中國省際水-能源-糧食耦合協調度及影響因素研究

李成宇　張士強

摘要?我國水資源、能源、糧食消費量均居世界首位，如何保證水資源-能源-糧食之間的協調發展成為我國實現可持續發展急需解決的關鍵問題?；隈詈蠀f調度模型測算2003—2015年我國省際水-能源-糧食耦合協調度，并結合ESDA方法和空間計量模型探討水-能源-糧食耦合協調度的空間相關性及影響因素。結果表明：①我國省際水-能源-糧食子系統及綜合評價指數水平較低，呈現上升態勢，其空間分布格局與我國水-能源-糧食資源稟賦分布格局相一致。②我國省際水-能源-糧食耦合度已處于高水平，但我國省際水-能源-糧食耦合協調度水平較低，呈現出穩定上升態勢，存在較大的提升空間;我國省際水-能源-糧食耦合協調度具有顯著的空間分異規律，各地區空間差異性明顯，呈現出東北>中部>東部>西部的空間分布格局。③我國省際水-能源-糧食耦合協調度呈正向空間自相關性，集聚狀態明顯，但分布格局不夠穩定，易發生變動。④我國省際水-能源-糧食耦合協調度的影響因素主要有經濟發展水平、經濟集聚、技術進步、教育、人口和農林支出。因此，國家應針對水、能源、糧食的協調發展進行頂層設計，統籌考慮水、能源、糧食與產業布局及行業外部影響的關系。通過技術進步來提升水、能源、糧食的利用效率，保證協調發展的質量。各省市則應結合自身實際情況，制定有針對性的措施，彌補短板，促進其水-能源-糧食的協調發展。

關鍵詞?水-能源-糧食;耦合協調度;影響因素;ESDA;空間計量

中圖分類號?X24

文獻標識碼?A?文章編號?1002-2104（2020）01-0120-09?DOI：10.12062/cpre.20190832

水、能源、糧食是維系人類生存，推動經濟運行，維持社會可持續發展的重要戰略資源，三者之間存在相互關聯、制約、依存的復雜關系。自2011年世界經濟論壇發布《全球風險報告》將“Water-Energy-Food Nexus”風險群納入三大風險群以來[1]，各國逐漸認識到水、能源、糧食三者關聯關系對經濟和社會可持續發展的重要性。而我國正處于新型工業化和城鎮化進程的加速推進階段，對于水、能源、糧食的需求量極大，更因為人口眾多，雖然資源總量大，但人均資源量遠低于世界平均水平，再加上我國水資源大多集中在南方，農業生產和能源儲備集中在北方的特殊分布格局，致使我國水資源緊張，能源需求增加，糧食供給不確定性加劇等現象頻繁發生，水、能源、糧食三者之間的相關性和約束性特征也日益突出。因此，研究水-能源-糧食耦合協調發展對促進我國區域可持續發展具有重要意義。

1?文獻綜述

國外學術界對水-能源-糧食的研究已非?；钴S，研究重點主要集中在兩個方面：一方面是針對水-能源-糧食邊界的劃定和關聯關系的闡述。例如，Hoff[2]、Conway等[3]、Zhang等[4]分別針對水-能源-糧食的概念、邊界、關聯關系、面臨挑戰等方面進行詳細的闡述分析。另一方面是在考慮社會、環境等因素的影響下，水-能源-糧食關聯關系動態變化的描述與策略的探索。例如，Schreiner和Baleta[5]、Mercure等[6]通過對南共體、巴西水-能源-糧食的發展機會以及制約因素展開研究。這些研究對認識水-能源-糧食關聯關系、制定符合自身需求的可行政策具有重要意義。但現有研究多是基于定性研究方法，定量研究相對較少且呈現零散性特征，丞待實現進一步的突破。其中，Sherwood等[7]利用LCA模型測算美國各經濟部門的水、能源、糧食強度。Hernandez等[8]通過動態仿真模型評估英國生態城市的水、能源、糧食供需關系。White等[9]利用MRIO模型評價東亞地區水-能源-糧食投入與環境產出的競爭需求。Ibrahim等[10]通過DEA模型對OECD國家的水-能源-糧食關聯效率進行了實證分析。國內針對水-能源-糧食的研究相對滯后，現有研究多是針對水-能源-糧食關聯關系相關理論、概念的定性研究，例如，李桂君等[11]、常遠等[12]、鄭人瑞等[13]都嘗試對水-能源-糧食關聯關系進行描述性研究，并從不同視角出發，探討該領域的核心研究問題、關鍵分析工具以及未來面臨的挑戰。定量研究則相對較少，研究大都將關注點聚焦在水-能源-糧食的供需安全以及耦合協調發展領域[14-15]。同時，研究維度主要集中于城市和局部區域層面，研究方法以定性為主，定量方法則主要包括DEA模型、耦合協調模型和系統動力學模型[16-19]。

