水資源－能源－糧食－生態系統耦合協調及驅動力分析

楊明明 朱永楠 趙勇 楊文靜 樊煜

摘 要：為加深對我國水資源、能源、糧食、生態系統協同演變趨勢的認識，構建水資源－能源－糧食－生態多維系統指標體系，運用耦合協調度模型對我國２００５—２０２０ 年水資源－能源－糧食－生態系統耦合協調度進行評價，并采用多因素歸因分析法進行驅動力分析。結果表明：我國水資源－能源－糧食－生態系統耦合協調度從２００５ 年的０．５５ 增長到２０２０ 年的０．８４，各地區耦合協調度從勉強協調發展水平過渡到中級協調發展水平，各子系統對耦合協調度上升的驅動分別經歷了由糧食子系統到生態子系統再到水資源子系統主導的過程；能源子系統的貢獻率雖然比較小，但是未來可能是各地區提升水資源－能源－糧食－生態系統多維系統協調發展水平的突破口。

關鍵詞：水資源－能源－糧食－生態；耦合協調度；多因素歸因分析；驅動力

中圖分類號：ＴＶ２１３．４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０１１

引用格式：楊明明，朱永楠，趙勇，等．水資源－能源－糧食－生態系統耦合協調及驅動力分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：５８－６３．

０ 引言

水資源、能源、糧食是人類社會賴以生存和發展的三大物質基礎和戰略資源［１］ 。人口增長、城市化等因素驅動下，人類社會對水資源、能源和糧食等資源的需求與日俱增，加之氣候變化對生態環境造成巨大壓力，成為綠色可持續發展的主要瓶頸［２］ 。我國資源稟賦、生產能力和消費規模之間存在不匹配、不平衡的問題，資源環境承載壓力日趨加大，因此有必要對水資源、能源、糧食各系統間協同演變關系進行研究分析，為促進生態保護與高質量發展提供參考。

水資源－能源－糧食紐帶關系一詞最早源于２０１１年德國聯邦政府對水安全、能源安全和糧食安全的關系總結，認為３ 種資源之間存在相互依存的聯系［３］ ，大致表現為人類對水資源的取、用、耗、排都離不開能源的支持，能源的開采、加工、冷卻等均需要水資源的參與，糧食的生產、加工、運輸等同樣需要水資源和能源的投入［４－５］ ?；谀诚到y中任何一個要素供應或需求變化都會對其他系統造成影響的特點，廖重斌［６］ 首次將物理學中的耦合度概念應用于經濟－環境系統的協調關系研究，引起了國內外學者采用耦合模型對水資源－能源－糧食系統協調關系的廣泛探索。Ｈａｎ 等［７］ 、彭俊杰［８］ 、王勇等［９］ 分別研究了我國省際、黃河流域、京津冀地區的水資源－能源－糧食耦合協調度演變特征；羅巍等［１０］ 、王麗川等［１１］ 分別采用ＡＲＭＩＡ 模型和灰色ＧＭ（１，１）模型對水資源－能源－糧食系統耦合協調度進行預測；Ｓｕｎ 等［１２］ 采用ＤＥＡ 方法對水資源－能源－糧食系統耦合協調程度進行評價，Ｗａｎｇ 等［１３］ 和汪中華等［１４］ 分別采用地理加權回歸和空間計量模型對水資源－能源－糧食系統耦合協調度影響因素進行分析。以往關于系統協調度影響因素的研究，主要考慮經濟發展水平、人口、氣候、教育等外部因素［１５］ ，很少分析系統內部各子系統對協調水平的貢獻率。我國對生態環境日益重視，在考慮資源系統間供給與消耗紐帶關系時，應考慮其對生態環境的影響，即與生態系統的關聯［１６］ 。以往研究大多僅考慮水資源子系統中的生態用水與廢污水排放、能源子系統中的工業廢氣排放或者糧食子系統中的化肥負荷［３，１７］ ， 雖然李波等［１８］ 、Ｌｉ 等［１９］ 、Ｄｉｎｇ 等［２０］ 將生態環境作為一個獨立的系統，但未能區分不同資源系統對生態系統的影響，而且研究對象均為流域尺度。

基于此，本文在考慮資源系統與生態系統關聯關系的基礎上，從大氣、水體、土地及環境方面全面考察生態系統的發展狀況，并從國家尺度構建水資源－能源－糧食－生態系統指標體系，綜合分析２００５—２０２０年我國各地理分區水資源－能源－糧食－生態系統耦合協調演變趨勢，應用多因素分析法分析各子系統對多維系統協調演變的驅動情況，以期為我國水資源－能源－糧食－生態系統多維系統協調發展提供參考。

