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(tài)系統(tǒng)協(xié)同演變趨勢的認識，構(gòu)建水資源－能源－糧食－生態(tài)多維系統(tǒng)指標體系，運用耦合協(xié)調(diào)度模型對我國２００５—２０２０ 年水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度進行評價，并采用多因素歸因分析法進行驅(qū)動力分析。結(jié)果表明：我國水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度從２００５ 年的０．５５ 增長到２０２０ 年的０．８４，各地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度從勉強協(xié)調(diào)發(fā)展水平過渡到中級協(xié)調(diào)發(fā)展水平，各子系統(tǒng)對耦合協(xié)調(diào)度上升的驅(qū)動分別經(jīng)歷了由糧食子系統(tǒng)到生態(tài)子系統(tǒng)再到水資源子系統(tǒng)主導的過程；能源子系統(tǒng)的貢獻率雖然比較小，但是未來可能是各地區(qū)提升水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)多維系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平的突破口。

關(guān)鍵詞：水資源－能源－糧食－生態(tài)；耦合協(xié)調(diào)度；多因素歸因分析；驅(qū)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(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)及驅(qū)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(fā)展的三大物質(zhì)基礎(chǔ)和戰(zhàn)略資源［１］ 。人口增長、城市化等因素驅(qū)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(tài)環(huán)境造成巨大壓力，成為綠色可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸［２］ 。我國資源稟賦、生產(chǎn)能力和消費規(guī)模之間存在不匹配、不平衡的問題，資源環(huán)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(tǒng)間協(xié)同演變關(guān)系進行研究分析，為促進生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

水資源－能源－糧食紐帶關(guān)系一詞最早源于２０１１年德國聯(lián)邦政府對水安全、能源安全和糧食安全的關(guān)系總結(jié)，認為３ 種資源之間存在相互依存的聯(lián)系［３］ ，大致表現(xiàn)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(chǎn)、加工、運輸?shù)韧瑯有枰Y源和能源的投入［４－５］ 。基于某系統(tǒng)中任何一個要素供應或需求變化都會對其他系統(tǒng)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(jīng)濟－環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系研究，引起了國內(nèi)外學者采用耦合模型對水資源－能源－糧食系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)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(qū)的水資源－能源－糧食耦合協(xié)調(diào)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(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度進行預測；Ｓｕｎ 等［１２］ 采用ＤＥＡ 方法對水資源－能源－糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度進行評價，Ｗａｎｇ 等［１３］ 和汪中華等［１４］ 分別采用地理加權(quán)回歸和空間計量模型對水資源－能源－糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度影響因素進行分析。以往關(guān)于系統(tǒng)協(xié)調(diào)度影響因素的研究，主要考慮經(jīng)濟發(fā)展水平、人口、氣候、教育等外部因素［１５］ ，很少分析系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)對協(xié)調(diào)水平的貢獻率。我國對生態(tài)環(huán)境日益重視，在考慮資源系統(tǒng)間供給與消耗紐帶關(guān)系時，應考慮其對生態(tài)環(huán)境的影響，即與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)［１６］ 。以往研究大多僅考慮水資源子系統(tǒng)中的生態(tài)用水與廢污水排放、能源子系統(tǒng)中的工業(yè)廢氣排放或者糧食子系統(tǒng)中的化肥負荷［３，１７］ ， 雖然李波等［１８］ 、Ｌｉ 等［１９］ 、Ｄｉｎｇ 等［２０］ 將生態(tài)環(huán)境作為一個獨立的系統(tǒng)，但未能區(qū)分不同資源系統(tǒng)對生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，從大氣、水體、土地及環(huán)境方面全面考察生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展狀況，并從國家尺度構(gòu)建水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)指標體系，綜合分析２００５—２０２０年我國各地理分區(qū)水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)演變趨勢，應用多因素分析法分析各子系統(tǒng)對多維系統(tǒng)協(xié)調(diào)演變的驅(qū)動情況，以期為我國水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)多維系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