通過梳理文獻，可以看出國內水-能源-糧食的研究仍處于起步階段，研究多以定性研究為主，定量研究較少。雖已有水-能源-糧食耦合協調領域的研究成果發表，但研究不夠深入，研究僅以測算分析為主，缺少對水-能源-糧食耦合協調度空間分布特征、影響因素等方面的研究，且研究尺度都集中在個別省市或局部區域，缺少對我國省際層面的研究。基于此，本文對我國省際水-能源-糧食耦合協調度進行測算分析，并通過ESDA分析方法和空間計量模型對水-能源-糧食耦合協調度的空間特征和影響因素進行探索性分析，以期為水-能源-糧食耦合協調度的提升和區域可持續發展提供參考借鑒。

2?研究方法與數據說明

2.1?水-能源-糧食協調發展作用機理

水-能源-糧食是一個具有復雜性、不確定性，層次性的開放系統。構成該系統的諸多要素間存在著相互依存、相互作用的復雜關系，既相互促進又相互制約，既存在積極影響又存在消極影響，因此分析水-能源-糧食相互作用機理，是水-能源-糧食實現耦合協調發展的首要問題，通過圖1進行說明。能源為水資源開發利用提供基本保障，水資源在取用、分配、傳輸等多個環節均需要消耗大量能源。但在能源開采過程中，往往會產生破壞地表水系、擾亂水循環過程、污染地表及地下水資源等負面影響，也會加劇水資源緊缺程度。水資源是能源生產的基礎要素，能源生產從化石燃料開采加工到電力產生的全過程均需在水的采洗、冷卻、傳導等作用下實現。但由于水資源的特殊性及不均衡的分布特征，也在一定程度上限制了能源開發。水資源為糧食生產提供基本保障，糧食從作物生長到再加工的整個過程均是以水為投入要素。但由于水資源分布不均，很多地區的農業用水得不到滿足，不利于糧食生產。此外，許多未經處理過的污水都直接排入地表，污染水質和土壤，使得糧食產量降低。糧食為社會提供賴以生存和發展的基礎物質。但糧食生產過程中，使用過的化肥、農藥及其他化學物質，在降水、灌溉的作用下，流入地下或滲透到田間，使得水資源遭到破壞。能源則為糧食生產提供動力需求，糧食生產的機械化、加工、存儲以及運輸均離不開能源的支持。糧食可以為能源生產提供生物質原料。同時，水資源、能源、糧食具有廣泛的協同作用，糧食生產已從精耕細作式的生產方式向大規模機械化生產方式轉變，使得糧食生產的現代化程度和工業化程度越來越高，其所消耗的水和能源也越來越多。能源工業則是建立在水資源、能源、糧食的消耗利用基礎上，一方面糧食可以為勞動力提供生存和發展的基礎物質，另一方面，能源工業生產運行都必須依賴于穩定的能源和水資源供應，且其能耗強度與用水強度往往具有正相關關系，既是能源消耗大戶也是水資源消耗大戶。而在水資源的提取、運輸和利用過程中，水-能源-糧食的物質流也是相互交織，相互參與。

2.2?評價指標體系構建

科學合理的評價指標體系是準確把握水-能源-糧食耦合協調水平的前提，在綜合考慮水、能源和糧食耦合協調作用機理的基礎上，參考已有研究成果[14-16]，遵循科學性、系統性、全面性和真實性原則，構建我國省際水-能源-糧食耦合協調發展評價指標體系（見表1）。

2.3?研究方法

2.3.1?綜合評價指數模型

在對原始數據進行無量綱化處理后，參考周振[20]等人的研究，采用幾何平均法構建水系統指數、能源系統指數、糧食系統指數，來計算各子系統的評價指數?？紤]到水、能源、糧食之間相互關聯、相互影響、相互促進，不可分割的關系特點及可持續發展的要求，研究認為目標層和指標層之間均為等權權重。

