鄭人瑞，唐金榮，金 璽

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，北京 100037；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037)

水、能源和糧食是人類(lèi)賴(lài)以生存的三大基本要素，任何一個(gè)要素出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)深刻影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及政權(quán)穩(wěn)定，因此，世界各國(guó)都將水安全、能源安全和糧食安全列入國(guó)家安全重要領(lǐng)域，采取多種措施應(yīng)對(duì)單一安全所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。但水、能源和糧食三者卻是相互關(guān)聯(lián)，直接影響著彼此。正如蘭德公司高級(jí)政策研究員H H Willis指出,“當(dāng)我們討論目前全球所面臨的最大的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，糧食、水和能源三者中任何一個(gè)都有可能被擺在首位。但是，三者實(shí)際上是相關(guān)聯(lián)的，要種植食物，就需要澆灌，而澆灌是需要消耗能源以驅(qū)動(dòng)泵機(jī)的”[1]。這種復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系越來(lái)越多地得到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注，并被稱(chēng)為“水-能源-糧食的紐帶關(guān)系”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)紐帶關(guān)系)。本文在系統(tǒng)跟蹤紐帶關(guān)系研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，嘗試從地球科學(xué)的角度來(lái)認(rèn)知三者間復(fù)雜的關(guān)系，并系統(tǒng)總結(jié)應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系的地球科學(xué)解決方案。

1 紐帶關(guān)系的提出與發(fā)展

1.1 紐帶關(guān)系提出的背景

水、能源和糧食之間相互關(guān)聯(lián)關(guān)系在自然資源利用領(lǐng)域中首次引用是在1983年聯(lián)合國(guó)大學(xué)開(kāi)展的“食物-能源聯(lián)系”項(xiàng)目中，當(dāng)時(shí)是為了更好地認(rèn)識(shí)發(fā)展中國(guó)家所面臨的食物和能源挑戰(zhàn)。最近幾年，受全球人口爆發(fā)式增長(zhǎng)、工業(yè)化進(jìn)程加快和氣候變化加劇等因素影響，三者間紐帶關(guān)系越來(lái)越清晰地表現(xiàn)出來(lái)，而針對(duì)其研究也成為一個(gè)全球性的研究議題。首先，隨著全球人口的不斷攀升，對(duì)能源、糧食和水同時(shí)產(chǎn)生巨大需求。據(jù)預(yù)計(jì)，2050年全球人口規(guī)模將達(dá)到96億，屆時(shí)全球水資源需求、能源需求和糧食需求將分別增加55%、80%和60%[2]。其次，隨著發(fā)展中國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程加速，全球進(jìn)入資源緊張競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代。過(guò)去，發(fā)達(dá)國(guó)家在工業(yè)化完成的過(guò)程中，消耗了全球80%的能源資源，但也只是實(shí)現(xiàn)了全球10%的人口的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化；現(xiàn)在，隨著中國(guó)、印度和東盟等發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)工業(yè)化進(jìn)程的加速，要實(shí)現(xiàn)的是全球70%人口的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化，所面臨的能源資源約束問(wèn)題將日益嚴(yán)峻。同時(shí)，全球氣候變化政治化及生態(tài)環(huán)境惡化，致使三種資源相互關(guān)系復(fù)雜化。全球氣候變化談判的實(shí)質(zhì)是世界各國(guó)發(fā)展權(quán)之爭(zhēng)，在應(yīng)對(duì)氣候變化的大旗下，全球陷入了“需要更多能源、更少二氧化碳；更多綠色糧食，更少污染食品；更多清潔用水，更少污染用水”的境地。在應(yīng)對(duì)全球生態(tài)環(huán)境問(wèn)題、氣候變化加劇的挑戰(zhàn)下，統(tǒng)籌水、能源和糧食安全和環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)性任務(wù)將更加艱巨。

