“水-能源-粮食纽带关系”典型国家实践及启示

文章从水与能源、水与粮食之间的纽带关系出发,对美国、英国、以色列等典型国家的政策实践进行跟踪,研究提出对我国水、能源以及农业发展领域战略及政策制定的启示与建议。

国内外“水-能源-粮食”纽带关系研究的发展现状与热点分析

当今,为了缓解水、能源、粮食3种资源供需矛盾对国际社会造成的沉重压力,从而促使对“水-能源-粮食”纽带关系的探究成为了国际学术界一项热门的研究课题。为了把握国内外“水-能源-粮食”纽带关系研究的发展脉络,以便能够为未来的“水-能源-粮食”纽带关系研究提供科学的理论依据和研究建议,本文决定将Web of Science核心合集数据库与中国知网(CNKI)数据库作为数据来源,利用VOSviewer和CiteSpace计量软件对以往的“水-能源-粮食”纽带关系研究进行梳理,通过对该研究领域所涉及的文献数量、作者合作情况、国家合作情况等信息的可视化呈现,以突发关键词为重点,从时间维度角度来探究“水-能源-粮食”纽带关系研究的发展概况与变化趋势。研究结果表明:1)2010—2022年对“水-能源-粮食”纽带关系的研究已受到国内外学术界的一致重视,论文发文数量呈现出持续增长的趋势,并且各研究国之间均存在着较为密切的合作关系。2)可持续发展、气候变化、治理、研究模型是以往研究文献中出现次数较多的关键词,不但反映出对“水-能源-粮食”纽带关系研究要基于可持续发展的前提之下,而且还拓宽了该纽带关系的研究范围、研究视角、研究方法。3)2010—2022年对“水-能源-粮食”纽带关系的研究已经从纽带关系的内部机制拓展至纽带关系的外部环境,研究方法也由较多的定性分析转向了定量化的模拟预测分析。4)经关键词时间线演进趋势和突现强度分析表明,当前学术界对于“水-能源-粮食”纽带关系的研究已呈现出由初步探索向着纵深解析的转变,并且新的研究方法已被学术界广泛应用于对“水-能源-粮食”纽带关系的探索之中。

我国东北生态系统服务供需匹配关系——基于水-能源-粮食纽带视角

水、能源和粮食是人类生存发展的必要基础物资,其供给均主要源于生态系统。随着全球气候变化和人类社会经济快速发展,基础资源需求量激增,生态系统服务供需关系趋于紧张。厘清生态系统服务供需匹配关系、优化基础资源配置对生态系统可持续、协调发展具有重要意义。当前生态系统供需关系研究已较为广泛,但基于水-能源-粮食纽带的生态系统服务研究还相对较为缺乏。因此,以东北地区为例,基于水-能源-粮食关系视角,首先,借助InVEST模型、供需指数(SDI)、Spearman相关性分析等方法分析了产水(WY)、固碳(CS)和粮食(FP)供需服务时空格局、相关性和空间匹配模式;其次,基于省级、市级、县级、流域、格网5种不同空间尺度,进一步探究了各服务的空间尺度效应,并确定资源管理的最优空间尺度;最后依据“分区控制-分类策略-分级治理”理念提出了一种水-能源-粮食集成管理方案和政策建议。研究结果表明:(1)2000—2020年,东北地区的供给服务中WY和FP为上升态势、CS为下降态势,就空间分布来看,WY和CS大致为“东高西低”,FP则是“西南、东北高,西北、东南低”;需求服务中WY、CS和FP均为上升态势,空间上大致呈“中间高四周低”分布。(2)WY和FP的SDI上升,CS则相反;不同尺度下的SDI具有空间异质性,县域尺度最为显著。(3)FP为主要功能分区,重点管控为主要分类,亟待全面提升生态系统服务供给能力。本研究对区域基础资源合理配置和可持续的生态系统管理具有重要科学参考价值和现实意义,同时对东北地区生态系统供需服务匹配以及水-能源-粮食纽带协同发展具有重要意义。