１ 研究方法與數(shù)據(jù)來源

１．１ 指標體系構(gòu)建

為全面體現(xiàn)各地區(qū)資源稟賦、社會、經(jīng)濟等方面情況，本文從自然稟賦、開發(fā)程度、安全程度、資源消耗及經(jīng)濟效益角度，構(gòu)建我國水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)多維指標體系（見表１）?？紤]到生態(tài)系統(tǒng)作為一切社會生產(chǎn)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(tài)子系統(tǒng)指標的選取主要考慮資源系統(tǒng)在大氣、水體、土地等方面對生態(tài)環(huán)境的影響，同時兼顧人類為改善環(huán)境而采取的努力。

１．２ 水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型

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

１．４ 數(shù)據(jù)來源

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

２ 結(jié)果與討論

２．１ 水資源－能源－糧食－生態(tài)多維系統(tǒng)耦合評價結(jié)果分析

我國水資源－能源－糧食－生態(tài)多維系統(tǒng)的耦合評價結(jié)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(tǒng)之間具有較高的耦合度。耦合協(xié)調(diào)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(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢良好。各子系統(tǒng)中，糧食子系統(tǒng)評價指數(shù)和生態(tài)子系統(tǒng)評價指數(shù)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(tǒng)評價指數(shù)２０１３年之前增速較快，年均增速１１％；生態(tài)子系統(tǒng)評價指數(shù)２０１３ 年之后增速較快，年均增速１４％。水資源子系統(tǒng)評價指數(shù)變化較為劇烈，出現(xiàn)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(tǒng)評價指數(shù)整體呈平滑下降趨勢，從２００５ 年的０．６０ 下降為２０２０ 年的０．４３。

結(jié)合２００５—２０２０ 年我國七大地區(qū)水資源－能源－糧食－生態(tài)多維系統(tǒng)耦合評價結(jié)果，將耦合協(xié)調(diào)狀況劃分為４ 個時段，結(jié)果見表３。２００５—２００８ 年，除東北和華中地區(qū)外，其余地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度多年均值均小于０．６，處于勉強協(xié)調(diào)發(fā)展階段。２００９—２０１２ 年，除西南地區(qū)外，其余地區(qū)耦合協(xié)調(diào)水平從勉強協(xié)調(diào)發(fā)展階段過渡到初級協(xié)調(diào)發(fā)展階段，其中東北地區(qū)率先進入中級協(xié)調(diào)發(fā)展階段，主要得益于糧食子系統(tǒng)評價指數(shù)的快速提升（從０．５６ 上升到０．９１）。２０１３—２０２０ 年，我國各地區(qū)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平從初級協(xié)調(diào)發(fā)展階段向中級協(xié)調(diào)發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，其中華北地區(qū)２０１７—２０２０ 耦合協(xié)調(diào)度多年均值為０．８２，進入良好協(xié)調(diào)發(fā)展階段，這主要得益于南水北調(diào)工程的運行，其不僅緩解了華北地區(qū)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(tài)環(huán)境［２３－２４］ ，同期水資源和生態(tài)子系統(tǒng)評價指數(shù)分別提升了０．２８ 和０．１５，多維系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)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(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)驅(qū)動力分析

２．２．１ 相關(guān)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(tài)多維系統(tǒng)每２ ａ 的耦合協(xié)調(diào)度變化量，將計算結(jié)果與耦合模型計算結(jié)果進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示擬合優(yōu)度Ｒ２ ＝０．９９２，具有顯著相關(guān)性，說明該方法可以用來分析各系統(tǒng)對耦合協(xié)調(diào)度的貢獻率。