１ 研究方法與數據來源

１．１ 指標體系構建

為全面體現各地區資源稟賦、社會、經濟等方面情況，本文從自然稟賦、開發程度、安全程度、資源消耗及經濟效益角度，構建我國水資源－能源－糧食－生態系統多維指標體系（見表１）?？紤]到生態系統作為一切社會生產行為的載體，承載了人類對水、糧食和能源等資源進行開采、利用乃至保護的所有行為，生態子系統指標的選取主要考慮資源系統在大氣、水體、土地等方面對生態環境的影響，同時兼顧人類為改善環境而采取的努力。

１．２ 水資源－能源－糧食－生態系統耦合協調度模型

首先采用極值標準化法對原始數據進行無量綱化處理，然后采用熵值法求得各子系統的指標權重，并運用線性加權法計算多維系統的綜合評價指數。

１．４ 數據來源

研究數據來源于《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國農業機械工業年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國電力年鑒》《中國環境年鑒》《中國農村能源年鑒》《中國農業統計資料》《中國水資源公報》及各?。ㄊ?、區）相關統計資料。本文研究區范圍為我國內地除西藏外的其他３０ 個?。ㄊ?、區），根據地理位置劃分為東北地區（包括黑龍江、吉林、遼寧）、華北地區（包括北京、天津、河北、山西、內蒙古）、華中地區（河南、湖南、湖北）、華南地區（包括廣東、廣西、海南）、華東地區（包括上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東）、西北地區（包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆）和西南地區（包括重慶、四川、貴州、云南）地區七大地區。

２ 結果與討論

２．１ 水資源－能源－糧食－生態多維系統耦合評價結果分析

我國水資源－能源－糧食－生態多維系統的耦合評價結果如圖１ 所示。２００５—２０２０ 年，耦合度整體呈先上升后趨于平緩的趨勢，其中２０１２ 年耦合度達到最大值０．９９，２０１３ 年之后基本維持在０．９７ 左右，多年平均值為０．９３，說明這４ 個系統之間具有較高的耦合度。耦合協調度整體處于上升趨勢，從２００５ 年的０．５５ 波動上升到２０２０ 年的０．８４，多年平均值為０．６７，系統協調發展態勢良好。各子系統中，糧食子系統評價指數和生態子系統評價指數呈波動上升趨勢，２０２０ 年分別達到最大值０．９８ 和０．８１。糧食子系統評價指數２０１３年之前增速較快，年均增速１１％；生態子系統評價指數２０１３ 年之后增速較快，年均增速１４％。水資源子系統評價指數變化較為劇烈，出現多個較大的波峰波谷，由２００５ 年的０．６５ 震蕩變化到２０１１ 年的最小值０．３５，再上升到２０２０ 年的最大值０．７４。能源子系統評價指數整體呈平滑下降趨勢，從２００５ 年的０．６０ 下降為２０２０ 年的０．４３。

結合２００５—２０２０ 年我國七大地區水資源－能源－糧食－生態多維系統耦合評價結果，將耦合協調狀況劃分為４ 個時段，結果見表３。２００５—２００８ 年，除東北和華中地區外，其余地區耦合協調度多年均值均小于０．６，處于勉強協調發展階段。２００９—２０１２ 年，除西南地區外，其余地區耦合協調水平從勉強協調發展階段過渡到初級協調發展階段，其中東北地區率先進入中級協調發展階段，主要得益于糧食子系統評價指數的快速提升（從０．５６ 上升到０．９１）。２０１３—２０２０ 年，我國各地區系統耦合協調水平從初級協調發展階段向中級協調發展階段轉變，其中華北地區２０１７—２０２０ 耦合協調度多年均值為０．８２，進入良好協調發展階段，這主要得益于南水北調工程的運行，其不僅緩解了華北地區用水壓力，而且通過河湖補水和置換地下水的方式極大地改善了生態環境［２３－２４］ ，同期水資源和生態子系統評價指數分別提升了０．２８ 和０．１５，多維系統耦合協調度從２０１７ 年的０．７８ 增大到２０２０ 年的０．８５。

２．２ 水資源－能源－糧食－生態系統耦合協調驅動力分析

２．２．１ 相關性分析

利用式（５） ～ 式（１０）計算２００５—２０２０ 年我國水資源－能源－糧食－生態多維系統每２ ａ 的耦合協調度變化量，將計算結果與耦合模型計算結果進行相關性分析，結果顯示擬合優度Ｒ２ ＝０．９９２，具有顯著相關性，說明該方法可以用來分析各系統對耦合協調度的貢獻率。

