中國省際水資源-能源-糧食安全測度及其時空演變

黃德春，吳小慶，李進秋

(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)

水資源、能源、糧食是一個國家或地區最重要的基礎性自然資源和戰略性經濟資源，中國作為世界第一人口大國，面臨著資源時空分布不均、人口資源占有量不足等問題，資源的地理錯配問題進一步加劇了安全威脅。自2011年德國波恩會議首次將水、能源和糧食的關系界定為“紐帶關系”(WEF Nexus)以來，WEF Nexus逐漸成為辨識人與自然互動關系的一種新視角[1]，利用“紐帶關系”將水資源、能源、糧食3種資源聯系起來，可以更加深刻地理解和評價一個國家或地區的資源安全狀況[2]。因此，構建適應新時代背景的水資源-能源-糧食安全評價體系，對中國30個省級行政區(以下簡稱省份)的水資源-能源-糧食安全進行測度和分析，并具體探討不同省份的資源安全現狀、變化特征和形成原因，將有助于有關政府部門了解區域資源安全現狀和問題所在，優化各地區國土空間內的自然資源治理和管控，推進地區治理體系和治理能力現代化。

在水資源-能源-糧食紐帶關系下，不同學者對水資源-能源-糧食安全給出了不同的定義。2011年波恩會議首次指出水資源-能源-糧食安全致力于尋找減少資源權衡、促進資源協同、提高系統效率、實現可持續發展的方法，Pahl-Wostl[3]和Cai等[4]也認為水資源-能源-糧食安全的目標在于減少3種資源的權衡效應，發揮協同效應。Bhat[5]認為水資源-能源-糧食安全主要在于既要滿足伴隨著人口增長的糧食需求，同時也要滿足由于氣候變化帶來的生態需求；Venghaus等[6]考慮到食物、能源和水的相互依賴性，認為水資源-能源-糧食安全應被界定為不存在對人類福祉和與水資源、能源、糧食的生產和使用有關的生態系統的威脅。

在水資源-能源-糧食安全測算和評價方面，現有大部分學者聚焦于單一水資源安全[7-8]、能源安全[9-10]和糧食安全[11-13]的評價與分析，且測算方法各不相同，而對水資源-能源-糧食安全評價的研究大都側重于對水資源-能源-糧食的安全特征或風險特征展開描述性分析[14-16]，較少揭示特征背后的原因。在水資源-能源-糧食安全評價體系構建方面，目前國際上使用較多的RAND指數[17]和SDG指數[18]均主要側重于對一個國家或地區的水資源-能源-糧食安全評價，對于省際的資源安全評價尚不適用。另外，RAND指數在評價體系構建過程中忽略了資源需求、生態以及社會經濟方面的因素；SDG指數的評價體系過分強調了經濟、社會發展指標的重要性，使得評價結果不盡合理。

綜上所述，已有學者對水資源-能源-糧食安全給出了具體定義，并構建了相應的評價指標體系，但仍然存在以下不足之處：一是中國各地區自然資源稟賦差異和發展差異較大，其資源安全狀況也應各不相同，而目前缺乏對中國省際水資源-能源-糧食安全的評價，尤其是缺乏對安全現狀背后原因的分析和闡述；二是當前對水資源-能源-糧食安全的評價體系構建中，大多數是自然指標，但隨著中國進入高質量發展階段，社會治理能力逐漸增強，單純側重于資源稟賦角度去評價資源安全是不全面的，必須增加相應的社會、經濟指標。為彌補上述不足，筆者將根據水資源-能源-糧食安全的具體含義構建適應中國新時代背景的水資源-能源-糧食安全評價指標體系，以使評價和分析結果更加合理。

1 評價指標體系構建及測度

1.1 水資源-能源-糧食安全的概念與內涵

資源安全是指一個國家或地區可以持續、穩定、充足和經濟地獲取所需自然資源及資源性產品的狀態，以及維護這一安全狀態的能力[19]，其核心是在保證各種重要資源充足、穩定、可持續供應基礎上，追求以合理價格獲取資源，以節約、環境友好的方式利用資源，保證資源供給的協調和可持續。而水資源-能源-糧食紐帶關系視角下的資源安全側重于在整體發展運行過程中水資源、能源、糧食三者之間協調與合作的性質，系統結構中各自之間的協調、協作推動資源系統整體加強，朝著更加優化的方面發展。水資源-能源-糧食系統是由水資源、能源、糧食3種單一資源組成的綜合復雜系統，一種資源的消耗會牽動另一種資源的消耗，同時3種資源亦存在一定程度的“替代能力”，即水資源、能源、糧食三者之間 一定程度上可以相互轉化，這一特征將決定水資源-能源-糧食安全復合函數的構建，即水資源-能源-糧食安全綜合測算方法的選擇。

