中國西部地區水-能源-糧食系統耦合協調度的時空特征

張 寧,楊 肖,陳 彤

中國西部地區水-能源-糧食系統耦合協調度的時空特征

張 寧1*,楊 肖1,陳 彤2

(1.杭州電子科技大學管理學院,浙江 杭州 310018；2.新疆農業科學院,新疆 烏魯木齊 830091)

在2005～2018年中國西部地區水-能源-糧食系統綜合發展評價的基礎上,運用耦合協調度模型和地理加權回歸模型對水-能源-糧食系統耦合協調度的時空特征及其影響因素進行實證研究.結果表明:(1)中國西部水-能源-糧食系統及其各子系統的綜合發展指數總體呈波動上升趨勢,其中,水資源和能源子系統在2011年后長期滯后于糧食子系統,成為西部地區水-能源-糧食系統耦合協調發展的短板.(2)2005～2018年,中國西部水-能源-糧食系統耦合協調度從勉強耦合協調進入初級耦合協調階段,且耦合協調度呈現“南高北低”的時空特征.(3)居民消費水平和人口規模對甘肅、內蒙古等西北地區的系統耦合協調度具有正向影響,對重慶、云南等西南地區具有負向影響,影響程度在地理空間上均呈現出“北正南負”的空間特征;地方財政環保投入的影響程度從北到南逐漸增大,廣西、貴州、四川、陜西的系統耦合協調度受該因素的影響最大;R&D投入強度對系統耦合協調的推動作用相對較小,影響程度呈現“北高南低”的空間特征.基于上述分析結果,提出了多資源系統聯合發展視角下的區域資源管理方式,減少對有限資源間的依賴性,改善人口規模及環保科技投入等因素,構建具有西部區域特色、體現資源優勢、富有競爭力的水-能源-糧食系統耦合協調發展策略.

中國西部；水-能源-糧食系統；耦合協調度；影響因素

水、能源與糧食資源的缺乏或生產消費結構的不合理性是社會經濟可持續發展過程中面臨的重要風險之一[1].近兩年新冠肺炎疫情的暴發、國際形勢的不確定性及極端氣候的侵襲,對眾多地區水-能源-糧食系統的安全性產生了強烈沖擊[2],水-能源-糧食系統保持較強的耦合協調狀態是其能夠安全可持續發展的重要保證.中國西部水-能源-糧食系統面臨的內外環境壓力在不斷加大[3],且由于東西部地區技術差異和管理理念的不同,西部水-能源-糧食系統的投入產出效率與東部地區的差異還在擴大[4-6].西北能源基地及西南水電基地作為我國水-能源-糧食系統發展的重要典型區域,經濟地理條件和資源稟賦的極大空間差異成為我國疫情時期水-能源-糧食系統協調發展的主要風險來源.探索符合西部地區生態環境容量和資源承載力的水-能源-糧食系統耦合協調發展路徑,對提高西部區域性資源系統抗壓能力,保障我國整體水-能源-糧食系統的協調發展具有重要理論與實踐意義.

水-能源-糧食系統中每一種資源的生產利用都與另外兩種資源存在較強關聯,這種關聯被稱為“耦合關系”[7].耦合協調關系則是在耦合關系的基礎上,更加強調多個系統之間的相互促進、協調發展的良性相互作用[8].學者們從全球、國家、城市等層面對水-能源-糧食系統的耦合內涵進行了探討[9-11],其耦合關系逐漸作為重要參考被應用于社會經濟發展與資源安全的協調發展政策的制定中[12].通過對水-能源-糧食系統中的關鍵交互進行識別與分析[13],同時,考慮外界環境與水-能源-糧食系統之間的輸入、輸出關系[14],能夠有效幫助資源管理者制定出適宜的資源利用策略,提高資源的治理效果.在人口增長與工業發展帶來的壓力下,聯合國在2015年提出《2030年可持續發展議程》中將水-能源-糧食安全問題納為可持續發展目標之一[15],學者們也開始從系統安全性、綜合治理、外界環境干預等角度對水-能源-糧食系統進行研究[16].

目前的研究仍存在一些不足.首先,現有研究對地理位置特殊且資源稟賦空間差異較大的西部戰略區域的水-能源-糧食系統耦合協調發展問題關注不足,且鮮有人采用地理統計方法檢驗該系統在西部發展的復雜影響因素;其次,現有研究構建的計量模型尚未考慮該區域資源特點及區域內部的空間異質性,進而所得研究結果難以確切反映區域資源系統的時空發展規律.本研究根據中國西部地區資源戰略發展的重要性,基于DPSIR模型構建出水-能源-糧食系統耦合協調發展的綜合評價指標體系,對西部地區水-能源-糧食系統耦合協調度的時空動態演化特征及其影響因素進行分析,以期為減少社會經濟與生態環境協調發展過程中受到的資源結構制約,促進地區水-能源-糧食-系統的耦合協調發展提供決策參考.

