通过水-能源-食物-土地-气候的综合管理来优化泰国的甘蔗和木薯生产

《Energy and Climate Change》：Optimizing sugarcane and cassava production in Thailand via water-energy food-land-climate nexus

农业可持续发展需综合评估多因素交互影响，泰国东北、北、中部甘蔗和木薯生产通过WEF、WEFL、WEFLC Nexus框架比较显示，东北资源效率最优，中部甘蔗和北部木薯存在显著短板，主要因水、能、肥利用不均及地形影响，提出整合管理策略和区域化政策优化。

　　

Haseeb Akbar | Pariyapat Nilsalab | Shabbir H. Gheewala

泰国曼谷通布里王蒙固技术大学能源与环境联合研究生院

摘要

农业是一个资源密集型行业，也是温室气体排放的重要来源。为了实现可持续发展目标，农业经济必须通过全面评估多种因素来识别问题所在并提高资源利用效率。本研究重点分析了泰国东北部、北部和中部地区的甘蔗和木薯生产情况，这些地区是这两种作物的主要种植区。研究采用了三种方法进行比较分析：水-能源-食物、水-能源-食物-土地以及水-能源-食物-土地-气候综合分析。在传统的水-能源-食物分析基础上加入土地和气候因素后，进一步揭示了资源利用和温室气体排放的规律。结果显示，东北部地区在这两种作物的资源利用效率方面表现最佳；中部地区甘蔗的效率较低，而北部地区木薯的效率也较低。对这些差异的分析揭示了水资源、能源和化肥使用效率不高的问题。这种空间上的可持续性差异为政策制定者提供了重要参考，有助于他们了解可持续农业生产的相互依赖关系，并确定最需要干预的领域。

引言

预计到2050年，世界人口将达到约100亿[1]，随着对食物需求的持续增长[2]，水资源、能源和土地等资源将面临更大压力[2]。2000年至2018年间，全球主要作物的产量增长了约50%[3]。如果照现状发展，到2030年全球对谷物类食物的需求将达到约100亿吨，到2050年将达到150亿吨[4]。亚洲仍然是主要的谷物生产地区，尤其是水稻[5]。为了满足不断增长的谷物需求，需要扩大耕地面积。目前农业已占据亚洲陆地面积的一半以上，并且由于农业活动的增加而持续扩张。这种扩张是导致森林砍伐的主要因素之一。联合国粮食及农业组织（FAO）报告称，1990年至2020年间东南亚失去了37.6万平方公里的森林[6,7]。森林砍伐显著增加了温室气体（GHG）排放，预计到2050年全球可能有10亿公顷的土地被砍伐，每年释放约30亿吨二氧化碳当量[8]。此外，农业生产活动对环境有重大影响，这主要是由于对化石燃料、化肥、杀虫剂和除草剂的依赖[9]。包括化肥在内的合成化学品的使用会对海洋、淡水和陆地生态系统产生负面影响[8]。 灌溉过程中使用地下水加剧了环境问题，而地下水抽取主要依赖化石燃料。地形在土地准备过程中的能源消耗中起着关键作用[11]。农业活动中对化石燃料的依赖进一步增加了与作物生产相关的温室气体排放。此外，农业占全球淡水抽取量的70%，表明其对水资源有重大影响，这一比例预计还会随着食物需求的增长而上升[12]。灌溉是全球地下水消耗的主要来源，到2050年，年地下水抽取量预计将增加1100立方公里，增长39%[13]，目前地下水满足了全球约40%的灌溉需求[14]。 农业是一个复杂的行业，涉及土地利用、水资源消耗、能源消耗和化肥施用等多个方面。农业活动也与气候变化密切相关[15]。这些因素相互关联，形成了一个被称为“综合联系”（Nexus）的体系，其中水、食物、能源、土地和气候是相互依存的。单独管理其中任何一个要素都是不够的，应将其视为一个整体系统的一部分[16]。因此，综合管理这些要素对于确保资源的有效和可持续利用、制定有效策略以及确定土地适宜性至关重要。综合联系方法有助于在各相关领域进行更加协调和有效的政策制定、规划、监测和评估[17]。 水-能源-食物（WEF）综合联系的评估重点各不相同。El-Gafy[18]提出了一个物理-经济效率指数，而FAO框架[19]强调了系统间的相互联系和社会因素。D’Odorico等人[20]整合了生物物理、经济和社会指标，但他们的方法较为复杂。Stein等人[21]通过行为网络分析，Ghosh等人[22]通过分位数向量自回归（Quantile VAR）方法加入了治理视角。Tye等人[23]指出了城市治理应用中的不足之处。该综合联系体系还扩展到了土地因素。Pulighe等人[24]评估了生物能源的土地-水-能源（LWE）综合联系，而Silalertruksa和Gheewala[25]以及Fan等人[26]使用生命周期评估（LCA）分析了环境代价，但没有考虑社会经济或制度因素。经合组织（OECD）[27]从生物物理和经济角度分析了LWE的影响。建模研究包括Nie等人[28]开发的基于数据的WEF代价评估框架；Sánchez-Zarco和Ponce-Ortega[29]将LCA应用于WEF-生态系统综合联系；Martinez-Hernandez等人[30]使用NexSym模型模拟了本地WEF互动。 最近的研究将综合联系框架扩展到了废物、温室气体和生态系统服务。Garcia等人[31]评估了WEF-废物综合联系中的生态系统退化，Karabulut等人[32]绘制了生态系统-水-食物-能源综合联系中的水资源供应服务图谱。Gazal等人[33]在El-Gafy的框架[18]基础上增加了土地生产力，形成了WEFL综合联系。然而，他们的方法存在不平衡，因为土地仅通过生产力来衡量，而水、能源和食物则是多维度评估的。Akbar等人[34]将框架扩展到WEFLC，加入了气候和土地指标，形成了一个更全面的综合联系指数。该指数包括温室气体排放和气候强度（每单位质量和经济产出），以及土地利用和土地经济效益，确保了评估的一致性和统一性。 这个“综合联系指数”为决策者提供了一个宝贵的工具，可以全面分析系统并识别问题所在，特别是对于农业系统而言。它还有助于政策制定者实现可持续发展目标（SDGs），通过突出作物生产中的温室气体排放与其他指标之间的联系。该指数是一个全球适用的指标，用于评估农业的相对可持续性，基于模块化和数据驱动的框架。它整合了多维度指标，包括水资源利用效率、碳足迹、产量稳定性和经济可行性，并根据作物特性和区域农业气候条件动态调整。通过利用遥感技术和全球数据集，该指数具有跨空间和时间尺度的可扩展性。其开源设计支持利益相关者驱动的校准，确保方法的一致性，同时适应不同的农业系统。这种适应性使得跨作物和跨区域的比较成为可能，使该指数成为评估多样化且不断发展的农业环境中可持续性的强大工具。此外，该指数还有助于未来预测，能够量化作物生产系统中的综合联系互动[34]。 大多数综合联系评估忽视了土地和气候因素，仅关注水、能源和食物，并且往往缺乏不同综合联系框架的比较分析。此外，泰国现有的研究主要集中在水稻种植上[35][36][37]，其他关键作物的研究较少。本研究的目的是多方面的：