２．２．２ 水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)驅(qū)動力分析

２０２０ 年水資源－能源－糧食－生態(tài)多維系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度比２００５ 年增大了０．２９，根據(jù)多因素歸因法計算結(jié)果可知，耦合協(xié)調(diào)度的增大主要來自糧食、生態(tài)、水資源子系統(tǒng)的正向驅(qū)動，三者貢獻率分別為５２％、３３％和５％，說明２０２０ 年糧食、生態(tài)、水資源子系統(tǒng)的整體情況比２００５ 年均有所改善，尤其是糧食子系統(tǒng)在種植規(guī)模和技術(shù)方面提升顯著，如糧食播種面積、產(chǎn)量和自給率分別增長了８％、４８％、７％，秸稈固化成型和碳化技術(shù)使得優(yōu)質(zhì)化能源利用量增長了１０ 倍左右。然而，能源子系統(tǒng)表現(xiàn)為負向驅(qū)動，貢獻率為１０％，說明能源子系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的提升后勁不足。生態(tài)子系統(tǒng)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(tài)環(huán)境保護與治理成效顯著，如水質(zhì)優(yōu)良河流占比從６３％增加到８０％，農(nóng)業(yè)污水和工業(yè)廢水ＣＯＤ 排放量分別下降了９８％、８４％，生態(tài)用水量從１０５ 億ｍ３ 增加到３０６ 億ｍ３，清潔能源發(fā)電量占比從２４％增加至３４％、節(jié)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(tài)子系統(tǒng)在一定程度上是資源系統(tǒng)行為結(jié)果的綜合反映，容易受資源系統(tǒng)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(tǒng)的貢獻率整體呈不斷上升趨勢，２０１７—２０２０ 年水資源子系統(tǒng)貢獻率最高（為６０％），能源子系統(tǒng)由負向驅(qū)動轉(zhuǎn)為正向驅(qū)動（貢獻率為３％），說明水資源子系統(tǒng)在該時段改善最為明顯，能源子系統(tǒng)未來提升的潛力較大。

各地區(qū)各子系統(tǒng)在不同時段對多維系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的貢獻率見表４?？梢钥闯?，２００５—２００８ 年糧食子系統(tǒng)貢獻率最大的是東北地區(qū)（貢獻率為６２％），這主要得益于東北地區(qū)糧食子系統(tǒng)規(guī)?？焖贁U大，其播種面積、糧食產(chǎn)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(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略，糧食子系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模和水平得到普遍提升［２５］ ，除華北和華東地區(qū)貢獻率相對較小外，其余各地區(qū)糧食子系統(tǒng)貢獻率均在５０％及以上。２０１３—２０１６ 年，生態(tài)子系統(tǒng)成為各地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度提升的主要驅(qū)動因素，其中華北和華南地區(qū)的生態(tài)子系統(tǒng)貢獻率較高，分別為５４％和４１％，華北地區(qū)主要是城市綠地面積、河流水質(zhì)、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(qū)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(tǒng)成為各地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度提升的主要驅(qū)動因素，貢獻率最大的地區(qū)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(jié)水型社會建設(shè)、水資源合理配置與水安全供水保障等相關(guān)政策規(guī)劃的有效落實［２６］ ，各地區(qū)用水總量增速減緩甚至總量減少，２０２０ 年各地區(qū)平均用水總量比２０１７ 年下降３０ 億ｍ３。各地區(qū)能源子系統(tǒng)貢獻率在２０１７ 年之后大多由負轉(zhuǎn)正，華北和東北地區(qū)貢獻率相對較低，主要原因是能源子系統(tǒng)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(qū)能源資源量比２０１７ 年下降約４％。

３ 結(jié)論與建議

１）２００５—２０２０ 年，我國水資源、能源、糧食、生態(tài)子系統(tǒng)之間具有較強的關(guān)聯(lián)性，水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平整體呈上升趨勢，但各子系統(tǒng)發(fā)展水平存在較大差異，與優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展水平還有一定距離。