1 數據與方法

1.1 指標設計與數據來源

水-能源-糧食系統(或稱水-能源-糧食復合系統)包含水、能源和糧食3個子系統,涉及的要素眾多,系統邊界相對模糊.DPSIR模型中的驅動力(D)、壓力(P)、狀態(S)、影響(I)以及響應(R)5個部分可對系統中較為重要因素之間的反饋關系進行再次梳理[22];同時,系統動力學常用于復雜系統演化仿真,在應用過程中可以根據復雜系統中包含的主要因果反饋關系進行復雜系統的邊界設定,將系統通過因果反饋關系進行描述,以便進行研究[21].本文以資源稟賦為基本狀態(S),從經濟、社會、環境等方面利用DPSIR模型梳理水-能源-糧食系統中的反饋關系,并結合系統動力學中系統邊界設定的思想,對水-能源-糧食系統進行研究邊界設定.

水資源子系統和能源子系統都為自然資源系統,兩者在發展的過程中存在部分共同點.推動水資源和能源子系統發生變化的直接因素包括人口、經濟、社會等,經濟發展帶來的人口和產業集聚效應勢必會導致水資源和能源需求量產生變化[22],城鎮化進程的推進能夠提高資源供應設施的完善度[23],水資源和能源的供應能力和利用效率都受此影響.因此選用人口密度、人均GDP、城鎮化水平、居民人均消費水平等社會經濟要素作為兩個子系統發展的驅動力(D).在驅動力的作用下,水資源和能源子系統承受了一定的負面壓力(P),主要為經濟和社會發展過程中的資源消耗,以人均資源消耗量、萬元GDP資源消耗量、各產業資源消耗量等表示.水資源的供給主要來源于地表水和地下水,水質易受大氣環境和地表污染源影響,因此可具體選用水資源擁有量、降雨轉化為水資源的能力、水質等作為水資源子系統的狀態(S).能源子系統的一個較大特征是當地區能源儲量或生產能力不足時,會依賴外地的大量進口,故以能源儲量、能源生產量、能源調入量等作為能源子系統的狀態(S).水資源和能源使用后帶來了污染、資源量減少等影響,因此以污染排放量、資源供需比等作為水資源和能源子系統的影響(I).在資源使用造成污染后,在生態環境保護的要求下,政府、企業等將從事先預防和事后補救兩端加大環保治理投入和資源利用方式的改進[24],以環保治理資金投入、科研資金投入、污染治理率等作為響應(R).糧食子系統與自然資源子系統在發展時受到的主要驅動力存在一定區別,可用耕地、化肥農藥等是糧食種植的基本條件,農業現代化水平的提升能夠提高農業生產效率[25],人口和消費水平的改變將會導致糧食消費量和消費結構產生變化[26],因此以人口密度、農業機械化水平、人均GDP、人均糧食播種面積、居民消費水平等作為糧食子系統的驅動力(D).糧食的消費需求及自然災害對種植期糧食的損害都是糧食子系統的壓力(P)來源.在驅動力和壓力的作用下,糧食的產量將會產生一定波動,以糧食單位面積產量、人均糧食產量等作為糧食子系統的狀態(S).糧食的收成將會直接影響農業從業人員的收入,同時供需量的變化也會影響糧食的流通成本,化肥和農藥的使用還會帶來水質和土地環境污染問題,因此糧食子系統的影響(I)主要包括糧食流通成本、農民收入、水質和土地環境污染等.為了改善糧食生產對水資源、土地、化肥農藥的過度依賴性,同時維護耕種環境,政府、農業從業人員等將會做出加大研發和治理投入的措施,以環保投入、R&D經費投入、水土流失治理等作為糧食子系統發展的響應(R).基于DPSIR模型設置的水-能源-糧食系統的邊界如圖1所示.圖1中的人口規模、人均GDP、城鎮化水平、居民消費水平、環保投入、R&D經費投入等對3個子系統的發展均有驅動或改善作用,因此本研究選用此類共同要素作為水-能源-糧食系統耦合協調度的影響因素在后文進行實證檢驗.