2.3.2?耦合協調度模型

基于耦合發展理論，參考李裕瑞等[21]的方法，構建水-能源-糧食耦合模型。

2.3.4?空間計量模型

空間計量模型主要分為空間誤差模型和空間滯后模型兩種，本文根據Anselin判定準則[24]，選擇空間誤差模型研究水-能源-糧食耦合協調度的影響因素。

2.4?數據說明

2.4.1?影響因素變量選取

水-能源-糧食耦合協調度受經濟發展水平、教育、技術進步、經濟集聚、人口、農林支持等因素的影響，相關因素指標選取如下：經濟發展水平由人均GDP表示，教育由教育經費占GDP比重表示，技術進步由專利授權數表示，經濟集聚由單位面積非農產出表示，人口由總人口數表示，農林支持由農林財政支出表示。

2.4.2?數據來源

時間區間為2003—2015年，共計13a，數據主要來自歷年《中國統計年鑒》《中國能源年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國農村年鑒》并結合30省市相關統計資料進行修正。由于港澳臺及西藏地區數據可獲取性差，在研究時未作考慮。

3?測算結果分析

3.1?水-能源-糧食綜合評價分析

利用綜合評價指數模型分別測算三個子系統評價指數以及水-能源-糧食綜合評價指數，并通過圖2和表3加以說明。從圖2可知，能源評價指數水平相對較高，整體呈現上升態勢，2003—2008年期間上升態勢明顯，2008—2013年呈波動上升態勢，2013年則出現下降態勢，年平均增長率為1.5%。糧食評價指數次之，除2004年出現小幅度下降外，其他年份均呈現出良好的上升態勢，年平均增長率為4.6%。水資源評價指數水平最低，雖整體呈現上升態勢，但上下波動明顯，且增長趨勢緩慢，年平均增長率僅為1.1%。得益于水、能源、糧食三個子系統呈現出的上升態勢，我國水-能源-糧食綜合評價指數也呈現出明顯的上升態勢，且態勢穩定，研究期間內的綜合評價指數已從2003年的0.268提高至2015年的0.356，年平均增長率為2.4%。

從表3可知，我國省際水-能源-糧食子系統及綜合評價指數水平都不高，三個子系統的評價指數全國均值分別只有0.297、0.343和0.367，而水-能源-糧食綜合評價指數全國均值僅為0.326。具體來看，水資源評價指數相對較高的省市主要分布在水資源豐富的南方地區，例如浙江、四川、湖南，水資源評價指數低的省市則多集中在水資源貧乏的北方地區，例如新疆、寧夏、山西。能源評價指

數相對較高的省市主要分布在能源儲備豐富的西北及東北地區，例如陜西、新疆、黑龍江，能源評價指數低的省市則多集中在能源資源相對貧瘠的東部沿海地區，例如上海、海南、浙江。糧食評價指數相對較高的省市主要分布在農業水平發達的東部及東北地區，例如山東、江蘇、吉林，糧食評價指數低的省市則多集中在農業水平欠發達的西部地區，例如青海、新疆、海南。水-能源-糧食綜合評價指數相對較高的省市主要分布在三種資源都相對豐富的地區，例如河南、四川、湖南，水-能源-糧食綜合評價指數低的省市則集中在三種資源都缺乏的地區，例如寧夏、上海、海南。

3.2?水-能源-糧食耦合協調分析

利用耦合度模型和耦合協調度模型對2003—2015年我國省際水-能源-糧食耦合協調度進行測算，并通過圖3和表4加以說明。從圖3可知，我國整體水-能源-糧食耦合度已達到高水平且趨于穩定，研究期間內的水-能源-糧食耦合度均高于0.950。而我國整體水-能源-糧食耦合協調度水平不高，僅達到勉強協調等級，整體呈現穩定的上升態勢，耦合協調度已從2003年的0.503提高至2015年的0.582，但增長趨勢相對緩慢，年平均增長率為1.2%。各地區水-能源-糧食耦合協調度水平差異較大，總體呈現出東北>中部>東部>西部的分布格局。其中，東北地區水-能源-糧食耦合協調度水平最高，呈現良好的上升態勢，耦合協調度在0.513～0.648之間波動，年平均增長率為1.6%，自2009年后，達到初級協調等級。中部地區水-能源-糧食耦合協調度水平次之，同樣呈現良好的上升態勢，耦合協調度已從0.525穩定上升至0.629，年平均增長率為1.3%，自2010年后，達到初級協調等級。東部地區水-能源-糧食耦合協調度水平又次之，雖呈現出穩定的上升態勢，但上升態勢相對緩慢，耦合協調度保持在0.524～0.567之間上下波動，年平均增長率僅為0.03%，并于2012后出現弱下降態勢，當前僅達到勉強協調等級。西部地區水-能源-糧食耦合協調度水平最低，但呈現出明顯的上升態勢，耦合協調度已從0.463穩步上升至0.580，年平均增長率為1.9%，并于2012年后超過東部地區，目前仍位于勉強協調等級。

