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水资源约束下实现可持续农业，事关国家水安全、粮食安全和生态安全协同保障，一直是国际社会关注的焦点，更是尚未完全解决的共性难题与挑战。多学科交叉融合，围绕水资源与可持续农业的新理论、新概念、新技术与新发现不断涌现。《水资源与可持续农业》是对学科交叉领域高等教育教材编写的探索，梳理水资源与可持续农业相关概念与理论的科学内涵，明确水与农业的关系；阐述实体水-虚拟水耦合流动理论与方法体系，结合国内外研究进展探讨可持续农业水管理新思路；分析未来水资源管理与可持续农业面临的挑战、发展趋势和应对策略。
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目录前言第1章 绪论 11.1 水安全与粮食（食物）安全 11.2 水管理与农业发展的新目标和新方向 3参考文献 9第2章 水资源 122.1 水资源与水循环 122.2 水资源相关学科概述 182.3 水资源概况 25参考文献 33第3章 可持续农业 363.1 可持续农业的科学内涵 363.2 农业现代化进程 403.3 可持续农业的发展进程 52参考文献 53第4章 水资源与农业的关系 574.1 水资源是农业的刚性基础 574.2 农业生产对水资源的影响 604.3 农业水资源管理现状与节水农业 63参考文献 66第5章 农业水管理新视角 695.1 实体水-虚拟水耦合流动理论框架 695.2 农业水足迹与虚拟水流动评价方法 715.3 农业水足迹与虚拟水流动研究进展 80参考文献 82第6章 区域农业生产消费水资源评价 866.1 中国粮食作物生产水足迹与省际虚拟水流动 876.2 中国生猪饲养水足迹及相关虚拟水流动评价 946.3 中国食物消费水足迹与虚拟水流动量化与评价 1076.4 中国食物损失和浪费及其水资源效应 119参考文献 125第7章 流域水管理与可持续农业 1297.1 流域水管理 1297.2 黄河流域节水增粮潜力评价 1317.3 流域可持续农业水管理新思路 134参考文献 137第8章 水资源与可持续农业挑战与展望 1388.1 水资源与可持续农业面临的挑战 1388.2 水资源与可持续农业的未来发展趋势 141参考文献 146
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第1章绪论 【学习要点】 水安全与粮食（食物）安全基本概念。 水与农业相关新兴概念与前沿领域。 1.1水安全与粮食（食物）安全 粮食安全是国之大者，水安全是粮食安全的基础之一。确保水安全与粮食安全是实现水资源高效利用和可持续农业的重要前提，是生态保护和经济社会高质量发展的基本支撑。随着经济社会发展与人民生活水平不断提高，水安全与粮食安全的科学内涵不断延伸和拓展。 1.1.1水安全基本概念 目前，引用*为广泛的水安全定义是由2000年斯德哥尔摩国际水会议上提出，具体表述：在一定流域或区域内，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，水资源、洪水和水环境能够持续支撑经济社会发展规模、能够维护生态系统良性发展的状态，即为水安全。依据国内外学术界对“水安全”概念及科学内涵从不同角度的讨论和解读，王浩等（2022）将水安全类型和领域细分为7个方面：防洪安全、饮水安全、水资源安全、水环境安全、水生态安全、水工程安全和非常规水安全（图1.1）。 水安全已成为国家安全的一个重要内容，不仅是资源的管理问题，更是国家安全体系的战略基石，与国防安全、经济安全、金融安全具有同等重要的战略地位。在国家战略层面，水安全不仅关乎民生福祉和经济发展，更直接影响到社会稳定和可持续发展，是粮食安全、能源安全、生态安全等其他国家安全要素的基础和保障（中共中央党史和文献研究院，2024）。我国水安全问题涉及面多、传播链条长、影响范围广（李原园等，2023）。