粮食安全和水安全一直是关系国计民生的重大问题,虚拟水概念的提出为解决区域水资源安全与粮食安全提供了新思路。但区域间持续的虚拟水贸易已对区域生态环境和经济发展产生了不良影响,为解决这些问题,需要对虚拟水流动格局的形成机理与维持机制进行深入系统的分析,以期为合理应用虚拟水贸易解决我国水资源危机和粮食安全危机提供科学指导。本文以我国主要农产品(稻谷、小麦、玉米)的虚拟水流动格局为研究对象,主要以比较优势理论、自然资源重建理论、资源流动理论和资源替代理论等为理论基础,按照格局、结构、过程和机理的地理学研究思路,借鉴生态学、经济学、水文学等学科,主要以数学模型分析、解释模型分析和GIS空间分析等定量研究方法为主,以及定性和定量相结合、理论分析与实证研究相结合的研究手段,对我国主要农产品虚拟水流动格局及其形成机理、稳定性和维持机制展开系统研究。主要研究内容为：构建我国主要农产品虚拟水流量关系矩阵,并对其进行成因分析。本部分内容为全文的研究基础。首先,本文将我国31个省市自治区(不含港、澳、台)划分为八大区域：东北(内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江)、华北(北京、天津、山西)、黄淮海(河北、河南、山东、安徽)、西北(陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆)、东南(上海、浙江、福建)、长江中下游(江苏、江西、湖北、湖南)、华南(广东、广西、海南)和西南(四川、贵州、云南、西藏)。在此基础上构建了我国主要农产品虚拟水流动格局矩阵,并估算了虚拟水进、出口量,结果表明：我国粮食对外贸易中虚拟水净调入量逐年增加,这主要是受大豆的影响。1999-2010年12年间我国区际间虚拟水流向主要是从北方流向南方地区,2007年输出量达到最大值313.3×108m3,最小值在2003年为172.4×108m3；在八大区域中,东北、黄淮海、长江中下游地区为我国虚拟水净调出区,黄淮海地区调出量增幅最大,其他五大区域为虚拟水净调入区,其中华南和东南为主要的净流入区。通过对虚拟水流动格局的分析显示：虚拟水贸易理论在我国并不完全适用,为保障国家粮食安全、水资源安全与政治安全,应立足本国粮食的自给自足,采取有效的措施保障现有的虚拟水流动格局。运用改进的空间偏离-份额模型分析我国主要农产品虚拟水总量变化的时空演变特征。为探究虚拟水流动格局的形成机理,本文构建基于国家分量、区域结构分量、邻区空间结构分量、区域空问效应分量和邻区效应分量的空间偏离-份额模型,对1999-2010年间我国各地区主要农产品虚拟水总量变化进行分解分析,结果表明：区域主要农产品虚拟水含量的增减不但与本区域农业内部产业结构和农业竞争力优势有关,还与邻区的农业内部产业结构和农业竞争力优势有关；并进一步划分了各地区主要农产品虚拟水含量的变化类型；采用最小方差法将中国31个行政区确定为五种影响类型：单因素主导型、双因素主导型、三因素主导型、四因素主导型和五因素主导型。由此可以看出虚拟水含量的规模、结构和效应都在影响着虚拟水的流动格局,但并不是影响虚拟水流动的唯一因素,虚拟水流动格局的形成应是多因素的综合作用结果。运用PLS模型定量化研究我国虚拟水流动格局形成机理。在虚拟水流动格局和虚拟水量时空演变的研究基础上,为更加准确的研究虚拟水流动格局的形成机理,采用PLS模型对其进行定量化研究,从人口、农业资源、农业生态环境、经济、科技和文化、交通及虚拟水增量等七个方面对我国主要农产品虚拟水流动格局的形成机理进行分析,研究结果表明：人口通过农业资源影响虚拟水增量进而影响虚拟水的流动；经济主要是通过交通及技术和文化影响虚拟水的流动；虚拟水流动会反作用于农业生态环境。由此进一步证明,虚拟水流动格局的形成是受多因素共同作用的结果。引入生态网络安全概念构建虚拟水流动格局网络稳定性模型并分析其可持续性。虚拟水流动格局的形成是受国家政策等多因素共同作用的结果,因此,在未来一段时间内虚拟水流动格局不会有大的变化,为保证虚拟水流动格局的稳定性,引入生态网络安全系统相关概念,构建虚拟水流动格局网络稳定性模型,结果表明：1999年-2010年间,虚拟水流动格局网络系统的信道数目减少,并且信道容量在逐年降低；系统聚合度和系统冗余度亦呈波动降低趋势；系统网络使用率呈现降低趋势；系统网络空闲率呈增加趋势；网络系统指标表明我国区际间主要农产品虚拟水流动形成的网络系统的稳定性逐年降低。最后,从生态网络安全角度分析虚拟水战略在我国的适用性,提出南水北调、生态补偿等有效措施会保证虚拟水流动格局的稳定性。构建基于虚拟水流动格局的区际间农业生态补偿横向转移支付模型,初步解决了农业生态补偿标准模糊和补偿主客体不明确的问题。农业生态补偿研究旨在解决农业发展与生态环境的可持续性问题。通过借鉴国内外研究成果,提出了农业生态补偿机制框架。为解决补偿标准模糊和补偿主客体不明确的问题,引入虚拟水理论,将虚拟水作为农业生态补偿的载体,构建了区际间农业生态补偿横向转移支付模型,并形成了基于虚拟水流动格局的农业生态补偿思路,以全国为例,得出以下结论：八大区域中东南地区和华南地区仅是补偿主体,而其他区域既是补偿主体又是补偿客体；并计算出了相应的补偿金额。研究虚拟水与水资源承载力的关系。引入虚拟水作为评价华北地区水资源承载力的评价指标,探讨虚拟水战略的适用性及与水资源承载力的关系。以水资源总量、总供水量、年降水量等13个因子作为水资源承载力评价的指标,运用主成分分析法对华北地区的水资源承载力进行综合评价。结果表明：影响水资源承载力的驱动因子主要为经济、人口和水资源及虚拟水净流量；华北地区水资源承载力处于波动上升的趋势;虚拟水是影响水资源承载力的重要因子,但虚拟水的引入不会改变水资源承载力的总体变化趋势。