中國水-能源-糧食紐帶系統安全水平與全要素生產率時空耦合協調關系分析

王 恒，方 蘭

(陜西師范大學西北歷史環境與經濟社會發展研究院，陜西 西安 710119)

水資源、能源、糧食是人類經濟-社會-生態環境可持續發展的核心支撐點。隨著全球人口及中產階級比重的不斷增加，城鎮化進程的不斷加快，工業發展對資源的過渡攫取、生活方式的肆意擴張等，水、能源、糧食系統間關聯性與協調性在不斷增強，傳統針對單資源系統的研究范式已無法有效應對可持續發展視角下復合型系統間紐帶關系研究。2011年11月德國波恩會議上，首次系統性提出“水-能源-糧食紐帶系統安全關系”研究框架[1]，以可持續發展為目標，探索構建耦合水-能源-糧食紐帶系統整體研究新視角與技術思路，研究如何提高效率、減少權衡、建立多系統間協同交互體系，以確保水-能源-糧食紐帶系統安全性。

近年來國內外關于水-能源-糧食紐帶系統的研究成果呈現井噴增長勢頭[2]，相關研究逐漸成為備受關注的新興主題。學術界關于水-能源-糧食紐帶系統研究主題主要涉及關聯關系建模與評價[3-11]、系統風險[12]與管控[13]、產出效率[5]、糧食安全與虛擬水流動[14-18]、可持續發展[19-21]等，研究方法多采取數據包絡分析[5]、系統動力學模型[3-4]、主成分分析[8]、空間計量學分析[6]、耦合協調模型、社會網絡分析[22]等。關于水-能源-糧食紐帶系統評價與協同效應的定量研究大多通過構建水、能源、糧食或結合社會經濟子系統進行測度。綜合來看，目前對水-能源-糧食紐帶系統研究多是獨立分析其系統內部匹配程度與可持續性[23-24]，重點關注效率評價與系統動力學分析，僅有少數研究將水-能源-糧食紐帶系統與經濟發展協同分析[7]。

進入工業化發展后期，廣大發展中國家普遍人口增加、城鎮化率不斷提升，同時中產階級占比上升，居民消費模式升級，對資源環境與經濟發展的協調可持續性帶來巨大的壓力。近年來，經濟社會快速發展的中國同樣面臨嚴峻的水資源短缺與時空分布不均、結構性糧食安全與能源安全趨緊等問題，如何在有限的資源環境及生態稟賦下，綜合考量區域間經濟發展差異性，協調不同地區資源安全與經濟發展的耦合關系，及時有效優化調整發展戰略與資源配置，成為亟待研究的重要命題。因此，研究中國區域間資源保障水平與經濟系統效率耦合協調發展規律及時空匹配性，對引領中國經濟社會更協調有序發展具有至關重要的意義。基于此，本文以除港澳臺和西藏地區外的中國30個省(自治區、直轄市)(以下簡稱“省”)為研究區域，采用耦合協調度模型分析各省水-能源-糧食紐帶系統安全水平與全要素生產率(total factor productivity，TFP)耦合協調關系及其時空格局，旨在為中國區域可持續發展提供參考。

1 研究方法

1.1 水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合框架

隨著人類活動對資源與環境作用的不斷增強，水資源、能源、糧食三者作為資源開發利用核心因素，其形成的資源利用、生態產品、服務產出的資源生態系統，正經歷著與經濟系統的協同演化過程。水資源作為重要投入資源參與到一次能源生產與糧食生產中，同時，農業生產與加工、運輸與水資源的提取、運輸、利用等環節也需消耗能源，另外生物質能轉化途徑也可將部分能源作物轉化為乙醇等能源產品進行利用。基于水、能源、糧食之間的相互轉化與系統安全性考量，如何提高整體資源使用效率、保障水-能源-糧食紐帶系統的綜合安全問題日益突出。

經濟高質量增長已成為近年來中國經濟系統發展核心命題。全要素生產率在一定程度上不僅可衡量資源配置效率，還可初步判斷經濟發展階段。從生產率角度看待發展問題，可以更為有效地剖析經濟發展源泉，研究如何深化資源配置，進而提高生產率，推動經濟增長。

隨著可持續發展理念的深入以及資源環境與經濟系統矛盾的日益凸顯，單純追求經濟發展無法達到經濟、社會與生態的可持續發展，因此，有必要從資源稟賦即資源開采或生產端，與資源消費即資源利用端出發，結合地方經濟發展效率，從資源環境承載力和人地關系角度，探究資源稟賦對經濟發展耦合協調特性。