圖1 水-能源-糧食系統邊界

基于圖1中的系統要素和水-能源-糧食系統中的相互依存關系[27-28],依據數據可得性、科學性的原則,構建水-能源-糧食系統耦合協調發展綜合評價指標體系(表1).綜合評價指標體系中的正、負屬性分別表示對指標的發展具有促進和抑制作用.本文的研究時間跨度為2005～2018年,主要數據來源于2005～2018年的國家統計局官網、《中國統計年鑒》《中國水利統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國食品統計年鑒》及各省(市、自治區)國民經濟和社會發展統計公報、各省(市、自治區)統計年鑒等. 因西藏地區缺失數據較多,故本文的研究區域不包含西藏地區.

表1 水-能源-糧食系統耦合協調發展的綜合評價指標體系

1.2 研究方法

1.2.1 組合權重的確定 熵值法對異常值過于敏感,易將少數不重要指標賦予過高權重[29].變異系數法是基于指標數據標準差和平均值來判斷指標數據的差異化程度,其結果受數據離散程度和平均值影響[30].為減少單一評價方法片面、穩定性差等問題,本文先運用熵值法和變異系數法求出各指標權重,之后引用歐幾里得函數將兩種方法求得的權重進行組合賦權.

首先,為保證指標數據的可比性,對數據進行標準化.具體公式如下:

式中:為年份;為地區;表示指標;r為二級指標標準化后的值,r∈[0,1];x為年地區指標的數值;max(x)和min(x)分別為指標的最大值和最小值.

其次,計算二級指標的信息熵e,并根據信息熵推導出該指標的熵值法權重.公式如下:

再次,根據各指標的變異系數求得變異系數法權重.計算公式如下:

最后,為使指標的權重更加客觀和精確,根據相關文獻[31],將熵值法和變異系數法進行組合賦權.計算公式如下:

式中:W為指標的組合權重,W'為熵值法權重,W''為變異系數法權重;為熵值法權重的偏好系數,為變異系數法權重的偏好系數.

引入歐幾里得函數(W',W'')求解偏好系數,建立如下關系方程:

根據式(6)和(7)可求得偏好系數和的值分別為0.463和0.537.將和的值代入式(6)可得組合權重W.

1.2.2 綜合發展指數 綜合發展指數常由指標的標準化值和權重計算得出,具體計算公式如下:

式中:表示子系統;()為子系統綜合發展指數;為各子系統評價指標,為子系統評價指標數量;為年份;為地區;w為指標權重;r為指標標準化值.(1)、(2)、(3)分別表示水資源子系統、能源子系統、糧食子系統的綜合發展指數;為復合系統的綜合發展指數;、、表示3個子系統對地區發展的重要程度,本研究考慮到3個子系統具有同等重要性,故取===1/3.

1.2.3 耦合協調度模型 “耦合協調”表示不同系統的和諧有序發展,強調不同系統之間的良性相互作用,耦合協調度是對此種良性作用的度量[32].水-能源-糧食系統的耦合協調度反映了3個子系統的和諧發展程度,表征出復合系統的協調性.耦合協調度模型的構建方式如下:

式中:為耦合協調度,是對3個系統間良性耦合強弱的度量,∈[0,1].

依據耦合協調度的大小可對水-能源-糧食系統所處的耦合協調階段進行判斷[33].

1.2.4 地理加權回歸模型 中國西部地區產業發展、資源稟賦等存在空間差異,運用傳統回歸模型對水-能源-糧食系統耦合協調度的影響因素進行分析,只能得到整體區域的回歸系數均值,不能反映出各影響因素在不同條件下的局部空間特征.地理加權回歸模型(GWR)是一種修正過的局部空間統計回歸模型,該模型可以將各樣本點的局部空間地理坐標引入回歸模型中,通過建立區域內各樣本點的局部回歸方程,來探索被各要素在不同地理位置上的空間非平穩性和異質性,更有助于總結西部水-能源-糧食系統耦合協調發展的時空特征[34].本研究在使用GWR之前,先運用傳統回歸模型中的普通最小二乘法回歸模型(OLS)來判斷所選取的解釋變量是否存在冗余變量,并將GWR與OLS的估計結果進行比較,以判斷GWR模型的合理性.地理加權回歸模型形式如下:

式中:y為地區的被解釋變量;0為截距;(ρ,ζ)為地區的空間地理坐標;為解釋變量,為其上限值;z為地區的第個解釋變量;δ(ρ,ζ)為第個解釋變量在地區的回歸系數;ε為隨機誤差項.