從表4可知，我國省際水-能源-糧食耦合度與我國整體耦合度一樣都已達到很高的水平，除寧夏和新疆以外，其他28個省市的水-能源-糧食耦合度均在0.900以上。而我國省際水-能源-糧食耦合協調度水平不高，全國均值為0.558，大多數省市耦合協調度位于0.500～0.600之間，僅達到勉強協調等級。具體來看，水-能源-糧食耦合協調度高于全國均值的省市有19個，全國占比63%，其中河南、湖南等8個省市的水-能源-糧食耦合協調度水平最高，均值均高于0.600，達到初級協調等級，全國占比26%;山東、遼寧、福建、重慶等11個省市的水-能源-糧食耦合協調度均值則位于0.558～0.600之間，達到勉強協調等級，全國占比37%。水-能源-糧食耦合協調度低于全國均值的省市有11個，全國占比37%，其中青海、海南、新疆、上海、寧夏5個省市的水-能源-糧食耦合協調度水平最低，均值均低于0.500，仍僅位于瀕臨失調甚至是失調等級，尚未實現協調，全國占比17%;山西、貴州、北京等6省市水-能源-糧食耦合協調度均值則位于0.500～0.558之間，達到勉強協調等級?？梢钥闯鏊?能源-糧食耦合協調度相對較高的省市主要分布在我國的東北、中部、西南和東部沿海地區，這些地區境內大都有大江大河經過，水資源豐富，降水量充足，農業發達，煤炭、石油、水能等能源資源充足，使得其在水-能源-糧食耦合協調度上具有一定的優勢。水-能源-糧食耦合協調度低的省市主要分布在我國的西北和北方地區，這些地區大都氣候干旱，降水量小，水資源貧乏，境內多戈壁沙漠，農業發展滯后，雖然能源資源豐富，但無法彌補水資源、糧食帶來的劣勢，導致其水-能源-糧食耦合協調度不夠理想。

4?水-能源-糧食耦合協調影響因素分析

4.1?空間自相關檢驗

根據測算出的水-能源-糧食耦合協調度，運件計算水-能源-糧食耦合協調度的Morans I指數（見表5）?？梢钥闯?，研究期間內Morans I指數均為正，其中2011年Morans I指數為0.043，未通過顯著性水平檢驗，其他年份的Morans I指數均通過顯著性水平檢驗，表明我國省際水-能源-糧食耦合協調度存在顯著的正向空間自相關關系，呈現出較強的空間集聚模式。Morans I指數由0.204提升至0.235，呈弱上升態勢，表明2003年以來，我國省際水-能源-糧食耦合協調度的空間相關顯著性有所增強，集聚態勢有所凸顯。Morans I指數波動趨勢明顯，其中2003—2011年期間Morans I指數上下波動趨勢強烈，并于2011年達到最低點，隨后開始反彈，呈上升趨勢，2014年后則趨于穩定，這表明我國省際水-能源-糧食耦合協調度的空間分布格局不夠穩定，易發生變動。

4.2?空間計量模型選擇

通過上述分析可知，我國省際水-能源-糧食耦合協調度存在明顯的空間相關性和依賴性，而使用普通回歸模型會因為空間因素的影響低估或高估某些因素的影響作用，因此本文選擇能考慮空間效應的空間計量模型來檢驗我國省際水-能源-糧食耦合協調度的影響因素?？臻g計量模型的選擇需通過LM檢驗來實現，本文通過MATLAB軟件對2003—2015年我國30省市面板數據進行LM檢驗分析，結果如表6所示。

表6結果顯示，LM-eeror通過顯著性水平檢驗，LM-lag未通過顯著性水平檢驗，根據Anselin判別準則[24]，選擇空間誤差模型?；谂袆e準則，本文分別對五種效應下的空間誤差模型進行檢驗，選取其中最為合理的模型，表7為五種效應的檢驗結果。可以看出，時空雙固定效應的空間誤差模型的判定系數為0.921，Log-L值為982.506，均高于其他四種效應。因此，本文采用時空雙固定空間誤差模型分析我國省際水-能源-糧食耦合協調度的影響因素。