黄河流域水-能源-粮食纽带系统效率研究

为了促进黄河流域高质量发展,考察黄河流域水-能源-粮食(W-E-F)纽带系统效率及其影响因素,并从中探寻提高系统效率的途径。首先借助三阶段DEA模型测算2005—2021年黄河流域及各省(区)W-E-F纽带系统效率,其次对黄河流域整体及各省(区)效率测算结果进行时空分析,最后使用双向固定效应模型实证考察W-E-F纽带系统效率的影响因素。研究表明:1)黄河流域整体W-E-F纽带系统效率呈现波动上升趋势,并呈现上、中、下游效率依次上升的空间分布格局;2)黄河流域各省(区)具备一定的资源配置能力,第三阶段规模效率有所下降;3)粮食安全、能源安全、环保支出、研发投入以及人均GDP都对W-E-F纽带系统效率起到显著的正向促进作用。

“水资源-能源”纽带关系视角下西北地区能源产业可持续发展路径研究

基于“水资源-能源”纽带关系视角,利用Vensim PLE软件构建因果关系流图以分析西北地区水资源与能源之间的关联,设定常规发展、节水节能政策深入落实、节水节能技术改进、能源产业结构改善等情景,并采用系统动力学模型模拟比较2022—2030年GDP、单位能源生产用水量、万元GDP能源消费量和能源紧缺程度4项指标在不同情景下的发展趋势。结果表明:西北地区经济水平将持续提升,单位能源生产用水量、万元GDP能源消费量、能源紧缺程度将持续下降;与常规发展情景相比,其他情景中西北地区GDP、能源生产用水效率的提升幅度和万元GDP能源消费量、能源紧缺程度的下降幅度将更大;节水节能政策深入落实对万元GDP能源消费量、能源紧缺程度改进效果最为明显,节水节能技术改进则对单位能源生产用水量的抑制作用较为明显,能源产业结构改善能兼顾对单位能源生产用水量、万元GDP能源消费量、能源紧缺程度的约束效果。提出以节水节能政策深入落实、节水节能技术改进、能源产业结构升级等为主导的能源产业可持续发展路径,以促进西北地区能源产业的可持续发展。

“水-能源-粮食”纽带关系下区域绿色发展政策仿真研究

"水、能源、粮食"是人类生存和发展的物质基础,在各自独立的研究领域和两两资源的关联研究中取得了长足进步,但是将其作为一个系统进行的分析则少之又少。针对水、能源、粮食之间存在模糊的系统边界,彼此之间存在复杂的关联关系的问题,本文采用系统分析的方法,构建"水-能源-粮食-经济社会"PSR模型和SD模型,刻画信息流、物质流、政策流等在四个子系统之间传递与互动的过程。在此基础上提出WEF协同安全框架。以山东省为例,开展"水-能源-粮食"纽带关系下区域绿色发展政策仿真研究。研究表明:WEF之间存在纽带联系。在保持当前趋势下,2017-2020年,山东省会出现水和能源短缺的局面,粮食自给率大于1,水环境逐步改善。在调整粮食种植结构政策下,2017年水资源需求能够满足,2018-2020年水资源依然短缺。调整粮食种植结构对提高能源自给率影响不大,但有利于进一步改善粮食自给率,减少粮食种植对水环境的影响。在发展生物质能的政策下,水资源自给率、能源自给率、粮食自给率变化微弱,能源生产对水环境的影响明显改善。在同时调整粮食种植结构和发展生物质能的政策下,水资源自给率、能源自给率均比调整粮食种植结构有所增加,但幅度很小,对减少能源开采和粮食种植对水环境的效果明显。因此,山东省应基于WEF纽带关系制定相关资源管理政策。通过种植结构调整,提高水资源自给率。通过种植结构调整和发展生物质能减少农业面源污染和能源开采水体污染。从而改善地区的水生态环境,推动地区的水、能源、粮食的协同发展,促进地区经济社会绿色发展。

