孫才志，段興杰

（1.教育部人文社科重點(diǎn)研究基地 遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，遼寧 大連 116029；2.遼寧省海洋經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展高校協(xié)同創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116029；3.遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029）

人類(lèi)生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展得益于水資源、能源、糧食重要自然資源的支撐，2011年波恩會(huì)議上首次將水資源、能源、糧食聯(lián)系起來(lái)并作為一個(gè)整體考慮，認(rèn)為三者之間相互聯(lián)系、緊密依存、相互制約［1－2］。黃河流域有豐富的礦產(chǎn)、能源、土地資源，是我國(guó)重要的能源基地和糧食主產(chǎn)區(qū)，然而流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展因水資源短缺而受到制約［3］，礦產(chǎn)資源因過(guò)度開(kāi)發(fā)而面臨枯竭，流域生態(tài)環(huán)境遭受破壞［4］。2019年9月18日，習(xí)近平總書(shū)記在鄭州主持召開(kāi)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)，明確提出黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的主要目標(biāo)任務(wù)之一是加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)［5］。科學(xué)評(píng)價(jià)黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力，對(duì)于促進(jìn)該系統(tǒng)均衡發(fā)展、加快推動(dòng)流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要［6］。水資源－能源－糧食系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，是具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)整體。在進(jìn)行黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力評(píng)價(jià)時(shí)，需要從經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)全局視角，綜合考慮水資源安全、能源安全、糧食安全和生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展［7］。一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，如趙紅蕊等［8］將時(shí)空信息熵應(yīng)用于延河流域生態(tài)可持續(xù)性分析中，結(jié)果表明延河流域的生態(tài)彈性總體增強(qiáng)，生態(tài)可持續(xù)狀況明顯改善；劉家旗等［9］利用生態(tài)足跡理論和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力指數(shù)等對(duì)黃河流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行評(píng)價(jià)；寧朝山等［10］利用改進(jìn)的縱橫向拉開(kāi)檔次法和耦合協(xié)同度模型對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。能值評(píng)價(jià)是一種評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)在不同尺度上可持續(xù)發(fā)展能力的方法，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域與區(qū)域，如馬文靜等［11］使用能值分析方法全面評(píng)估了我國(guó)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展水平；Pan等［12］建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)了思茅市城市系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力；王慧亮等［13］利用能值理論評(píng)價(jià)了黃河流域各?。▍^(qū)）水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。

通過(guò)梳理文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)水資源、能源和糧食子系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，往往忽略不同地區(qū)資源儲(chǔ)量、社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件等方面存在的差異，導(dǎo)致評(píng)估中指標(biāo)選取不同，難以建立統(tǒng)一的評(píng)估框架，影響系統(tǒng)整體評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性［14］。鑒于此，本文以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用能值分析方法評(píng)價(jià)其水資源－能源－糧食系統(tǒng)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力，以期為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 流域概況

黃河全長(zhǎng)5 464 km，從上游到下游依次流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南和山東9個(gè)?。▍^(qū)）。黃河流域面積79.5萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的8.28%。黃河流域是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障、能源化工基地和糧食生產(chǎn)基地，在國(guó)家生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有戰(zhàn)略性地位。2021年年底黃河流域生產(chǎn)總值為16.92萬(wàn)億（占全國(guó)的14.79%），總?cè)丝?.52億（占全國(guó)的17.83%）。流域內(nèi)降水分布不均，水量?jī)H占全國(guó)河川徑流的2%，人均水資源量?jī)H占全國(guó)平均水平的1／4。黃河流域能源儲(chǔ)量龐大，蘊(yùn)藏著豐富的煤炭、石油和天然氣等能源資源，國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的山西、鄂爾多斯盆地和蒙東國(guó)家綜合能源基地都位于該流域［15］。流域光熱資源豐富，2021年黃河流域糧食產(chǎn)量1.61億t，占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的23.57%。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