表2 耦合協調階段判別標準

2 結果與分析

2.1 水-能源-糧食系統綜合發展指數分析

由圖2a可知,中國西部地區水資源子系統綜合發展指數的南北地區差異非常明顯,呈現出明顯的“南高北低”的階梯式空間特征.重慶、四川、云南、貴州、廣西等西南地區的綜合發展指數較高,而甘肅、寧夏、新疆等西北地區的綜合發展指數較低.在時間發展上,2005～2018年西部各地區水資源子系統綜合發展指數均呈現不同程度的增長,其中西南地區由0.391增長到0.478,增長幅度為22.25%,西北地區由0.262增長到0.341,增長幅度為30.15%,上升幅度最大的為寧夏回族自治區,由0.127增長到0.251,增長了近1倍,經調查,這與寧夏水權轉換實踐水生態保護等政策的實施有著密切的關系[35].內蒙古的綜合發展指數上升幅度也超過了50%,上升幅度為西部第二,由2005年的0.257增長到2018年的0.390,近幾年內蒙古的節水和限制高耗水產業等政策的實施對用水效率和用水結構的改善有著重要影響[36].

由圖2b可知,西北和西南地區作為我國兩大重要能源基地,能源工業已成為新疆、云南等地的重要支柱產業,研究時段內,西南地區的能源子系統綜合發展指數由0.297增長到0.429,西北地區由0.271增長到0.373,增長幅度均超過30%.陜西、四川長期處于綜合發展指數較高的區域,而青海、寧夏、新疆的能源子系統綜合發展指數增長較為緩慢,3個地區從2005～2018年的增長幅度均低于30%.陜西和內蒙古是礦業大省,能源自給率較高,云南和四川的水能豐富,水力發電占比較高,水力發電量位居全國前二,較為明顯的能源儲量或利用優勢使這4個地區的能源子系統綜合發展指數均位于西部前列.新疆和寧夏等地區雖石油等能源儲量豐富,但高耗能產業多,能源利用效益差,導致它們的能源子系統綜合發展指數并不高.

糧食子系統綜合發展指數南北地區差異較小,且長期具有快速發展的趨勢,在研究時段內,西南地區由0.256增長到0.444,增長幅度達73.44%,西北地區由0.278增長到0.443,增長幅度達59.35%(圖2c).河西走廊,天山南北麓綠洲,河套平原和塔里木綠洲作為西北地區的產糧區整體促進了西北地區糧食子系統的快速發展,內蒙古是西北地區商品糧基地之一,其糧食系統綜合發展指數從2005～2018年均為西北地區最高.西南地區的四川、云南、廣西作為國家糧食交易大省,憑借農業機械化、糧食單位面積產量等生產和產出水平的提高,糧食系統綜合發展指數一直在均勻而快速地增長,有效促進了西部整個地區糧食子系統的發展潛力.

南北地區復合系統綜合發展指數還存在著較大的差異,研究時段內,西南地區由0.315增長到0.450,西北地區由0.270增長到0.385,南北增長幅度較為接近,均為42%左右(圖2d).可將西部復合系統綜合發展指數分為兩個梯隊,一是處于較低梯隊的甘肅、寧夏和新疆,3個地區因水資源和能源子系統的發展限制導致該地區復合系統的綜合發展指數均低于0.350;二是處于較高梯隊的西南五省與西北的陜西、青海、內蒙古,8個地區復合系統的綜合發展指數相對較高,與甘肅、寧夏和新疆相比可進入較高的發展梯隊,且該梯隊中的省份各子系統的發展都相對較為均衡(圖3).

圖3 中國西部水-能源-糧食系統的擬合發展趨勢

如圖3所示, 西部地區水、能源、糧食3個子系統綜合發展指數均呈波動上升趨勢.其中水資源子系統發展極其不穩定,2009年之前變化幅度較大,但高于能源與糧食子系統的綜合發展指數,2009～ 2018年間波動性較小,但總體發展低于能源和糧食子系統.能源子系統綜合發展指數穩中有升,一直介于糧食和水資源子系統發展之間,在2013年后發展趨于平緩,2018年后其發展不夠樂觀.糧食子系統綜合發展指數2010年前處于較低發展水平,但總體發展較快,雖2015～2016年綜合發展指數也有所下降,但發展趨勢仍遠遠好于能源和水資源子系統.復合系統綜合發展指數總體呈穩步上升態勢.通過對子系統綜合發展數據的詳細分析及實地調查發現,近些年西部大開發和農業供給側結構性改革相關政策的實施對西部耕地面積、糧食產量等產生了影響[37],讓糧食子系統的綜合發展指數產生了小幅波動,但隨著農業機械化水平、農業水利設施等生產投入要素的改善,西部農業正在向高質量發展邁進,云南、貴州等地也逐漸開始因地制宜,發展特色農業,這些都是西部糧食子系統綜合發展指數呈現出良好增勢的重要原因;西部地區的綠色產業發展勢頭較為緩慢,導致能源子系統綜合發展指數增長緩慢;水是西部多個省份的資源短板,尤其是西北地區水資源稟賦整體較差,用水效益與用水結構的改善雖讓水資源子系統綜合發展指數呈上升態勢,但水資源嚴重缺乏的自然地理條件導致其綜合發展指數普遍低于能源子系統和糧食子系統,成為西部地區水-能源-糧食系統協調發展的短板.

