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        水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)及驅(qū)動(dòng)力分析

        2024-03-31 05:34:26楊明明朱永楠趙勇楊文靜樊煜
        人民黃河 2024年3期
        關(guān)鍵詞:耦合協(xié)調(diào)度驅(qū)動(dòng)力糧食

        楊明明 朱永楠 趙勇 楊文靜 樊煜

        摘 要:為加深對(duì)我國(guó)水資源、能源、糧食、生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同演變趨勢(shì)的認(rèn)識(shí),構(gòu)建水資源-能源-糧食-生態(tài)多維系統(tǒng)指標(biāo)體系,運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型對(duì)我國(guó)2005—2020 年水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行評(píng)價(jià),并采用多因素歸因分析法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。結(jié)果表明:我國(guó)水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度從2005 年的0.55 增長(zhǎng)到2020 年的0.84,各地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度從勉強(qiáng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平過渡到中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展水平,各子系統(tǒng)對(duì)耦合協(xié)調(diào)度上升的驅(qū)動(dòng)分別經(jīng)歷了由糧食子系統(tǒng)到生態(tài)子系統(tǒng)再到水資源子系統(tǒng)主導(dǎo)的過程;能源子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率雖然比較小,但是未來可能是各地區(qū)提升水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)多維系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平的突破口。

        關(guān)鍵詞:水資源-能源-糧食-生態(tài);耦合協(xié)調(diào)度;多因素歸因分析;驅(qū)動(dòng)力

        中圖分類號(hào):TV213.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.03.011

        引用格式:楊明明,朱永楠,趙勇,等.水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)及驅(qū)動(dòng)力分析[J].人民黃河,2024,46(3):58-63.

        0 引言

        水資源、能源、糧食是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的三大物質(zhì)基礎(chǔ)和戰(zhàn)略資源[1] 。人口增長(zhǎng)、城市化等因素驅(qū)動(dòng)下,人類社會(huì)對(duì)水資源、能源和糧食等資源的需求與日俱增,加之氣候變化對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力,成為綠色可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[2] 。我國(guó)資源稟賦、生產(chǎn)能力和消費(fèi)規(guī)模之間存在不匹配、不平衡的問題,資源環(huán)境承載壓力日趨加大,因此有必要對(duì)水資源、能源、糧食各系統(tǒng)間協(xié)同演變關(guān)系進(jìn)行研究分析,為促進(jìn)生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

        水資源-能源-糧食紐帶關(guān)系一詞最早源于2011年德國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)水安全、能源安全和糧食安全的關(guān)系總結(jié),認(rèn)為3 種資源之間存在相互依存的聯(lián)系[3] ,大致表現(xiàn)為人類對(duì)水資源的取、用、耗、排都離不開能源的支持,能源的開采、加工、冷卻等均需要水資源的參與,糧食的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸?shù)韧瑯有枰Y源和能源的投入[4-5] 。基于某系統(tǒng)中任何一個(gè)要素供應(yīng)或需求變化都會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成影響的特點(diǎn),廖重斌[6] 首次將物理學(xué)中的耦合度概念應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系研究,引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用耦合模型對(duì)水資源-能源-糧食系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系的廣泛探索。Han 等[7] 、彭俊杰[8] 、王勇等[9] 分別研究了我國(guó)省際、黃河流域、京津冀地區(qū)的水資源-能源-糧食耦合協(xié)調(diào)度演變特征;羅巍等[10] 、王麗川等[11] 分別采用ARMIA 模型和灰色GM(1,1)模型對(duì)水資源-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行預(yù)測(cè);Sun 等[12] 采用DEA 方法對(duì)水資源-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度進(jìn)行評(píng)價(jià),Wang 等[13] 和汪中華等[14] 分別采用地理加權(quán)回歸和空間計(jì)量模型對(duì)水資源-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度影響因素進(jìn)行分析。以往關(guān)于系統(tǒng)協(xié)調(diào)度影響因素的研究,主要考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口、氣候、教育等外部因素[15] ,很少分析系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)對(duì)協(xié)調(diào)水平的貢獻(xiàn)率。我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境日益重視,在考慮資源系統(tǒng)間供給與消耗紐帶關(guān)系時(shí),應(yīng)考慮其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,即與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)[16] 。以往研究大多僅考慮水資源子系統(tǒng)中的生態(tài)用水與廢污水排放、能源子系統(tǒng)中的工業(yè)廢氣排放或者糧食子系統(tǒng)中的化肥負(fù)荷[3,17] , 雖然李波等[18] 、Li 等[19] 、Ding 等[20] 將生態(tài)環(huán)境作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),但未能區(qū)分不同資源系統(tǒng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,而且研究對(duì)象均為流域尺度。