1.2 紐帶關(guān)系研究的進(jìn)展

從全球范圍來(lái)看，紐帶關(guān)系主要受全球水議程所推動(dòng)，被糧食議程所包含，而后被能源安全議程所接受，其發(fā)展經(jīng)歷了先期的水-能源、水-糧食和能源-糧食的兩兩關(guān)聯(lián)關(guān)系研究，而后逐步將三者融為一體，總體呈現(xiàn)出從“單一中心”，向“雙雙關(guān)聯(lián)”，再到三者“紐帶關(guān)系”的整合過(guò)程。

2011年，在德國(guó)波恩召開(kāi)的水-能源-糧食紐帶關(guān)系國(guó)際會(huì)議將這一議題擺上國(guó)際舞臺(tái)[3]。其后短短的幾年里，紐帶關(guān)系研究經(jīng)歷了概念探索和理論共識(shí)研究的起步階段，代表性的研究成果主要有：聯(lián)合國(guó)亞太經(jīng)濟(jì)社會(huì)理事會(huì)(UNESCAP)在2013年發(fā)布《亞太地區(qū)水-糧食-能源紐帶關(guān)系報(bào)告》，提出紐帶關(guān)系在時(shí)間和空間上具有緊密聯(lián)系，認(rèn)為氣候變化、能源-糧食-金融危機(jī)、快速的城市化進(jìn)程、過(guò)度消費(fèi)等外部影響因素均會(huì)對(duì)紐帶關(guān)系產(chǎn)生影響[4]；亞洲開(kāi)發(fā)銀行(ADB)從水資源管理的角度提出，紐帶關(guān)系的復(fù)雜性要求我們提高水治理水平，改變粗放的水資源開(kāi)發(fā)利用情況[5]；聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)2014年從糧食安全角度對(duì)紐帶關(guān)系進(jìn)行了闡述，并從保障糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度分析了如何采用紐帶關(guān)系方法進(jìn)行決策[6]。可以看出，水-能源-糧食紐帶關(guān)系逐漸成為可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要內(nèi)容。相較于國(guó)外針對(duì)紐帶關(guān)系活躍的研究，國(guó)內(nèi)的研究則相對(duì)滯后，還處于概念引進(jìn)和介紹的階段，缺乏探索性的研究成果[7-9]。

當(dāng)前，紐帶關(guān)系研究已經(jīng)進(jìn)入以合作研究、具體項(xiàng)目投入為主的理論與實(shí)踐相結(jié)合的發(fā)展階段。例如，英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)于2015年投入450萬(wàn)歐元對(duì)其開(kāi)展專(zhuān)門(mén)研究，以確保英國(guó)的水、能源和糧食安全；美國(guó)科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部下屬的國(guó)家食品和農(nóng)業(yè)研究所合作開(kāi)展“糧食、能源和水系統(tǒng)紐帶關(guān)系創(chuàng)新(INFEWS)”項(xiàng)目,并于2016年和2017年合作投入7 200萬(wàn)美元和3 660萬(wàn)美元[10-11]。

2 地球科學(xué)對(duì)于紐帶關(guān)系的認(rèn)知

之所以用紐帶關(guān)系來(lái)形容三者之間的復(fù)雜關(guān)系，是因?yàn)槿咧g存在或明或暗，或直接或間接的難以用一般語(yǔ)言加以描述的關(guān)系。目前，國(guó)際上多數(shù)研究認(rèn)為，紐帶關(guān)系的核心為水、能源和糧食，但是也有研究認(rèn)為還應(yīng)包括土地利用規(guī)劃、人類(lèi)健康和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)等。紐帶關(guān)系的挑戰(zhàn)并不僅僅是水、能源、糧食之間相互依存的關(guān)系，而且還涉及到不同地理空間尺度(地區(qū)、國(guó)家和全球)、時(shí)間尺度(歷史、現(xiàn)在和未來(lái))上影響這些資源的復(fù)雜行星式驅(qū)動(dòng)形式、壓力和挑戰(zhàn)，以及所帶來(lái)的不同風(fēng)險(xiǎn)(政治、經(jīng)濟(jì)及氣候變化)，見(jiàn)圖1。