• 对水-能源-食物（WEF）、土地-水-能源（WEFL）和土地-水-能源-气候（WEFLC）综合联系方法进行比较分析；
• 为泰国北部、东北部和中部地区的甘蔗和木薯生产提供优化建议；
• 识别导致这些作物在某些地区可持续性较低的关键因素。

进行比较分析的目的是为了展示不同综合联系方法的选择如何影响结果，从而指导政策制定者根据区域情况采取不同的策略。本研究选择泰国作为甘蔗和木薯生产的代表案例，因为泰国是全球前五大甘蔗和木薯生产国之一[38,39]，这两种作物的种植高度依赖资源。它们在泰国及其他具有类似热带和亚热带气候的地区广泛种植，使其成为评估水-能源-食物-土地-气候（WEFLC）互动影响的理想对象[40,41]。

材料与方法

本节分为三个小节。第一节介绍了甘蔗和木薯种植的综合联系评估方法，分别由El-Gafy[18]、Gazal等人[33]和Akbar等人[34]开发。第二节讨论了研究区域，第三节介绍了数据收集的详细信息。

结果

本研究通过“综合联系指数”评估了甘蔗和木薯生产中的资源利用（水、能源和土地）和温室气体排放，涵盖了资源质量、经济生产力和排放评估。

讨论

分析显示，甘蔗生产的可持续性存在明显差异：东北部地区的可持续性最高，北部地区表现中等，中部地区则相对落后。木薯生产的可持续性也有所不同，东北部地区的可持续性最高，中部地区表现中等，北部地区的可持续性最低。这些发现强调了因地制宜的重要性。

结论

“水-能源-食物-土地-气候（WEFLC）综合联系指数”的开发旨在识别问题区域，并通过有针对性的行动帮助政策制定者应对资源效率挑战，以提高农业系统的可持续性。该指数范围从0到1，提供了关于水资源、能源、土地等生产要素使用的定量信息，其中0代表最差情况，1代表最佳情况。

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

Haseeb Akbar：撰写初稿、可视化制作、软件开发、数据分析、概念构思。 Pariyapat Nilsalab：方法论设计、概念构思。 Shabbir H. Gheewala：撰写审查与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。