中國水資源-能源-糧食綠色發展耦合協調效應及其空間效應

李進秋，黃德春，黃寅文

(1.河海大學商學院，江蘇南京 211100；2.江蘇省世界水谷與水生態文明協同創新中心，江蘇南京 211100；3.河海大學產業經濟研究所，江蘇南京 211100)

2011 年德國波恩召開的水-糧食-能源安全紐帶關系會議首次正式提出水-糧食-能源安全的紐帶關系的概念。2013 年聯合國亞太經濟社會理事會在《亞太地區水-糧食-能源紐帶關系報告》中提出這種紐帶關系在時間和空間上具有緊密聯系，認為氣候變化、能源-糧食-金融危機、快速的城市化進程、過度消費等外部因素均會對紐帶關系產生影響。隨著這一概念的推廣，學術界開始逐步將其作為可持續發展領域的熱點進行研究，水資源-能源-糧食紐帶關系作為一種創新性的概念，將水、能源、糧食三種資源從三個獨立的系統視角統一到一個整體系統的視角進行研究，可以從不同國家（中國［1］、英國［2］、尼泊爾等［3］）、不同區域（農業區［4］、盆地［5］、鄉村等［6］）、不同部門（農業［7］、氣候［8］、食品等［9］）的角度進行多維度解讀，研究三者之間的互動關系，從而解決區域、國家、全球各個層面面臨的資源稀缺和配置問題，提高資源的利用效率，促進資源系統之間相互協調的可持續發展。

通過對國內外相關文獻的梳理，我們發現關于水資源-能源-糧食研究主要聚焦于三大領域。一個熱點領域為水資源-能源-糧食關系的研究邊界的科學界定、資源的相互依賴性關系的模型創建和量化研究。具有代表性的有Cudennec 等［10］從認識論的角度對三者關系的概念進行界定和評估。Babaie等［11］從復雜系統的視角構建了FEW 本體模型，界定三個系統的主要結構和動態概念，并發現各個系統元素之間的聯系，從而更好地評估相關決策。孫才志等［12］以四種情景進行仿真模擬，在單要素基礎上協同分析三者的紐帶關系。Purwanto 等［13］開發了一個關于世界經濟論壇安全的庫存流圖(SFD)，用于分析實施三項計劃的政策干預的影響。第二個熱點領域是水資源-能源-糧食三者關系在不同區域的運用及其安全性問題。其中發現以水為三者關系中的主要制約因素的研究較多，如Barik 等［14］以印度北-西中部區域、Aubriot 等［15］以尼泊爾北部、Bahri 等［16］以印尼最大水庫為案例進行研究，都發現直接和間接的缺水風險對區域水、食物和能源安全性具有非常重要的影響。第三個熱點領域是結合經濟環境問題，研究提高三種資源的利用效率的方法，促進資源系統之間的可持續發展。具有代表性的有Arthur 等［17］通過文獻研究，將主要的FEW 關聯指標劃分為四個組，構建了一個全面的可持續發展指標體系。Anser 等［18］運用解耦狀態的Tapio 彈性模型研究了溫室氣體排放與水-能源-糧食資源的關系。Al-Ansari 等［19］通過研究三者關系整合溫室氣體控制技術來提高糧食生產系統的環境性能。Biebei 等［20］利用決策工具進行三類資源關系的可持續規劃。蓋美等［21］對涵蓋經濟社會、管理維護系統及三類資源系統指標的綜合安全水平進行了測度并分析其協調發展趨勢。通過對文獻的分析，我們發現國際上對于水資源-能源-糧食關系的研究比較流行，近年來研究成果呈現快速增長的趨勢，研究方法也呈現多樣化的趨勢。相對而言，中國對于水資源-能源-糧食紐帶關系的研究起步較晚，相關成果較少，研究方法較為單一，針對中國區域的研究非常有限。綠色發展是中國當前的重要發展戰略，在綠色發展理念下構建水資源-能源-糧食三者協同發展是三者系統發展的高級階段。本文結合經濟、環境系統研究綠色發展視角下中國水資源-能源-糧食的五元系統協調發展和空間效應，對推動我國水資源-能源-糧食可持續性具有重要現實意義和社會價值。