圖1 水-能源-糧食紐帶關(guān)系及其外部影響因素

2.1 三者相互依存、相互制約

在人類(lèi)的生存與發(fā)展中，三種資源的開(kāi)發(fā)和利用之間存在著緊密的相互依存關(guān)系。幾乎所有的能源開(kāi)發(fā)利用方式都離不開(kāi)水，在很大程度上也受到水的影響，例如，頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)中的水力壓裂、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的水-熱交換過(guò)程、高含水油田的開(kāi)采等。據(jù)國(guó)際能源署統(tǒng)計(jì)，全球15%的取水量被用于能源生產(chǎn)。水資源的運(yùn)輸、提取和利用都必須以能源作為動(dòng)力，例如，加利福尼亞州綿延200 km的調(diào)水工程每年將74億m3的水從北方運(yùn)輸至南方，以供應(yīng)洛杉磯的城市用水和農(nóng)業(yè)用水，這需要消耗整個(gè)州2%～3%的電力資源[12]。而糧食資源的形成正是建立在水資源和能源資源的消耗上，全球范圍來(lái)看，農(nóng)業(yè)是主要的水用戶，亞洲很多國(guó)家的農(nóng)業(yè)用水量幾乎占所有用水量的90%，同時(shí)，部分糧食資源也可以轉(zhuǎn)化為能源資源，例如以玉米等為原料的生物能源。

水、能源和糧食安全之間存在明顯的傳導(dǎo)性，某一因素的惡化會(huì)在三者間產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。以生物能源為例，其使用和生產(chǎn)比其他能源利用方式需要消耗更多的水，為了生產(chǎn)更多的玉米等生物能源原料，還需要使用大量的化肥和殺蟲(chóng)劑等農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)，這就必然對(duì)周?chē)乃w造成化學(xué)污染和破壞。

2.2 水和能源具有協(xié)同作用

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)活動(dòng)和居民生活中，能源和水資源具有廣泛的協(xié)同作用?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)已經(jīng)由小型自給農(nóng)業(yè)向大規(guī)模機(jī)械化、市場(chǎng)化、信息化農(nóng)業(yè)發(fā)展，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)化程度越來(lái)越高，同時(shí)要消耗的能源越來(lái)越多，因此，能源和水的協(xié)同作用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不斷強(qiáng)化。而工業(yè)活動(dòng)從產(chǎn)出之初，就是建立在能源和水的消耗利用基礎(chǔ)上，二者的協(xié)同作用表現(xiàn)得也最為突出：一方面，幾乎所有的大型工業(yè)活動(dòng)都依賴(lài)于能源和水的穩(wěn)定供應(yīng)；另一方面，工業(yè)活動(dòng)的能源消耗強(qiáng)度與用水強(qiáng)度往往具有正相關(guān)關(guān)系，能源消耗大戶通常也是水資源消耗大戶，比如能源利用、金屬和化學(xué)制品及石油、天然氣和煤炭開(kāi)采等行業(yè)都是能源-水消耗密集型工業(yè)活動(dòng)。同時(shí)，在不同類(lèi)型能源的生產(chǎn)和利用，以及水的提取、運(yùn)輸和利用過(guò)程中，能源-水的物質(zhì)流和能源流也是相互交織，相互參與的[13]。

2.3 不同資源在地理空間分布上的錯(cuò)配加劇了風(fēng)險(xiǎn)存在

對(duì)紐帶關(guān)系的研究，一個(gè)重要目的是實(shí)現(xiàn)水、能源和糧食三者間的平衡和可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，防范關(guān)聯(lián)性風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生。全球范圍來(lái)看，由于能源和水資源空間分布上的錯(cuò)配所造成的風(fēng)險(xiǎn)在不斷加劇，威脅著地區(qū)甚至全球的可持續(xù)發(fā)展。2016年，世界資源研究所(WRI)發(fā)布報(bào)告指出，未來(lái)全球水、能源將面臨三個(gè)重要風(fēng)險(xiǎn)：美國(guó)的頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)用水、中國(guó)的火電用水、中東和北非的海水淡化[14]。這些風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生從根本上來(lái)講是由于能源和水資源在地理空間上的錯(cuò)配所造成的。

