摘要：水资源是农业生产、粮食安全、生态系统和经济社会发展的基础性战略资源。20世纪以来，联合国粮食及农业组织（FAO）围绕农业灌溉、作物需水、水土资源开发利用逐步构建起系统完备的农业水科学体系，研究范式由单一的工程导向农业用水管理，不断拓展至土地‑土壤‑水综合管理、水‑能源‑粮食‑生态系统（WEFE）耦合治理以及全球农业水安全治理。AQUASTAT、AQUAMAPS、WaPOR、AquaCrop、水核算、WASAG框架以及《世界土地和水资源状况报告》（SOLAW）共同形成“数据-空间-遥感-模型-核算-评价-治理-反馈”完整知识生产与决策支持链条。新版SOLAW进一步将土地、土壤、水资源、农业生产、生态系统与气候韧性纳入统一分析框架，标志FAO水科学完成向全球土地‑水‑粮食‑生态系统科学的范式转型。本文梳理FAO水科学体系历史演进脉络，构建自然水循环‑生态水循环‑农业水循环‑社会水循环‑虚拟水循环五重耦合理论框架，辨析蓝水、绿水、白水、灰水、虚拟水、水足迹概念层级关系，搭建“水资源状态‑水资源利用‑水生产率‑水资源压力‑生态约束‑虚拟水贸易‑治理反馈”全球水系统科学分析框架。研究表明，FAO经验对于我国水资源治理现代化的核心启示并非直接复制技术工具，而是构建以数据底座为基础、水核算与水生产率评价为核心、流域与含水层为治理单元、WEFE跨部门协同为框架、遥感模型数字化为支撑，统筹粮食安全与生态安全的“科学‑政策‑工程‑实践”闭环体系。立足我国国情，可构建具有中国特色的“国家水资源数字底座‑流域水系统模拟‑农业水生产率评价‑地下水韧性管控‑非常规水资源利用‑虚拟水‑生态文明治理”综合体系，推动传统水资源管理向现代水系统治理跃迁。

关键词：FAO；农业水管理；水系统治理；AQUASTAT；WaPOR；AquaCrop；WEFE；水核算；水资源现代化

1 引言

全球水资源矛盾已经由传统的水量短缺问题演变为交织粮食、能源、生态、土地、气候变化、国际贸易的复杂系统性问题。农业是全球淡水资源最大消耗部门，农业取水量占全球淡水总取水量70%以上，土地‑土壤‑水资源共同构成粮食安全的物质基础。传统农业水利重点解决“如何把水输送到农田”，而当代水科学需要回答：在有限水资源约束下，如何协同实现粮食安全、经济发展、生态保护与气候韧性多重目标。

FAO是全球农业水科学范式演进的重要推动者。从早期灌溉排水、盐碱化治理、作物蒸散研究，逐步发展出全球数据库、遥感监测平台、作物水分模型、水核算工具、全球缺水治理框架与综合评估报告，形成覆盖数据‑空间‑过程‑生产‑资源‑生态‑治理‑全球评价的综合知识体系。该体系最核心价值不在于单一数据库、模型或者项目案例，而在于完成科学范式迭代：农业水利工程→农业水资源管理→综合水资源管理→水‑粮食‑生态系统治理→全球水系统科学。

本文重点回答三个核心科学问题：①FAO水科学体系是如何历史演进的？②其各类数据库、模型、指标、治理工具之间存在何种内在逻辑链条？③FAO理论与实践如何赋能我国水资源治理现代化与生态文明建设。

2 FAO水科学体系的历史演进

2.1 第一阶段：灌溉排水与农业水利工程范式

FAO早期涉水工作带有鲜明农业工程导向，核心研究对象为作物需水量、灌溉制度、灌溉定额、土壤水分、农田排水、土壤盐碱化、农业水利工程，基本逻辑为水资源→灌溉工程→作物生产，核心目标是提升农业产出能力。这一阶段产出的《灌溉与排水论文集》系列报告奠定全球农业水利工程知识基础，作物蒸散、作物需水、灌溉规划、盐碱地改良形成标准化技术方法，代表成果为Irrigation and Drainage Paper No.24、No.33等技术出版物。

