王 晶，劉天一，吳春莉

（燕山大學經濟管理學院，河北 秦皇島 066000）

0 引 言

水資源是戰(zhàn)略性經濟資源和控制性生態(tài)要素。隨著我國經濟的高速發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境污染、用水結構不合理等問題給我國社會經濟高質量發(fā)展和生態(tài)文明建設帶來巨大挑戰(zhàn)。定量分析水資源利用和經濟增長的關系對于區(qū)域內可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。英國學者Allen 在1993年提出“虛擬水”的概念，用來計算產品和服務在生產以及銷售過程中的用水量[1]。以此為基礎，荷蘭學者Hoekstra 在2002年提出了“水足跡”的概念，用來衡量個人、區(qū)域或國家在某時期消耗的水資源數量[2]。程國棟首次將虛擬水的概念引入我國，為解決我國水資源安全問題提供新的工具，并初步計算西北五省虛擬水量[3]。2011年召開的波恩會議，將水資源安全、糧食安全和能源安全之間的關系作為一種“紐帶關系”，這也讓水-能源-糧食系統(tǒng)成為了熱點研究方向[4]。王晶通過測算河北省水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調度和空間分布特征研究耦合協(xié)調發(fā)展水平，結果表明河北省水-能源-糧食系統(tǒng)綜合評價指數居中，系統(tǒng)間耦合度較高，處于中級協(xié)調發(fā)展階段；耦合協(xié)調度具有空間正相關性，東北地區(qū)為低低集聚，中部地區(qū)為高高集聚或低高集聚[5]。李桂君等通過數據包絡分析的方法，分別從動、靜、動靜結合3 個角度評價中國30 個地區(qū)水-能源-糧食投入產出情況，結果表明我國大多數地區(qū)的DEA 效率值較低，技術及管理水平需要提高[6]。

經濟合作與發(fā)展組織（OECD）最早對脫鉤進行了定義，即經濟增長與環(huán)境壓力之間是否存在同步變化的關系。20年代末，OECD 又將脫鉤理論的概念引入農業(yè)政策研究中，并逐漸延伸到資源、經濟等領域。隨著脫鉤理論在資源環(huán)境上的廣泛應用，許多學者對資源消耗和經濟發(fā)展的關系進行深入研究。潘安娥通過構建協(xié)調發(fā)展脫鉤模型對湖北省水資源消耗與經濟增長之間的協(xié)調關系進行評價[7]。谷學明結合相對“脫鉤”“復鉤”理論，從水資源消耗和水環(huán)境壓力兩方面對江蘇省水資源利用與經濟的關系進行評價[8]。黃德春對黃河流域經濟高質量發(fā)展與水資源消耗脫鉤進行研究，并將脫鉤因素分解為生產技術、經濟規(guī)模、產業(yè)結構和人口數量四大脫鉤因子[9]。從研究對象上來看，這些研究多以省、流域為研究區(qū)域。馬海良以“能源-水”的視角分析工業(yè)領域水資源-能源-經濟三者之間的兩兩關系，“十一五”時期我國均實現了工業(yè)用水、工業(yè)用能與經濟增長的脫鉤，“十二五”時期絕大多數省份脫鉤更徹底[10]。謝文寶通過Tapio 模型實證研究新疆農業(yè)領域水資源利用與農業(yè)經濟增長的脫鉤關系，結果表明新疆農業(yè)領域的脫鉤狀態(tài)歷經弱脫鉤階段、不穩(wěn)定階段和強脫鉤階段，且不同流域的脫鉤狀態(tài)存在差異[11]。當前學者主要從“能源-水”、“糧食-水”等角度研究水資源利用與經濟增長的關系，以“水-能-糧”的視角進行研究是十分必要的，因此，本文以河北省水-能源-糧食系統(tǒng)為研究對象，探究其水資源利用與經濟增長的協(xié)調關系，并分析內在原因，為河北省實現可持續(xù)發(fā)展做出科學指導。

1 研究方法設計

本文基于水足跡理論對河北省水-能源-糧食系統(tǒng)下水資源利用進行研究，為定量分析水資源利用狀況，構建水資源利用指標體系，并建立協(xié)調發(fā)展脫鉤評價模型揭示水資源利用與經濟增長的脫鉤態(tài)勢，通過擴展的LMDI 模型對脫鉤因素進行分解分析。