黄河流域水资源-能源-粮食纽带关系研究

黄河流域是中国重要的能源基地和粮食主产区,而水资源短缺使流域可持续发展面临严峻挑战。为评估流域能源、粮食生产耗水与区域水资源之间的平衡关系,基于2007-2017年黄河流域9省(区)能源耗水量和粮食耗水量,对耗水压力的时空格局演化特征进行综合研判。结果表明:在研究期内,黄河流域能源耗水量和粮食耗水量都呈现波动上升趋势;山东省多年平均能源耗水量和多年平均粮食耗水量最高;流域平均单位粮食产量蓝水足迹为0.37 m3/kg,中下游区单位粮食产量蓝水足迹明显高于上游区的;基于虚拟水视角和实体水(蓝水足迹)视角所得到的粮食生产耗水量数据,构建了两种水压力指数评价方案,两种方案均显示出水压力指数呈逐年上升的趋势,但方案一显示各省(区)均处于低耗水压力区,方案二显示水压力指数具有明显的空间差异性。

基于水-能源-粮食纽带关系的灌区水土资源多目标优化配置模型研究

从水-能源-粮食纽带关系的角度,研究构建了灌区水土资源多目标优化配置模型方法,提出了包括灌溉效益净值最大化、水分生产率最大化、粮食生产能源效率最大化的目标函数,以及体现水资源、能源和粮食生产之间交互关系的决策变量、约束条件和模型参数取值;针对模型多个优化解的问题,提出了水-能源-粮食优选指数和水-能源-粮食综合效益指数,为多组优化配置方案的进一步比选和综合效益量化提供了决策参考。以某大型灌区为例进行了模型应用与优化计算,得到了8组优化结果和一个最优方案,并分别针对实际配置情况和优化配置情况进行评价对比。研究结果表明:实例灌区优化方案的粮食产量、水分生产率和能源效率与优化前实际情况下提升了8.31%、18.93%和15.49%,灌溉净效益仅减少0.32%,但灌区综合效益提升了11.11%,模型优化效果明显;所提出的配置模型能较为清晰地展现灌区在资源消耗、粮食产量和经济收益等方面的相互制约关系,且不同的求解方案对于节水、节能、增产、增收等方面具有不同程度的偏向性,所提出的指数能够实现优中选优的比选,以此开展水土资源优化配置实践,能充分发挥灌区水资源及能源的利用效率、提升作物产量和灌溉效益,为灌区水土资源高效利用提供了一种新思路。

黄河流域山东段“水-能源-粮食”纽带系统协同发展研究

目前,黄河流域山东段正面临着生态系统风险、水资源短缺、粮食供给压力和能源减排等多重挑战。该文通过构建黄河流域山东段(YRB-sd)“水-能源-粮食”(WEF)纽带系统评价指标体系,综合评估了2010—2020年YRB-sd-WEF系统的时空分布模式及各子系统的主要障碍因素。研究结果表明,水资源子系统中,水资源开发利用率是阻碍黄河流域山东段城市有序度提升的关键因素,多数地市在2018年后水资源开发利用率障碍度显著上升。单位GDP耗水量障碍度相对较小且变化平稳,但产水模数障碍度在各地市表现出显著差异。在能源子系统中,农业柴油消耗是各地市能源子系统提升的主要障碍因素,且大部分地市在这一指标上的变化不大。总用电量障碍度逐年缓慢上升,特别是在部分地市如淄博和东营,工业用水比例障碍度呈上升趋势。综上所述,该文的研究为黄河流域山东段区域粮食、能源和水资源系统的耦合协调发展提供了科学依据和政策建议,有助于实现区域的可持续发展和高质量发展。