1 研究方法和數據來源

本文的研究對象是中國水資源-能源-糧食綠色發展系統，通過選取具有代表性的指標構建水資源-能源-糧食-環境-經濟五元系統來代表整體綠色發展系統，對每一個子系統和五元系統的綜合值進行打分，對子系統之間的耦合協調度進行測算分析，并進一步研究了五元系統耦合協調度的空間效應，結合重要的影響因素分解其對五元系統耦合協調度的直接效應、間接效應和總效應，從而研究每個因素的空間作用規律，發現其對本省份及鄰近省份的五元系統耦合協調度的空間影響作用。

1.1 水資源-能源-糧食綠色發展的綜合評價模型

首先根據水資源-能源-糧食-環境-經濟五個系統構建綠色發展的綜合評價指標體系，具體指標情況見表1。各子系統的指標選取是綜合評價模型科學性的重要保證，本文綜合考慮了各子系統的特性和數據的可得性，參考了李成宇等［22］的研究，系統、全面、真實地搜集了水資源、能源、糧食三類資源系統的指標；考慮到資源使用對環境的影響，參考黃杰［23］、高贏［24］的研究，環境子系統選擇了主要的五類環境污染物排放量；而經濟系統作為并列獨立的子系統主要從地區生產總值（GDP）、均值、增長速度及其構成進行考量選取。

表1 水資源-能源-糧食綠色發展綜合評價指標體系

然后根據各個指標的特性對其進行無量綱化處理，在處理過程中，正向指標的值越大越好，而負向指標的值越小越好，經過處理的指標值都處于［0,1］的區間。

在系統評價中，參考周振等［25］的研究，對五個子系統分別采用幾何平均法，計算各個系統的綜合評價指數。本文考慮各個子系統的指標對綠色發展綜合指標具有相同的重要性，因而采用同等權重，從而將五個子系統指標乘以權重轉化為綠色發展的綜合指標。

式中，F代表了五元系統的綜合評價指數，分別代表水資源、能源、糧食、經濟、環境系統指數。

1.2 耦合協調度模型

耦合協調度模型可以分析各系統之間的協調發展水平，共涉及三種指標，分為為耦合度C、協調度T、耦合協調度D。

耦合度C反映各系統之間的相互影響，可以反映系統之間的相互依賴程度。C值越大，代表n元系統的耦合程度越高。參考叢曉男［26］、劉海濱等［27］的研究，選擇耦合度模型的公式。

給定n個系統，耦合度的一般公式可以表示為：

在綠色發展的五元系統中，五元系統的耦合度的表達式為：

協調度T表示耦合作用中良性耦合的程度，可以反映各系統間協調狀況的優劣，計算公式為：

式中，βn代表第n個系統的權重，在本文中，設置五個子系統同等重要，為等權權重，均取值為1/5。

結合耦合度和協調度可以測算系統的耦合協調度D，耦合協調度可以更好地反映系統之間的良性聯系，確保系統之間合理健康發展。耦合協調度的模型表達式為：

1.3 空間計量模型

考慮到經濟、社會活動對環境與資源配置的影響，對基于環境與資源影響關系的STRIPAT 模型進行拓展，考慮將區域財富水平GDPP、城鎮化率URB、就業結構EMP、技術水平TEC、創新能力INN 等變量加入對資源耦合協調度D 影響的模型，使其轉化為：