1.1 水資源利用評價

根據王麗川[12]構建的區(qū)域水資源利用評價指標體系，結合河北省水-能源-糧食系統(tǒng)及經濟發(fā)展的現實情況，從結構、效益、安全3個維度進行評價，選取水資源進口依賴度、水資源匱乏度、水資源自給率等8個指標構建體系，如表1所示。

表1 水資源利用評價Tab.1 Water resource utilization evaluation

水資源進口依賴度反映出該系統(tǒng)對外部水資源的依賴程度，進口依賴度越高說明該系統(tǒng)處于貧水狀態(tài)，反之亦然；水資源自給率反映出地區(qū)的水資源利用對內部的依賴程度，自給率較高說明對外依賴程度低，對內依賴程度高；人均水足跡反映出當地的經濟發(fā)展程度和水資源利用效率，一般來說，經濟發(fā)達的地區(qū)人均水足跡較高；萬噸水足跡人口密度反應每單位水足跡的作用人口，指標越高，說明支撐人口能力越強；水資源利用效率反映出水資源的利用水平，值越大，代表單位水足跡帶來的經濟效益越大；進出口貿易比代表了本地區(qū)糧食、能源虛擬水的貿易情況，比值大于1說明進口虛擬水大于出口虛擬水，屬于水資源輸入地，比值小于1則屬于水資源輸出地；水資源匱乏度反映出本地區(qū)水資源緊缺程度，值越大水資源越緊缺，當擁有量大于消耗量時，代表水資源利用是可持續(xù)的，反之，水資源相對匱乏；水資源壓力指數反映生產需水量對可利用水資源總量的作用強度，指標越大，說明水資源壓力越大。

1.2 模型構建

首先，通過構建系統(tǒng)水足跡模型計算水-能源-糧食系統(tǒng)的水足跡，并簡要分析水足跡的構成情況，其次，通過構建水足跡與經濟增長之間的協(xié)調脫鉤模型，從總系統(tǒng)、糧食子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)3個方面分析脫鉤態(tài)勢，最后，為了探究產生脫鉤態(tài)勢的驅動因素，利用LMDI 分解模型進行深化研究。3個模型組成了研究水資源利用與經濟增長脫鉤關系的“模型鏈”，見圖1。

1.2.1 水足跡模型

水足跡核算有兩種方法，一種是“自上而下法”，即用區(qū)域內總用水量與進出口虛擬水量的和來表示，此方法是從宏觀的角度進行核算，它的優(yōu)點在于數據獲取方便，同時能反映進出口貿易的情況，但直接用工農業(yè)用水量不能反映水足跡的占比情況；另一種是“自下而上法”，即用產品單位虛擬水乘以其消費量與居民用水量的和來表示，此方法是從微觀的角度進行核算，它的優(yōu)點在于能清楚看到水足跡的成分占比，從而有針對性的進行研究，但單位虛擬水含量受多方面影響，計算不易進行。本文選擇“自上而下法”進行核算，其中糧食和能源水足跡的分別選擇小麥、玉米等12 種糧食以及煤、石油等5種能源代替農業(yè)和工業(yè)用水量，以此可以獲得詳細的水足跡構成，計算公式如下：

式中：TWF為水-能源-糧食系統(tǒng)水足跡總量；WFIN為系統(tǒng)內部的水足跡，即系統(tǒng)內部生產的產品和服務并且在系統(tǒng)內消費所耗費的水資源數量；WFEX為系統(tǒng)外部的水足跡，它代表其他地區(qū)提供給系統(tǒng)內的產品和服務所耗費的水資源數量。

式中：FWF為糧食水足跡；EWF為能源水足跡；DWC為居民日常生活的用水量；EWC為生態(tài)用水量；VWC表示系統(tǒng)內生產的能源和糧食產品在外地消耗所需要的虛擬水含量。

式中：VWIN為從其他地區(qū)進口的能源和糧食產品的虛擬水含量；VWEX為通過進口其他地方生產的產品和服務，但沒有在系統(tǒng)內消費，而是選擇再出口到其他地方的虛擬水含量。