２）２００５—２０１２ 年，糧食子系統(tǒng)因生產(chǎn)規(guī)模及水平的大幅提升而成為驅(qū)動水資源－能源－糧食－生態(tài)多維系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度上升的主要因素，但２０１２ 年之后糧食子系統(tǒng)生產(chǎn)水平有所下降。因此，建議開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品附加價值或發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)等，以提升糧食規(guī)模效益和糧食子系統(tǒng)生產(chǎn)水平。

３）２０１３—２０１７ 年，生態(tài)子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)均為水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的主要驅(qū)動力。然而，生態(tài)子系統(tǒng)作為一切生產(chǎn)行為的載體往往更容易受到其他子系統(tǒng)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(tài)子系統(tǒng)水平穩(wěn)步提升并逐漸參與市場機制，將良好生態(tài)環(huán)境蘊含的生態(tài)價值轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟價值，推動生態(tài)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢。

４）２００５—２０１３ 年，水資源子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)因受粗放式開發(fā)利用的影響而對水資源－能源－糧食－生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生負面影響。２０１３ 年之后，隨著我國深化改革、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推動綠色低碳發(fā)展以及建設(shè)調(diào)水工程等一系列舉措，使水資源子系統(tǒng)水平明顯提升。在經(jīng)濟社會發(fā)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(fā)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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［１８］ 李波，嚴建飛．黃河流域水－能源－環(huán)境系統(tǒng)動態(tài)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究［Ｊ］．人民黃河，２０２２，４４（７）：５９－６３．

［１９］ ＬＩ Ｊ Ｓ， ＳＵＮ Ｗ， ＬＩ Ｍ Ｙ， ｅｔ ａｌ． Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｄｅ?ｇｒｅｅ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ， Ｌｉｖｉｎｇ ａｎｄ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｐａｃｅｓ ａｎｄ ＩｔｓＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｃｌｅａｎｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ， ２０２１，２９８：１２６８０３．

［２０］ ＤＩＮＧ Ｊ Ｐ， ＤＥＮＧ Ｍ Ｈ． Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＷａｔｅｒ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｆｏｏｄ?Ｅｃｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｄｅｌｔａ［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ， ２０２２，２２（９）：７２７２－７２８０．［２１］ ＹＡＮＧ Ｗ Ｊ，ＺＨＡＯ Ｙ，ＷＡＮＧ Ｑ Ｍ，ｅｔ ａｌ．Ｃｌｉｍａｔｅ， ＣＯ２，ａｎｄ Ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ Ｄｒｉｖｅｒｓ ｏｆ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ＶｅｇｅｔａｔｉｏｎＧｒｅｅｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｈａｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，２０２２，１４（２）：２６８．

［２２］ 楊雪琪，武瑋，鄭從奇，等．基于Ｂｕｄｙｋｏ 假設(shè)的沂河流域徑流變化歸因識別［Ｊ］．水土保持研究，２０２３，３０（２）：１００－１０６．

［２３］ 賈毅，張松林．南水北調(diào)中線工程途經(jīng)區(qū)生態(tài)服務價值的時空變化［Ｊ］．生態(tài)學報，２０２１，４１（１８）：７２２６－７２３７．

［２４］ 陳曉楠，段春青，崔曉峰，等．基于可變云模型的南水北調(diào)中線供水效益綜合評價探析［Ｊ］．華北水利水電大學學報（自然科學版），２０１９，４０（３）：３２－３８．

［２５］ 黃佩民．中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的歷程和發(fā)展創(chuàng)新［Ｊ］．農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，２００７（２）：１２９－１３４．

［２６］ 梅錦山，酈建強，丁躍元．發(fā)揮規(guī)劃引領(lǐng)作用落實“節(jié)水優(yōu)先”方針：對“十三五”節(jié)水型社會建設(shè)規(guī)劃編制工作的思考［Ｊ］．中國水利，２０１５（７）：１１－１３．

【責任編輯 張華興】