美國(guó)頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)取得成功，但頁(yè)巖油氣勘探需要消耗大量的水，據(jù)估計(jì)，一口頁(yè)巖井在一個(gè)完整的生產(chǎn)周期中的耗水量達(dá)2 700多萬(wàn)升。美國(guó)60%的頁(yè)巖油氣盆地分布在水資源緊張的中、東部地區(qū)，由此造成了美國(guó)局部地區(qū)用水緊張風(fēng)險(xiǎn)在不斷加大[14]。同時(shí)，頁(yè)巖油氣開(kāi)采中大量使用的水力壓裂液也會(huì)對(duì)周?chē)叵滤斐晌廴旧踔疗茐摹?/p>

我國(guó)能源生產(chǎn)和糧食生產(chǎn)高度依賴(lài)水資源，但是我國(guó)大部分水資源分布在多雨的南方地區(qū)，而煤炭發(fā)電和谷物生產(chǎn)地集中在干旱的北方。例如，內(nèi)蒙古占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的26%，水資源卻只占全國(guó)的1.6%，這種地理空間上的錯(cuò)配，是我國(guó)水資源短缺的最核心問(wèn)題之一[11]。目前，海水淡化已成為中東和北非地區(qū)淡水的主要來(lái)源，在2013年，沙特阿拉伯是全球最大的石油生產(chǎn)國(guó)(占全球生產(chǎn)總量的13.3%)和前10大天然氣生產(chǎn)國(guó)(比例為3.1%)，但當(dāng)年用于海水淡化的能源消耗占其石油、天然氣生產(chǎn)總量的25%[15]。

2.4 三者在形成、演化上具有復(fù)雜的耦合關(guān)系

化石能源的形成通常需要水的參與，以砂巖型鈾礦為例，作為世界上發(fā)現(xiàn)最早、分布最廣的鈾礦床類(lèi)型，砂巖型鈾礦的形成需要古河流、濱湖三角洲或?yàn)I海三角洲的沉積作用，且對(duì)古地下水的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)方式具有選擇性。以全球變暖為主要特征的氣候變化使得紐帶關(guān)系的演化進(jìn)程更加復(fù)雜。在全球溫室氣體排放中，能源公司產(chǎn)生的廢氣排放占比最高，達(dá)到40%左右[16]。而受氣候變化的影響，全球降水、蒸發(fā)、徑流、土壤濕度等水文循環(huán)過(guò)程在不斷發(fā)生變化，引起水資源總量的變化以及在時(shí)間和空間上的重新分配，增加了洪澇、干旱等極端災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度[17]，這將極大地影響發(fā)電廠(尤其是需要用水冷卻的火電廠和核電廠)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也加劇了全球糧食危機(jī)發(fā)生的可能性。

3 應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系的地球科學(xué)解決方案

地球科學(xué)研究的內(nèi)容包括地球的各種系統(tǒng)，及其復(fù)雜的地質(zhì)、海洋、大氣層和水文演化進(jìn)程，這些系統(tǒng)和進(jìn)程與人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。美國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)(AGI)指出，開(kāi)展地球科學(xué)工作，在滿足社會(huì)關(guān)鍵需求中發(fā)揮著重要作用，主要包括：確保充足的清潔水供應(yīng)、開(kāi)發(fā)能源以滿足國(guó)家需求、提高抵御自然災(zāi)害的能力、保護(hù)土壤質(zhì)量以保持肥沃、為現(xiàn)代社會(huì)提供原材料、研究海洋和海岸帶問(wèn)題、應(yīng)對(duì)氣候變化、妥善處理垃圾以維護(hù)環(huán)境健康等方面[18]。可以看出，地球科學(xué)工作或者說(shuō)其所研究解決的問(wèn)題正是水-能源-糧食紐帶關(guān)系所面臨的主要問(wèn)題。