2.1.1 能值分析理論和方法

能值分析理論與方法是由Odum［16］創(chuàng)立的，Odum把能值定義為一種流動(dòng)或儲(chǔ)存的能量所包含另一種類(lèi)別能量的數(shù)量，由于地球上的能量來(lái)源于太陽(yáng)能，因此任何種類(lèi)的能量都可以被測(cè)算為太陽(yáng)能值，并通過(guò)能值轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)能等效焦耳。能值計(jì)算公式［16］為

式中：E為能值，sej；τ為能值轉(zhuǎn)換率，sej／J（或sej／g）；B為能量，J（或?yàn)槲镔|(zhì)的質(zhì)量，g）。

2.1.2 信息熵理論

利用信息熵理論方法，可以更好地表達(dá)水資源－能源－糧食系統(tǒng)的復(fù)雜變化信息，提供更加客觀的結(jié)構(gòu)均衡性分析結(jié)果，從而揭示該系統(tǒng)的生態(tài)可持續(xù)性狀況。信息熵計(jì)算步驟如下［6，17］。

（1）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式中：Xij、X′ij分別為第i年指標(biāo)j的原始值和標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Xjmax、Xjmin分別為研究期指標(biāo)j的最大值和最小值。

翻轉(zhuǎn)課堂最重要的環(huán)節(jié)是課中師生的互動(dòng)環(huán)節(jié)，良好的師生關(guān)系在某種程度上可以增加師生之間的信任和互動(dòng)，而這種信任和互動(dòng)，是能夠改變教學(xué)效果的關(guān)鍵因素之一。例如，課中互動(dòng)時(shí)，以講故事、開(kāi)玩笑等形式構(gòu)造融洽的氛圍，便于授課順利進(jìn)行。在言語(yǔ)上，口氣隨和，真誠(chéng)溝通，實(shí)現(xiàn)平等對(duì)話(huà)，體現(xiàn)尊重。這些細(xì)節(jié)都可以使學(xué)生產(chǎn)生自信心或親近行為，促進(jìn)翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)施效果的提升。

（2）計(jì)算信息熵：

式中：W（x）、E（x）、F（x）分別為水資源、能源、糧食子系統(tǒng)的信息熵；p（wi）、p（ei）、p（fi）分別為水資源、能源、糧食子系統(tǒng)指標(biāo)量占比；H（x）為水資源－能源－糧食系統(tǒng)信息熵。

運(yùn)用能值分析理論與方法，繪制黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)的能值系統(tǒng)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)的能值系統(tǒng)

（3）構(gòu)建指標(biāo)體系。依據(jù)黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)的實(shí)際情況，構(gòu)建系統(tǒng)能值指標(biāo)體系，見(jiàn)表1；采用信息熵理論，并借鑒劉耕源等［18］、呂翠美等［19］構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建基于信息熵理論的黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)均衡性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表2。

表1 黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)能值指標(biāo)體系

表2 基于信息熵理論的黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)均衡性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用的黃河流域9個(gè)省（區(qū)）的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于2008—2018年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《黃河水資源公報(bào)》及各?。▍^(qū)）統(tǒng)計(jì)年鑒等。本文黃河流域各?。▍^(qū)）均指其在黃河流域范圍內(nèi)的區(qū)域，所采用的能值折算系數(shù)和能值轉(zhuǎn)換率以及能值計(jì)算公式主要參考劉耕源等［18］、Odum［20］、藍(lán)盛芳等［21］、黃黃等［22］的研究成果。利用表1得到的2008—2018年黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)能值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2008—2018年黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)能值計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)整體能值評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

由表3可知，2008—2018年黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)的總能值用量由2008年的7.64×1023sej增長(zhǎng)到2018年的1.45×1024sej，不可更新資源占比由2008年的95.7%增長(zhǎng)到2018年的96.72%，可更新資源占比由2008年的4.3%下降到2018年的3.28%。可見(jiàn)，黃河流域資源消耗以不可更新資源為主且使用量呈增加趨勢(shì)，可更新資源投入量少且呈減少趨勢(shì)。為保證水資源－能源－糧食系統(tǒng)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)和健康發(fā)展，應(yīng)減少煤、石油、天然氣等不可更新資源的投入，加大太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電等可更新資源的開(kāi)發(fā)力度，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。

