黃河流域糧食與能源水足跡壓力與綠色發展脫鉤關系研究

高 甜，楊肖麗

（河海大學水文水資源學院，南京210098）

0 引 言

黃河流域是中國主要的糧食產區以及能源發展產業的主體區域[1]，擁有中國50%煤炭基地和70%的煤電基地[2]，在中國經濟社會發展格局中具有重要戰略地位。受地理位置的影響，黃河流域大部分地區屬于干旱、半干旱地區[3]，始終面臨著降水少、蒸發量大以及水資源分配不均等多種水資源問題，水資源較為匱乏[4]。因此，為實現黃河流域生態保護和高質量發展的戰略目標，亟需協調黃河流域水-能源-糧食系統與綠色發展的關系。

水-能源-糧食紐帶關系下的資源限制風險是全球三大主要風險（宏觀經濟失衡風險、非法經濟風險、資源限制風險）之一[5]。我國關于水-能源-糧食系統之間相關關系的研究近年來逐漸增多，研究視角多集中三個方面：①探究水-能源-糧食系統的紐帶關系，如耦合協調程度[6]、適配性等[7]。②評估水-能源-糧食的安全性以及可持續發展[8]，為水-能源-糧食的綜合管理提供決策依據。③分析水-能源-糧食系統的利用效率及影響因素[9]。但是，以往的研究尺度主要針對全國、省、市級區域，對于流域等中觀尺度視角的研究不夠豐富[2]，并且較少有學者從水足跡的角度來分析糧食和能源面臨的水資源壓力與綠色發展的關系。黃河流域作為我國重要的生態保護區、糧食與能源主產地，需要全面考慮糧食、能源和綠色發展的相互關系。

鑒于此，本研究量化了黃河流域9 省糧食和能源水足跡，探究其發展變化趨勢，分析水足跡及虛擬水流動對水資源壓力的影響。并從“五大發展理念”出發，構建綠色發展指數指標體系測算黃河流域綠色發展程度，最后采用Tapio 脫鉤模型探究能源和糧食水足跡壓力指數與綠色發展指數之間的關系，以期為黃河流域高質量發展提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

黃河流域流經山西、山東、河南、內蒙古、四川、陜西、寧夏、青海、甘肅9 個省，流域面積為79.5 萬km2，為探究黃河流域水資源與綠色發展的關系，本研究根據糧食、能源足跡計算公式得出9省水足跡，并根據水足跡與可利用水資源之間的關系求得水足跡壓力指數。最后根據水足跡壓力指數與綠色發展指數之間的脫鉤指數判斷黃河流域經濟社會綠色發展水平與水資源壓力之間的脫鉤關系。

1.1.1 水足跡計算

（1）糧食水足跡計算。糧食水足跡是指糧食作物在生長過程的用水量，包括藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡以及虛擬水流動量。由于糧食作物生長過程中土壤施肥量和農藥等數據較難獲取，且計算方法及指標尚未形成統一標準[10]，故本研究不考慮糧食灰水足跡，僅考慮藍水足跡（WFf,blue）、綠水足跡（WFf,green）以及虛擬水流動量（WFv,f）。

式中：WFif為糧食作物總水足跡；i為省份；λgi是復種指數；為農作物播種面積；Pei為有效降雨量。

有效降雨量運用美國農業部土壤保護局推薦的方法[11]進行計算，公式如下。

式中：P和Pe分別表示降雨量和旬有效降雨量（10 d降雨量）。

式中：IRgi指單位面積作物灌溉用水；指有效灌溉面積；G'i指糧食流出量；Gpi指糧食生產量；Gci指糧食消費量，糧食消費量根據肖國安[12]的研究方法計算獲得。

（2）能源水足跡計算。能源水足跡評價模型是基于ISO方法[13]構建的，用于評估能源生命周期的各個的過程水足跡，主要包括煤炭開采和洗選過程、石油和天然氣開采過程以及發電過程（包括火力發電和水力發電）。能源水足跡（WFe）包括藍水足跡（WFe,blue），灰水足跡（WFe,gray）以及外部水足跡（WFe,v）。灰水足跡指能源利用過程中用于稀釋污染物到排放標準的需水量。