2.2 第二阶段：作物‑土壤‑水分‑气候生物物理范式

研究对象从灌溉工程设施转向作物‑土壤‑水分‑气候耦合系统，区分参考蒸散、作物蒸散与实际蒸散ET_c=K_cET_0，考虑水分胁迫时ET_a=K_sK_cET_0，研究重心不再局限于供给多少灌溉水量，而是揭示水分如何转化为生物量与粮食产量，为后续水生产率理论与AquaCrop模型奠定生物物理基础。FAO‑56（Crop Evapotranspiration）确立Penman‑Monteith参考蒸散计算标准，成为全球灌溉规划通用计算规范。

2.3 第三阶段：从水量管控转向水生产率评价范式

AquaCrop模型是该阶段标志性成果，模型以土壤、气象、作物、田间管理作为输入，刻画“气候+土壤+作物+水分+管理→生物量→产量”过程链条，提出水分生产率（Water Productivity）核心评价指标：WP=\frac{Y}{ET}，式中Y代表作物产量；ET代表农田实际蒸散耗水量。范式发生关键转变，农业用水评价从简单统计用水量（Water Use）转向单位耗水粮食产出。现代节水理念由此建立，节水不等于简单减少取水，而是在水资源约束下提升单位水资源综合产出效益。

2.4 第四阶段：全球数据‑空间‑遥感一体化范式

AquaCrop解决单点、灌区尺度的过程模拟，AQUASTAT搭建全球农业水资源数据底座，实现各国农业用水、灌溉面积、水资源压力指标标准化采集，支撑跨国可比的水资源科学研究。AQUAMAPS进一步完成统计数据空间化，把统计指标落地到流域、农业生态区、灌区、农田单元，推动管理单元从行政区向流域‑含水层‑农业生态区‑灌区‑农田转变。WaPOR遥感平台利用卫星观测反演区域蒸散、生物量与水生产率，实现从统计估算走向遥感实际观测，区分取水量与实际耗水量，为识别“真实节水”提供科学基础。

2.5 第五阶段：水循环完整核算与多要素系统治理范式

仅依靠取水量统计已经无法解析复杂水循环，FAO大力发展水核算（Water Accounting）方法，完整核算取水量、消耗量、回归流量、蒸散、地下水补给、地表径流、储量变化，同时纳入水质账户与生态需水账户{Water Accounting}= {Water Balance}+{Water Use}+{Water Consumption}+{Water Return}+{Water Quality}+{Ecosystem Requirement}。水核算带来治理理念重要革新，减少取水量并不等价于减少流域实际水资源消耗；灌溉量下降也不必然带来可新增配置的节水量，传统节水评价存在认知偏差。与此同时，蓝水‑绿水概念得到广泛应用，农业水资源不再局限于地表水、地下水蓝水，雨养农业依赖的土壤储水即绿水纳入评价体系{Agricultural Water}={Blue Water}+{Green Water}。在干旱半干旱地区，通过耕作改良提升绿水生产力，是提升粮食产能的重要路径，不必一味扩大蓝水灌溉规模。

2.6 第六阶段：WEFE耦合与土地‑土壤‑水‑气候综合系统范式

WASAG（全球农业水资源短缺框架）将农业缺水定义为数量、质量、生态、气候、经济、治理多维度综合问题{Water Scarcity}={Quantity}+{Quality}+ {Ecology}+{Climate}+{Governance}。WEFE（水‑能源‑粮食‑生态系统）框架揭示四大系统双向耦合关系Water-Energy-Food-Ecosystems，打破部门分割的治理模式。进一步结合全球粮食贸易衍生虚拟水流动，可以拓展为WEFE‑T（水‑能源‑粮食‑生态‑贸易）框架，把流域尺度治理延伸至全球供应链尺度。新版SOLAW报告将土地、土壤、水资源、农业生产、生态系统、气候韧性整合，标志FAO水科学正式完成向Land‑Soil‑Water‑Agrifood‑Ecosystem‑Climate大系统科学转型。