2008—2018年黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)環(huán)境負(fù)載率呈現(xiàn)先增大再減小再增大的趨勢(shì)，由2008年的30.26增大到2018年的48.71。2015年開(kāi)始可更新資源的使用量增大，系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境壓力有所減小，2018年因不可更新資源消耗量增加而出現(xiàn)峰值。能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)變化幅度不大，由2008年的0.14下降到2018年的0.10；可持續(xù)發(fā)展指數(shù)從2008年的0.25減小到2018年的0.09。參考陸宏芳等［23］的研究成果可知，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)越小，系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力越弱。該系統(tǒng)2008—2018年能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)一直處于下降趨勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了很大壓力，造成系統(tǒng)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力不斷減弱的主要原因是不可更新資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和不合理利用［24］。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)長(zhǎng)期處于生態(tài)超負(fù)荷狀態(tài)，今后必須調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，合理配置不可更新資源與可更新資源的使用。

3.2 黃河流域各?。▍^(qū)）能值評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

3.2.1 黃河流域各省（區(qū)）能值用量分析

鑒于黃河流域范圍內(nèi)各?。▍^(qū)）面積差異較大，本研究采用單位面積能值分析各?。▍^(qū)）能值用量。由表4可以看出，黃河中下游的內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南和山東能值用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黃河上游各?。▍^(qū)），尤其是山東能值增長(zhǎng)最為明顯，由2008年的1.53×1013sej增大到2018年的3.14×1013sej。

表4 黃河流域各?。▍^(qū)）單位面積能值用量1011sej

各?。▍^(qū)）能值用量占比見(jiàn)圖2（山東和河南可更新資源占比太小圖中無(wú)法顯示），可以看出，黃河流域各?。▍^(qū)）能值總量構(gòu)成以不可更新資源為主。山西、內(nèi)蒙古主要依靠不可更新資源促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，河南、寧夏、陜西不可更新資源占比波動(dòng)較大，陜西2015年因外界不可更新資源輸入減少、當(dāng)?shù)夭豢筛沦Y源消耗量增加而出現(xiàn)峰值。黃河流域上游的青海和四川經(jīng)濟(jì)發(fā)展以可更新資源投入為主，流域中下游的內(nèi)蒙古、山西等?。▍^(qū)）可更新資源占比較低。在今后的發(fā)展中，上述?。▍^(qū)）應(yīng)提高不可更新資源利用率，合理開(kāi)發(fā)利用自然資源，加大可更新資源的開(kāi)發(fā)力度，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

圖2 黃河流域各?。▍^(qū)）能值用量占比

3.2.2 各?。▍^(qū)）自然子系統(tǒng)及可持續(xù)發(fā)展能值評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

根據(jù)表1可持續(xù)發(fā)展能值表達(dá)式計(jì)算出的2008—2018年黃河流域各?。▍^(qū)）可持續(xù)發(fā)展指數(shù)見(jiàn)表5。由表5可知，山東、河南環(huán)境負(fù)載率較大且都大于10，呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這些省份經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度較高，生態(tài)環(huán)境壓力較大，由于過(guò)度開(kāi)發(fā)當(dāng)?shù)赜邢薜牟豢筛沦Y源，因此生態(tài)環(huán)境惡化；青海、甘肅、四川環(huán)境負(fù)載率較小，原因是這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度較低，生態(tài)環(huán)境壓力相對(duì)較小，不可更新資源使用量較少。環(huán)境負(fù)載率較大的?。▍^(qū)）能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較小，2008—2018年山東、河南能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較小且都小于1，這2個(gè)省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度較高，資源利用強(qiáng)度較大，內(nèi)部生態(tài)環(huán)境壓力較大；青海大部分年份1＜能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)＜10，表明系統(tǒng)具有活力，生態(tài)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r較好；四川大部分年份能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)＞10，說(shuō)明該省所屬黃河流域部分資源豐富但開(kāi)發(fā)利用不夠，致使經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)。山東能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)＜1，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)卻逐年減小，說(shuō)明山東經(jīng)濟(jì)達(dá)到了較高的水平，由于系統(tǒng)輸入能值遠(yuǎn)大于系統(tǒng)輸出能值，不可更新資源過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看生態(tài)可持續(xù)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)逐漸減?。?5］；可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較小的山西作為煤炭大省，隨著不可更新資源開(kāi)發(fā)力度的加大處于資源枯竭的窘境，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。

