数实证应用考察的是单一流动或孤立的环境足迹，而不是综合的 WLFC 相互作用（Li et al., 2024）。关于虚拟水和隐含碳的研究揭示了农业贸易中嵌入的隐性资源和排放转移，而关于南水北调工程的研究主要评估了实体水调水的水文、生态和社会经济影响（Baharanchi et al., 2024; Wang et al., 2025a）。这两个过程通常被分开分析，导致它们对跨流域资源分配、环境责任和空间公平的综合影响理解不足。

中国的长江流域和黄河流域为解决这一差距提供了关键案例。这两个流域构成了国家发展的双重生命线走廊，并在资源禀赋、发展模式以及战略功能上表现出显著的南北不对称性（Yang et al., 2023; Yu et al., 2025）。北部的黄河流域面临刚性缺水，同时土地资源相对丰富，给农业扩张造成了尖锐的权衡（Li et al., 2022; Zhang et al., 2024b; Wang et al., 2025b）。相反，南部的长江流域水资源丰富但碳密集，面临着碳减排和水管理的复杂双重挑战（Liang et al., 2022; Guo et al., 2026）。尽管大规模水调水工程和农业供应链加强了跨流域联系，但当前研究大多将两个流域视为孤立系统，关注北部的局部问题如水盐平衡或南部的水电权衡（Du et al., 2022; Gao et al., 2025; Cuceloglu et al., 2025）。现有的流域协同治理框架 largely 局限于流域内协调，很少将双流域概念化为耦合的宏观系统（Wu et al., 2025）。这种碎片化的视角 systematically 忽视了南北中国之间的战略资源互补性和深刻的功能分工。

关于驱动机制，传统的计量经济学方法受限于线性假设，无法捕捉高维相互作用和非线性阈值效应（Ji et al., 2022）。XGBoost 已被证明在揭示人地耦合系统中的复杂非线性关系方面非常有效（Li et al., 2022; Ji et al., 2022）。此外，SHAP 能够对变量重要性、相互作用效应和关键阈值进行透明解释（Wang and Peng, 2024）。最近的研究已应用 XGBoost-SHAP 调查生态系统服务、农业可持续性、水资源和气候适应中的驱动因素（Somala et al., 2024）。然而，WLFC 约束下可持续食物供应链转型的驱动机制仍不明确，特别是在具有强烈资源溢出和跨流域反馈的互联大型流域背景下。因此，仍存在三个主要差距。首先，仍需要一个综合的远程耦合 WLFC 框架来评估互联大型流域间食物供应链的可持续性。其次，实体水调水和粮食贸易对资源再分配、虚拟水流、隐含碳排放和环境责任转移的综合影响仍未得到充分量化。第三，对 WLFC 约束下塑造可持续食物供应链转型的非线性驱动机制和阈值效应关注有限。

为解决关键差距，本研究评估了长江流域和黄河流域双流域在 WLFC 约束下食物供应链的可持续性。本研究的创新和贡献在于（1）它通过构建一个 57 指标的 WLFC 框架，超越了传统的单流域评估，比较了中国双流域食物供应链的可持续性能表现和演化轨迹。（2）它整合了塔皮奥脱钩模型和社会网络分析，共同揭示 WLFC 之间的权衡与协同以及联系不同区域的空间关联结构，从而比较资源协调、结构连通性和跨流域溢出模式方面的差异。（3）它纳入了 XGBoost-SHAP 模型，以识别驱动可持续食物供应链转型的关键因素、非线性响应和阈值效应，从而阐明社会经济、资源、技术和治理因素影响两个流域的异质机制。因此，本研究提供了一个将 WLFC 约束与食物供应链可持续性联系起来的方法论框架，为跨流域资源协调和差异化转型路径提供了新证据。

章节片段

材料与方法
为解决传统上孤立分析空间网络拓扑或物理资源流的局限性，本研究建立了一个整合的环境足迹核算远程耦合概念框架，以评估 2000 年至 2023 年长江流域和黄河流域的食物供应链可持续性。它通过社会网络分析定义了发送系统、溢出系统和接收系统。方法的新颖性在于整合了

可持续食物供应链的时空动态
在 WLFC 边界下，黄河流域的可持续食物供应链绩效以年均 2.23% 的速度改善（图 4a）。食物、水、土地和碳的年均增长率分别为 3.7%、0.90%、1.7% 和 2.5%。在核密度估计分析（图 4c）中，食物曲线显示出最高的峰值和最显著的右移，证实了食物生产能力扩张仍是区域的主要驱动因素

实现可持续食物供应链的分歧发展路径
长江流域和黄河流域之间食物供应链的显著差异是自然禀赋和社会经济路径依赖共同作用的结果。在长江流域，效率驱动的协同效应以 2.10% 的综合年增长率增长，其中食物增长 2.98%，土地增长 1.63%（表 1）。高降水率和密集的河网为其增长和农业集约化做出了贡献（Li et al., 2025）。

结论
本研究建立了长江流域和黄河流域在 WLFC 边界下的食物供应链可持续性综合框架，调查了它们的时空动态、多资源权衡、级联溢出效应和非线性驱动机制。核心发现如下：（1）长江流域和黄河流域的可持续食物供应链绩效显示出稳步增长的趋势，年均增长率分别为 2.1% 和 2.23%，

CRediT 作者贡献声明
Lu Peng：写作 - 初稿，形式分析，概念化。Qian Liu：方法论，数据整理。Xing Tan：资源，调查。Fan Zhang：写作 - 审查与编辑，监督，项目管理。Wenhao Xia：验证，资源。

竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文报告工作的个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（批准号 72404041, 72373139）和教育部人文社会科学研究项目（24YJC630164）的支持。

Lu Peng|Qian Liu|Xing Tan|Fan Zhang|Wenhao Xia