被解釋變量為五元系統的耦合協調度GD。解釋變量包括：區域財富水平GDPP 為各省份人均生產總值。經濟較發達的地區，政府的管理能力和資源利用的技術水平相對較強高，對資源利用的可持續發展起到推動作用；城鎮化率URB 為城市人口的比重。城鎮化水平越高，人們可以接觸到更多的城市資源并努力提高生產力，從而追求更高的收入水平來提高消費能力，但是過度注重經濟發展卻增加了能源消耗，忽視了環境保護和資源的科學利用，從而影響了區域綠色發展耦合協調度；就業結構EMP為第三產業就業人員占比。就業結構影響生產結構，人力資源的產業分配情況對不同產業不同資源的生產和消耗起到重要的影響，政府在引導區域人力資源配置時的統籌考慮對綠色發展耦合協調度有重要作用；技術水平TEC 以單位生產總值能耗為代表。單位生產總值能耗越低則技術水平越高，區域技術水平對資源的使用效率有直接影響，清潔能源的使用和能源利用效率的提高能降低環境污染，提高經濟發展水平，從而提升綠色發展耦合協調度；創新能力INN 以政府研發經費的內部支出水平為代表。政府對研發經費的使用直接影響到區域資源的科學利用，研發經費是否進行了合理安排，是否綜合考慮到各類資源的可持續發展，會對綠色發展耦合協調度產生直接的影響。

使用全局Moran's 指數對各個省份的五元系統資源的耦合協調度進行測度，發現其表現出空間上的相互依賴和溢出的特性，根據LM 檢驗對空間計量的模型進行鑒別選擇，選擇空間滯后面板數據模型（SLPDM）對STRIPAT 進一步進行空間上的拓展。模型設定為：

1.4 數據來源

基于樣本的可得性和數據質量的可靠性，本文選取了2005—2019 年中國30 個省份為研究樣本，由于西藏和港澳臺地區的數據缺失較多，暫不納入樣本范圍。文中所用數據主要來源于2006—2020年的《中國統計年鑒》《中國城市統計年鑒》《中國能源統計年鑒》及國家數據網站等，少量缺失部分運用插值法進行補齊，所有涉及金額的數據均以2000 年各省份GDP 平減指數進行平減處理。

2 實證分析

2.1 水資源-能源-糧食綠色發展指數的時空特征

根據綜合評價模型可測算出2005—2019 年中國30 個省份水資源-能源-糧食-經濟-環境五元系統各自的指數和五元綠色發展綜合指數、各年指數均值及其變異系數。

從各系統指數均值情況和變異系數的折線圖（見圖1）來看，總體上看，研究期內五元系統綜合指數和變異系數都保持在0.2～0.3 之間，整體趨勢相對平穩。從各個子系統情況來看，水資源系統綜合指數和變異系數表現較為平穩，并保持在中低的水平。能源系統綜合指數基本最低，但從2008 年開始有了大幅增長，從0.1 上升到0.2 并逐漸保持平穩，其變異系數從2005—2014 年開始有了大幅下降，降回到0.5，隨后保持平穩后略有上升。糧食系統綜合指數在0.3 左右徘徊并保持平穩，變異系數相對較高，基本大于0.6。經濟系統綜合指數的綜合指數和變異系數都保持在中等水平并相對平穩。環境系統的綜合指數較高，均高于0.6，變異系數最低，基本低于0.4，綜合指數和變異系數均保持了相對平穩的趨勢。

圖1 2005—2019 年中國五元系統綠色發展指數均值及其變異系數

為了比較研究期內各子系統和綠色發展五元系統綜合指數均值的區域差異，本文制作了水資源-能源-糧食-經濟-環境各系統和五元系統綜合指數均值的對比表，見表2。從五元系統綜合指數均值的空間分布來看，綜合綠色發展指數的區間為［0.10,0.40］，排名前三的省份為吉林、湖南、黑龍江，排名后三位為河北、上海、寧夏。水資源系統指數的區間為［0,0.50］，排名前三的省份為青海、四川、云南，排名后三位為寧夏、上海、江蘇。能源系統指數的區間為［0,0.50］，排名前三的省份為內蒙古、陜西、山西，排名后三位為浙江、江蘇、海南。糧食系統指數的區間為［0,0.80］，排名前三的省份為黑龍江、吉林、河南，排名后三位為北京、青海、海南。經濟系統指數的區間為［0.1,0.60］，排名前三的省份為江蘇、廣東、浙江，排名后三位為海南、青海、甘肅。環境系統指數的區間為［0,1］，排名前三的省份為海南、北京、天津，排名后三位為河北、山東、山西。各子系統和五元系統綜合指數均值呈現出明顯的省份差異。

