智利中南部农林水足迹的修正：基于人类净初级生产力占用(HANPP)框架的绿色水消耗与占用辨析

《International Soil and Water Conservation Research》：How Much Water Do We Really Appropriate? A Revised Water Footprint and its Application in the Agriculture and Forestry of South-Central Chile

本文针对传统水足迹(WF)方法在评估人类对水资源真实占用方面的不足，提出了一个创新性框架。研究人员将人类净初级生产力占用(HANPP)理念融入水足迹评估，首次明确区分了雨水消耗(WFgreen)与因土地利用变化而产生的雨水占用(WFgreen,LUC)。该研究应用于智利中南部地区，结果表明修正后的水足迹总量仅为传统方法的1/2.7，且44.8%的水资源占用与农产品出口相关联。这项研究为更精准地核算人类活动对水资源的实际占用、支持可持续水资源管理政策提供了新方法。

　　

水，是生命之源，也是人类农业生产和森林培育不可或缺的资源。然而，随着全球人口增长和对农产品、原材料需求的激增，农业和林业活动不断强化，对水资源的压力也与日俱增。为了衡量人类活动究竟用了多少水，学术界广泛采用“水足迹”这一工具。传统的水足迹方法将用水分为三类：从地表或地下抽取的淡水（蓝水足迹，WF_blue）、雨水被作物通过蒸散作用直接利用的部分（绿水足迹，WF_green），以及稀释污染物所需的水量（灰水足迹，WF_grey）。尽管成熟，但这种方法一直存在争议：它真的能准确评估人类从生态系统中“占用”了多少水吗？特别是对于农业和林业，一片森林或一块农田所“消耗”的雨水，如果这片土地原本是自然植被，这些雨水不也一样会被消耗掉吗？这种“占用”是否被高估了？

这正是由Steven Hidalgo-Toapanta、Pasiano Rivas-García和Patricio Neumann-Langdon组成的研究团队试图回答的核心问题。他们意识到，传统绿水足迹衡量的是作物生产相关的总雨水消耗，而“占用”应特指因土地利用变化（如将自然林地转为农田或人工林）而导致的那部分额外蒸散水量，这部分水原本可以形成径流或下渗，供生态系统或人类使用。这类似于生态学中评估人类对碳资源影响的“人类净初级生产力占用”框架。于是，他们进行了一项创新性研究，将这两种视角结合，提出并应用了一种基于占用概念的新水足迹评估方法，并以智利中南部这个农业和林业活动密集的地区为案例进行了验证。他们的研究成果发表在《International Soil and Water Conservation Research》上，旨在为水资源管理提供更精确的核算工具，支持更可持续的决策。

为了开展这项研究，作者们主要应用了以下关键方法：首先，他们构建了一个计算模型，核心是比较作物需水量(ET_c)、潜在蒸散量(ET_o，作为自然植被需水的代理)和有效降水量(P_ef)三者之间的关系，根据六种不同情况（如图1所示）逐月、逐作物、逐社区地判定灌溉水占用(ET_blue)和由土地利用变化引起的雨水占用(ET_green,LUC)。其次，他们收集并整合了多源数据，包括研究区域（智利奥希金斯、马乌莱、纽夫莱、比奥比奥和阿劳卡尼亚五大区）149个社区的气候变量（从智利国家农业研究所平台获取）、作物系数、作物种植面积（来自智利国家统计局）以及作物产量和出口数据（来自智利农业政策办公室），参考年份为2021-2022年。最后，他们基于占用概念计算了水足迹(WF_blue, WF_green,LUC)和基于占用的虚拟水流动，并与传统水足迹方法的结果进行了全面对比。

研究结果揭示了新旧方法之间的显著差异及其驱动因素。

3.1. 案例研究中ET_blue和ET_green,LUC的结果

分析显示，不同作物的灌溉水需求(ET_blue)差异显著，例如水稻最高。而雨水占用(ET_green,LUC)则主要发生在森林种植园以及核桃、浆果等少数果树中。大多数一年生作物（谷物、工业作物等）由于在生长季有效降水无法满足作物需水，且其需水量未超过自然植被的潜在需水，因此只产生蓝水占用，绿水占用为零。这表明，对这些作物而言，它们使用的雨水即使没有它们，也会被自然植被消耗掉。