2.2 水-能源-糧食系統耦合協調度的時空特征

由表2和表3可知,中國西部水-能源-糧食系統耦合協調度在2005年為0.533,處于協調過渡區間的勉強耦合協調階段,在2013年達到0.605,達到協調發展區間的初級耦合協調階段,2005～2018年總體上升幅度為20.04%.從時空分布來看,西部各省份水-能源-糧食系統耦合協調度均表現為波動上升,涉及的階段包括瀕臨失調衰退、勉強耦合協調、初級耦合協調.2005年西部全部地區都處于協調過渡區間,勉強耦合協調省份占比最高,達到72.73%, 2010年四川、云南、廣西、陜西、青海、內蒙古6個省區率先入協調發展區間,初級耦合協調開始占據主導地位,占比54.55%,2013～2018年,除甘肅、寧夏、新疆外的西部其他地區都進入了協調發展區間中的初級耦合協調階段.2005～2018年西南地區系統耦合協調度總體高于西北地區,西南地區在2012年已達到0.616,進入初級耦合協調階段,而西北地區直至2017年才開始進入初級耦合協調階段.在地區發展階段劃分上,2018年西南各地區水-能源-糧食系統耦合協調度均高于0.650,尤其是四川與云南已增長至0.685以上,接近中級耦合協調階段,而西北地區除陜西、內蒙古和青海高于0.650,其他地區系統耦合協調度普遍偏低,僅0.560左右,處于初級耦合協調階段.

水-能源-糧食系統耦合協調度的演化與各地區的資源稟賦、資源利用效率和資源利用結構等有關[38].研究時段初期,四川、廣西、陜西和青海等地的水資源和能源稟賦存在較大優勢,使得它們的水-能源-糧食系統耦合協調度較高,但隨著經濟社會的快速發展,資源的合理配置、綠色利用和集約化生產等重要性逐漸凸顯,由于水資源與能源利用效率偏低、第一和第二產業耗水與耗能比例較高及農業生產條件改善緩慢等原因,廣西和青海的耦合協調度增長速度逐漸變緩.研究時段初期,云南地區的恩格爾系數較高,農村地區開展農業現代化發展的經濟、技術等條件有限,隨著生產與生活條件的改善,云南的水-能源-糧食系統耦合協調度得到快速提升.內蒙古是我國產能和產糧大區,水資源需求量大,水資源政策規制的不斷出臺實施優化了當地的用水結構,緩解了當地水資源系統的壓力[39],促進了水-能源-糧食系統的耦合協調發展,但該地區仍存在用水效益低、清潔能源生產與消費比例低及高耗能產業多等影響水-能源-糧食系統耦合協調發展的問題.2005～2018年,重慶和貴州的水資源開發利用率逐漸降低,水資源生態得到了一定的保護,水資源子系統發展趨勢向好,但由于技術、地形等因素,兩個地區的農業現代化發展受到了一定阻礙[40],糧食產量處于較低水平,兩個地區的糧食子系統始終面臨著較大壓力,重慶地區由于能源自給率低,人均能源消耗量高等原因,其能源子系統也阻礙了復合系統的耦合協調發展.甘肅、寧夏和新疆的水-能源-糧食系統耦合協調度在研究時段內與西部其它地區差距明顯,這與當地的水資源和能源子系統綜合發展指數較低密切相關,這類地區屬于干旱且經濟較為落后的民族地區,雖能源資源儲量較為豐富,但能源產業和農業產業發展方式過于粗放,嚴重影響了水-能源-糧食系統的穩定協調發展.