1.2.2 脫鉤評價模型

脫鉤的概念最早起源于物理學，指的是兩個以及兩個以上具有相應關系的物理量沒有響應關系。Tapio 脫鉤彈性模型[13]因具有無量綱的特點，在國內研究中使用廣泛，因此，本文基于Tapio 脫鉤彈性模型，構建GDP 與水足跡之間的脫鉤彈性方程，變化率用增量除以兩年數值和的平均數來計算，可以平滑結果，減少誤差。計算公式如下：

式中：et為彈性系數，代表第t-1期到t期的經濟增長與系統(tǒng)水足跡的變化情況；%?TWF、%?GDP分別為水足跡和經濟增長的變化率；TWFt、GDPt分別為第t年的水足跡總量和經濟總產值。

為方便對脫鉤狀態(tài)進行定性的評價，更直觀地反映脫鉤情況，基于強脫鉤到強負脫鉤的脫鉤程度，將各個脫鉤狀態(tài)劃分為8個評價等級，其中A等級比B等級更理想，A+等級比A-等級更理想，脫鉤分類情況如圖2所示。

圖2 脫鉤分類圖Fig.2 Decoupling classification diagram

1.2.3 LMDI因素分解模型

對數平均迪氏指數分解法（LMDI）是指數分解法的一種，因具有有效解決分解中的“0”值和消除殘差項等優(yōu)點，得到廣泛應用[14]。僅利用脫鉤評價模型研究水資源利用和經濟增長的關系不能夠說明產生脫鉤態(tài)勢的原因?，F有的水資源利用脫鉤驅動因素研究中，多以用水強度、產業(yè)結構、規(guī)模經濟和人口規(guī)模作為主要因素，鮮少以足跡結構作為因素進行研究，同時系統(tǒng)水足跡的構成中糧食水足跡占比最大，耕地面積作為影響糧食水足跡的重要因素之一，也定會對其脫鉤產生影響。為了進一步研究水資源利用與經濟發(fā)展脫鉤驅動因素，本文參考孫付華[15]等學者的研究，從足跡結構、用水強度、規(guī)模經濟、人口耕地密度、耕地面積五個方面進行研究，將模型進行如下擴展：

式中：WFit表示第t時期中第i部門水足跡總量；P表示河北省常住人口；S表示耕地面積。

對上式進行改寫如下：

式中：Ci表示i部門用水量占系統(tǒng)水足跡的比重，代表足跡結構效應；I表示每單位GDP 需要的水足跡量，代表技術效應；Lnc表示人均GDP，代表規(guī)模效應；ρ表示人口耕地密度，代表密度效應。系統(tǒng)水足跡的增量ΔTWF可做如下分解：

上述的?WFC、?WFI、?WFLnc、?WFρ、?WFS分別代表結構效應、技術效應、規(guī)模效應、密度效應和耕地面積效應，表示足跡結構、技術改進、規(guī)模經濟、人口耕地密度和耕地面積5 種因素對水足跡的影響。利用LMDI 加和分解法[16]對式（7）進行分解：

分解效應為正數，則說明該因素具有促進作用，反之，該因素具有抑制作用。根據公式（7）～（12），并結合Tapio脫鉤彈性模型[13]，可推導因素脫鉤分解模型:

式中：eC、eI、eLnc、eρ、eS分別代表結構效應、技術效應、規(guī)模效應、密度效應和耕地面積效應造成的脫鉤因子變化。

2 數據來源與處理

河北省位于我國華北地區(qū)，東臨渤海，內部與北京和天津接壤，地跨海河和灤河兩大水系，是中國糧食主產區(qū)之一；同時，河北省能源豐富，尤其是煤、石油、天然氣。但是水資源相對缺乏，低于全國平均水平。河北省是京津冀經濟圈的重要組成部分，河北省的經濟發(fā)展相對于京津地區(qū)來說相對遲緩，在京津冀經濟圈內，河北省的人均生產總值、人均可支配收入以及經濟增長率等遠遠低于京津兩地[17]。因此，想要實現京津冀經濟圈高質量發(fā)展，就必須對3個地區(qū)中發(fā)展相對緩慢的河北省采取相應措施。