1.2 評價指標選取及數據來源

根據現有學者對水資源-能源-糧食安全的定義，筆者認為水資源-能源-糧食安全評價應從供給安全、消費安全、生態安全、經濟社會安全4個方面展開。其中，供給安全是指資源的自然稟賦，主要表現為資源儲量和生產量，側重衡量供給量水平、供給可靠性和供給多樣性和可持續性；消費安全是指資源的數量和質量要求，包括自給自足能力和使用效率；生態安全是指資源開發和使用過程中對環境的影響程度；經濟社會發展安全將包括支付能力、資源調配方面的考量，最終建立的中國省際水資源-能源-糧食安全評價指標體系如表1所示。

表1 中國省際水資源-能源-糧食安全評價指標體系

各三級指標的數據主要來源于《中國統計年鑒》(2003—2020)、各省份統計年鑒(2003—2020)、《中國環境年鑒》(2003—2019)及《中國能源年鑒》(2003—2019)、各省份環境狀況公報、國民經濟和社會發展公報等。

1.3 評價指標權重

目前，關于資源安全評價的文章中，大多數學者使用主觀賦權法或組合賦權法確定指標權重，考慮到使用主觀賦權法有較大的隨機性[9]，尤其當存在較多三級指標時，指標賦權會因專家的個人判斷有較大的隨意性和不穩定性，因此，筆者采用客觀賦權法中的變異系數法來確定各指標權重，在充分反映各個指標的差異和影響程度的同時避免對異常數據的敏感性，適用于筆者的研究中對不同省份的水資源-能源-糧食相對安全程度進行比較。在使用變異系數法之前，首先需要對數據進行標準化處理：

(1)

式中：X′ij為第i個省份第j項指標的標準化值；Xij為第i個省份第j項指標的實際值；max{Xij}、min{Xij}分別為第i個省份第j項指標實際值的極大值和極小值。

(2)

(3)

各項三級指標的變異系數Vj和權重wj分別為

(4)

(5)

1.4 各省份水資源-能源-糧食安全測度

由三級指標權重計算水資源安全指數λwt、能源安全指數λet、糧食安全指數λft:

(6)

(7)

(8)

式中：wj表示第j項指標的權重；Xjt表示第j項指標第t年的標準化值。根據Venghaus等[6]的研究，當單一資源之間存在一定的替代能力時，幾何平均法更適用于資源系統的安全評價測算。對于水資源、能源、糧食3種資源而言，存在一定條件下的依賴、轉化和替代能力，因此各省份第t年的水資源-能源-糧食安全的綜合評價指數為

(9)

以中國30個省份為研究對象(西藏、港澳臺地區由于部分數據無法獲取未納入研究范圍)，利用上述評價指標體系和測算方法對各省份水資源-能源-糧食安全進行測度，結果如圖1所示(僅展示部分年份)。圖1顯示，2003—2019年30個省份的水資源-能源-糧食安全值均有所提升，整體趨勢向好，而各省的變化特征和變化原因存在差異。本文第2部分將對中國30個省份水資源-能源-糧食安全的時空演變特征及成因進行分析。

圖1 主要年份30個省份水資源-能源-糧食安全指數分布

2 評價結果與分析

2.1 時序演變

利用STATA軟件繪制出主要年份中國30個省份的水資源安全指數、能源安全指數、糧食安全指數及水資源-能源-糧食安全指數核密度圖,如圖2所示。

a.從全域視角來看：①以核密度曲線的重心位置變化來看，2003—2019年核密度曲線重心逐漸向右遷移，說明30個省份水資源-能源-糧食整體安全度逐漸提升，安全指數平均值從2003年的0.36提升至2019年的0.47，反映了隨著中國經濟社會發展水平的提高，在自然資源稟賦有限的條件下，各地區的資源開發能力、生產效率、調配能力和供給能力不斷提高，資源安全度亦逐漸提升；②從曲線的主峰高度來看，2003—2008年主峰高度上升后再下降，說明各省之間的水資源-能源-糧食安全得分先集中后扁平再集中，安全差距呈現先縮小后擴大并再次縮小的趨勢，尤其是能源安全指數和糧食安全指數的得分分布較為分散，差距較明顯；③從曲線波峰數量來看，綜合安全指數僅有2008—2012年出現波峰，說明我國各省份的水資源-能源-糧食安全尚未出現兩極分化甚至是多極分化的局面，安全區間相對集中；④從曲線左右拖尾來看，2003—2008年左側拖尾與右側拖尾基本一致，2008年后右側拖尾大于左側拖尾，出現加長和升厚趨勢，說明2008年后我國高安全指數的省份逐漸增加，占比逐漸加大；能源安全指數和糧食安全指數的拖尾相對較長，表明各省能源安全差異和糧食安全差異較大。