２．２．２ 水資源－能源－糧食－生態系統驅動力分析

２０２０ 年水資源－能源－糧食－生態多維系統耦合協調度比２００５ 年增大了０．２９，根據多因素歸因法計算結果可知，耦合協調度的增大主要來自糧食、生態、水資源子系統的正向驅動，三者貢獻率分別為５２％、３３％和５％，說明２０２０ 年糧食、生態、水資源子系統的整體情況比２００５ 年均有所改善，尤其是糧食子系統在種植規模和技術方面提升顯著，如糧食播種面積、產量和自給率分別增長了８％、４８％、７％，秸稈固化成型和碳化技術使得優質化能源利用量增長了１０ 倍左右。然而，能源子系統表現為負向驅動，貢獻率為１０％，說明能源子系統２０２０ 年比２００５ 年整體水平有所回落，能源自給率由２００５ 年的０．８６ 下降為２０２０ 年的０．５８。由圖２可知，糧食子系統貢獻率整體呈下降趨勢，由２００５—２００８ 年的５６％下降為２０１７—２０２０ 年的１２％，說明糧食子系統的提升后勁不足。生態子系統貢獻率整體呈先升后降的趨勢，２０１３—２０１６ 年年均貢獻率達到最高值５４％，說明在此期間我國生態環境保護與治理成效顯著，如水質優良河流占比從６３％增加到８０％，農業污水和工業廢水ＣＯＤ 排放量分別下降了９８％、８４％，生態用水量從１０５ 億ｍ３ 增加到３０６ 億ｍ３，清潔能源發電量占比從２４％增加至３４％、節水灌溉面積及水土流失治理面積分別增加了４０％和３４％。但由于生態子系統在一定程度上是資源系統行為結果的綜合反映，容易受資源系統的影響，因此在２０１７ 年之后貢獻率有所下降。能源和水資源子系統的貢獻率整體呈不斷上升趨勢，２０１７—２０２０ 年水資源子系統貢獻率最高（為６０％），能源子系統由負向驅動轉為正向驅動（貢獻率為３％），說明水資源子系統在該時段改善最為明顯，能源子系統未來提升的潛力較大。

各地區各子系統在不同時段對多維系統耦合協調度的貢獻率見表４?？梢钥闯?，２００５—２００８ 年糧食子系統貢獻率最大的是東北地區（貢獻率為６２％），這主要得益于東北地區糧食子系統規?？焖贁U大，其播種面積、糧食產量、糧食自給率比２００５ 年分別提升了１２％、２４％和２５％，提升速度均高于全國平均水平。

２００９—２０１２ 年我國全面推進農業現代化發展戰略，糧食子系統生產規模和水平得到普遍提升［２５］ ，除華北和華東地區貢獻率相對較小外，其余各地區糧食子系統貢獻率均在５０％及以上。２０１３—２０１６ 年，生態子系統成為各地區耦合協調度提升的主要驅動因素，其中華北和華南地區的生態子系統貢獻率較高，分別為５４％和４１％，華北地區主要是城市綠地面積、河流水質、礦山開采破壞面積修復以及能源治理方面有較大改善，華南地區則在能源減排、水土流失治理面積方面有明顯改善。２０１７—２０２０ 年，水資源子系統成為各地區耦合協調度提升的主要驅動因素，貢獻率最大的地區主要為東北、華東和華北，分別為７９％、６４％和５８％。這主要得益于我國節水型社會建設、水資源合理配置與水安全供水保障等相關政策規劃的有效落實［２６］ ，各地區用水總量增速減緩甚至總量減少，２０２０ 年各地區平均用水總量比２０１７ 年下降３０ 億ｍ３。各地區能源子系統貢獻率在２０１７ 年之后大多由負轉正，華北和東北地區貢獻率相對較低，主要原因是能源子系統安全水平相對較低，能源自給率分別比２０１７ 年下降約２０％和３％，而東北地區能源資源量比２０１７ 年下降約４％。

３ 結論與建議

１）２００５—２０２０ 年，我國水資源、能源、糧食、生態子系統之間具有較強的關聯性，水資源－能源－糧食－生態系統耦合協調水平整體呈上升趨勢，但各子系統發展水平存在較大差異，與優質協調發展水平還有一定距離。

２）２００５—２０１２ 年，糧食子系統因生產規模及水平的大幅提升而成為驅動水資源－能源－糧食－生態多維系統耦合協調度上升的主要因素，但２０１２ 年之后糧食子系統生產水平有所下降。因此，建議開發農產品附加價值或發展生態農業等，以提升糧食規模效益和糧食子系統生產水平。

３）２０１３—２０１７ 年，生態子系統和水資源子系統均為水資源－能源－糧食－生態系統協調發展的主要驅動力。然而，生態子系統作為一切生產行為的載體往往更容易受到其他子系統的影響。因此，建議各部門加強合作，把握共抓大保護的契機，使生態子系統水平穩步提升并逐漸參與市場機制，將良好生態環境蘊含的生態價值轉化為經濟價值，推動生態優勢轉化為經濟優勢。

４）２００５—２０１３ 年，水資源子系統和能源子系統因受粗放式開發利用的影響而對水資源－能源－糧食－生態系統協調發展產生負面影響。２０１３ 年之后，隨著我國深化改革、優化產業結構、推動綠色低碳發展以及建設調水工程等一系列舉措，使水資源子系統水平明顯提升。在經濟社會發展對能源需求依然較大的情況下，建議積極支持清潔能源的研發與應用，并鼓勵采取措施降低能源（特別是一次能源）的使用量。

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【責任編輯 張華興】