1.2 評價指標體系構建

根據水-能源-糧食紐帶系統安全研究內涵，參考相關研究成果，擬選取水資源子系統、能源子系統、糧食子系統3個二級指標，遵循系統性、科學性與可操作性，構建水-能源-糧食紐帶系統安全綜合評價指標體系(圖1)，其中人均用水量、單位GDP用水量、水資源開發利用率、人均能源消費量、單位GDP能耗、人口自然增長率為負向指標，其余指標均為正向指標。

圖1 水-能源-糧食紐帶系統安全綜合評價指標體系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of WEF nexus system security

1.3 TOPSIS模型

逼近理想解的排序方法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)可以同時考慮各個子系統到正理想解與負理想解的距離，可準確、合理地對各個子系統進行評價。因此，本文基于已構建的水-能源-糧食紐帶系統安全綜合評價指標體系，采用TOPSIS法進行水-能源-糧食紐帶系統安全綜合評價，具體評價方法見文獻[7]。

1.4 全要素生產率測算

生產率或者全要素生產率可表征經濟發展水平與資源配置效率[25]，同時，全要素生產率的提高仍是中國經濟系統發展的重要目標之一[26]。因此，參考相關研究，本文采用DEA-Malmquist指數計算全要素生產率，將全要素生產率作為衡量經濟增長質量的重要指標。本文選擇投入指標為資本存量與就業人數，產出指標選擇各省GDP，其中資本存量與各省GDP以2005年為基期進行折算，測算方法參考文獻[27]。

1.5 耦合協調模型

采用耦合度刻畫水、能源、糧食子系統與全要素生產率子系統間相互作用、相互影響的程度。各子系統之間的耦合度C計算公式為

(1)

式中fW、fE、fF、fTFP分別為水資源子系統、能源子系統、糧食子系統與全要素生產率子系統的綜合評價得分。耦合度取值范圍為[0，1]，其值的大小是可持續發展各子系統的質量決定的，越大說明各子系統之間相互作用、相互影響越強烈，具體劃分標準見表1。

表1 可持續發展耦合度等級劃分標準Table 1 Grading standards of sustainable development coupling degree

為研究4個子系統處于何種協調程度，引入耦合協調度模型來更準確地表征水資源子系統、能源子系統、糧食子系統與全要素生產率子系統之間的耦合協調程度：

(2)

其中

式中D為耦合協調度，取值范圍為[0，1]，D越大，表示可持續發展子系統之間越協調，當D=1時，可持續發展子系統之間達到優質協調狀態；反之，D越小，子系統之間越不協調。

為了分層分級表示出可持續發展耦合協調度，結合各子系統的分析數據，將可持續發展耦合協調度劃分為5個等級，具體劃分標準見表2。

表2 可持續發展耦合協調度等級劃分標準Table 2 Grading standards of sustainable development coupling coordination degree

1.6 數據來源

數據來自《中國統計年鑒》《中國環境年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國農業統計年鑒》《中國勞動力統計年鑒》以及相關各省統計資源。

2 結果與分析

2.1 水-能源-糧食紐帶系統安全綜合水平演化

根據TOPSIS法測度2005—2019年各省水-能源-糧食紐帶系統安全水平，結果如圖2和表3、表4所示。

圖2 中國水-能源-糧食紐帶系統安全水平演化趨勢Fig.2 Evolution trend of WEF nexus system security level in China

表3 2005—2019中國各省水-能源-糧食紐帶系統安全綜合得分Table 3 Comprehensive scores of Chinese provincial WEF nexus system security from 2005 to 2019

表4 2019年中國各省水、能源、糧食子系統安全得分分布Table 4 Score distribution of Chinese provincial WEF subsystem security in 2019