隨著近幾年紐帶關(guān)系的提出與興起，不同學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)已從最初的概念解釋、理論框架和典型案例研究逐漸向紐帶關(guān)系應(yīng)對(duì)手段、解決方案等實(shí)際操作方向轉(zhuǎn)變。而在這其中，由于研究對(duì)象(能源、水和糧食)的實(shí)際一致性、達(dá)成目標(biāo)(人類(lèi)社會(huì)和自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展)的內(nèi)在統(tǒng)一性，地球科學(xué)工作將成為應(yīng)對(duì)水-能源-糧食紐帶關(guān)系的重要抓手，主要表現(xiàn)在資源調(diào)查、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)分析、科技創(chuàng)新和外部影響研究等幾個(gè)方面，整體框架見(jiàn)圖2。

圖2 地球科學(xué)應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系整體解決方案

3.1 資源調(diào)查支撐紐帶安全

紐帶關(guān)系的核心是紐帶安全問(wèn)題，各個(gè)國(guó)家自然條件、發(fā)展?fàn)顩r不同，所面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)也不同，這就決定了水-能源-糧食紐帶安全在不同國(guó)家和地區(qū)中所表現(xiàn)出來(lái)的主要形式不同。目前，我國(guó)能源消耗強(qiáng)度大、利用效率低、碳排放量高，已經(jīng)成為制約我國(guó)紐帶安全的最主要因素，同時(shí)水污染加劇、貧困地區(qū)缺水、糧食質(zhì)量問(wèn)題突出等矛盾也在威脅著紐帶安全。

近年來(lái)，在資源調(diào)查領(lǐng)域，清潔低碳的非常規(guī)能源及可再生能源的調(diào)查評(píng)價(jià)力度在不斷加大，并取得一系列重大突破和進(jìn)展：我國(guó)南海神狐海域天然氣水合物首次試采成功，其產(chǎn)業(yè)化開(kāi)采正在穩(wěn)步推進(jìn)；貴州遵義安頁(yè)1井和湖北宜昌鄂宜頁(yè)1井頁(yè)巖氣調(diào)查相繼取得重大突破，加快我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)利用步伐；青海共和盆地3 705 m深處鉆獲236 ℃的高溫干熱巖體；鋰、鎳和石墨等新能源技術(shù)礦產(chǎn)調(diào)查取得重大突破。這些成果將為優(yōu)化我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，保障能源安全提供有力支撐。

“水已經(jīng)成為了我國(guó)嚴(yán)重短缺的產(chǎn)品，成了制約環(huán)境質(zhì)量的主要因素，成了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的嚴(yán)重安全問(wèn)題”，習(xí)近平總書(shū)記在2014年中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第五次會(huì)議上指出我國(guó)當(dāng)前面臨著嚴(yán)峻的水資源安全問(wèn)題[19]。作為水資源的重要組成部分，地下水是維系良好生態(tài)環(huán)境的重要因素，是農(nóng)業(yè)和生活用水的主要來(lái)源，也是地球科學(xué)領(lǐng)域最重要的研究對(duì)象之一。地下水調(diào)查和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能夠?yàn)樯鐣?huì)和科研提供全面、及時(shí)、準(zhǔn)確的地下水動(dòng)態(tài)信息，為地下水污染治理、地下水合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)、地面沉降防控等提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。水文地質(zhì)調(diào)查積極服務(wù)貧困區(qū)、基巖區(qū)、巖溶地區(qū)的抗旱找水工作，為缺水群眾提供清潔地下水水源。

糧食安全已經(jīng)由最初的強(qiáng)調(diào)數(shù)量安全向數(shù)量和質(zhì)量并重轉(zhuǎn)變[20]。作為糧食生產(chǎn)的載體，耕地的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)于糧食安全起著基礎(chǔ)和保障作用。目前實(shí)施的全國(guó)土地地球化學(xué)調(diào)查，可謂是針對(duì)我國(guó)耕地質(zhì)量的一次“健康體檢”，據(jù)此編制的《中國(guó)耕地地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告》，為污染土地整治修復(fù)、優(yōu)質(zhì)土地資源保護(hù)、土地資源利用規(guī)劃和特色土地資源開(kāi)發(fā)等工作提供了依據(jù)，有力支撐了我國(guó)耕地安全和糧食安全。同時(shí)，富硒、硼、鉬、鋅等有益微量元素的優(yōu)質(zhì)耕地的調(diào)查與開(kāi)發(fā)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，提高了糧食安全的品質(zhì)。