3 FAO水科学体系的理论框架构建

3.1 五重水循环耦合框架

综合FAO各类工具与概念，本文提出五重水循环理论，刻画从自然过程到全球贸易的完整水流链条。

自然水循环：降水‑蒸散‑径流‑地下水‑储量变化，是全部水资源的本源。

生态水循环：刻画水资源与生态系统双向作用关系，重点关注生态需水、湿地、森林、地下水依存型生态系统。

农业水循环：核心评价指标为水生产率。

社会水循环：表征人类社会对水资源的再分配、消耗与再生。

虚拟水循环：不属于实体水体循环，表征水资源消耗依附商品贸易发生空间转移的经济循环。

3.2 蓝‑绿‑白‑灰‑虚拟水的概念层级

灰水足迹、虚拟水、水足迹并非FAO原生概念，来自水足迹研究学派，可与FAO体系融合拓展，但不能将全部概念归属于FAO原生理论体系。

蓝水+绿水+白水：表征自然水资源不同储存形态。蓝水为河湖地下水；绿水为土壤储存降水；白水特指冰川、积雪冻土固态储水，适配我国青藏高原、高寒融雪流域研究场景。

灰水：表征污染负荷与水环境容量关系，即稀释污染物达到水质目标所需理论水量。

虚拟水：表征水资源消耗依托农产品贸易发生空间转移。

水足迹：综合核算评价工具，整合蓝‑绿‑灰三类消耗。

3.3 FAO完整技术逻辑链条

FAO各个平台、模型、报告形成严密闭环，各环节回答明确科学问题。

整体链条概括为，数据→空间→观测→模拟→核算→评价→治理→全球反馈，实现从基础数据到治理反馈的完整决策支持链路。

3.4 FAO水科学六层理论结构

基于五重水循环框架，结合FAO数据库、模型、评估工具与全球治理实践，可以将FAO水科学体系拆解为由自然基底到治理反馈的六层递进式理论结构，各层之间不是孤立存在，而是存在自上而下传导、自下而上反馈的双向耦合关系，每一层均对应FAO具体的数据产品、模型工具或者全球行动计划。

自然资源基础（Climate+Land+Soil+Water）。本层是整个体系的物质本源，包含气候条件、土地资源、土壤属性、各类水资源禀赋。FAO主要依托AQUASTAT、SOLAW系列报告完成全球本底调查，开展土地退化、土壤盐碱化、水资源禀赋评估。该层回答“我们拥有什么样的水土资源”，是全部分析评估的数据起点。

水循环物理过程（Blue+Green+White）。聚焦水资源的自然赋存与循环运动，涵盖蓝水（河湖、地下水）、绿水（土壤储水）、白水（冰川积雪固态储水）的补给、径流、蒸散、储存变化。AQUAMAPS空间数据集、WaPOR 遥感蒸散产品为本层提供空间观测支撑。本层剥离人类活动干扰，刻画自然状态下水循环本底特征，为识别人类活动扰动提供参照基准。

农业生产过程（Water+Crop+Soil+Management）。聚焦农业系统内部水‑土‑作物‑管理的相互作用，核心刻画水分如何转化为粮食产出。对应工具包含FAO‑56作物蒸散方法、AquaCrop作物水分生产力模型，同时配套灌溉排水丛书系列技术指南。该层是 FAO 体系传统优势领域，重点产出水生产率（WP）核心指标，连接自然水循环与人类粮食生产活动。

社会经济过程（Water+Energy+Food+Industry+City）。拓展到农业之外的全社会用水系统，包含城市生活、工业、能源生产、畜牧产业的水资源消耗与排放。WEFE（水‑能源‑粮食‑生态系统）关联框架是本层核心分析工具，WASAG全球农业缺水框架也大量吸纳社会经济维度指标。本层揭示不同部门之间的用水权衡与协同效应，例如光伏提水灌溉 “降本增产” 与 “地下水超采” 的权衡矛盾。