表3 中國西部地區水-能源-糧食系統的耦合協調度

注:本文中的中國西部地區包括11個省(市、自治區),分別為西南區的重慶市、四川省、貴州省、云南省、陜西省、廣西壯族自治區和西北區的甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區、內蒙古自治區.

2.3 水-能源-糧食系統耦合協調度的影響因素分析

基于DPSIR模型設定的系統邊界,居民消費水平、人均GDP、人口規模、城鎮化水平作為驅動力對水、能源、糧食子系統的發展均有驅動作用,地方財政環保投入、R&D經費投入作為響應措施對水、能源、糧食子系統的發展均有調節作用,且這6項要素可通過人類活動進行干預調整,因此研究選用這6項要素作為水-能源-糧食系統耦合協調度的影響因素.各因素從水、能源、糧食的消費結構、消費量、利用效率、污染治理等方面對水-能源-糧食系統產生具體的影響.居民消費水平的提升能夠影響水、能源、糧食的消費量和消費結構,從而影響水-能源-糧食系統耦合協調度.人均GDP與地區經濟社會水平有較大關聯,經濟是催促產業發展的基本動力,經濟水平的提高會造成資源的大量消耗,但同時也會為各產業的發展提供資本,進而改善各產業水、能源等資源的利用效率,水-能源-糧食系統受到了經濟的雙向影響.人口的增長一方面帶來了勞動力,另一方面也帶來了大量水、能源、糧食等資源的消耗.城鎮化的發展可以加強基礎設施的建設維護,改善資源使用效率,但同時也會造成農村勞動力尤其是年輕勞動力的流失,在農業集約化發展水平較低的地區會產生嚴重的農業勞動力不足.環保投入和科技研發投入對于多樣化治理水、能源、糧食系統中產生的空氣、水及土壤污染具有重要作用,是保證水-能源-糧食系統不斷演化可持續發展的重要保障.

以地區居民消費水平(Con)、人均GDP(Per)、人口規模(Pop)、城鎮化水平(Urb)、地方財政環保投入占比(Env)、R&D投入強度(Res)等6個因素作為解釋變量,水-能源-糧食系統耦合協調度為被解釋變量.首先選用普通最小二乘法回歸模型(OLS)進行變量的多重共線性檢驗,檢驗結果表明城鎮化水平和人均GDP的方差膨脹因子(VIF)均大于7.5,通過逐步回歸剔除人均GDP和城鎮化水平2個變量后,可得到最小二乘法回歸模型估計下的2為0.683,調整2為0.562,AICc信息準則值為91.965,4個解釋變量的方差膨脹因子均低于7.5,說明解釋變量不存在嚴重的多重共線性問題,變量設置較為合理.為解決帶有空間位置屬性數據的擬合問題,依據西部11個地區的水-能源-糧食系統具有的時空特征,再次使用相同變量構建地理加權回歸模型,模型采用“ADAPTIVE”核函數的AICc方法.計算出地理加權回歸模型的2為0.844,調整2為0.736,AICc值為42.278,各區域局部回歸模型標準化殘差位于[-2.242,1.979]內,對標準化殘差進行空間自相關性檢驗,可得到水-能源-糧食系統的Moran指數均值為0.016,值為0.183,標準化殘差在空間上呈完全隨機分布狀態,表明GWR模型整體擬合效果較好,且擬合優度大于最小二乘法模型,故選取地理加權回歸模型進行影響因素分析.兩個模型的計算結果如表4所示.

表4 OLS與GWR回歸估計結果

注:***、**和*分別表示在0.01、0.05、0.1的水平下顯著.

表4中所示的居民消費水平、人口規模因素對西部不同地區水-能源-糧食系統耦合協調度表現出了正、負兩種影響效應,地方財政環保投入占比和R&D投入強度對西部地區水-能源-糧食系統耦合協調度呈正向效應.從各解釋變量回歸系數絕對值的平均值來看,影響程度由大到小依次為居民消費水平、人口規模、地方財政環保投入占比、R&D投入強度.為反映各解釋變量對水-能源-糧食系統耦合協調度影響程度的空間異質性,采用自然斷點法對4個解釋變量的回歸系數進行劃分,回歸系數的空間分布特征見圖4.

由圖4a可知,居民消費水平回歸系數在空間上表現出“北正南負”的特征.內蒙古、甘肅、寧夏、陜西和云南的水-能源-糧食系統耦合協調度受居民消費水平的影響較大.居民消費水平對甘肅、內蒙古、寧夏、陜西等西北省份的水-能源-糧食系統的協調發展具有一定促進作用,反之對重慶、云南等西南省份的水-能源-糧食系統的協調發展存在抑制作用.這與西部南北方人群的消費水平和特征有關,消費水平的提高和物質性需求的增加,都會使農業和工業中水、能源的消耗量快速增加[41].居民消費水平在一定程度上反映了該地區經濟發展狀況,良好的經濟發展條件可為本地區產業結構的優化升級帶來更多的資金支持.