3.2. 案例研究中的WF_blue

研究区蓝水足迹总量为3053 Mm³/年。空间上，位于中央山谷的社区由于气候适宜农业且依赖灌溉，其WF_blue值最高。从作物结构看，奥希金斯和马乌莱地区以酿酒葡萄为主，而更南部的阿劳卡尼亚、纽夫莱和比奥比奥地区则以谷物为主导。研究也指出，计算出的WF_blue代表理论灌溉需水量，与实际灌溉用水量可能存在差异。

3.3. 案例研究中的WF_green,LUC

这是本研究的关键创新点。结果显示，森林种植园是绿水占用的绝对主体，其在比奥比奥和阿劳卡尼亚地区值最高，这主要归因于这些地区大面积的林业种植。相比之下，传统方法计算的绿水足迹(WF_green)值远高于WF_green,LUC。在整个研究区域，WF_green,LUC仅为WF_green的约30%，即传统方法可能高估了约5.3倍的雨水“占用”。具体而言，森林种植园的WF_green是WF_green,LUC的2.5倍，而果树的这一比值高达588倍，谷物等作物则因WF_green,LUC为零而差异无限大。

3.4. WF_green,LUC的敏感性分析

研究中对森林种植园设定了一个关键参数：假设其截留了原本自然条件下44%的径流量。敏感性分析表明，WF_green,LUC对该参数非常敏感。若采用文献中报道的其他截留率（32%至90%），计算结果会发生1.4倍至2.8倍的变化。这突出了未来研究中根据本地情况确定此参数的重要性。

3.5. 案例研究中基于占用的虚拟水流动结果

基于占用的虚拟水流动分析显示，研究区域总共有2249 Mm³/年的水被“嵌入”出口产品中，占总水足迹的44.8%。其中，蓝水虚拟流和绿水占用虚拟流各占约一半。奥希金斯和马乌莱地区以蓝水虚拟流为主（与出口水果、葡萄酒相关），而纽夫莱、比奥比奥和阿劳卡尼亚地区则以绿水占用虚拟流为主（与出口林产品相关）。中国和美国是最主要的出口目的地。这表明国际市场需求显著驱动了智利中南部地区的水资源占用模式。

3.6. 水占用方法的方法学考量与范围

作者讨论了本方法的优势与局限。主要优势在于明确了消耗与占用的区别，使评估更贴近人类活动对水流的实际改变。局限性包括使用ET_o（参考草地）作为所有自然植被的代理可能无法完全反映当地原生植被的异质性，以及采用月尺度计算而未考虑更精细的水文过程。这些简化是为了在区域尺度上实现方法的可应用性和与传统方法的可比性，未来可在更小尺度研究中加以细化。

研究结论与讨论部分强调，这项研究通过整合水足迹和人类净初级生产力占用框架，提出了一种方法论创新。 它首次在概念和方法上明确区分了绿水消耗与绿水占用，将后者定义为专门由土地利用变化引起的蒸散量增加部分。在智利中南部的应用表明，传统绿水足迹可能将雨水占用高估达五倍之多，而修正后的总水足迹（5023 Mm³/年，其中60.8%为蓝水，39.2%为绿水占用）比传统方法结果低2.7倍。这凸显了区分“消耗”与“占用”对于准确评估人类水文影响的重要性。

研究结果明确指出，森林种植园是绿色水资源占用的主要来源，而农业系统则主导了蓝色水资源的占用。此外，近45%的被占用水资源通过农产品和林业产品的出口虚拟流向了全球市场，特别是中国和美国，将当地的水资源压力与全球贸易紧密联系在一起。

这项研究的重要意义在于，它推动了水足迹评估的概念和方法边界，通过引入“水资源流占用”的理念，增强了水资源核算的生态真实性。所提出的框架不仅是一个更精准的核算工具，更能为决策者制定可持续的水资源-土地管理政策、评估贸易的水文影响以及应对全球资源压力提供科学依据。它提示我们，可持续管理需要关注那些真正因人类选择而改变的水流部分，而不仅仅是总用水量。