2.1 數據來源

本文研究數據主要來自2010-2020年《河北統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》、《水資源公報》、中華人民共和國商務部等。農產品、動物產品、能源的單位虛擬水量參考曹永強[18]、Chapagain[19]和關偉[20]的研究成果如表2所示。

表2 農產品、動物產品及能源單位質量的虛擬水含量Tab.2 Virtual water content per unit mass of agricultural products,animal products and energy

2.2 數據處理

由于數據缺乏，在系統(tǒng)水足跡計算過程中，VWC和WFEX中的農作物水足跡選擇平均萬元GDP 和進出口總額的乘積來計算；VWC和WFEX中的能源水足跡選擇能源單位平均水足跡和進出口總額的乘積來計算；VWEX不再納入核算范圍。

3 水足跡和水資源利用評價指標分析

3.1 水足跡構成

利用公式（1）～（3）計算2011-2020年河北省水-能源-糧食系統(tǒng)的用水量，水足跡構成情況見表3和圖3。

由表3和圖3可以看出，10年間河北省水-能源-糧食系統(tǒng)水足跡總量逐年上升，僅在2018年出現小幅度下降。2011年的系統(tǒng)水足跡值為1 414.5 億m3，為近10年最低值，在2020年上漲到1 600.4 億m3。糧食水足跡在系統(tǒng)水足跡一直占有最大比重，平均占比高達96%，表明農業(yè)仍然是第一用水大戶?？梢钥闯龊颖笔〉貏萜教埂⑼恋胤饰?，適宜種植，區(qū)域內農業(yè)發(fā)達，但是工業(yè)發(fā)展相對不足。

圖3 水-能源-糧食系統(tǒng)用水結構Fig.3 Water use structure of water-energy-food system

表3 2011-2020年水-能源-糧食系統(tǒng)水足跡構成Tab.3 Composition of water footprint of water-energy-food system from 2011 to 2020

由圖4（a）可以看出，在糧食子系統(tǒng)中，禽蛋的水足跡值最大，平均高達321.8億m3，這是由于動物產品的虛擬水含量較高，禽蛋的產量較大；其次為蔬菜，其產量在核算的產品中位居第一，平均每年可產4 956.5 萬t；小麥和玉米作為河北省最主要的農作物產品，其水足跡值穩(wěn)步增長，近10年增加20 億m3；豆類和薯類的用水量較低，平均只有6.4 億m3和13.2 億m3。

由圖4（b）可以看出，在能源子系統(tǒng)中，火力發(fā)電是最主要的能源用水門戶，近10年整體成上升趨勢，但略有波動，僅有2011年、2012年和2015年低于10 億m3，自2016年起穩(wěn)步升高，并在2018年達至峰值12.28億m3，最近3年呈現下降趨勢；煤炭的水足跡值僅在2012年升高，隨后呈現出明顯的下降趨勢，十年間煤炭的水足跡減少50%以上；石油、天然氣水足跡值呈現出小幅度的下降；水力發(fā)電呈現出小幅度的增加。這與河北省能源結構優(yōu)化緊密相關，進行傳統(tǒng)能源優(yōu)化升級取得明顯成效，多采用清潔能源。

圖4 糧食、能源子系統(tǒng)用水結構Fig.4 Water structure of food and energy subsystems

3.2 水資源利用評價指標分析

利用表1的水資源利用評價方法可得到水資源進口依賴度、水資源自給率等評價指標，見表4。

由表4可以看出，從結構方面來說，河北省水資源進口依賴度較低，近10年保持在1%上下，水資源自給率較高，平均為99.3%，對外依賴程度較低，不代表水資源利用充足，因為北方種植的農作物虛擬水含量高，進口的糧食作物數量遠遠低于當地的產量，導致水資源進口依賴度遠低于水資源自給率。

表4 水資源利用評價指標Tab.4 Evaluation indicators of water resources utilization

從效益方面來說，近10年人均水足跡不斷攀升，并在2020年達到2 145 m3/人，與世界平均水足跡1 240 m3/人相比，河北省人均水足跡遠高于世界平均水平，但距離發(fā)達國家仍有差距；萬噸水足跡人口密度不高，表明水足跡支撐人口能力不強，受到河北省的產業(yè)布局和發(fā)展戰(zhàn)略等方面的影響；水資源利用效率在十年間從15.1 元/m3到22.6 元/m3，增長顯著，這得益于科學技術進步和能源綠色轉型；從虛擬水進出口貿易比可以看出，近年來進口虛擬水遠大于出口虛擬水，屬于虛擬水貿易逆差，表明河北省屬于水資源輸入地。