由圖2可見，研究期內中國糧食子系統安全得分由0.211 1增長至0.315 9，增長速度最快，年平均增長率為2.921%，主要是中國各級政府極為重視糧食安全，提出“糧食安全是國家重要基礎”并出臺系列政策措施提高農業科技進步貢獻率、農業機械化率及農產品良種化進程，不斷提升中國糧食安全保障能力，由此中國糧食生產已保持“十八連豐”，糧食總產量已達到68 285萬t。研究期內中國能源子系統安全得分由0.126 7增長至0.203 3，呈現出穩定增長態勢，年平均增長率為3.435%，能源安全是國民經濟發展的重要基礎，黨的十八大以來，中國政府提出能源供給革命，在降低資源消耗、降低GDP能耗的同時，大力發展非化石清潔能源，光伏發電裝機量領先全球。研究期內中國水資源子系統得分由0.139 1下降至0.133 7，呈現出波動平衡狀態，主要是由于水資源作為自然資源稟賦之一，具有天然屬性，短期內其數量不會有顯著增加，但隨著經濟發展與城鎮化率的提升，居民用水需求以及農業、工業、生態用水需求增加，伴隨著水資源短缺與部分地區水資源過度開發，導致中國水資源安全保障問題較為突出。綜合來看，2005—2019年中國水-能源-糧食紐帶系統安全總體得分呈現波動上升趨勢，由0.186 4增長至0.239 2，年平均增長率為1.797%，增長較快時期為2009—2012年，由圖2可知，中國水-能源-糧食紐帶系統安全得分的上升主要源于糧食子系統與能源子系統安全保障水平的不斷上升，而水資源子系統安全水平應是未來需要重點應對的領域。

由表3和表4可見，在空間維度上，水-能源-糧食紐帶系統安全綜合得分高值區表現出明顯的“雙極分布”的空間分布特征，以青海為核心的西部高安全水平中心和以河北、山東、河南為核心的環渤海地區高安全水平中心，以及甘肅、寧夏、陜西、山西4省構成北方低安全條帶，其分布的地域性與地帶差異性明顯，高值區表現出核心邊緣特征，低值區表現出條帶性特征。時間維度上，中國水-能源-糧食紐帶系統安全得分表現出逐漸增大態勢。子系統內部結構上，2005—2019年青海與河北、山東、河南為系統安全得分較高地區，其中河北、山東、河南糧食子系統得分較高，青海水資源子系統得分較高。甘肅、寧夏、陜西、山西4省持續為得分較低地區，主要限制因素為水資源，水資源短缺嚴重使得系統安全綜合得分較低。西南地區與東南地區綜合安全水平有所下降，因研究期內西南各省水資源與能源子系統安全水平處于低位波動，進而限制了西南地區系統安全綜合得分。黑龍江安全水平有所上升，主要是因為黑龍江地區水資源子系統與糧食子系統安全得分上升較快。

2.2 水-能源-糧食紐帶系統安全與全要素生產率耦合協調時空分異

2.2.1全要素生產率時間演化

根據DEA-Malmquist指數方法測度2005—2019年中國各省全要素生產率，進而匯總得到中國全要素生產率變化趨勢如圖3所示。研究期內，中國全要素生產率呈現波動上升趨勢，均值約為1.278，總體呈現平穩發展特征，2012年后略有上升，總體年均增速為0.017%，測算結果與蔡昉[26]的研究結果接近。2008—2012年中國全要素生產率有明顯下降趨勢， 2008年受金融危機沖擊，由金融危機引發的全球經濟低迷、需求不振，對出口導向的中國沿海地區制造業影響較大，同時全國各地高投資、高增長的發展模式也逐漸式微，隨著中國政府一系列金融財政措施的出臺，2012年第三季度中國經濟觸底反彈，從經濟危機陰影中走向復蘇，全要素生產率也隨之緩慢增大。總體看來，中國經濟已走入全要素增長率放緩階段，如何立足本土，把握中國經濟內循環與外循環關系，提振生產率將成為未來經濟系統面臨的重要考驗。

圖3 中國全要素生產率演化趨勢Fig.3 Evolution trend of TFP scores in China

2.2.2水-能源-糧食紐帶系統安全與全要素生產率耦合協調演化

根據構建的耦合協調度模型，分別測算出2005—2019年耦合度與耦合協調度，結果如圖4所示。隨著社會經濟協調發展及資源環境改善，中國水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合度與耦合協調度呈現波動上升趨勢。研究期內，耦合度由0.481 4增長至0.545 6，年均增長速度為0.898%，由拮抗階段過渡到磨合階段，耦合協調度由0.450 3增長至0.506 9，年均增長速度為0.849%。

圖4 中國水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合協調演化趨勢Fig.4 Evolution trend of coupling coordination between WEF nexus system and TFP in China