b.由圖1可以得出局域變化情況：上海、江蘇、江西、內蒙古4個省份水資源-能源-糧食安全指數提升較快，上海由2003年的0.27提升至2019年的0.49，江蘇由0.27提升至0.47，江西由0.27提升至0.45，內蒙古則由0.45提升至0.62，主要歸因于單位土地面積生態用水、工業廢水排放以及億元GDP耗水量和億元GDP能耗的減少、清潔能源使用比例和道路網密度的增加等；海南水資源-能源-糧食安全指數波動明顯，究其原因，主要是部分水資源安全和糧食安全指標不穩定，尤其是人均糧食產量和人均耕地面積降低以及單位播種面積化肥施用量和農作物受災率的增加導致海南水資源-能源-糧食安全值出現長時間的波動，總體上升趨勢不明顯；寧夏2014—2016年的水資源-能源-糧食安全值處于波動下降的狀態，主要由于單位播種面積化肥施用量和農作物受災率的增加；新疆2014年安全值降低了0.03，后期增長速度亦低于其他省份，主要是由于人均糧食產量和食品消費能力的降低以及單位播種面積化肥施用量和農作物受災率的增加。寧夏、新疆兩地以種植業為主的農業產業結構使得化肥用量高于其他地區[20]，尤其近幾年在倡導地區特色農業的背景下，兩省相應提高了蔬菜和瓜果的種植比例，單位播種面積化肥施用量隨之逐漸增加。寧夏、新疆兩地的糧食生產對自然災害的預警和抵御能力比較弱，使得該地區農作物受災率較高。

(a)水資源-能源-糧食安全指數

c.從2003—2019年水資源安全指數變化趨勢來看，除北京和天津的水資源安全指數先上升后下降以外，其他省份基本呈現上升的趨勢，尤其是上海和江蘇提升明顯；北京和天津主要是因為單位土地面積生態用水和人均用水量后期不斷提升，導致水資源安全指數降低，從而拉低水資源-能源-糧食整體安全度，上海、江蘇兩地節水政策效果明顯，同時投資效率的提高[21]使得人均生活用水、單位面積生態用水和億元GDP工業用水均有所降低，水資源安全提升顯著；內蒙古、河南、山東變化不明顯，主要原因在于人均生活用水、生態用水和人均生活污水排放不穩定。從2003—2019年能源安全指數變化趨勢來看，陜西、山西、內蒙古提升了0.2以上，上海、江蘇、廣東、福建、四川、云南皆提升了0.15以上，增長幅度明顯，黑龍江則下降了0.05。從2003—2019年糧食安全指數變化趨勢來看，黑龍江、上海、江蘇增長最為明顯，提升幅度超過0.2，其次為安徽、湖北、河南、重慶，增長幅度為0.15～0.2，增長較慢的主要是貴州、青海、云南等西南地區，提升幅度不超過0.05。

2.2 空間演變

結合主要年份30個省份水資源-能源-糧食安全指數分布(圖1)和各省份的單一資源安全指數值，可以得到30個省份水資源-能源-糧食安全指數的空間演變特征。

a.整體來看，除內蒙古和黑龍江始終保持相對高的安全值外，呈現出從2003年的“隨機分布”到2019年“長江經濟帶沿線省份安全度較高，珠三角次之，京津冀安全度相對較低”的空間分布格局，并形成了兩大相對高安全值集聚區：西南三省和長三角地區。西南三省的水資源-能源-糧食安全值長期以來得益于較豐富的水資源、能源和糧食資源，長三角地區盡管自然資源稟賦有限，但資源的調配、供給能力和資源利用效率均高于其他省份，使得長三角地區的水資源-能源-糧食安全提升顯著。長江經濟帶沿線省份水資源-能源-糧食安全指數提升尤為明顯，主要是自2008年國家重視中西部發展以來，財政政策的傾斜使得長江經濟帶沿線省份加大了治理投入，2014年9月，長江經濟帶正式上升為國家層面的區域發展戰略，此后依托于黃金水道，沿江省市逐漸實現經濟、社會和生態的統一協調發展[22]，從而形成水資源-能源-糧食安全增強的“飛輪效應”。

