已建议采取治理措施，例如限制地下水抽取和调整部门水价，作为减少近期地下水抽取增加和加强可持续用水的应对策略。然而，人们对此类可持续性战略的影响知之甚少。我们以美国 (US) 为例研究了此类措施的影响。使用具有美国州级详细信息的全球变化分析模型 (GCAM)，我们发现这两种治理措施的结合可以极大地改变美国的农业生产 西南地区将损失超过 25% 的农业总产量，其中大部分通过美国东海岸流域的产量增加得到补偿
尽管人口增加和经济增长，但在过去十年中，美国(美国)的取水量有所下降，因为各部门的效率提高降低了过多的水损失1。然而，尽管出现了这些下降，但仅靠可再生水源并不能满足用水需求，特别是在西南干旱地区。因此，在同一时期，从深层含水层抽取地下水的情况呈上升趋势2。因此，地下水占地表水抽取量的比例从 2010 年的 25% 增加到 2015 年的近 30%1，其中地下水总量的一半以上用于灌溉农业3.虽然大部分地下水是通过补给补充的，但一些河流流域必须利用含有不可再生地下水的深层含水层，这些地下水只能在很长一段时间内得到补充4。
据估计，自 1960 年以来，美国不可再生的地下水开采量增加了一倍以上，预计到本世纪末将至少再增加一倍5。过多的不可再生的地下水开采有几个负面影响当地的环境，包括地面沉降，水质恶化，以及海平面上升6，7，8。尽管如此，对于美国的许多地区来说，不可再生的地下水抽水是必要的。在这些地区，用于灌溉的不可再生地下水的使用正在增加，以满足国内和国际粮食需求9,10,11。预计这种做法将持续到未来12,13.
为了解决与过度开采地下水地方政府都开始起草并通过了几项措施，旨在鼓励可持续利用地下水的不可再生的地下水开采增加相关的环境问题14，15，16，16。其中一项措施是实施地下水治理规定，要求减少或完全消除不可再生的地下水开采17,18,19,20 。.这些规定通常是地方性的，重点是县、州或含水层水平的限制。加利福尼亚州通过了 2014 年的可持续地下水管理法案 (SGMA)，以在 2040 年之前减少该州中等至高度开发的河流流域的地下水抽取。该法案要求在几年内地下水开采量超过补给量的流域获得地下水可持续性到 2040 年的目标日期18.此外，美国农业部的资助项目奥加拉拉含水层计划于 2011 年创建，旨在帮助减少取水量并提高从奥加拉拉含水层取水的地区农业计划的可持续性20.目前存在其他几个州级地下水规定，但其中许多已经存在了几十年，并没有促进 SGMA 中规定的未来目标(例如，1965 年科罗拉多地下水管理法案;1987 年伊利诺伊州地下水保护法案阿拉巴马州水资源法案) 1991 年)。
除了抽取地下水的措施外，长期以来，人们一直认为改变灌溉农业的水价是进一步提高水资源利用效率的一种方法21,22,23。虽然经常存在改变农业水价补贴以促进可持续用水的存在，但农业部门继续支付其他部门支付水费的一小部分，同时保持大量取水24。虽然文献中缺乏真正的成本比较，但一些研究表明，农业部门的不成比例导致与其他部门相比，农业部门支付的水成本低至 1%24,25,26 。.研究调查了提高灌溉用水价格的影响，通常发现随着价格的上涨，农民被鼓励投资于高效的灌溉实践，以减少用水需求，同时保持利润率27,28。
尽管一些地方政府实施了水资源利用的可持续性措施，分析文献也指出了当地采取措施的影响29,30,31,32,33 。, 缺乏探索这种规模的可持续性措施的区域影响的研究，特别是在整个世纪的时间尺度上。本研究迈出了研究实施可持续地下水使用规定和区域灌溉农业取水的替代水价补贴水平的长期影响的第一步。由于地下水抽取和满足农业需求的方式(例如，东部大部分地区的雨养生产和西南地区的大量灌溉)存在巨大的空间差异，我们以美国为例。美国还提供了目前不同程度的关于地下水使用的规定，可以提供比较。
出于本研究的目的，我们使用 GCAM-USA，这是一个开源社区模型，它代表了全球能源、水、农业和土地利用、经济和气候系统之间的相互作用，以及美国各州的详细信息(方法)。我们探讨了美国对不可再生地下水抽取限制和水补贴的严格程度不同的三种情景(表1)。首先，我们考虑一个参照场景，其中假设的商务照常生长，以下共享社会经济途径2(SSP2)通过世纪末34.该情景假设在用水需求超过可获取的水平后，可以从盆地抽取不可再生的地下水(Kim 等，2016)，并且可以以更高的成本获得。参考情景中的水价补贴被定义为允许农业水价为所有其他部门的 1%，下面将进一步解释。对于后续探索的每个场景，我们考虑两个级别的不可再生地下水抽水限制。完全不可再生的地下水限制意味着在 2015 年之后取消未来的抽水。