        基于此,本文在考慮資源系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上,從大氣、水體、土地及環(huán)境方面全面考察生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r,并從國(guó)家尺度構(gòu)建水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)體系,綜合分析2005—2020年我國(guó)各地理分區(qū)水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)演變趨勢(shì),應(yīng)用多因素分析法分析各子系統(tǒng)對(duì)多維系統(tǒng)協(xié)調(diào)演變的驅(qū)動(dòng)情況,以期為我國(guó)水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)多維系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

        1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

        1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

        為全面體現(xiàn)各地區(qū)資源稟賦、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等方面情況,本文從自然稟賦、開發(fā)程度、安全程度、資源消耗及經(jīng)濟(jì)效益角度,構(gòu)建我國(guó)水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)多維指標(biāo)體系(見表1)??紤]到生態(tài)系統(tǒng)作為一切社會(huì)生產(chǎn)行為的載體,承載了人類對(duì)水、糧食和能源等資源進(jìn)行開采、利用乃至保護(hù)的所有行為,生態(tài)子系統(tǒng)指標(biāo)的選取主要考慮資源系統(tǒng)在大氣、水體、土地等方面對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,同時(shí)兼顧人類為改善環(huán)境而采取的努力。

        1.2 水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型

        首先采用極值標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理,然后采用熵值法求得各子系統(tǒng)的指標(biāo)權(quán)重,并運(yùn)用線性加權(quán)法計(jì)算多維系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

        1.4 數(shù)據(jù)來源

        研究數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)年鑒》《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)電力年鑒》《中國(guó)環(huán)境年鑒》《中國(guó)農(nóng)村能源年鑒》《中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料》《中國(guó)水資源公報(bào)》及各?。ㄊ小^(qū))相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料。本文研究區(qū)范圍為我國(guó)內(nèi)地除西藏外的其他30 個(gè)省(市、區(qū)),根據(jù)地理位置劃分為東北地區(qū)(包括黑龍江、吉林、遼寧)、華北地區(qū)(包括北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古)、華中地區(qū)(河南、湖南、湖北)、華南地區(qū)(包括廣東、廣西、海南)、華東地區(qū)(包括上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東)、西北地區(qū)(包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆)和西南地區(qū)(包括重慶、四川、貴州、云南)地區(qū)七大地區(qū)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 水資源-能源-糧食-生態(tài)多維系統(tǒng)耦合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

        我國(guó)水資源-能源-糧食-生態(tài)多維系統(tǒng)的耦合評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1 所示。2005—2020 年,耦合度整體呈先上升后趨于平緩的趨勢(shì),其中2012 年耦合度達(dá)到最大值0.99,2013 年之后基本維持在0.97 左右,多年平均值為0.93,說明這4 個(gè)系統(tǒng)之間具有較高的耦合度。耦合協(xié)調(diào)度整體處于上升趨勢(shì),從2005 年的0.55 波動(dòng)上升到2020 年的0.84,多年平均值為0.67,系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。各子系統(tǒng)中,糧食子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)和生態(tài)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢(shì),2020 年分別達(dá)到最大值0.98 和0.81。糧食子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)2013年之前增速較快,年均增速11%;生態(tài)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)2013 年之后增速較快,年均增速14%。水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)變化較為劇烈,出現(xiàn)多個(gè)較大的波峰波谷,由2005 年的0.65 震蕩變化到2011 年的最小值0.35,再上升到2020 年的最大值0.74。能源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)整體呈平滑下降趨勢(shì),從2005 年的0.60 下降為2020 年的0.43。

        結(jié)合2005—2020 年我國(guó)七大地區(qū)水資源-能源-糧食-生態(tài)多維系統(tǒng)耦合評(píng)價(jià)結(jié)果,將耦合協(xié)調(diào)狀況劃分為4 個(gè)時(shí)段,結(jié)果見表3。2005—2008 年,除東北和華中地區(qū)外,其余地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度多年均值均小于0.6,處于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)發(fā)展階段。2009—2012 年,除西南地區(qū)外,其余地區(qū)耦合協(xié)調(diào)水平從勉強(qiáng)協(xié)調(diào)發(fā)展階段過渡到初級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展階段,其中東北地區(qū)率先進(jìn)入中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展階段,主要得益于糧食子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)的快速提升(從0.56 上升到0.91)。2013—2020 年,我國(guó)各地區(qū)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平從初級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展階段向中級(jí)協(xié)調(diào)發(fā)展階段轉(zhuǎn)變,其中華北地區(qū)2017—2020 耦合協(xié)調(diào)度多年均值為0.82,進(jìn)入良好協(xié)調(diào)發(fā)展階段,這主要得益于南水北調(diào)工程的運(yùn)行,其不僅緩解了華北地區(qū)用水壓力,而且通過河湖補(bǔ)水和置換地下水的方式極大地改善了生態(tài)環(huán)境[23-24] ,同期水資源和生態(tài)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)分別提升了0.28 和0.15,多維系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度從2017 年的0.78 增大到2020 年的0.85。