基于投影寻踪模型的水-能源-粮食-人口系统安全评价

河北省作为京津冀城市圈中不可或缺的一部分,其水、能源、粮食、人口等资源安全稳定对于整个区域经济和社会的发展尤为重要。为了深入了解河北省水-能源-粮食-人口系统的安全状况,将人口因素纳入水-能源-粮食系统进行分析,构建水-能源-粮食-人口系统的安全评价指标体系,运用基于麻雀算法改进的投影寻踪模型对河北省2010—2019年水-能源-粮食-人口系统安全进行时空演变综合评价。结果表明:在研究期,河北省水-能源-粮食-人口系统安全等级逐渐升高,各市的水-能源-粮食-人口系统安全差异性降低;河北省各市水-能源-粮食-人口系统安全等级值在1.32~3.95之间,说明该系统安全处于不安全、亚安全、安全3个等级。建议河北省根据自身资源优势,合理分配资源,实现水、能源、粮食和人口的协调发展。

黄河流域水-能源-粮食关联系统协同安全时空特征及驱动因素

水、能源、粮食是实现黄河流域国家战略的关键要素与有力支撑。在分析水-能源-粮食关联系统协同安全机理的基础上构建协同安全度评价指标体系,基于2000-2019年黄河流域85个地级市面板数据,采用改进的耦合协调度模型测度水-能源-粮食关联系统的协同安全度,利用核密度函数、空间计量模型探讨其时空特征及影响因素。结果表明:①2000-2019年黄河流域水-能源-粮食关联系统综合安全水平总体表现为上升态势,空间上整体呈现从东向西递减的态势;②研究期内黄河流域水-能源-粮食关联系统协同安全度的空间差异变化较明显,空间格局由研究初期“下游>上游>中游”向研究末期“下游>中游>上游”演变;③社会发展水平、教育状况、创新投入水平和投资水平对协同安全度产生正向影响,经济运行水平、贸易水平和环境污染程度则产生负向影响。

水-能源-粮食纽带关系:地球科学的认知与解决方案

水-能源-粮食纽带关系正逐渐成为国际社会关注的重点议题。本文梳理了纽带关系的提出与发展,认为其发展经历了从"单一中心",向"双双关联",再到三者"纽带关系"的整合过程。并从地球科学的角度出发,分析了水-能源-粮食纽带关系在资源利用、空间分布和形成演化等方面的复杂性表现,指出认识和应对纽带关系在可持续发展中的紧迫性。本文在梳理纽带关系面临的核心问题和未来挑战的基础上,从资源调查、系统监测、大数据分析、科技创新、外部影响研究等几个方面系统总结了地球科学应对纽带关系的解决方案。

基于水-能源-粮食纽带关系的农业资源投入产出效率研究

为研究我国2010—2017年农业资源投入产出效率及时序演化特征,采用数据包络分析(DEA)方法,以中国内地31个省份为研究对象,基于农业生产中的水-能源-粮食纽带关系,构建了以农业用水量、能源产品使用量、排灌耗能量、能源产品生产用水量作为输入变量,以主要农产品生产总量、第一产业国内生产总值(第一产业GDP)为输出变量的评价指标体系。结果表明,我国有19个省份尚未达到DEA有效状态,大部分省份的农业资源投入产出效率有较大上升空间。研究表明,我国大部分省份(20个)的综合效率主要受纯技术效率的影响,其中最典型的宁夏、甘肃、新疆三个西北省份的纯技术效率明显落后,资源利用效率和管理水平有待提高。

京津冀地区水-能源-粮食系统安全耦合协调发展特征评价

以京津冀地区为研究区域,选取28个代表性指标,利用层次分析法构建水-能源-粮食耦合安全综合指标体系,运用耦合协调度模型和障碍度模型分析2000-2020年水-能源-粮食系统耦合安全性和影响因素。研究结果表明:京津冀地区水安全、能源安全和粮食安全系统综合评价指数呈整体上升的趋势,其浮动范围为0.3~0.7;水-能源-粮食系统耦合协调度年际间均呈上升趋势,北京市耦合协调度最高,河北省耦合协调度较低;人均水资源量、废水中COD排放量、人均能源消费量和亩均农用机械总动力为京津冀地区主要障碍因子。未来北京应调整用水结构、挖掘节水潜力。天津市和河北省要注重优化能源消费结构,进行低碳技术创新,加大脱碳步伐,其中河北省农业发展需要进一步采取节水灌溉措施、减少农作物受灾面积。