從安全方面來說，水資源匱乏度和水資源壓力指數都比較大，這表明水資源已經處于非常緊缺的狀態(tài)，必須通過進口虛擬水來緩解供需關系的不平衡，河北省水-能源-糧食系統(tǒng)處于不可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，因此要調整產業(yè)結構，重點發(fā)展工業(yè)與農業(yè)，采用清潔能源，減少污水排放所需用水量，并通過滴灌、噴灌等技術提高農業(yè)用水效率；優(yōu)化種植布局，在保證糧食安全的條件下，改變耕種結構，適量減少小麥、玉米等高耗水農作物的耕種面積，增多需水量小、經濟效益大的農作物；并通過一水多用等節(jié)水方式減少水資源的消耗。

4 脫鉤關系與驅動因素研究

4.1 水-能源-糧食系統(tǒng)脫鉤關系研究

利用式（4）脫鉤評價模型可以得到河北省水-能源-糧食系統(tǒng)、糧食子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)的水足跡變化率、GDP 變化率、彈性系數以及脫鉤態(tài)勢，如表5和圖5所示。

表5 水資源利用與經濟增長的脫鉤關系評價Tab.5 Evaluation of the decoupling relationship between water resources utilization and economic growth

由表5可以看出，在2012-2020年的9年期間，水-能源-糧食系統(tǒng)脫鉤情況很理想，評價等級均在A 檔，其中在2018年達到了強脫鉤的狀態(tài)，這是一種最理想的狀態(tài)，經濟在不斷地增長，水足跡總量卻在不斷下降；其他年份均呈現出弱脫鉤的狀態(tài)，說明河北省水-能源-糧食系統(tǒng)水足跡值在不斷地增長，但是其經濟增長更快，此時處在初級協(xié)調階段，是一種良好的情況，同時7 次弱脫鉤的彈性系數小于0.4，可以看出在弱脫鉤的范疇內也是較好的狀態(tài)。從圖5（a）可以看出，河北省GDP 增速較快，大多年份GDP 變化率在0.03～0.08 之間，而水足跡變化率增速較慢，基本在0.01～0.03，其中在2018年實現了負增長，實現了強脫鉤態(tài)勢。

糧食子系統(tǒng)的脫鉤情況不理想，出現A 檔等級6 次、C 檔等級3 次，跨度頻率大且脫鉤狀態(tài)不夠穩(wěn)定，在2014-2016年連續(xù)3年出現了擴張性負脫鉤和強負脫鉤非常不理想的情況。2017年河北省深入推進農業(yè)供給側改革，優(yōu)化種植結構，出現了顯著成效，2017-2020年均呈現脫鉤態(tài)勢，并在2018年達到強脫鉤狀態(tài)。從圖5（b）可以看出，糧食GDP 變化率波動明顯，甚至在2015年和2016年出現了負增長，糧食水足跡變化率基本在-0.02～0.02 范圍內，并在2012-2018年出現鋸齒型下降，這對脫鉤關系的影響是積極的。

能源子系統(tǒng)的脫鉤情況要優(yōu)于糧食子系統(tǒng)的脫鉤情況，出現A 檔等級8 次、C 檔等級1 次，其中A+等級出現4 次，不僅脫鉤關系穩(wěn)定，而且常年處于優(yōu)質狀態(tài)。2018年反常出現了強負脫鉤狀態(tài)，由圖5（c）可以清晰看到，能源水足跡變化率出現明顯上升，同時能源GDP 變化率出現了負增長，隨后的兩年內又呈現出強脫鉤態(tài)勢，這種極端地跳躍要盡量避免，能夠及時調整過來可能得益于政府對能源行業(yè)的管控和清潔能源的推廣。

圖5 水足跡-GDP-彈性系數變化關系Fig.5 Relationship between water footprint-GDP-elasticity coefficient

