日益严重的水资源短缺给世界许多地区的粮食生产带来了巨大压力。当各国寻求自给自足时，这种压力变得更加严重。文献综述表明，粮食自给自足尚未被评估为确定最佳种植模式的主要因素。然而，粮食自给自足是这些国家的主要政策之一，最需要关注和集中。以前的工作侧重于虚拟水贸易，以满足区域粮食需求和计算贸易流量。可以利用贸易网络的潜力来改善种植模式，以确保粮食和水安全。为此，本研究基于提到的研究空白，开发了一种方法，将国内贸易网络、粮食安全、和总水足迹 (WF)，以改善粮食安全。该方法适用于缺水国家伊朗。研究表明，781×10通过建立贸易网络，可以节约6m3的水。平衡贸易网络的结果被输入到多目标优化模型中，以基于实现粮食安全和预防水危机的目标来改善种植模式。该方法提供了 400 种管理方案，以改善考虑伊朗 51 种主要作物的种植模式。结果显示粮食安全有一系列改善(19-45%)，而 WF 减少(2-3%)。为伊朗选择的情景将减少蓝水足迹 1207 × 106m3，减少耕地面积 19 × 103 。哈。这种方法允许决策者制定政策，在干旱和半干旱地区有限的水资源下实现粮食安全。
研究背景
全球粮食安全是可持续发展的先决条件1、2。粮农组织3预计 2005-2050 年期间农业需求的年增长率为 1.1%。人口增长、人均消费量上升和饮食结构的变化导致对农产品的需求增加和作物产量增加4。这可以通过扩大农田、提高作物产量和双熟5 来实现。增加产量主要是通过在全球范围内提高作物产量来实现的，然而，在发展中国家(例如伊朗)，耕地扩张也将在增加产量方面发挥重要作用6,7。
淡水对农业至关重要。扩大作物生产意味着增加水、土地、化肥、农药、能源、人力和金融投资的使用8。正如农业在全球淡水使用中的主导地位所证明的那样，水通常是作物生长的限制因素。水资源生产力和随之而来的水资源短缺是可能威胁可持续社会和环境发展以及最终威胁干旱地区粮食安全的关键因素9、10。从 1960 年到 2010 年，世界各地的农业产量增加了 2.5-3 倍，这是一项了不起的成就8。同时，灌溉占所有淡水抽取量的 70%8.值得注意的是，伊朗92%的水资源用于农业部门。
不断增长的全球粮食产量给淡水资源带来了压力，特别是在粮食需求增长率高的国家3。例如，在中东和北非 (MENA) 地区，那里的生物物理条件比降雨充足的地区更不适合农业，粮食安全受到人口和消费增长的威胁11。
用于农业的淡水来自降水(通常称为绿水)，或来自河流、湖泊或地下水——通常称为蓝水12。许多国家在一年中的部分时间出现缺水，而在一些国家则是全年13。提供灌溉用水的一种方法是开发地下水资源。然而，需要谨慎，因为地下水在许多地区被过度开发14,15,16 。.此外，当需求超过可用水量时，就会出现水资源压力，从而对水资源的数量和质量造成压力。水资源压力可以表示为用于各种用途的可用淡水资源的比例，或 100 ×(淡水总提取量)/((可再生水资源总量)-(环境流量要求))17。伊朗是一个位于缺水地区的国家，水资源压力达到81%，而沙特阿拉伯的水资源压力为883%，西班牙为43%。伊朗的平均水资源压力水平很高，但其地区之间存在很大差异。卡兰迪什和霍克斯特拉18例如，确定了五个具有不同可用水量的气候区域，即湿润、亚湿润干燥、半干旱、干旱和超干旱区域，并表明灌溉用水需求，表示为蓝水足迹(WF) ) 的作物，取决于作物生长的气候状况。根据粮食及农业组织粮食首脑会议的定义，当所有人在物质上和经济上都能获得充足、健康和营养的食物以满足其健康生活的营养需求时，就会实现粮食安全19。粮农组织20粮食自给自足定义为国家通过其国内生产满足其粮食需求的能力。伊朗是中东和北非地区的一个农业大国，自 1990年以来一直在推行粮食自给自足计划21。然而，该计划以耕地扩张为基础，很少关注作物水生产力和贸易18。因此，伊朗产量的增加是在最大限度利用淡水资源的基础上实现的22。此外，据伊朗农业部称，大部分国际出口作物(即小麦、大麦、大米、茶叶和马铃薯)也在同年进口23.此外，无论国家作物需求和区域潜力如何，区域种植模式主要基于传统农业方法24。伊朗政府的政策导致农民只关注作物管理，而不是节水。出口农作物的生产是农民的首要任务。然而，水资源作为农业的基本自然资源，不应受到市场配置的影响25,26,27 。.伊朗必须建立一个贸易网络，使农业系统符合该国的粮食需求，以实现粮食安全和自给自足。实现这些目标的一种方法是考虑到“虚拟水贸易”(VWT)28在区域范围内分配水资源以提高水生产力。食品生产中消耗的水通常被视为虚拟水 (VW)29，也称为水足迹 (WF)12。这种虚拟水通过农作物或其他产品从一个地方转移到另一个地方(以商业交换的形式)，各种交换被定义为虚拟水流30。WF 概念强调水具有局部和全球两个维度。
