粮食生产是一个复杂的综合系统,伴随着水资源消耗、温室气体排放、面源污染等多种环境问题,同时作为高耗水、低经济效益的生产环节,在水资源利用、经济发展和社会稳定方面发挥着重要作用。由于我国水土资源时空分布错位,粮食主产区向缺水的北方地区逐渐聚集,需要更加关注粮食安全和水安全问题。水足迹作为一个评价用水特征的综合性指标,可以评价农业环节的用水类型、数量、效率和环境影响,有助于提高农业用水的评价和管理水平。同时,我国粮食生产和消费之间存在显著的空间不平衡,区域间粮食生产和消费形成的“北粮南运”格局导致水资源以虚拟水的形式在区域间再分配,对区域水资源利用和环境影响尚不明确。本研究基于水足迹科学内涵及虚拟水理论,探讨了中国“北粮南运”格局形成机制,分析了粮食生产水足迹与虚拟水流动的时空演变特征,明晰了区域间虚拟水流动路径,揭示了“北粮南运”伴生的资源和环境效应,得出了主要的应对策略,获得的主要结论如下:1.探讨了粮食生产时空演变过程及“北粮南运”形成过程与驱动机制。结果表明,除北京、上海、浙江、福建和广东外,其余省份的粮食产量整体上基本呈现持续增加的趋势,中国粮食总产量从1970年的23995.5万吨增加至2019年的66384.3万吨。粮食生产重心逐渐向北方地区聚集。产量和人口增速的差异使得传统的“南粮北运”自1990年开始转换为“北粮南运”。粮食生产重心的北移、区域产业结构变化、经济发展差异显著和人口向南方发达地区的聚集共同驱动了“北粮南运”格局的形成。2.揭示了1997年至2017年各省级行政区及不同区域的粮食生产水足迹时空演变特征。研究结果表明全国平均粮食生产水足迹、蓝水足迹和绿水足迹均呈现下降的趋势,分别从1997年的1.395m3/kg、0.631m3/kg和0.765m3/kg下降至2017年的1.060m3/kg、0.432m3/kg和0.628m3/kg。粮食生产水足迹区域间差异明显,广东的粮食生产水足迹最大,山东和河南较小。南方地区的粮食生产水足迹高于北方地区,均呈现明显的下降趋势。绿水足迹的占比大于蓝水足迹,但水足迹的减小趋势主要是由蓝水足迹的变化引起的。3.创建了区域间虚拟水流动通用解析方法,明晰了区域间虚拟水流动路径,明确了1997-2017年区域虚拟水流动时空变化特征。研究结果表明中国区域粮食虚拟水流动量呈现持续增加趋势,由1997年的729.99亿m3增加至2017年的1472.61亿m3。流动格局上,输出省份逐渐向北方区域聚集,形成了以黑龙江、吉林、内蒙古的东北地区和河南、安徽和山东的黄淮海地区为代表的虚拟水输出中心;粮食输入区逐渐向南方地区聚集,形成了以广东为代表的华南地区和以浙江和上海为代表的东南地区的虚拟水输入中心。4.阐明了区域虚拟水流动的伴生效应。随着虚拟水输出量的持续增加,输出区地表水和地下水的压力也随之增加。同时虚拟水流动格局为从生产单位质量粮食的灰水足迹和碳足迹较小的区域转移到生产单位质量粮食的灰水足迹和碳足迹较大的区域,因此当前的虚拟水流动格局具有减少国家尺度灰水足迹和碳足迹潜力,整体上呈现对全局环境友好的模式。但是却在一定程度上增加了粮食输出区的水资源和环境压力。5.根据研究结果初步提出了以下应对策略:可通过优化作物种植结构,降低生产水足迹来提高农业用水效率;节水灌溉技术的发展对农业节水起到了显著的促进作用,可通过大力推广农业节水技术来提高用水效率;区域间粮食生产用水效率差异显著,可通过引导粮食贸易路径,从生产水足迹较低的区域向较高的区域贸易粮食来达到全局节水的目的;从粮食输入区征收一定的虚拟水输入费用,用以补偿虚拟水输出区的经济损失。综上所述,本研究以分析粮食作物生产与消费过程中水资源的转移与流动为主线,分析了中国“北粮南运”格局形成过程中水资源从实体水到虚拟水系统的转换效应;探讨了粮食生产水足迹与虚拟水流动计算方法并确定了区域间粮食虚拟水流动路径,为实现区域虚拟水调控提供了参考;揭示了“北粮南运”伴生的水资源利用和环境效应,提出了应对虚拟水流动负面效应的应对策略,以期为粮食生产用水管理提供科学参考。