表5 黃河流域各?。▍^(qū)）可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

3.3 黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)均衡性分析

系統(tǒng)均衡性不僅能反映水資源子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)和糧食子系統(tǒng)三者間的相互作用程度，而且能說(shuō)明其生態(tài)可持續(xù)發(fā)展水平高低。根據(jù)信息熵理論測(cè)算出的2008—2018年黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)熵值變化情況見(jiàn)圖3，可以看出，系統(tǒng)熵值整體呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，省（區(qū)）間水資源－能源－糧食系統(tǒng)均衡性差距較大。寧夏、青海和內(nèi)蒙古熵值較小，寧夏和內(nèi)蒙古經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠不可更新資源的消耗，使得均衡性較差；青海水資源量豐富，但經(jīng)濟(jì)水平較低，致使均衡性較差。河南、山東、山西和陜西的熵值較大，這些省份作為我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和能源生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，水資源和能源利用率也較高，使得均衡性較好。但是，經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成系統(tǒng)生態(tài)壓力較大，地區(qū)水資源、能源與糧食之間的矛盾更加尖銳，尤其山東的熵值減小趨勢(shì)最為明顯，由2008年的3.02減小到2018年的2.15，均衡性降低。甘肅和四川熵值在2.75～2.89范圍內(nèi)波動(dòng)，均衡性處于中等水平，這2個(gè)省水儲(chǔ)量較大但水資源開(kāi)發(fā)利用率較低、可持續(xù)發(fā)展水平較高。黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力不斷減弱，亟須采取針對(duì)性措施，提升其水資源－能源－糧食系統(tǒng)的均衡性，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)厮Y源、能源和糧食可持續(xù)發(fā)展。

圖3 黃河流域各?。▍^(qū)）水資源－能源－糧食系統(tǒng)熵值變化

4 結(jié) 論

（1）2008—2018年黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)主要依賴(lài)不可更新資源，屬于資源消耗型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高環(huán)境負(fù)荷狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大壓力，造成系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力不斷減弱，原因主要是不可更新資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)以及不當(dāng)利用。

（2）2008—2018年黃河中下游能值用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黃河上游，各?。▍^(qū)）能值總量構(gòu)成以不可更新資源為主；黃河流域下游生態(tài)環(huán)境壓力日益加重，上游?。▍^(qū)）生態(tài)環(huán)境壓力相對(duì)較小；黃河下游經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高但可持續(xù)發(fā)展能力較低，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)可更新資源的開(kāi)發(fā)力度，減少對(duì)不可更新資源的依賴(lài)；上游經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后但可持續(xù)發(fā)展能力較強(qiáng)，需完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在保證現(xiàn)有可持續(xù)性發(fā)展能力的基礎(chǔ)上，逐漸縮小同下游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的差距。

（3）2008—2018年黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)熵值整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，各?。▍^(qū)）間系統(tǒng)均衡性差距較大。寧夏、青海和內(nèi)蒙古熵值較小，均衡性較差；河南、山東、山西和陜西的熵值較大，均衡性較好；甘肅和四川熵值在2.75～2.89范圍內(nèi)波動(dòng)，均衡性處于中等水平。黃河流域水資源－能源－糧食系統(tǒng)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展能力不斷減弱，亟須采取針對(duì)性措施，提升系統(tǒng)的均衡性。