表2 樣本省份水資源-能源-糧食-經濟-環境各系統和五元系統綜合指數均值

表2（續）

2.2 三元、五元系統耦合協調度情況對比分析

通過耦合協調度模型測算研究期內30 個省份的三元（水資源-能源-糧食）及五元（水資源-能源-糧食-經濟-環境）的耦合協調度均值情況，測度結果和排名情況見表3。通過對比發現，各省份從三元到五元系統的耦合協調度呈現了明顯的提升情況。因此在五元系統內研究水資源-能源-糧食-經濟-環境的耦合協調性可以全面地反映社會綠色發展的綜合水平。

表3 樣本省份三元、五元系統耦合協調度均值及排名情況

表3（續）

表3（續）

對比排名情況發現，各省份的三元系統耦合協調度在引入經濟、環境系統后都發生了不同程度的變動。三元系統耦合協調度排名前三位為內蒙古、吉林、黑龍江；排名后三位為上海、北京、寧夏。五元系統耦合協調度排名前三位為吉林、湖南、四川；排名后三位為河北、上海、寧夏。從三元系統到五元系統排名變化程度較大的有河北（上升13 名）、山東（上升9 名）、浙江和福建（下降8 名），排名不變的有寧夏。

各省份研究期內五元系統耦合協調度的均值主要集中于區間［0.3～0.7］，為了確定各省份耦合協調度的類型，參考劉海濱等［27］對耦合協調度的區間劃分，按照均值大小將其劃分為四個區間：0.3～0.4為輕度失調，0.4～0.5為瀕臨失調，0.5～0.6為勉強協調，0.6～0.7 為初級協調。大部分省份2005 與2019 年的耦合協調度都在瀕臨失調與勉強協調區間，耦合協調度水平還比較低。2005 與2019年處于輕度失調的省份由北京、河北、上海、寧夏4 個變為河北1 個；2003 年沒有省份達到初級協調，2019 年新增一個省份吉林達到初級協調，見表4。

表4 樣本省份2005、2019 年五元系統耦合協調度分類變化情況對比

2.3 綠色發展耦合協調度的空間效應分析

以綠色發展耦合協調度為被解釋變量的空間計量模型揭示了各類重要因素對綠色發展五元系統耦合協調度的作用效果，可以分為總效應、直接效應和間接效應，從空間上反映了每一個影響因素對本區域耦合協調度的作用和對鄰近區域耦合協調度的溢出效應。

首先對耦合協調度數據進行空間自相關分析，使用Moran'sI和Geary'sC指數進行檢驗，結果如表5 所示。可以看出五元系統的耦合協調度在大多數年份內都呈現出顯著正向的空間自相關，表現為正向的空間集聚現象，耦合協調度高的地區的周邊地區的耦合協調度也較高。Moran'sI指數和P值在研究期間內呈現波動趨勢，其中2010—2013 年Moran'sI指數較大超過0.2同時P值較小，較為顯著。其余年份的Moran'sI指數小于0.2，并逐年上下波動。這說明各省份耦合協調度的空間分布情況不夠穩定。

表5 五元系統耦合協調度的Moran's I 和Geary's I 檢驗

Moran'sI指數證明了耦合協調度存在空間自相關，進一步對主要年份使用局部Moran'sI散點圖來反映耦合協調度空間聯系的局部情況，如圖2 所示，研究期內處于一、三象限的省份基本大于20 個，比例達到67%，說明耦合協調度的空間集聚特征非常明顯，耦合協調度呈現出“高-高”和“低-低”集聚的現象，各省份的耦合協調度在空間上依賴性較強，因此，在建模時選擇空間計量模型是正確合理的。

圖2 五元系統耦合協調度主要年份的局部Moran's I 散點

進行空間計量分析需要選擇合適的計量模型，本文運用Stata 15 軟件對模型進行LM 檢測，檢測結果見表6。通過LM 檢驗發現空間誤差模型的P值均不顯著，而空間滯后模型在1%水平下顯著，說明需要選擇空間滯后模型來進一步測試。