文献综述和研究空白
世界粮食首脑会议和贸易的许多应用程序都考虑粮食安全和水31，32，33，34，并揭示出的水，食物和贸易之间的反馈影响社会经济和环境条件35。WF研究伊朗的主要焦点集中在战略性作物在区域范围内36，37，38，39，40，41。相关工作的简要总结如下。
Faramarzi 等人。40制定了伊朗国内贸易框架，以实现最佳谷物种植模式。主要目标是小麦生产自给自足，该目标基于伊朗小麦短缺 31-100% 的几种情景。卡兰迪什等人。42选择锡斯坦和俾路支斯坦作为伊朗干旱省份之一，并根据最小虚拟水确定了 44 种作物的最佳种植模式。还评估了省内贸易以及与外部地区需要满足需求的贸易。卡塞米普尔和阿巴西41测量了南呼罗珊省 37 种作物和 5 种畜产品的虚拟水分含量。然后他们使用质量平衡方程来估计该省内的虚拟水流量。结果表明，目前的农业系统造成了南呼罗珊省 206% 的水资源短缺。Ramezani Etedali 等。37使用线性规划研究了伊朗 15 个省的主要谷物(小麦、大麦和玉米)的最佳种植模式。他们的目标是根据作物的最小虚拟水量获得最佳种植模式。
椰枣是伊朗的主要农作物之一，其足迹指数和经济价值已被 Bazrafshan 等人评估。39.伊朗的另一种重要作物是藏红花，Bazrafshan 等人对其在伊朗各省的水足迹进行了调查。38.最适合种植藏红花的省份是根据水足迹份额和国外虚拟水出口量确定的。
叶等人。33开发了一个多目标优化模型，以优化中国北京多个消费部门的水资源配置(包括地表水、地下水、调水和再生水)和虚拟水资源。虚拟水流与五种主要农作物(大麦、玉米、大米、大豆和小麦)和三种畜产品(牛肉、猪肉和家禽)的贸易有关。他们的研究结果表明，在水资源分配中考虑8种农产品的虚拟贸易，农业消费占总需水量的比例降低到45%。通过向缺水地区输入虚拟水，消除了本研究中供水和需求之间的不平衡。
拉马斯特拉等人。43调查了与意大利和中国之间十大农产品相关的双边虚拟水流量。比较前10名食品的虚拟水流量表明，从意大利流向中国的虚拟水流量大于相反方向的水流量。最近，Delpasand 等人。44报告了一项虚拟水贸易管理研究，以最大限度地提高经济收入并减少伊朗的虚拟水消耗。后面的作者考虑了6种农作物的对外贸易，它们只是伊朗农作物的一部分，还有5种工业产品。
文献回顾表明，大多数关于虚拟水和粮食安全的内容都是单一目标，并将水资源整合到最佳种植模式中。目标函数一般包括经济函数和最小化产品的虚拟用水量。其中，粮食安全和自给自足被视为最佳种植模式的反馈。然而，粮食安全和自给自足尚未被用作目标函数或独立指标。.
虚拟水交易以前曾被用作弥补水资源短缺的工具。这种方法鼓励缺水地区进口虚拟水。也就是说，在确定了区域的最佳种植模式后，对虚拟水贸易进行评估，以满足区域的需求，并计算每个区域的国内/国际贸易流量。之前没有任何作品使用贸易网络来修改种植模式以满足粮食和水安全的目标。同样，以前的工作也没有涉及粮食和水安全分析中出口作物种植的修改。这项工作考虑了食品和安全分析中的贸易网络。这是本研究的创新之处。
学习目标
本研究在伊朗建立了一个贸易网络，以支持自给自足，避免出口必须在同一年再次进口的作物，避免不必要的贸易流动。贸易网络的结果用于优化模型。该方法在考虑空间特征和可用水量的情况下优化作物生产，包括 31 个伊朗省和 51 种作物。作物优化方法依赖于多目标优化方法 [称为非支配排序遗传算法-II (NSGA-II)] 并实现两个主要目标：(i) 平衡伊朗农业系统有效利用水资源，以及(ii) 促进粮食安全和自给自足。拟议的贸易网络改善了国家农业系统，并防止出口和进口相同类型的作物。
优化贸易网络的产出是每一种作物的逆差或顺差(适用于国际农产品进出口)。该输出是优化模型的输入。在下一步中，优化模型会根据该国的作物短缺情况修改出口作物的种植。优化出口作物种植与实现粮食安全和防止水危机的目标相一致，符合宏观经济政策。改善出口作物的种植模式可以最大限度地提高农业用水的生产力。