式中：j表示能源類別；指能源單位水足跡；Pi,j指能源產量；指能源單位產量直接水足跡；指能源單位產量間接水足跡。

式中：M指單位能源生產的污染物排放量；Cmax為水中可接受的污染物濃度；Cnat指自然水的污染物濃度。

式中：P'i,j指能源流出量；指能源消費量。

（3）水足跡壓力指數。為對比不同地區糧食能源水足跡與水資源的匹配程度，借鑒李云玲等[14]的研究方法構建水足跡壓力指數F，用來表示糧食和能源水足跡對水資源產生的壓力。

式中：Ffi與Fei分別為糧食和能源水足跡壓力指數；和WFei分別為糧食和能源水足跡；Qi為可利用水資源量。

根據水足跡壓力指數（F）的大小，可將水資源面臨的壓力分為4 個等級：無壓力(F≤0.2)、中等壓力(0.21)。

1.1.2 綠色發展指數

在黨的十八屆五中全會上，習近平同志提出創新、協調、綠色、開放、共享“五大發展理念”，將綠色發展作為關系我國發展全局的一個重要理念，黃河流域應當緊跟國家的步伐，從“五大發展理念”出發，提升流域的及國際社會發展水平。因此，本研究在前人研究[15]基礎上，從創新、協調、綠色、開放、共享5個基準層構建的指標體系（見表1）。

表1 綠色發展指標體系Tab.1 Green development index system

由于不同指標的評估標準存在差異，需要對各指標進行無量綱化處理以便對比同一指標在不同時期及不同地區的表現。

對于正向指標：

對于負向指標：

式中：Xp,q為指標的原始數據；X'p,q指標準化后數據，p=1，2，…，m（評價年份數），q=1，2，…，n（評價指標數）。

計算信息熵：

Lpq為第p年第q項指標值占該項指標的比重，Eq為第q項指標的信息熵。為避免ln0情況出現，Lpq=0時，本研究令其等于0.000 000 001。

權重計算：Wq為第q項指標權重。

綠色發展指數：將熵權法確定的指標權重和標準化處理后的無量綱化指標值進行加權得到綠色發展指數Si。

1.1.3 脫鉤分析

脫鉤理論源于物理學領域，后逐漸被用于探究資源環境與經濟發展的相關關系[16]。Tapio 脫鉤指數可以消除基期選擇上的誤差問題[17]，是常用的脫鉤分析方法之一。本研究基于水資源壓力指數和綠色發展指數構建脫鉤模型，以衡量綠色發展與水資源利用之間的脫鉤關系。

式中：t1、t2表示起始年的終止年E表示脫鉤系數；ΔFi和ΔSi分別表示水足跡壓力指數與綠色發展指數的變化率。

根據脫鉤系數以及水資源壓力指數變化情況可分為8種脫鉤類型[18]，如圖1所示。

圖1 綠色發展指數與水足跡壓力指數脫鉤關系類型Fig.1 Types of the decoupling relationship between green development index and water footprint pressure index

1.2 數據來源

作物產量、種植面積和有效灌溉面積數據來自的《中國統計年鑒》，《中國農業年鑒》。糧食消費量計算過程工業食品數據來自《中國工業食品年鑒》以及《中國釀酒工業年鑒》，用水量，降雨量以及灌溉用水來自各省水資源公報。

能源產量與消費量數據來源于《中國能源統計年鑒》，在本研究中參考各省《工業取水定額》標準作為生命周期各階段的單位水足跡，在計算各能源單位產量灰色水足跡時，利用各階段的主要污染物化學需氧量（COD）排放量作為衡量指標，單位能源COD 排放量數據來源于《中國環境統計年鑒》以及相關學者研究成果[19]，煤炭、石油生產利用過程的COD排放濃度標準分別根據《煤炭工業污染物排放標準》和《石油煉制工業污染物排放標準》確定，天然氣的COD 排放濃度標準根據《地表水環境質量標準》確定。