表6 LM 檢測結果

本文通過Stata 15 軟件測算出隨機效應和固定效應模型的檢驗結果，見表7。通過對比，發現Rho 值在1%的水平上顯著，綠色發展耦合協調度表現出顯著的空間相關關系，再次驗證了選擇空間計量模型的必要性。對比兩種模型的R-sq 和Loglikelihood 值，發現固定效應模型對應的值都高于隨機效應模型，模型擬合的效果更好，因此選擇固定效應的空間滯后模型來做解釋。

表7 空間滯后模型的估計與檢驗結果

以下部分對每一個重要變量的空間效應進行了實證分析，揭示了其對綠色發展五元系統耦合協調度的作用效果，從空間上可以分為總效應、直接效應和間接效應。

從表8 回歸結果來看，區域財富水平、就業結構都顯著地促進了綠色發展耦合協調度的提升，而政府創新支出、城鎮化率、單位生產總值能耗都顯著地抑制了耦合協調度。結合表7 空間溢出結果的情況來看，每一個變量的變動不僅引起本省份耦合協調度的變化（分解為直接效應），也會對周邊省份的耦合協調度產生影響（分解為間接效應）。

表8 空間滯后模型空間溢出情況

人均生產總值代表了區域財富水平（GDPP），隨著經濟的合理發展，人們可以有更多的財富積累來關注更高層次的需求-綠色發展，并有充分的經濟基礎來促進綠色發展所涉及的各類資源的合理安排。本省份的財富水平提高也會產生示范效應，從而引導帶動周邊省份的資源配置優化，促進經濟發展，從而也促進周邊省份的耦合協調度的上升。

第三產業就業人員占比代表了就業結構（EMP），顯著為正說明了日益增長的第三產業就業情況促進了綠色發展耦合協調度。第三產業的發展使得區域能源消耗日益減少，從而減少能源消耗產生的污染，帶來環境效益的提升。政府在引導區域人員就業時需要考慮統籌兼顧，在發展第三產業的同時需要考慮第一產業、第二產業的重要性和三大產業間的相互作用，合理進行人力資源的區域配置，使其可以促進綠色發展系統中各類資源的協調發展。本地政府對人力資源的產業配置安排對周邊省份的政府行為產生了借鑒和引導作用，良好的三大產業整體人力配置和資源協調關系的考慮促進了其他區域耦合協調度的提升。

城鎮化率為城市人口的比重（URB），隨著農村人口向城市人口的轉變，人們可以接觸到更多的城市資源并努力提高生產力，從而追求更高的收入水平來提高消費能力。但是過度注重經濟發展卻增加了能源消耗，忽視了環境保護和資源的科學利用，從而抑制了區域綠色發展耦合協調度。城鎮化率的提升帶來的對綠色發展耦合協調度的抑制作用會逐漸向周邊區域擴散，引起周邊省份的效仿行為，提升自身的城鎮化率，追求經濟發展，但卻降低了周邊省份綠色發展的耦合協調度。

政府研發經費的內部支出水平代表了政府創新行為支出（INN），顯著為負說明政府方面在開展實踐的時候沒能很好地考慮區域綠色發展耦合協調度的眾多因素，沒能充分發揮研發支出的社會經濟調節能力，需要在日后制定研發支出計劃時充分考慮資源間協調發展的因素，不能顧此失彼。由于鄰近省份政府間的績效評價和政府行為具有對比性和模仿性，導致周邊省份的研發經費也沒能發揮應有的效力，降低了耦合協調度。

單位生產總值能耗代表了區域技術水平（TEC），顯著為負說明能源的使用效率與綠色發展耦合協調度成正比，在開展社會生產活動中需要不斷提升科學技術水平，開發清潔能源，提升能源利用效率，從而降低能源使用成本并減少環境污染。本省份的能源技術水平會產生技術溢出從而對周邊省份的技術水平產生影響，本省份的能源利用水平降低會抑制周邊省份的耦合協調度。