空间贸易过程（Virtual Water+Water Footprint+Trade）。突破流域、国家行政边界，把农产品国际贸易带来的虚拟水流动纳入系统分析。需要说明，虚拟水、水足迹不属于 FAO 原生理论，但FAO在SOLAW、WASAG、SOFA报告中大量引用该类分析成果，将其作为全球粮食‑水安全的重要补充视角；由此拓展形成WEFE‑T（水‑能源‑粮食‑生态‑贸易）扩展框架。本层实现从局地水问题向全球供应链尺度的延伸，解释跨境的水资源压力转移现象。

治理反馈（Scarcity+Ecology+Climate+Governance）。为整个闭环的终端环节，将水资源短缺识别、生态系统约束、气候变化风险、制度政策工具整合在一起，形成治理对策并反向作用于前面五层。代表性载体有WASAG全球合作框架、地下水治理行动框架、利益相关方参与式评估、SOLAW全球政策建议。治理输出的政策、项目、制度会改变水资源开发利用模式，进而改变自然资源、水循环、农业生产、社会经济、贸易流动，完成完整闭环反馈。

整体演进路径：

Natural→Ecological→Agricultural→Social→Trade→Governance

内在运行逻辑：自然资源与水循环作为底层输入，经过农业生产、社会经济消耗，部分压力通过贸易向外转移，最终依靠治理体系进行调节，治理结果反过来改变底层自然资源与水循环状态。需要注意，该六层框架是分析框架而非实体机构划分，现实中各层级之间存在交叉重叠，并非严格的线性先后顺序。

4 FAO水科学体系的本质特征与局限性

4.1 体系本质特征

FAO水科学本质不是纯粹水文机理研究，而是面向粮食安全的应用型系统科学。水在这里被同时理解为资源、自然循环过程、系统耦合媒介、发展约束、系统连接纽带，其突出特征为，①评价重心由取水量转向实际耗水与水生产率；②坚持多目标权衡，拒绝单一目标最优；③工具轻量化适配全球大量数据短缺发展中国家；④自然水文过程与社会治理过程耦合；⑤全部工具包为决策支持工具，不具备强制规范效力，需要结合各国国情本土化改造。

4.2 体系固有局限性

⑴尺度偏向灌区、中小流域，缺少巨型跨流域调水系统分析工具，直接应用于黄河、长江等巨型流域存在局限。⑵社会治理假设偏向分权、社区自治场景，WUA农民用水协会等治理工具诞生于弱监管小农国家，不能直接照搬至我国河湖长、流域统一管理体制。⑶模型属于简化应用型工具，AquaCrop属于作物模型，并非复杂分布式水文模型；WaPOR依靠遥感反演，不能替代精细地表水‑地下水动力学模拟。⑷WEFE、TEEBAgriFood生态价值评估定性成分占比高，生态服务货币化结果不确定性较强，不宜直接作为刚性考核指标。

5 FAO水科学体系对我国水资源治理现代化启示

我国传统水资源管理具有较强工程导向、分部门行政管理特征，当前正推进国家水网建设、水预算试点、地下水超采综合治理、数字孪生流域、农业水价综合改革等重大实践。FAO水科学体系对我国的借鉴，不能简单复制AQUASTAT、WaPOR、AquaCrop等工具或WUA社区自治制度，核心是借鉴其“数据‑模拟‑核算‑评价‑治理”的完整闭环思维，结合我国水法、河湖长制、水权制度，构建本土化现代水系统治理体系。同时要充分正视国情差异，我国实行流域管理与行政区域管理相结合体制，有刚性的水资源总量管控、取水许可考核制度；FAO多数工具为柔性决策分析工具，二者需要做好接口转换，避免直接套用造成政策错配。