經濟與社會相關指標來源于《中國統計年鑒》，環境指標來源于《中國環境統計年鑒》，創新發展數據來源于《中國科技統計年鑒》。研究以可利用水資源量來表示各地區水資源現狀，可利用水資源量按水資源總量的40%計算[20]。

2 結果與分析

2.1 黃河流域水足跡時空特征分析

黃河流域2011-2016年間各年份糧食水足跡變化幅度不明顯[見圖2(a)]，在研究期內略有下降，由2011年的287.2 億m3下降至2016年的270.2 億m3，下降幅度為5.9%。山東和四川兩省對黃河流域糧食水足跡貢獻最多，在2011年分別占全流域的25.9%和18.9%，一方面因為山東省和四川省灌溉用水多，糧食播種面積大，產生的藍水足跡多，另一方面因為山東省和四川省是人口大省，糧食一部分依賴于進口，因此虛擬水流入增加了這兩省的水足跡。寧夏、青海、陜西與山西對黃河流域水足跡貢獻率較低，2011年四省糧食水足跡總和僅占全流域的20.8%，2016年降為19.9%，水足跡總量為53.7億m3。山東、內蒙古以及河南的糧食水足跡逐年減少，而四川省糧食水足跡逐年增加，2015達到最大值71.3億m3。

黃河流域能源水足跡在2011-2016年呈現先上升后下降的趨勢[見圖2(b)]，2015年達到研究期內最高值264.3 億m3。四川與山東是黃河流域能源水足跡的主要供給省份，并且在研究期內水足跡有不斷增加的趨勢，其中四川能源水足跡在6年間的增幅為34.6%，山東能源水足跡從2011年的38.6 億m3增加至2016年48.0 億m3，占全流域能源水足跡的19.6%。山西省的能源水足跡波動情況最為明顯，主要與山西省能源出口量的逐年變化情況有關，在出口量少的年份虛擬水流出量少，省內能源水足跡量增多。寧夏、青海、甘肅和陜西是能源水足跡偏低的省份，四省能源總水足跡在2014年占全流域能源水足跡比例達到最大值，但也僅為22.7%。河南省和內蒙古在2011-2016年能源水足跡無明顯變化，水足跡均在30 億m3上下波動。

圖2 黃河流域糧食和能源水足跡Fig.2 Food water footprint and energy water footprint in the Yellow River Basin

2.2 黃河流域水足跡壓力指數時空分析

黃河流域各省份之間的糧食和能源水壓力指數差異性較大（見圖3），無明顯時間變化特征。其中青海、四川以及陜西在兩種狀態（含虛擬水/不含虛擬水）下基本處于糧食-水與能源-水關系無壓力狀態，主要因為其可利用水資源量大，使得面臨的缺水壓力小些。而寧夏的糧食-水與能源-水關系在兩種狀態下均處于極端壓力狀態，研究期內水足跡壓力指數均超過1。主要由于寧夏可利用水資源量極低，雖然其糧食水足跡與能源水足跡均較小，但其嚴重缺水狀態使其糧食-水與能源-水的關系極為緊張。山西省糧食面臨中等缺水壓力，但能源水足跡壓力指數超過0.4，面對的缺水壓力較大，主要因為山西省焦炭產量大，使能源產生的水足跡多，但其可利用水資源量較少，多年平均值僅為46.4 億m3，在黃河流域九省中僅高于寧夏，所以水-能關系較為嚴重。

圖3 2011和2016年黃河流域各省份兩種狀態（含虛擬水/不含虛擬水）水壓力指數空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of water stress index under two states(with or without virtual water)in provinces of the Yellow River Basin in 2011 and 2016

甘肅的能-水關系優于糧-水關系，糧食水足跡壓力指數在0.2～0.4 之間，而能源水壓力指數除了2016年在虛擬水流動的作用下超過0.2 以外，均在無壓力范圍，能源利用過程無缺水壓力。虛擬水流動對河南和山東的糧食水壓力指數影響效果不明顯，河南的糧食水壓力指數在兩種狀態下均屬于中等壓力水平，而山東省處于嚴重缺水狀態，但是，這兩省的水-能關系因為虛擬水的流入變得更加緊張，主要由于河南和山東人口基數大，工業發達，能源消耗量高，虛擬水流入增加了水足跡量，使得水資源壓力增高。虛擬水流動在一定程度上緩解了內蒙古水-糧、水-能關系，糧食和能源輸出帶走的水足跡使其糧食壓力指數有所降低，能源水壓力指數從中等壓力狀態變為無壓力狀態。