水-能源-粮食纽带关系耦合模拟模型及案例研究

水-能源-粮食纽带关系(Water-Energy-Food Nexus,WEF-Nexus)是可持续发展领域的新课题。为定量分析WEF-Nexus对区域水、能源、粮食的供应、需求、自给率产生的影响,在考虑资源纽带关系的基础上,基于生命周期理论和灰色预测方法构建了水-能源-粮食纽带关系耦合模拟模型。以江苏省为例,模拟其在不同情境下2017-2020年的资源供需、自给率及不同消费部门的满足度变化。结果表明:在保持当前趋势下,水资源自给率和粮食自给率暂时高于100%,但有下降趋势,能源自给率未达到90%;在调整能源生产结构和消费水平后,能源自给率和水资源自给率均有所提高;在调整粮食种植结构后,粮食自给率提高但用水量可能也会相应增加,不利于水资源自给率的提高。

水-能源-粮食纽带关系定量研究方法综述

在总结水-能源-粮食纽带关系研究中,使用频率较高或潜力较大的8种水-能源-粮食纽带关系定量研究方法为:水-能源-粮食纽带关系工具2.0(WEF Nexus Tool 2.0);生命周期评价(LCA);可计算的一般均衡模型(CGE);系统动力学模型(SD);气候、土地、能源与水资源策略(CLEWS);基于社会生态系统代谢的多尺度综合评价(MuSIASEM);市场配置/市场配置系统集成模型(MARKAL/TIMES)和水资源评价规划模型-长期能源替代规划系统(WEAP-LEAP)。通过总结各研究方法的产生、发展及特性,并引用案例讨论其适用范围,分析其优缺点和在使用时需要注意的问题。在此基础上,对未来水-能源-粮食纽带关系定量研究方法的发展趋势进行讨论,认为伴随可持续发展问题关注度的上升与水-能源-粮食纽带关系内在机理的挖掘,未来的水-能源-粮食纽带关系定量研究方法将更加注重量化的精确性和数据的互通以及跨学科研究和多方法的耦合。本文可为水-能源-粮食纽带关系定量研究方法的选择和更新优化提供参考。

水-能源-粮食纽带关系研究综述及前景展望

水资源、能源和粮食在人类生产生活中发挥着极其重要的作用,三者之间相互影响、相互作用,逐渐形成了一种极具敏感性和脆弱性的关联关系,即水-能源-粮食纽带关系(WEF-Nexus)。目前有关WEF-Nexus的研究已成为国内外众多学者研究的热点话题之一,本研究对当前国内外WEF-Nexus的相关研究内容进行综述,从而为未来其他学者开展WEF-Nexus研究提供参考和借鉴价值。通过文献调查法,综合分析国内外相关研究文献,从概念内涵、相关理论及模型方法3个维度总结归纳WEF-Nexus概念及理论方法研究进展。研究发现在概念界定方面,目前还未形成被广泛认可的说法;在相关理论方面,国内外学者主要采用系统论、方法论、协同论等不同理论方法研究WEF-Nexus;在模型方法方面,目前主要有针对纽带关系的专用模型和适用于纽带关系的通用模型,研究工具主要分为定性研究工具和定量研究工具。此外,基于协同、安全、风险及优化等视角梳理WEF-Nexus的相关研究进展,结果表明目前WEF-Nexus协同发展评价指标主观性较强,WEF安全纽带关系研究主要集中在安全评价方面,有关安全管控等方面的研究稍欠缺,WEF-Nexus风险诊断及预警研究仍处于空白阶段。由于WEF耦合系统的复杂性,构建WEF系统优化模型具有一定的难度,且现有文献多以研究区域或流域WEF系统的优化为主,鲜有城市或家庭层面的优化研究,因此,提出未来WEF-Nexus研究的发展方向,即绿色发展下WEF-Nexus协同发展理论研究、WEF-Nexus互馈及演化机理、基于大数据技术的WEF综合决策分析平台以及重大突发事件下WEF-Nexus风险诊断预警等是未来WEF-Nexus的研究重点。