5.1 推动治理范式转变：从水资源管理走向水系统治理

突破传统偏重取水量、工程建设的水量管控模式，构建水资源‑水生态‑水环境‑水安全一体化的水系统治理范式。重点破解“取水减少≠耗水减少≠流域可用水资源增加”的现实认知偏差。建立田间节水‑灌区节水‑流域节水‑生态节水多尺度递进式节水评价体系。在灌区现代化改造、节水项目绩效评估中，不能仅考核渠道衬砌率、取水量下降幅度，必须同步核算实际蒸散耗水、回归水量、地下水储量变化，回答“节约下来的水实际去向”，推动从传统工程节水向“真实节水”理念升级。 在黄河流域、华北地下水超采区等重点区域优先开展试点，将水循环全过程核算纳入规划环评与水利项目后评估。

5.2 建设国家水资源数字平台

借鉴AQUASTAT全球统一数据平台的建设理念，立足我国水文监测、水利统计制度，构建自主可控的天空‑地表‑地下‑土壤‑生态‑社会一体化水资源数字平台。整合河流、湖泊、水库、降水、蒸散、土壤水、地下水动态、灌溉用水、取退水、水质、生态流量、再生水利用、水足迹、农业生产统计等多源异构数据；重点补齐县域、大中型灌区尺度农业用水、土壤水、地下水监测短板，解决分散机井计量不足的数据痛点。该数字平台可以为全国水预算制度、水资源承载力评价、农业水生产率评估、地下水动态管控提供统一的数据支撑，同时可作为我国参与全球农业水安全对话的数据基础。

5.3 构建我国农业水生产率综合评价体系

改变过去单纯考核单位面积用水量的单一评价模式，建立多维度综合评价指标集，包含水量效率指标、粮食水生产率、经济水生产率、生态效益指标，形成水资源利用效率+水生产率+经济价值+生态价值综合评价体系。优先在华北地下水超采区、西北内陆干旱灌区开展试点示范。区分蓝水生产率与绿水生产率，客观评估旱作农业土壤保水措施的增产节水效益。评价结果作为灌区改造、农业种植结构调整的辅助决策依据，和现有取水总量控制指标互为补充。

5.4 建立蓝‑绿‑地下水协同综合管理体系

跳出只关注人工灌溉蓝水的传统思路，将土壤绿水、地下水储量变化完整纳入农业水资源评估与规划。在黄淮海、东北粮食主产区、西北农业区，同步评估降水资源化利用、土壤水保蓄、地表水调配、地下水开采、实际蒸散、粮食产出之间的耦合关系，建立蓝水生产率、绿水生产率、地下水储量变化的联合评估指标。重新定位地下水战略价值，地下水不仅是供水水源，更是国家粮食安全储备库、干旱事件缓冲器、河流与湿地生态系统的支撑基底。完善地表水‑地下水联合调度机制，在华北超采区进一步完善含水层储量恢复、回补管控方案；统筹地下水水量管控与硝酸盐、盐分等水质保护，实现水量‑水质协同治理。

5.5 拓展非常规水资源战略定位

借鉴WASAG框架中非常规水源应对农业缺水的思路，系统推动再生水、雨水、洪水资源、微咸水、矿井水的规模化安全利用，将其明确为我国的第二水源、第三水源以及干旱应急战略备用水源，实现节水与开源双向协同。针对农业回用场景，完善微咸水、再生水灌溉安全技术标准，防控土壤次生盐渍化与农产品健康风险；把非常规水纳入流域水平衡与水会计核算框架，厘清其对蓝水资源的替代效应。

5.6 把虚拟水‑水足迹纳入国家水安全与产业布局分析

现代粮食供应链具有高度全球化特征，本地水安全与全球虚拟水流动深度绑定。应当构建本地水安全+虚拟水安全+供应链水安全三位一体水安全分析框架。一方面，科学评估粮食进口带来的虚拟水输入对缓解国内农业水资源压力的贡献；另一方面关注我国农产品出口带来的国内水资源消耗。在黄河流域、京津冀、华北平原、西北干旱区的产业布局、国土空间规划中，将蓝水、绿水、灰水水足迹作为约束性参考条件，遏制高耗水产业向水资源脆弱区域无序集聚。同时需要客观认识虚拟水分析属于宏观战略分析工具，不能直接替代国内的水资源刚性管控。