3 結論與建議

當前中國的發展已經進入了一個新的時期，中國政府提出了適應時代發展要求的新發展理念，包括創新、協調、綠色、開放、共享的內涵，因此，在社會經濟發展的實踐中，注重資源-經濟-環境的綠色發展，結合水資源-能源-糧食的重要性，引導區域間五元系統的協調發展，是迎合中國國情和時代發展要求的必然結論。本文通過構建水資源-能源-糧食-經濟-環境五元系統綠色發展指標體系，研究各子系統和綜合綠色發展指標的區域差異。進一步運用耦合協調度模型對比分析了三元、五元系統的耦合協調度的時空變化趨勢，最后運用固定效應的空間滯后模型分析了五元系統綠色發展耦合協調度的空間關聯性、空間溢出效應和動因。結果顯示：

（1）我國五元系統各自的指數呈現出明顯的區域差異，五元系統綜合綠色發展指數水平較低并保持平穩趨勢。五元系統綜合綠色發展指數排名較前的有吉林、湖南、黑龍江；水資源系統指數排名較前的有青海、四川、云南；能源系統指數排名較前的有內蒙古、陜西、山西；糧食系統指數排名較強的有黑龍江、吉林、河南；經濟系統指數排名較前的有江蘇、廣東、浙江；環境系統指數排名較前的有海南、北京、天津。由于各省份的經濟基礎和資源稟賦的不同，各類子系統的發展狀況有明顯差異。

（2）各省份從三元到五元系統的耦合協調度呈現了明顯的提升情況，考慮到經濟環境的五元系統耦合協調度水平可以更全面地反映社會綠色發展的綜合水平。但是大部分省份的五元系統耦合協調度水平仍舊不高，保持在瀕臨失調和勉強協調的水平，需要引起相關政府部門的重視，在追求經濟系統發展的同時兼顧其他子系統的發展。

（3）Moran'sI指數證明了五元系統綠色發展耦合協調度存在空間自相關，局部Moran'sI散點圖顯示綠色發展耦合協調度呈現出“高-高”“低-低”的正向空間集聚，說明各省份的綠色發展耦合協調度在空間上依賴性較強。

（4）通過空間計量模型的驗證發現，綠色發展五元系統耦合協調度的重要空間影響因素包括區域財富水平、創新能力、城鎮化率、就業結構、技術水平，每一個變量都具有不同的空間效應，不僅引起本省份綠色發展耦合協調度的變化（分解為直接效應），也會對周邊省份的綠色發展耦合協調度產生影響（分解為間接效應）。

基于以上結論，提出如下政策建議：

（1）政府在制定區域規劃和管理政策時，需要根據區域資源稟賦情況，在繼續保持部分資源優勢的同時想辦法解決其他資源匱乏的問題，在發展經濟的同時加強環境管制，通過科學的方法努力提高資源的利用效率，減少各類環境污染物，最終通過各類子系統指數的提升來促進五元系統綜合指數的提升，使區域資源與環境、經濟實現可持續發展。

（2）各省份需要統籌考慮各類資源和經濟、環境系統之間的耦合協同作用，防止區域資源的此消彼長和錯配。對于處于輕度失調區間的地區如河北，需要引起政府的足夠重視，積極查找原因，加強政府管控和資源的科學配置，努力提高其五元系統的耦合協調度；對于處于瀕臨失調和勉強協調的大部分省份，也要提高警覺性，防止五元系統耦合協調度的下降；對于處于初級協調的地區如吉林，在繼續保持優勢地位的同時可以為其他省份樹立典型案例，對于其科學的綜合治理經驗進行廣泛宣傳，發揮其模范帶頭作用。

（3）政府需要考慮每一個重要因素對五元系統耦合協調度空間上的直接效應和間接效應。繼續促進區域財富的積累和人民生活水平的提高；科學引導城鎮化的進程，在追求消費能力提升的同時需要積極喚醒人們的綠色意識，注重經濟發展的同時懂得如何科學利用各類資源，并且重視環境保護；政府在規劃研發支出的時候需要綜合考慮各子系統耦合協調的關系，提高其資源配置功能；在引導社會就業時政府需要統籌考慮各產業人力資源的科學安排，通過改變產業布局引導各類資源的可持續發展；繼續提高區域科學技術水平，可以從提升能源的使用效率和改善能源結構出發，積極開發使用綠色能源，降低單位生產總值的能耗。