从管理层面来看，水资源安全、水环境安全和水生态安全是我国水安全保障的关键环节，3个方面相互关联，共同构成了我国水安全保障体系的核心。 图1.1国家水安全主要类型和领域（据王浩等，2022） 1.1.2粮食（食物）安全基本概念 1974年，联合国粮食与农业组织（Food and AgricultureOrganization，FAO）在**次世界粮食峰会上正式提出“粮食安全（food security）”，粮食安全的概念被先后修改3次。目前，国际公认的粮食安全定义，表述为任何人在任何时候都能在物质、社会和经济层面获得充足、安全和富有营养的食物，以满足其积极健康生活的膳食需求和食物偏好。基于基本定义，FAO按照粮食缺乏的严重程度，将粮食安全分为5个安全等级：大饥荒（人道灾难）、人道危机、突发性严重粮食危机、长期粮食不安全和粮食安全。“缺粮”不是简单的粮食作物或产品供需量的不平衡，而需要从供应（availability）、获取能力（access）、食物利用（utilization）和稳定性（stability）4个维度综合测度和评价（辛良杰，2024）。 中国的粮食安全正在面临需求侧和供给侧的诸多变化和挑战。从当前粮食供需形势来看，中国农业发展和粮食安全正处于“提质增效”的关键时期，传统的粮食安全管理体制和思想观念已不能完全适应时代要求（成升魁等，2018）。2015年，中央农村工作会议*次明确提出“树立大农业、大食物观念”，标志着中国的粮食安全内涵转变为“食物安全”。2024年，中央一号文件提出，“树立大农业观、大食物观，多渠道拓展食物来源”。在资源环境承载力刚性约束下，国民膳食结构变化，面对营养素缺乏与营养过剩双重困境，粮食安全主要矛盾已由供给不足转变为供需结构性矛盾；国家粮食安全内涵已拓展，可以表述为粮食数量是基本，食物质量和营养结构合理是核心，经济稳定和资源环境可持续是底线。 1.2水管理与农业发展的新目标和新方向 1.2.1水与农业发展新目标 1.可持续发展目标（SDGs） 1992年，联合国（United Nations，UN）正式确定“可持续发展”作为当代人类发展的主题，承诺把可持续发展从概念推向行动。2000年，联合国*脑会议上，189个国家一致通过《联合国千年宣言》，并承诺实现8项千年发展目标（Millennium Development Goals，MDGs），*要任务是消灭极端贫穷和饥饿。2015年，联合国可持续发展峰会正式通过17个可持续发展目标（Sustainable Development Goals，SDGs）。旨在从2015年到2030年间以综合方式能够彻底解决社会、经济和环境三个维度的发展问题，转向可持续发展道路，为共同实现可持续发展提供了更加综合和包容的解决方案。水与农业几乎和每一个SDGs都具有直接或间接的关联性，特别是SDG2“消除饥饿”和SDG6“清洁水与卫生”（图1.2），通过推动可持续农业实践、改善水资源管理、提高气候适应性等多方面的综合措施，直接应对气候变化对粮食安全的威胁和水安全的挑战。 2.气候变化与“双碳”愿景 气候变化是21世纪地球健康与人类社会可持续发展面临的*严峻挑战和风险之一（IPCC，2021）。全球水循环的变化以及更加频繁和剧烈的极端气候事件不断威胁全球水安全和粮食安全。不规律的降水模式、蒸散发过程的变化等因素，通过影响用水需求（Zhang and Cai.，2013；LePage et al.，2021）、水资源供应（Pokhrel et al.，2021）和水质（Van Vliet et al.，2023）增加了农业生产的不稳定性，加剧了多行业对有限水资源的竞争（Cai et al.，2015）。这些变化造成粮食生产波动，农业规划变得复杂，引发了全球粮食供应不稳定等一系列问题，使数百万人面临急性水短缺和粮食匮乏风险，阻碍了可持续发展目标的实现进程（LealFilho et al.，2022）。值得注意的是，气候变化背景下，尽管总体上农业生产力有所提高，但在过去50年里，气候变化在全球范围内减缓了农业生产力增长速率，特别是在中低纬度地区（IPCC，2023）。 “双碳”是碳达峰（carbon peaking）和碳中和（carbonneutrality）的简称。碳达峰是指某个国家或地区年度温室气体排放量达到历史*高值，之后逐步回落（United Nations，1992）；碳中和是指在一定时间内，某个国家、企业或个人直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等方式，实现正负抵消，达到净零排放（IPCC，2018；申勇等，2023）。在全球气候变化对人类生存发展构成威胁愈发严重的时代背景下（United Nation，2020），全球已有超过130个国家和地区陆续设立了“双碳”目标。主要的发达经济体和部分发展中经济体已经实现了碳达峰，部分发达经济体已经提出了实现碳中和的预计时间（表1.1）。其中，欧盟计划到2050年实现气候中和（即温室气体净零排放），并在《欧洲绿色协议》中设定了具有法律约束力的减排目标（European Commission，2019）。美国于2021年重返《巴黎协定》并承诺到2050年实现净零排放（Blinken，2021）。 图1.2联合国可持续发展目标的SDG2和SDG6（据Unite Nations，2015） 日本宣布力争在2050年前实现碳，中和（METI，2020）。2020年，中国勇担气候治理重任，制定了到2030年前实现碳达峰，到2060年前实现碳中和的“双碳”目标。中国“双碳”目标的提出彰显出大国责任和担当，在加速中国经济和能源转型方面具有高瞻远瞩的战略意义。这不仅是中国为应对全球气候变化、推动构建人与自然生命共同体做出的庄严承诺，也是与联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on ClimateChange，IPCC）报告建议的全球应对路径高度契合的重要举措。 要实现“双碳”目标，对水资源的利用开发应遵循“保护优先，统筹协调”原则（左其亭等，2021）。水资源管理部门应加快水电开发利用，发展绿色低碳能源；通过坚持“节水优先”，强化水资源集约节约利用，实现农业节水增效，工业节水减排；加强水污染防治，强化水生态系统修复，持续提升水生态系统质量和稳定性，增强碳汇和固碳能力（陈茂山等，2022；左其亭等，2023）。面向“双碳”目标，农业发展需要转型升级，实现农业绿色发展，意味着推广低碳农业技术，减少农业温室气体排放，平衡农业发展与环境保护，同时提高农业生产力，确保粮食安全（Yin et al.，2023；Ren et al.，2023）。 1.2.2可持续农业与绿色发展 工业革命以来，人类活动已成为全球环境变化的主要驱动力，可能导致地球系统脱离过去1万年中较为稳定的环境状态，从而对世界大部分地区造成有害甚至灾难性的后果。目前，迫切需要一种新的范式将人类社会的可持续发展和地球系统（Earth system，ES）维持在具有弹性和适应性的状态结合起来。在这一背景下，行星边界（planetary boundary）理论框架［图1.3（a）］成为理解和评估可持续性的一种新的思路（Rockstr et al.，2009）。行星边界理论将地球系统功能的科学认识与预防原则相结合，确定人类扰动的安全边界，评估人类扰动对地球系统破坏的风险。如果人类扰动低于安全边界，地球系统不稳定的风险较低，即处于全球社会发展的“安全空间”相反则会造成不可逆的破坏，进而影响人类福祉。其中气候变化和生物圈完整性对生态系统极其重要，被认为是行星边界框架的“核心”（Steffen et al.，2015）。基于行星边界理论，进一步结合社会边界的互补概念，“甜甜圈”理论将社会经济过程涵盖在内，提出可持续发展可视化框架（Raworth，2012）［图1.3（b）］。该理论使区域（国家）的可持续发展评估结果成为一个包含两个边界、3个区域的简化可视化模型。在行星边界构成的外边界和社会经济基础构成的内边界之间的环形区域，作为人类赖以繁荣发展的环境安全和社会公正
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