4.2 水-能源-糧食系統(tǒng)脫鉤驅動因子及效應分析

利用公式（5）～（14）可以得出足跡結構、用水強度、規(guī)模經濟、人口耕地密度和耕地面積5 種因素的脫鉤驅動因子，見表6。

表6 脫鉤因子分析表Tab.6 Decoupling factor analysis table

在2012-2020年間，河北省水-能源-糧食系統(tǒng)水資源利用與經濟增長脫鉤因子分解情況：用水強度因子和耕地面積因子為負向脫鉤因子，足跡結構因子、規(guī)模經濟因子和人口耕地密度因子為正向脫鉤因子。

結構效應可以分為兩個階段，第一階段為2012-2017年，大部分年份脫鉤因子為正，對水資源利用與經濟增長的脫鉤關系產生抑制作用，但是阻礙的效果不明顯，第二階段為2018-2020年，均產生促進作用，但從長期來看仍屬于抑制因子；技術效應對其脫鉤關系產生了促進作用，是主要的促進因子，并且促進作用越來越大，2019年技術效應脫鉤驅動因子促進作用最明顯，技術效應的絕對值逐年增大，這說明技術效應所導致水足跡總量正在逐年降低，反應出“十三五”期間技術水平不斷提升產生的良好影響；規(guī)模效應是主要的抑制因子，沒有產生促進脫鉤的作用，同時用水量不斷升高，經濟的高速發(fā)展依賴于水資源，其效應沒有促進脫鉤不代表河北省為了達到節(jié)水的目的而阻礙經濟的發(fā)展；密度效應是次要的抑制因子，并且密度效應脫鉤因子正在逐年增強，抑制作用不明顯；耕地面積效應是次要的促進因子，平均脫鉤因子值為-0.062，促進作用不夠明顯，耕地面積的減少會導致水足跡的減少，要堅持退耕還林政策，保護生態(tài)環(huán)境。

5 結 論

本文在水-能源-糧食系統(tǒng)下考慮水資源利用情況，通過研究得到以下結論。

（1）從整體來看，近10年河北省水-能源-糧食系統(tǒng)水足跡表現為波動上升的趨勢，其中糧食水足跡占比最大，平均占比高達92.6%。因此，減少水-能源-糧食系統(tǒng)水足跡可以通過減少糧食水足跡來達成。可以采取部分技術手段來降低糧食生產制造過程的用水量，例如通過滴灌、噴灌技術等，提升其用水效率，從而達到節(jié)水的目的；另一方面，在保障糧食安全的條件下，改變耕種的結構，適量減少小麥、玉米等高耗水農作物的耕種面積，增加需水量較小、經濟效益較大的農作物，進而達到減少糧食水足跡的目的。

（2）在脫鉤模型設計中，變化率用增量除以兩年數值和的平均數來計算，可以使結果更加平滑，減少誤差；同時設置脫鉤評價等級能夠從總體上觀察出脫鉤狀態(tài)的整體水平，便于分析。基于脫鉤模型得到水-能源-糧食系統(tǒng)的脫鉤關系如下，總系統(tǒng)脫鉤情況很理想，全部處于強脫鉤、弱脫鉤的狀態(tài)，評價等級均在A 檔；糧食子系統(tǒng)脫鉤情況不理想，變化幅度較大且狀態(tài)不夠穩(wěn)定，多數年份處于脫鉤狀態(tài)，少數年份處于負脫鉤狀態(tài)；能源子系統(tǒng)脫鉤情況要優(yōu)于糧食子系統(tǒng)脫鉤情況，多數年份評價等級處于A 檔，且常年處于A+的強脫鉤狀態(tài)。

（3）在基于LMDI 的因素分解模型設計中，本文將足跡結構納入研究范疇，同時鑒于糧食水足跡的占比最多，耕地面積是影響糧食水足跡的一大因素，同時也是系統(tǒng)整體水資源利用與經濟增長的脫鉤關系的影響因素，將足跡結構和耕地面積作為脫鉤因子進行研究，一方面可以通過調整水足跡的比例升級產業(yè)結構，從而促進脫鉤態(tài)勢，另一方面耕地面積近10年呈不斷下降趨勢，作為促進脫鉤的影響因子，有利于退耕還林政策穩(wěn)步推進，增強人們保護生態(tài)環(huán)境的意識。