基于粮食安全的虚拟水贸易对气候变化动态响应与调整

Virtual water trade can optimize the allocation of water resources across the region, so it is a new choice to ensure food security and water security under the climate change. We combine physical water and virtual water, and establish a framework of regional generalized water resources system and find the mechanism of virtual water trade flows driven by physical water. Based on Penman-Monteith equation and CROPWAT model, we calculate virtual water content of food and the regional differences of that, and study the hedging mechanism of virtual water trade response to water shortage risk. Then we expand the global trade analysis model (GTAP) to propose GTAP-W model embedding elements of virtual water, and simulate the appropriate virtual water trade patterns under different water constraints to optimize the structure of international food trade, adjust planting structure and trade patterns between regions of China, and reach virtual water trade on the dynamic response to climate change under the premise of ensuring food security. In order to lead to the positive response process, we create a dynamic allocation model of tracking water and agricultural planting structure multi-objective optimization model and propose 'Project - Technology - Trade' system of water resources integrated optimization measures under the climate change. From the optimization of inter -regional virtual water trade, this study provides a new way of thinking and decision-making to ensure food security under the climate change by allocating inter-regional water resources.

虚拟水贸易可跨区域优化水资源配置，是保障气候变化下水安全和粮食安全的一种新选择。本研究结合实体水和虚拟水，建立区域广义水资源系统框架，揭示虚拟水贸易带动实体水流动的机理，基于Penman-Monteith方程和CROPWAT模型对粮食虚拟水含量及其区域差异性进行测算，进而研究虚拟水贸易对水短缺风险的对冲机理。对全球贸易分析模型(GTAP)进行拓展，形成嵌入虚拟水要素的GTAP-W模型，模拟不同的水资源约束下适宜的虚拟水贸易模式，在保障粮食安全前提下，优化粮食国际贸易结构、调整国内区域间种植结构和贸易格局，实现虚拟水贸易对气候变化的动态响应过程。为引导这种积极响应过程，建立动态投影寻踪水量配置模型和农业种植结构多目标优化模型，提出气候变化下"工程-技术-贸易"系统集成水资源优化措施。本研究从优化区域间虚拟水贸易的角度，实现水资源跨区域调配，为气候变化条件下保障粮食安全提供新的思路和决策途径。

气候变化和水安全问题对我国粮食安全都造成了极大影响，虚拟水贸易结合社会经济系统和水资源系统，可跨区域优化水资源配置，分析虚拟水贸易对气候变化风险和水安全问题的对冲作用与结构调整，对保障我国粮食安全具有重要意义。本项目在传统水资源理论基础上，建立囊括虚拟水和实体水的广义水资源系统框架，构建区域水安全系统动力学模型，揭示区域水安全现状，并建立区域水安全预警机制，同时，利用面板数据和多元回归模型分析干旱灾害对粮食产量影响的变化趋势及地域差异，识别了干旱灾害粮食损失风险的影响因子；然后，基于水资源和干旱灾害对农业生产的影响，建立融合虚拟水贸易与金融工程方法的虚拟水期权契约，设计虚拟水期权交易机制及定价方法，研究虚拟水贸易对不确定性干旱和水资源短缺的对冲机理；最后，通过粮食生产系统与水系统自我调节与适应，运用虚拟水贸易的响应机制，构建水土资源约束下的区域农业结构优化模型，确定模型关键参数，采用多目标粒子群算法求解，实现区域经济效益、社会效益、生态效益以及节水效益等综合效益最大化，并以河北省为实证分析对象，对河北农业结构进行调整优化，得出结论：气候变化对粮食产量影响重大，研究期内灾害强度的影响不断增大，气象条件、水资源、土地、经济、种植结构、科技水平、人口因素、水利工程等8个方面是干旱灾害粮食损失风险的主要影响因子。虚拟水期权契约能够为规避粮食安全与农业生产风险提供了一种新的思路。不仅能作为对冲干旱风险的应急响应工具,还可以对农产品进行套期保值、引导农业投资。同时，运用虚拟水贸易的响应机制，主动调节粮食产品种植结构与贸易结构。如调减粮食作物的种植面积，适当降低玉米、稻谷等高耗水、低效益的农作物种植比例；发展优质小麦，增强蔬菜、瓜果等节水型、效益型优势作物的种植面积。该项目为变化环境约束下，通过虚拟水贸易的动态响应与调整，实现农业结构优化以保障粮食安全提供了一定的理论参考和决策依据。

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