3.2 地球科學(xué)監(jiān)測(cè)為紐帶關(guān)系的量化研究提供基礎(chǔ)支撐

目前針對(duì)紐帶關(guān)系的研究多集中在概念框架和理論研究上，缺少對(duì)三者間的相互影響、相互作用和依賴(lài)程度等問(wèn)題的定量和建模分析，無(wú)法為決策提供充分的依據(jù)。例如，目前我國(guó)已啟動(dòng)的南水北調(diào)中線工程年調(diào)水量約35億m3，以滿足北方缺水地區(qū)的用水需求，但針對(duì)這個(gè)調(diào)水工程中的能源消耗問(wèn)題并沒(méi)有相關(guān)的研究。因此，針對(duì)紐帶關(guān)系的三者間相互關(guān)聯(lián)程度和影響的基礎(chǔ)研究亟待加強(qiáng)。

地球科學(xué)以多要素、實(shí)時(shí)、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，利用監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，并針對(duì)未來(lái)的變化做出預(yù)測(cè)和預(yù)警。針對(duì)紐帶關(guān)系研究，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型水資源、能源資源和糧食資源生產(chǎn)、利用、消費(fèi)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)信息收集，測(cè)量和模擬水、能源、糧食之間跨時(shí)空的相互作用，對(duì)人為和自然變化驅(qū)動(dòng)下過(guò)去和現(xiàn)在三者間相互作用進(jìn)行評(píng)估，從而模擬未來(lái)三者間相互作用的變化。地球科學(xué)對(duì)于紐帶關(guān)系的情景模擬能夠在一定的框架內(nèi)識(shí)別和量化未來(lái)景觀、氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況的不確定性，“搶在變化之前”預(yù)測(cè)未來(lái)狀況，這在目前認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系中具有迫切性。例如，利用地球科學(xué)監(jiān)測(cè)和觀測(cè)系統(tǒng)(實(shí)時(shí)傳感器、生態(tài)指示器網(wǎng)絡(luò)、生物觀測(cè)等)，建立早期預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)頁(yè)巖油氣開(kāi)采過(guò)程造成的水污染、洪水對(duì)發(fā)電廠影響、糧食危機(jī)等災(zāi)害或沖突提供預(yù)警，為決策管理者的快速響應(yīng)提供支撐。

3.3 利用地球科學(xué)大數(shù)據(jù)深化紐帶關(guān)系認(rèn)識(shí)

隨著第四次工業(yè)革命的到來(lái)，大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的科學(xué)進(jìn)步正在深刻地影響著各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。長(zhǎng)周期、大尺度的地質(zhì)作用過(guò)程研究和能源開(kāi)發(fā)活動(dòng)監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)與海平面變化監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，不僅為研究水-能源-糧食紐帶關(guān)系提供了科學(xué)知識(shí)和技術(shù)支持，同時(shí)也產(chǎn)生大量的關(guān)于紐帶關(guān)系的數(shù)據(jù)，包括水資源、能源資源和糧食資源的數(shù)量和質(zhì)量變化監(jiān)測(cè)記錄、三者物質(zhì)流和能量流量化分析和未來(lái)的需要預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)等。大數(shù)據(jù)背景下，數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用已經(jīng)從簡(jiǎn)單的收集整理向強(qiáng)調(diào)預(yù)測(cè)未來(lái)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和相關(guān)性分析的數(shù)據(jù)研究演變。通過(guò)建立水、能源、糧食和土地等要素的數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用先進(jìn)研究計(jì)算能力進(jìn)行多類(lèi)型數(shù)據(jù)整合，以實(shí)現(xiàn)紐帶關(guān)系大數(shù)據(jù)的全生命周期管理，這將為探索、深化紐帶關(guān)系認(rèn)識(shí)提供新的途徑。針對(duì)目前我國(guó)多部門(mén)管理下的數(shù)據(jù)分散問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)自然資源部、水利部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和生態(tài)環(huán)境部等部門(mén)間統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，建立多部門(mén)支持下的水、能源和糧食綜合數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用體系。