2.3 黃河流域綠色發展指數分析

黃河流域各省份在2011-2016年綠色經濟發展指數基本呈現逐年增長趨勢（見圖4），但是不同區域的經濟社會綠色發展水平與增長速度間存在著較大的差異。其中，最小值發生在2011年的甘肅，指數為0.24（見表2），最大值發生在2016年的山東，指數為0.73。另外，內蒙古和河南綠色發展指數在6年間漲幅最大，排名分別從第7 位，第6 位升至第4 位和第3位。研究期內，青海的綠色發展指數變化幅度最小，僅為9.5%。

表2 2011-2016年黃河流域各省份綠色發展指數Tab.2 Green development index of provinces in the Yellow River Basin from 2011 to 2016

圖4 2011-2016年黃河流域綠色發展指數變化Fig.4 Change of green development index in the Yellow River Basin from 2011 to 2016

黃河流域綠色發展指數在2011-2016年呈現上升趨勢，其中2013年流域均值環比增長率為10.6%，這說明2012年中國共產黨首次提出的綠色發展的理念對黃河流域整體綠色發展水平所起到一定即時性提振作用。但黃河流域綠色發展指數均值在2013-2014年有小幅度下降，這主要跟山西、陜西以及甘肅在2013-2014年綠色發展水平的下降有關，其中陜西省下降幅度達到-7.5%。

2.4 黃河流域綠色發展與水資源脫鉤分析

由于黃河流域綠色發展指數在2013年前后變化幅度較大，故以2013年為拐點，將整個研究期分成兩個階段進行分析，即2011-2013年為T1 階段，2014-2016年為T2 階段。考慮到虛擬水流動存在的必然性，本研究僅考慮包含虛擬水流動下的水足跡壓力指數與綠色發展指數之間的脫鉤分析，將糧食水足跡壓力指數（以下簡稱糧壓指數）和能源水足跡壓力指數（以下簡稱能壓指數）的總和稱為水足跡總壓力指數。

2.4.1 綠色發展指數與糧食、能源水足跡壓力指數脫鉤分析

T1（2011-2013年）階段，內蒙古和寧夏綠色發展指數與糧壓、能壓指數的脫鉤類型均為強脫鉤（圖5），說明區域綠色增長的同時，糧壓、能壓指數均有所下降，這也正是綠色發展與水-能源-糧食系統的最優協調發展要求。甘肅和四川糧壓指數與綠色發展指數為強脫鉤狀態，但能壓指數與綠色發展指數是弱脫鉤狀態，說明能源水足跡壓力指數上升速度低于綠色發展的速度，處于相對協調的發展狀態。青海與山西綠色發展水平的上升引起糧壓指數降低的同時能壓指數增加。陜西、河南和山東的糧壓、能壓指數與綠色發展指數均為擴張負脫鉤關系，綠色發展主要依賴粗放式的要素投入，是最不理想的發展形勢。

圖5 黃河流域各省綠色發展指數與糧食、能源水足跡壓力指數脫鉤分析Fig.5 Decoupling analysis of green development index and food，energy and water footprint stress index of provinces in the Yellow River Basin

T2（2014-2016年）階段，各省綠色發展指數與糧壓、能壓指數脫鉤狀態變化較大。山西、山東和河南綠色發展指數與糧壓、能壓指數的脫鉤類型均變為強脫鉤，區域綠色發展呈現可持續發展態勢。寧夏綠色發展指數與糧壓、能壓指數的脫鉤類型分別為強脫鉤和弱脫鉤，綠色發展處于相對可持續的狀態。陜西與甘肅綠色發展指數與糧壓指數的脫鉤類型變為增長連接，即綠色發展指數與糧壓指數的增長速度基本持平，綠色發展指數與能源水足跡壓力的脫鉤狀態不變。內蒙古綠色發展指數與糧壓、能壓指數脫鉤狀態變差，綠色發展與水資源的關系變得相對緊張。青海和四川的糧壓、能壓指數隨著綠色的發展而上升，其中糧壓指數上升趨勢更為明顯，說明該階段綠色發展速度的加快同時也增加了水資源環境壓力。