5.7 发展本土化WEFE‑C‑T复合系统框架

在FAO的WEFE（水‑能源‑粮食‑生态系统）基础上，结合我国双碳目标、国际贸易现实，拓展增加碳（Carbon）、贸易（Trade）维度，构建适配国情的WEFE‑C‑T（水‑能源‑粮食‑生态‑碳‑贸易）耦合分析框架。该框架重点用于重大规划前期论证，例如光伏提水灌区、大型灌区现代化改造、流域综合治理项目，识别项目实施过程中的协同效益与潜在权衡风险，为跨部门协同提供分析工具。

5.8 推进数字孪生水系统建设

吸收FAO“AQUASTAT+GIS+WaPOR+AquaCrop+水核算”工具链的系统思想，和我国数字孪生流域、智慧水利建设实践深度融合。构建集多源监测‑遥感反演‑作物水文模拟‑AI推演‑调度仿真‑生态评价‑治理反馈于一体的数字孪生水系统。一方面可将AquaCrop、水会计等方法进行本地化率定后嵌入仿真模块；另一方面立足我国丰富地面监测网络弥补FAO遥感产品在国内的精度短板，实现优势互补。

5.9 本土化落地的约束条件与实施路径

FAO整套方法论落地我国，需要充分识别现实约束，采取分层推进的实施策略：⑴技术工具层优先吸收转化：FAO‑56蒸散计算、AquaCrop模型、WaPOR遥感产品、蓝‑绿水核算，优先在科研、典型灌区、地下水超采区试点应用，开展参数本地化校准；⑵评估框架层试点探索：水会计、水审计、WEFE‑C‑T框架，选择典型流域做示范，作为规划论证辅助手段，不直接替代现有法定水资源统计与考核；⑶制度治理层重构改造，拒绝直接照搬：借鉴WUA参与式治理理念，但依托我国河湖长制、农业水价改革、用水户协会制度进行本土化改造。保留农户参与管护、用水协商功能；开采红线、总量管控、行政执法由水利主管部门承担，不照搬国外弱政府背景下社区自治含水层的模式；⑷双向互鉴的国际交流：一方面吸收FAO系统科学理念服务国内治理；另一方面将我国地下水超采综合治理、灌区现代化、农业水价改革实践，通过FAO南南合作平台对外输出。

6 结论与展望

FAO水科学体系完成了由农业水利工程逐步迈向全球水系统科学的完整演进。AQUASTAT提供全球农业水数据基础，AQUAMAPS实现统计数据空间落地，WaPOR实现遥感观测实际耗水，AquaCrop揭示水分‑产量生物物理过程，水核算实现完整水循环解析，WASAG把农业缺水上升至粮食安全韧性议题，WEFE实现多系统耦合分析，SOLAW2025完成土地‑土壤‑水‑农业‑生态‑气候综合集成。

本文提出五重水循环理论，厘清蓝水‑绿水‑白水‑灰水‑虚拟水‑水足迹的概念层级，梳理FAO“数据‑空间‑遥感‑模型‑核算‑评价‑治理‑反馈”技术闭环。借鉴FAO系统思维，立足我国水法、河湖长制、水预算制度，建设中国特色现代水科学体系，国家水资源数字平台、流域水系统模拟、农业水生产率评价、地下水韧性管控、蓝‑绿‑地下水协同、非常规水源利用、虚拟水分析、WEFE‑C‑T耦合评估、数字孪生水系统。最终实现从“管理水资源”升级为治理自然‑生态‑农业‑社会复合水系统。

未来研究方向可以进一步完善五重农业水系统理论，针对我国高寒冰川冻土区、地下水超采区、大型灌区开展本土化实证；打通科学核算结果向政策、工程实践落地转化通道，解决数据不足、模型不确定性、跨部门协同的现实瓶颈。

参考文献

（略）

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