由圖4b可知,人口規模回歸系數也呈現“北正南負”的空間演變趨勢.中國西北地區疆域遼闊,由于自然地理條件的限制,人口密度低,在東部強大的經濟集聚效應下,西北地區大量人員向東南部遷移,致使西北人口規模增長非常緩慢,進而導致農業現代化水平較低的西北地區農業勞動人口不足[42],一定程度上阻礙了水-能源-糧食系統耦合協調的耦合協調發展.反之,西南地區的經濟發展促進了人口數量的增長,在增加了水、能源、糧食等生活基礎資源消耗的同時,也為該地區提供了更多的勞動力.人均教育水平不斷提升,高新技術產業和戰略性新興產業的增長,都較快地促進了西南地區水-能源-糧食系統的協調發展速度.此外,西南地區人口規模遠高于西北地區,城鄉人口雙向流動性較大和農業科技的發展都有效補償了人口規模因素對系統耦合協調度產生的負面影響.

基于自然資源部標準地圖服務網站GS(2016)1580號標準地圖制作,底圖邊界無修改

由圖4c可知,地方財政環保投入占比的回歸系數由北向南逐漸增大,形成“北低南高”的空間特征.我國農業生產方式逐漸向現代化邁進,但鄉村地區的生產環境仍存在較大差異.農業生產中農藥、化肥使用量多,有效利用率低,大量農用物質殘留物隨降雨滲入土壤和水流,造成土壤和水體質量嚴重下降.另外,農作物秸稈的焚燒堆放、農村生活垃圾的填埋焚燒和養殖廢棄物的任意排放等均是西部農村面源污染不斷擴大的原因[43],地方財政環保投入成為西部地區水-能源-糧食系統耦合協調發展的重要手段.西北地區氣候干旱,生態環境承載力相對較低,只開發不治理引起了大量土地荒漠化.西南地區產業結構轉型升級,部分能耗高、污染大的產業被轉移到西北偏遠地區,造成西北地區以勞動密集型產業和原材料加工業為主的發展格局[44].四川、重慶、廣西等工業較發達地區,工業廢水、廢氣、煙塵排放量曾位于全國前列,通過較大的環保財政投入有效解決了水-能源-糧食系統發展過程中產生的污染防治問題.

由圖4d可知,R&D投入強度對西部地區水-能源-糧食系統的耦合協調度的影響由南向北逐漸增加.干旱缺水對新疆、甘肅、寧夏的農業轉型和鄉村振興都形成了較大阻礙,農業環境難以滿足水稻等農作物種植所需條件,通過R&D投入推動現代生物技術、新型作物栽培技術、節水灌溉技術等農業科技項目的開展,西北地區農業發展滯后的局面有所改觀[45].科學技術的進步能讓農業和工業的生產方式和生產結構發生轉變,從而提高資源利用效率.西北地區的石油、煤炭等屬于一次性能源,石油化工和火力發電等屬于高耗水行業,這對以能源工業為支柱產業但水資源量嚴重缺乏的西北部分城市社會經濟的可持續發展都會帶來較大的影響,且石油、煤炭等資源在生產使用過程中易產生生態環境污染問題,亟需科技引領開發和利用更多的清潔與可再生能源,為西部社會經濟發展提供新動能.

3 結論與建議

3.1 結論

中國西部地區水、能源和糧食子系統的綜合發展指數均低于0.550,其中,糧食子系統發展趨勢較好且地區差異較小,水資源與能源子系統的綜合發展指數呈“南高北低”的階梯式空間特征,兩者是西部地區水-能源-糧食系統耦合協調發展的短板.

2005年處于勉強耦合協調階段的省份居多,2010年后大部分地區開始進入初級耦合協調階段.甘肅、寧夏和新疆的水-能源-糧食系統耦合協調度與西部其它地區差異明顯,在2018年仍低于0.600,耦合協調發展階段存在滯后性.

水-能源-糧食系統耦合協調度的影響因素在影響程度和影響效果上存在明顯的空間差異,居民消費水平的影響程度最大,在空間上呈現出“北正南負”的特征;R&D投入的影響相對較低,在空間上呈現出“北高南低”的特征.