3.4 地球科學(xué)領(lǐng)域科技創(chuàng)新不斷增強(qiáng)未來(lái)應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系的能力

水、能源和糧食紐帶關(guān)系復(fù)雜性，來(lái)源于資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中的權(quán)衡取舍以及相互間的沖突，由此產(chǎn)生的資源、環(huán)境問(wèn)題是未來(lái)應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系的重大挑戰(zhàn)。例如，修建大壩對(duì)水資源利用進(jìn)行了再分配，滿足了生產(chǎn)能源的需求，卻對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境和下游的糧食生產(chǎn)造成影響甚至威脅。地球科學(xué)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新在減少此類(lèi)沖突和應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系中發(fā)揮著重要作用。

地球深部蘊(yùn)藏著豐富的能源資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)深層和超深層石油和天然氣資源豐富，目前資源探明率不及20%，深部干熱巖資源初步估算折合標(biāo)準(zhǔn)煤856萬(wàn)億t，其2%的可開(kāi)采量即相當(dāng)于2015年全國(guó)能源消耗的4 000倍。深部資源具有巨大的利用潛力，加快深部能源勘查將為保障我國(guó)能源安全提供有力支撐。當(dāng)前，“向深部進(jìn)軍”已被國(guó)家確立為未來(lái)戰(zhàn)略科技導(dǎo)向之一，自然資源部提出深地探測(cè)、深海探測(cè)、深空對(duì)地觀測(cè)和土地科技創(chuàng)新“三深一土”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略[21]，這些都對(duì)未來(lái)應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系提供了強(qiáng)有力保障。

不僅為資源安全提供保障，地球科學(xué)領(lǐng)域科技創(chuàng)新同樣關(guān)注三者在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中所產(chǎn)生的沖突和矛盾。在近兩年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的地質(zhì)科技十大進(jìn)展中，涌現(xiàn)出一批致力于解決紐帶關(guān)系沖突和矛盾的創(chuàng)新研究，如地下水保障能力評(píng)價(jià)理論創(chuàng)新服務(wù)國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略、基于“關(guān)鍵隔水層”的煤礦突水預(yù)警系統(tǒng)成功研發(fā)、西南石漠化綜合治理技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)火龍果生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等。未來(lái)，地球科學(xué)科技創(chuàng)新將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于紐帶關(guān)系中關(guān)鍵問(wèn)題的研究，如不同能源(地?zé)崮芎晚?yè)巖油氣等)開(kāi)發(fā)利用中能源和水的協(xié)調(diào)關(guān)系、地下深部(包括深部咸水層)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存、能源和水資源集約節(jié)約利用技術(shù)創(chuàng)新等。

3.5 地球科學(xué)注重研究紐帶關(guān)系與外部的相互影響

紐帶關(guān)系的應(yīng)對(duì)不僅強(qiáng)調(diào)三者間的平衡和可持續(xù)發(fā)展，還要考慮紐帶關(guān)系作為一個(gè)系統(tǒng)性整體與外部的相互影響，如人居環(huán)境、生態(tài)安全、氣候變化、城鎮(zhèn)化發(fā)展等。以紐帶關(guān)系對(duì)城市發(fā)展的影響為例，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速，城市人口規(guī)模持續(xù)增加，城市水、能源和糧食安全供應(yīng)、生態(tài)健康、資源環(huán)境承載能力等將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，紐帶關(guān)系在城市可持續(xù)發(fā)展中處于牽一發(fā)而動(dòng)全身的位置。