4.3?空間計量結果分析

根據表7估計結果顯示，λ值顯著為正，且通過1%的顯著性水平檢驗，說明我國省際水-能源-糧食耦合協調度存在較強的空間集聚現象，印證了空間因素在模型設定中的必要性和科學性。具體來看，教育系數為0.044，通過1%顯著性水平檢驗。教育投入的提升有利于完善教育體系，提高教學質量，保證技術、知識傳播，為培育高素質國民提供物質支撐，而國民素質的提升，能夠使其更加容易學習和掌握新技術新方法，理解貫徹新政策新措施，培養減少浪費、節約資源、綠色消費的新習慣，從而促進水-能源-糧食耦合協調度的提升。經濟發展水平系數為0.061，通過5%顯著性水平檢驗。經濟發展水平高的地區，產業結構合理，基礎設施完善，技術工藝先進，在人、財、物等方面更具優勢，而這些優勢能為水、能源、糧食的利用提供良好的發展空間，促進其耦合協調度的提升。經濟集聚系數為0.041，通過5%顯著性水平檢驗。經濟集聚過程中，伴隨著各種正外部性，產生的規模經濟、成本節約、技術、知識溢出效應均會有利于水-能源-糧食耦合協調度的提升。農林支持系數為0.015，通過5%顯著性水平檢驗。農林支持力度的加大，有利于完善農田水利基礎設施，推動農業現代化發展，提升農業生產效率，促進糧食高效、高質生產，保障全社會的糧食供給，為水-能源-糧食耦合協調度的提升提供物質保障。技術進步系數為0.009，通過10%顯著性水平檢驗。技術進步能有效提高水、能源、糧食在生產開采端的勞動生產率，降低水、能源、糧食在消費端的不必要損耗和浪費，促進水、能源、糧食高效利用，從而對水-能源-糧食耦合協調產生積極影響。人口系數為-0.073，通過10%顯著性水平檢驗。人口數量越多，其對水、能源、糧食的需求量就越大，再加上當前人口主要分布在東中部地區，這些地區多少都會存在一種或多種資源供應緊張的問題，這就會大大增加資源的供應成本，導致水、能源、糧食之間無法很好的協調匹配，因而會對水-能源-糧食耦合協調度產生負面影響。

5?結論與建議

利用耦合協調度模型對2003—2015年我國省際水-能源-糧食耦合協調度進行測度，并運用ESDA分析方法和空間計量模型探討水-能源-糧食耦合協調度的空間相關性和影響因素。結果表明：①我國省際水-能源-糧食各子系統及綜合評價指數水平較低，但呈現上升態勢，其空間分布格局與我國水-能源-糧食資源稟賦分布格局相一致。②我國省際水-能源-糧食耦合度已處于高水平，但我國省際水-能源-糧食耦合協調度水平較低，呈穩定上升態勢;我國省際水-能源-糧食耦合協調度具有顯著的空間分異規律，各地區空間差異性明顯，呈現出東北>中部>東部>西部的空間分布格局。③我國省際水-能源-糧食耦合協調度呈正向空間自相關性，集聚狀態明顯，但分布格局不夠穩定，易發生變動。④我國省際水-能源-糧食耦合協調度的影響因素主要有經濟發展水平、經濟集聚、技術進步、教育、人口和農林支持?；谝陨辖Y論，提出建議如下。①國家在頂層設計中統籌考慮水、能源、糧食之間的協調發展關系。在戰略層面，統籌考慮當地產業布局與三種資源之間的關系。在政策層面，統籌考慮行業發展政策產生的外部影響以及來自其他行業的外部影響。②水、能源、糧食等相關領域既要積極引進國外的先進生產工藝、技術、方法，通過技術、知識溢出來提升自身的技術水平，又要強化自身的研發能力，努力做到引進與自主研發兩手抓、兩手硬，以此來提高資源的利用效率，保證水、能源、糧食的協調發展。③各省市則要結合自身實際情況，制定有針對性的措施，彌補短板，促進水-能源-糧食的協調發展。對于協調發展水平較高的省市，應結合自身的資源稟賦優化其產業布局，對高耗能、高耗水產業進行技術改造和升級，大力發展低能耗、綠色環保的產業。對于協調發展水平低的省市，則應加速實施土地休耕政策，加強對農業節水技術的研發，引進耐旱作物，推廣高效節水灌溉，限制、減少高耗水的能源項目，鼓勵發展耗水量小的新能源項目，鼓勵利用廢水進行能源生產。

（編輯：李?琪）

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