相反，没有限制代表遵循参考情景并允许水价推动对不可再生地下水的需求的情景35.我们考虑了灌溉农业的两种水价补贴水平(1% 和 100%)。1% 的假设代表农业部门的水价是所有其他部门的 1%，而 100% 的假设代表所有部门的成本相等。最后，对于参考情景，我们假设可再生水(地表径流和地下水补给)提取已定义了取决于被认为可获取的水量26(方法)的限制。如果流域的用水需求超过可获取的部分，则取水将来自不可再生资源，并可能来自额外的可再生资源，其成本要高得多，具体取决于每个水源的流域水平价格26.不可再生水的可用性在干旱地区尤其重要，在这些地区，可再生水的可获取部分经常在任何时间段内被超过，并且必须从不可再生来源抽取水以满足需求(例如，加利福尼亚河流域、里奥格兰德河流域)。此外，假设跨部门的水价仍然不成比例，因为农业部门支付的费用是所有其他部门支付的水费的 1%。我们注意到，这些假设并非旨在为明确的治理措施建模，而是为了说明这些措施的多部门影响。为此，如图 1 所示，补充图中突出显示的中间场景结果。4–6)。随着我们进一步讨论，我们还探讨了我们的结果对关键建模假设的敏感性，例如气候对水资源的影响和海水淡化技术的可用性。
结果
限制访问的水和不可再生的地下水开采的影响在美国各地的一些河流流域显著影响，因为近1000个十亿中号3不可再生的地下水开采是在该国在本世纪(补充图年底预计将从2015年1)。在可持续 GW情景中实施可持续性措施会导致这种情况停止，从而消除所有未来不可再生的地下水提取。由于这些限制，加利福尼亚河流域、西南大部分地区和中西部受到的影响最大，因为这些地区严重依赖不可再生的水源来满足需求。地下水的累积损失并不能被可再生水取水量的增加所抵消，因为在中西部和加利福尼亚河流域的大部分地区，可用水限制也导致可再生水取水量下降。因此，在可持续 GW我们发现，随着治理措施的实施，需要不可再生的地下水提取来满足需求的流域将经历可再生和不可再生取水量的复合下降。太平洋西北部和南大西洋海湾盆地是唯一观察到可再生取水量增加的地区，因为在参考情景条件下未取用可获取水的总量。需要注意的是，此处描述的取水变化水平代表了补充材料中突出显示的所有中间情景的结果上限。
由于不可再生地下水开采量下降和跨流域取水量的变化，农业生产受到影响。在缺乏可持续用水措施的情况下，预计到本世纪末灌溉农业将集中在密苏里河流域、加利福尼亚河流域和太平洋西北部，与 2010 年的数值相似，但比 2010 年的数值有所加强，原因是到大容量的可再生和不可再生水泵。然而，随着水资源可持续性措施的增加，灌溉农业生产在美国各地发生空间转移，因为缺乏可用水迫使区域内生产补偿。在可持续 GW 中方案中，加利福尼亚州河流域和阿肯色州白红盆地体验最显著产量损失在2100年，与损失接近流域总级产量的25%，在基准情景(图2B，顶部)。在可持续 GW + 无补贴情景(图2B，底部)中，随着里奥格兰德河流域几乎完全丧失灌溉农业，影响进一步加剧。此外，与参考情景一样，到 2100 年，科罗拉多河下游流域损失了一半以上的产量，加利福尼亚河流域损失了近 50% 的农业产量。最后，可持续GW下变化的空间变异性 + 无补贴方案在很大程度上取决于气候对可用水量的影响程度以及农业淡化水的总体获取情况(补充图6)。美国东部和太平洋西北部的雨育产量增加部分抵消了西南地区灌溉农业生产的损失(补充图3)。然而，美国东海岸的大部分生产损失都得到了补偿。大西洋沿岸的每个流域每年的灌溉农业产量至少增加 25%，以抵消可持续 GW + 无补贴带来的损失设想。从净值来看，两种可持续性情景下美国的总产量仍低于参考情景下的总产量，导致美国农产品净进口略有增加
2017 年，农业部门对美国 GDP 的贡献超过 5%39，各个州在各自经济中的份额要大得多。因此，农业生产的变化将对整个美国产生重要的经济影响。例如，加利福尼亚河流域的收入损失与生产损失相似，在可持续 GW + 无补贴方案中达到近 20% 的总收入损失。尽管格兰德河盆地在最极端的情况下几乎完全丧失了产量，但在参考条件下，该盆地的农业总收入远低于美国其他盆地。在加利福尼亚河流域，在所有完整的可持续地下水情景中，损失接近或超过 500 亿美元。虽然上述流域遭受损失，但其他流域以收益作为回应。太平洋西北部和南大西洋海湾流域是增幅最大的两个流域，因为这些流域目前占中西部和加利福尼亚州以外的大部分灌溉农业。总的来说，美国在可持续 GW和可持续 GW + 无补贴情景下都经历了收入损失，因为农业生产下降导致美国农业系统需要增加进口和盈利能力下降.