3.2 建議

應重點關注對西部水-能源-糧食系統耦合協調度影響較大的水資源子系統,加大環保治理投入和節水技術應用,保護水質,提高水資源的有效利用率.通過調整產業結構和轉變產業發展方式來減少地區對稀缺資源的依賴性,尤其是在水資源缺乏的西北地區,需減少能源與糧食子系統對水資源的競爭,調整能源與糧食系統發展中的水資源消耗方式.在農作物種植時考慮水資源、土地等條件對糧食品種進行合理選擇,同時,逐步調整能源生產與消費結構,減少糧食產業和能源產業對水資源的高消耗,緩解區域水資源壓力,以保證區域內水-能源-糧食系統的協調發展.

對水-能源-糧食系統耦合協調度較低的甘肅、寧夏、新疆等偏遠地區,加大基礎設施和技術應用領域的投資力度,減少各子系統間發展的不平衡性.西部能源資源賦存富有,但利用效益不高,資源優勢未充分發揮,各地區仍需在保護生態環境的前提下突出利用自身能源優勢,通過豐富的風能、光能和水能讓西部逐步成為我國能源經濟發展的重要地區.高科技智能技術的利用對有效改善西部地區自然條件、勞動力、經濟水平等方面的限制具有重要的作用,隨著新時代西部大開發新格局的推進,可加大智慧農業等科技成果的應用,加快西部特色農業的發展.

制定西部整個區域資源系統的管理發展策略時,應將水、能源、糧食等多個資源系統同時考慮,避免出現一個系統的發展對另一個系統造成較大損傷,不同資源系統的管理者需在利益不同的狀態下以資源、經濟、社會與環境整體的可持續發展為共同目標,彼此協調制定合適的資源系統綜合管理發展策略.首先,加強各部門的規劃和政策論證的有效銜接,充分協調能源產業、水資源管理和農業生產等多部門的目標協同,對不合理的政策目標及時調整;其次,加強各主管部門的溝通和合作,運用信息技術促進各類資源信息共享;最后,深入探索和創新西部資源轉換交易方式,評估、檢測該系統的資源開發利用保護的實際協同情況,探索適宜西部生態發展的資源協同管理措施.

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Research on the coupling coordination of water-energy-food system and its temporal and spatial characteristics.

ZHANG Ning1*, YANG Xiao1, CHEN Tong2

(1.School of Management, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China；2.Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China)., 2022,42(9)：4444～4456

Based on the comprehensive development evaluation of water-energy-food system in western China from 2005 to 2018, the spatio-temporal characteristics and influencing factors of the coupling coordination degree of water-energy-food system are empirically studied by using the coupling coordination degree model and geographical weighted regression model. The results show that: (1) The overall development index of the water-energy-food system and its subsystems in western China shows a fluctuating upward trend. Among them, the water and energy subsystems lagged behind the food subsystem for a long time after 2011, becoming the shortcomings of the coupled and coordinated development of the water-energy-food system in the western region. (2) From 2005 to 2018, the coupling coordination degree of water-energy-food system in western China has entered the primary coupling coordination stage from barely coupling coordination, and the coupling coordination degree shows the spatial and temporal characteristics of "high in the south and low in the north". (3) The level of population consumption and population size have a positive influence on the system coupling coordination in northwest China, such as Gansu and Inner Mongolia, and a negative influence on southwest China, such as Chongqing and Yunnan, with the spatial characteristics of " positive in the north and negative in the south ". The degree of influence of local financial investment in environmental protection gradually increases from north to south, and the system coupling coordination degree of Guangxi, Guizhou, Sichuan and Shaanxi is most influenced by this factor. The spatial characteristics of "high in the north and low in the south" are shown in the degree of influence of R&D investment on the system coupling coordination. Based on the results of the above analysis, the study proposes a regional resource management approach under the perspective of joint development of multiple resource systems to reduce the dependence on limited resources among them. Factors such as population size and investment in environmental protection science and technology are improved to build a coordinated development strategy of coupled water-energy-food system with western regional characteristics, reflecting resource advantages and being competitive.

Western China；water-energy-food system；coupling coordination；influence factors

X24;TV213.4;F326.11

A

1000-6923(2022)09-4444-13

張 寧(1974-),女,新疆烏魯木齊人,教授,博士,主要從事資源與環境管理、區域經濟發展研究.發表論文50余篇.

2022-02-22

國家社科基金資助項目(20BGL188);國家自然科學基金資助項目(71933005)

*責任作者, 教授, hdzhangning@126.com