2.2.3水-能源-糧食紐帶系統安全與全要素生產率耦合度時空分異

由表5可看出，中國水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合度的高值區主要包括四川、廣西、江西、福建、湖南、內蒙古等資源環境較優良且與經濟發展匹配度較高的地區，低值區主要集中在北京、天津、河北、山東等環渤海地區以及寧夏、青海等西北地區。空間分布整體呈“南高北低”的空間格局特征，區域差異顯著。從時間系列來看，各省水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合度在0.20～0.77之間，大多處于磨合階段和拮抗階段，分別占比50.00%和26.67%，仍有16.67%的省份處于低耦合階段。相較于2005年，2010年各省水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合度逐步提升，由拮抗階段進入為磨合階段，處于磨合階段與拮抗階段的省份占比分別提升至53.33%和36.67%。至2015年，各省水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合度在0.30～0.76之間，低耦合度省份徹底消失。 2019年，各省水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合度在0.23～0.77之間，相比2015年大部分省份耦合度進一步增大。

表5 中國各省水-能源-糧食紐帶系統安全與全要素生產率耦合度Table 5 Coupling degree of Chinese provincial WEF nexus system security and TFP in China

綜合來看，以京津冀魯為代表的低值區省份，水資源短缺，且時空分布不均，水資源短缺不僅擠壓農業用水，加劇糧食安全隱患，同時對產業經濟良性發展帶來巨大挑戰，區域內各省份全要素生產率較低，水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率處于拮抗或低耦合階段。中國政府協同推進區域一體化戰略布局，通過推動城市間以功能互補、錯位發展、整體共贏的多元化、多層次合作，環渤海地區各省正逐漸引導經濟發展高質量轉型。以江西、湖南、廣西、四川為代表的南方高值區省份，其水資源豐沛，能源供需總體寬松，也是中國主要糧食產區，資源環境安全水平與其全要素生產率水平互相優化促進，逐漸走向有序、協調的可持續發展之路。

2.2.4水-能源-糧食紐帶系統安全與全要素生產率耦合協調度時空分異

由表6可看出，在空間維度上，各省水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合協調度與耦合度空間分布相關性較強，耦合協調度與耦合度大致吻合，整體由南至北呈現出“高—低—高”的空間分布特征，其分布的地帶性差異明顯。在時間維度上，耦合協調度整體呈現上升趨勢，全國平均水平由2005年的0.46上升至2019年的0.51。2005年，各省耦合協調度在0.29～0.55之間，最低值為寧夏，最高值為湖南，該時期耦合協調類型主要有中度協調和輕度協調兩種，分別占比86.67%和13.33%。2010年，各省耦合協調度處于0.31～0.63之間，最低值為天津，最高值為江西，耦合協調度類型有良好協調、中度協調和輕度失調3種，占比分別為3.33%、76.67%和20.00%，其中江西率先進入良好協調階段。2015年，各省耦合協調度介于0.34～0.66之間，相比2010年略有上升，其中內蒙古進入良好協調階段。2019年，各省耦合協調度介于0.37～0.66之間，平均耦合協調度逐漸增大，最低值為天津，最高值為內蒙古，耦合協調類型有良好協調、中度協調和輕度失調3種，占比分別為10.00%、80.00%和10.00%。

表6 中國各省水-能源-糧食紐帶系統安全與全要素生產率耦合協調度Table 6 Coupling coordination degree of Chinese provincial WEF nexus system security and TFP in China

綜合來看，社會經濟的發展與水、能源和糧食子系統安全水平的動態協同演化逐漸趨于良性，尤其生態文明戰略提出后，各級政府倡導協調生態環境與經濟發展之間關系，通過資源環境不斷優化與經濟高質量發展轉型的互相促進，正引導中國水-能源-糧食紐帶系統與經濟發展逐漸向健康有序的新發展階段邁進。

3 結 論

a.中國水-能源-糧食紐帶系統安全高值區呈現“雙極分布”的空間格局，系統安全水平整體呈現逐年提升趨勢，3個子系統中，糧食子系統安全水平最高，能源子系統次之，水資源子系統最低，安全水平增速糧食子系統最高，能源子系統次之，水資源子系統最低，綜合來看水資源子系統安全水平是中國經濟、社會與民生發展短板。

b.中國全要素生產率在2005—2019年呈波動上升趨勢，均值約為1.278，年均增速為0.017%，中國經濟已進入增速放緩階段。中國水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合協調時空差異格局顯著，其耦合協調度呈現增長趨勢。空間維度上由南至北呈現出“高—低—高”的空間分布特征，形成聚集的高值區中心與低值區中心；時間維度上，中國水-能源-糧食紐帶系統與全要素生產率耦合協調關系呈現向高水平耦合階段演進的趨勢。