2.4.2 綠色發展指數與水足跡總壓力指數脫鉤分析

T1 階段，有5 個區域（山西、山東、河南、陜西和青海）水足跡總壓力指數與綠色發展指數之間為擴張性負脫鉤狀態，4個區域（內蒙古、四川、甘肅和寧夏）為強脫鉤狀態（見表3），其中陜西的脫鉤指數高達4.66，內蒙古的脫鉤指數低至-2.58。T2 階段，脫鉤類型空間差異性較大，黃河流域整體脫鉤狀態有所好轉，流域脫鉤類型由擴張性負脫鉤轉為弱脫鉤，脫鉤指數由1.13降低為0.21，表明綠色發展的速度快于水足跡總壓力指數上升速度。從各省的脫鉤指數來看，山西、山東和河南的脫鉤指數明顯降低，由擴張負脫鉤類型變為強脫鉤類型，水-能源-糧食系統的綠色發展水平上升。內蒙古、甘肅和四川的脫鉤指數均有不同程度的增加，脫鉤狀態有所惡化，T2階段的脫鉤類型分別為弱脫鉤、弱脫鉤以及增長連接，說明綠色發展水平上升的同時，水足跡總壓力指數均有不同程度的增加。陜西和青海的脫鉤指數在兩個階段均超過1.2，水-能源-糧食的可持續發展程度低。寧夏在T1階段和T2階段均為強脫鉤狀態，說明綠色發展指數增加，水足跡總壓力指數下降，即資源環境的耗損在綠色發展水平提高的同時得到有效調控。

表3 黃河流域綠色發展指數與水足跡總壓力指數脫鉤結果Tab.3 The results of decoupling between the green development index and the total water footprint stress index in the Yellow River Basin

3 結論與建議

本研究以2011-2016年黃河流域為研究對象，從水足跡的角度探究各省份能源與糧食水足跡引起的水資源壓力，并運用Tapio 脫鉤模型探究其與綠色發展的關系，主要得出以下結論：

（1）黃河流域糧食水足跡略高于能源水足跡，并且區域間糧食和能源水足跡具有空間差異性，其中山東和四川的水足跡最大，寧夏、青海、陜西與山西水足跡偏低。建議通過技術手段減少糧食生產和能源開發利用各階段的需水量，達到節水效果，進而降低各地區的水資源消耗。

（2）各省份水足跡壓力指數差異性較大，青海、四川以及陜西糧食和能源基本處于無壓力狀態，寧夏則面臨極端的缺水壓力。為緩解部分區域缺水問題，應增強節水意識，協調區域間水資源關系，必要時可以通過進行調水增加區域水資源量。

（3）各省份綠色發展指數基本呈現逐年增長趨勢，山東和四川的綠色發展水平最高，陜西和寧夏綠色發展程度偏低。為進一步增強綠色發展水平，各區域應該促進科技創新能力，加快區域產業轉型，減少廢棄物排放量，加強環境治理力度，通過政策或者資源優勢吸引外商投資，增強區域協調和共享水平。

（4）T1階段，黃河流域糧食-水系統與綠色發展的協調性優于能源-水系統，T2階段糧壓、能壓與綠色發展指數的脫鉤類型增多，山西、山東和河南整體呈現可持續發展態勢。T2階段黃河流域水足跡總壓力指數與綠色發展指數的脫鉤狀態較T1 階段有所改善，流域整體處于相對協調發展狀態。為保證水資源與綠色發展處于協調狀態，一方面應積極推進高質量發展戰略，增強區域的綠色發展水平。另一方面，應該通過技術和政策手段控制黃河流域水資源壓力。