黄河中游地区水-能-粮-碳纽带关系模拟与韧性调控

水资源、能源、粮食和碳排放等对区域发展水平和生态环境质量有重要影响,其相互作用构成了复杂的纽带关系,对于区域绿色协调发展至关重要。以黄河中游地区为研究对象,采用系统动力学来探索水-能-粮-碳的关联模式,根据1999—2019年黄河中游地区的水资源、能源、粮食、碳排放现状的基础数据梳理这4个子系统的耦合关系,并对其未来30年的发展变化进行仿真模拟,从抵抗性、恢复性和适应性3个方面构建韧性评价指标体系来评价整个系统。研究结果表明:①在常规发展模式下,预计2050年水资源及粮食不会出现明显的供需缺口,而能源消费缺口会随着社会经济的发展越变越大。②每个情景的3个分数都存在差异,其中多子系统优先发展的情景在抵抗性、适应性及恢复性3个方面的表现均优于其他情景。③情景11的4个子系统都优先发展时及情景10的能源、粮食及社会经济子系统优先发展时,韧性指数从2020—2050年整体是最高的;情景11的碳排放量最低,水资源、能源及粮食供需指数都相对较高,因此情景11为最优发展模式。

基于粮食-能源-水关联关系的风险管控研究进展

粮食、能源与水三者之间由于相互需求与相互影响,已形成了密切而复杂的关联关系,同时还给生态环境、自然资源、公众健康带来了潜在风险。因此基于关联关系的视角,利用综合的手段来对粮食-能源-水系统的风险进行分析和调控,对我国目前环境风险管理具有重要意义。本文在查阅相关研究成果的基础上,分别从两两关联、三者关联、三者关联系统相关的风险研究等方面对粮食-能源-水关联系统及相关风险的研究进展进行系统梳理和归纳总结,总结发现:已有研究较多关注两两之间关联性的定量测算和相关治理措施,缺乏将三者看作一个整体系统的量化研究,且基于流域层面等较小尺度的研究方法还相对不够成熟。在三者关联的风险研究方面,已有部分从能源-水关联角度开展的风险研究,但从三者整体关联系统角度开展的风险研究还比较少,且所选用的风险表征指标较为单一。另外,已有针对粮食-能源-水关联系统的研究仅仅是单向的风险评估,还缺乏根据风险评估结果对三者关联系统进行动态反馈调控等内容。在此基础上,本文提出基于粮食-能源-水关联系统的风险管控研究框架及核心研究议题,主要包括构建粮食、能源、水三者之间的耦合模型;通过量化耦合系统产生的压力和污染,运用多指标表征耦合系统所带来的风险,进而建立粮食-能源-水关联系统与风险的关联传导机制;并基于风险评估结果和风险管理的关联关系建立动态调节与反馈机制,从而为基于粮食-能源-水关联的区域环境风险管控提供科学依据。

中国水资源-能源-粮食纽带系统效率时空分异特征

采用SBM-DEA模型、网络DEA模型及双变量空间自相关方法对1997—2017年中国30个省级行政区的水资源-能源-粮食纽带系统(WEF系统)效率进行测度,并分析了其时空演化特征。结果表明:研究时段内,中国水资源、能源、粮食3个子系统的效率值呈现逐年上升趋势,水资源子系统、粮食子系统的效率值提升趋势明显,能源子系统效率值提升速度较为缓慢,空间分布上东部地区各子系统的效率值明显高于中部和西部地区;水资源子系统、能源子系统、粮食子系统效率值之间的空间相互作用存在一定差异,但协同作用的地区分布范围较为一致;中国WEF系统效率值呈波动上升趋势,而区域分布上,东部地区、东北地区、中部地区、西部地区的效率平均值呈依次下降的趋势,高效率区主要分布在东部沿海与黄河流域中下游地区,而西部地区则是低效率聚集区。