地球科學(xué)具有研究對(duì)象多樣化、研究范圍廣闊、研究手段豐富等特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)對(duì)發(fā)生于地球系統(tǒng)的各種現(xiàn)象、過(guò)程及過(guò)程之間相互作用機(jī)理、變化及其因果關(guān)系等的研究。水-能源-糧食紐帶關(guān)系已經(jīng)成為人類(lèi)生存與可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大問(wèn)題之一，以地球系統(tǒng)科學(xué)為指導(dǎo)，探究紐帶關(guān)系與外部的相互作用和相互影響變得越來(lái)越重要。作為地球科學(xué)服務(wù)城市發(fā)展的重要抓手，城市地質(zhì)工作的內(nèi)涵在不斷豐富，領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展，在促進(jìn)城市地下資源和空間的合理開(kāi)發(fā)利用、推動(dòng)紐帶關(guān)系與城市的協(xié)調(diào)發(fā)展中發(fā)揮著不可或缺的作用。地球關(guān)鍵帶研究越來(lái)越受到地球科學(xué)領(lǐng)域的重視，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在其“十大計(jì)劃”業(yè)務(wù)體系中也部署了針對(duì)流域地球關(guān)鍵帶調(diào)查研究的項(xiàng)目。地球關(guān)鍵帶研究強(qiáng)調(diào)對(duì)巖石、水、空氣和生物等不同要素在近地表環(huán)境中的相互作用，以及對(duì)人類(lèi)生存活動(dòng)影響的監(jiān)測(cè)和探究，這些與紐帶關(guān)系在研究?jī)?nèi)容和方法上具有高度的相關(guān)性，將為深化紐帶關(guān)系與外部影響的研究提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

4 結(jié) 論

1) 在人類(lèi)生存和可持續(xù)發(fā)展中，水資源、能源資源和糧食安全問(wèn)題成為三個(gè)最突出的問(wèn)題，但三者卻是相互關(guān)聯(lián)，直接影響著彼此，即形成水-能源-糧食紐帶關(guān)系。在全球人口持續(xù)增加對(duì)水、能源和糧食的巨大需求、發(fā)展中國(guó)家快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加劇資源供需矛盾、全球氣候變化政治化及生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化等因素的驅(qū)動(dòng)下，認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系變得越來(lái)越緊迫。

2) 從全球范圍來(lái)看，紐帶關(guān)系主要受全球水議程所推動(dòng)，被糧食議程所包含，而后被能源安全議程所接受。針對(duì)三者間關(guān)系的研究，已從先期的水-能源、水-糧食和能源-糧食的兩兩關(guān)聯(lián)關(guān)系研究，發(fā)展至目前將三者作為一個(gè)復(fù)雜性系統(tǒng)整體來(lái)重新認(rèn)識(shí)和研究，總體呈現(xiàn)出從“單一中心”，向“雙雙關(guān)聯(lián)”，再到“三者紐帶關(guān)系”的整合過(guò)程。

3) 紐帶關(guān)系不僅強(qiáng)調(diào)水、能源和糧食之間相互依存的關(guān)系，而且還涉及到不同地理空間尺度、時(shí)間尺度上影響這些資源的復(fù)雜行星式驅(qū)動(dòng)形式、壓力和挑戰(zhàn)，以及所帶來(lái)的不同風(fēng)險(xiǎn)。從地球科學(xué)角度來(lái)認(rèn)知紐帶關(guān)系，三者間相互關(guān)系及復(fù)雜性主要表現(xiàn)為：三者相互依存、相互制約；水、能源在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)活動(dòng)中具有協(xié)同作用；不同資源地理空間分布上的錯(cuò)配加劇了風(fēng)險(xiǎn)存在；水和能源在形成、演化上具有復(fù)雜的耦合關(guān)系。

4) 由于研究對(duì)象的實(shí)際一致性、達(dá)成目標(biāo)的內(nèi)在統(tǒng)一性，地球科學(xué)在應(yīng)對(duì)紐帶關(guān)系中發(fā)揮著重要作用，提供了必要的解決方案，包括：清潔能源調(diào)查、地下水污染調(diào)查和土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查等活動(dòng)有力支撐紐帶安全；系統(tǒng)的地球科學(xué)監(jiān)測(cè)為紐帶關(guān)系量化研究提供基礎(chǔ)支撐；地球科學(xué)大數(shù)據(jù)將深化對(duì)紐帶關(guān)系的認(rèn)識(shí)；地球科學(xué)的科技創(chuàng)新不斷增強(qiáng)應(yīng)對(duì)能力；地球科學(xué)注重研究紐帶關(guān)系與外部的相互影響。