b.從水資源安全指數的空間演變來看，除了京冀兩地下降明顯、浙江滬提升明顯以外，2003—2019年并無明顯的空間聚集特征，整體變化相對分散。京津冀地區主要是人均生活用水、單位土地面積生態用水和人均生活污水排放的增加拉低水資源-能源-糧食系統整體安全度，京津冀地區的高人口密度和高人均GDP使得該地區水資源需求高于其他地區，同時水資源過度開發利用、地下水持續超采等導致該地區水生態功能退化，加之京津冀地區相對干旱的氣候，使得該地區的生活水成本和生態水成本較高。

c.從能源安全指數空間變化來看，2003年高能源安全值的省份主要集中在新疆、黑龍江、內蒙古、陜西、山西等地，各省能源安全差異較大，2019年能源安全指數較高的省份新增上海、浙江、福建、廣東、西南三省(云南、貴州、四川)，形成了多個高能源安全值集聚區，主要歸因于人均GDP、廢氣、固廢排放的改善，部分省份不再受資源稟賦的限制，提高了資源的調配和供給能力，同時更節約和經濟地使用資源。

d.從糧食安全指數空間變化來看，2003年高糧食安全值的省份集中在東北地區(即吉林、黑龍江、遼寧三省)以及內蒙古，2019年糧食安全指數較高的省份除了東北三省和內蒙古外，還新增上海、江蘇、安徽、山東、河南、湖北、重慶、寧夏8個省份，內陸和沿海省份均有提升，主要歸因于糧食單產、人均可支配收入、恩格爾系數以及道路網密度的提升，這說明糧食安全受經濟水平的影響，當經濟水平提升時，一方面資源的供給能力和使用效率會得到提高，從而降低資源的供給壓力；另一方面，人均收入的增加使得消費選擇更加多樣性，一定程度會降低的單一資源的消費需求壓力。

3 結論與政策建議

3.1 結論

2003—2019年我國30個省份水資源-能源-糧食整體安全度逐漸提升，部分省份不再受制于自然資源稟賦的不足，資源的調配、供給能力和資源利用效率大大提高；社會經濟發展水平的提升不僅可以提升一個地區的資源供給能力，同時一定程度會降低的單一資源的消費需求壓力，從而提升水資源-能源-糧食安全。長江經濟帶沿線省份水資源-能源-糧食安全值提升明顯，具有明顯的空間聚集特征，在長江經濟帶發展戰略下，國家對長江經濟帶沿線省份的生態轉型要求成效顯著，使得沿線省份的資源消費安全、生態安全和社會經濟安全實現同步提升。京津冀地區生活水成本和生態水成本較高，拉低了水資源-能源-糧食安全，寧夏、新疆兩地單位播種面積化肥施用量的不斷增加帶來潛在的環境風險，同時氣象災害和病蟲害的頻發使得農作物受災率高于各省平均水平，由此拉低了后期水資源-能源-糧食安全。各省之間的能源安全差距和糧食安全差距較大，主要是工業污染物排放強度、化肥施用量、農作物受災率等存在較大差異。東部沿海省份長期處于環境技術效率的前沿，而西部省份的環境技術效率一直處于較低的狀態且有逐漸惡化的趨勢。這說明我國各省份的資源生產能力和環境治理能力相脫節，資源稀缺型省份被倒逼提高資源使用效率和環境治理能力，而資源豐富型省份“粗放低效型”經濟發展模式尚未得到改善。

3.2 政策建議

a.加強資源的供給和調配能力，提高資源的利用效率。一方面既要在供應端加大基礎設施供應，完善物流交通網絡體系，提高資源的供給、調配能力，緩解各省份資源的錯配問題；另一方面，要加大能水資源、能源、糧食生產、加工和使用過程中的技術投入，提高資源利用效率，進而提高資源的消費安全。

b.發揮長江經濟帶“綠色”“生態”轉型發展的空間帶動作用，助推其他省份的經濟綠色可持續發展。尤其要建立包括廢水、廢氣、固體廢棄物在內的工業污染物排放、治理和再利用的統一標準，推動長三角地區及其他東部沿海省份的污染物排放和再利用技術向中西部地區復制和轉移。

c.加強重點地區的農作物受災害防治，尤其是加強洪澇和干旱災害的預警和治理。要不斷提高農業災害防治的系統性，建立區域聯動的緊急防范系統，增強農村和農業防范災害風險和抵御自然災害的能力，加強糧食安全保障。

d.發揮經濟發達省份的帶動作用，縮小沿海和內陸地區的經濟發展差距和居民收入差距。一方面，要利用經濟發達省份帶動周邊省份經濟發展，提高居民整體消費能力，降低對單一資源的消費需求壓力；另一方面，縮小農業與其他產業的收入差距，提高農民種糧積極性，從而提高內循環確保糧食安全。