        2.2 水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)力分析

        2.2.1 相關(guān)性分析

        利用式(5) ~ 式(10)計(jì)算2005—2020 年我國(guó)水資源-能源-糧食-生態(tài)多維系統(tǒng)每2 a 的耦合協(xié)調(diào)度變化量,將計(jì)算結(jié)果與耦合模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示擬合優(yōu)度R2 =0.992,具有顯著相關(guān)性,說明該方法可以用來分析各系統(tǒng)對(duì)耦合協(xié)調(diào)度的貢獻(xiàn)率。

        2.2.2 水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力分析

        2020 年水資源-能源-糧食-生態(tài)多維系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度比2005 年增大了0.29,根據(jù)多因素歸因法計(jì)算結(jié)果可知,耦合協(xié)調(diào)度的增大主要來自糧食、生態(tài)、水資源子系統(tǒng)的正向驅(qū)動(dòng),三者貢獻(xiàn)率分別為52%、33%和5%,說明2020 年糧食、生態(tài)、水資源子系統(tǒng)的整體情況比2005 年均有所改善,尤其是糧食子系統(tǒng)在種植規(guī)模和技術(shù)方面提升顯著,如糧食播種面積、產(chǎn)量和自給率分別增長(zhǎng)了8%、48%、7%,秸稈固化成型和碳化技術(shù)使得優(yōu)質(zhì)化能源利用量增長(zhǎng)了10 倍左右。然而,能源子系統(tǒng)表現(xiàn)為負(fù)向驅(qū)動(dòng),貢獻(xiàn)率為10%,說明能源子系統(tǒng)2020 年比2005 年整體水平有所回落,能源自給率由2005 年的0.86 下降為2020 年的0.58。由圖2可知,糧食子系統(tǒng)貢獻(xiàn)率整體呈下降趨勢(shì),由2005—2008 年的56%下降為2017—2020 年的12%,說明糧食子系統(tǒng)的提升后勁不足。生態(tài)子系統(tǒng)貢獻(xiàn)率整體呈先升后降的趨勢(shì),2013—2016 年年均貢獻(xiàn)率達(dá)到最高值54%,說明在此期間我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理成效顯著,如水質(zhì)優(yōu)良河流占比從63%增加到80%,農(nóng)業(yè)污水和工業(yè)廢水COD 排放量分別下降了98%、84%,生態(tài)用水量從105 億m3 增加到306 億m3,清潔能源發(fā)電量占比從24%增加至34%、節(jié)水灌溉面積及水土流失治理面積分別增加了40%和34%。但由于生態(tài)子系統(tǒng)在一定程度上是資源系統(tǒng)行為結(jié)果的綜合反映,容易受資源系統(tǒng)的影響,因此在2017 年之后貢獻(xiàn)率有所下降。能源和水資源子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率整體呈不斷上升趨勢(shì),2017—2020 年水資源子系統(tǒng)貢獻(xiàn)率最高(為60%),能源子系統(tǒng)由負(fù)向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為正向驅(qū)動(dòng)(貢獻(xiàn)率為3%),說明水資源子系統(tǒng)在該時(shí)段改善最為明顯,能源子系統(tǒng)未來提升的潛力較大。

        各地區(qū)各子系統(tǒng)在不同時(shí)段對(duì)多維系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的貢獻(xiàn)率見表4。可以看出,2005—2008 年糧食子系統(tǒng)貢獻(xiàn)率最大的是東北地區(qū)(貢獻(xiàn)率為62%),這主要得益于東北地區(qū)糧食子系統(tǒng)規(guī)??焖贁U(kuò)大,其播種面積、糧食產(chǎn)量、糧食自給率比2005 年分別提升了12%、24%和25%,提升速度均高于全國(guó)平均水平。

        2009—2012 年我國(guó)全面推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略,糧食子系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模和水平得到普遍提升[25] ,除華北和華東地區(qū)貢獻(xiàn)率相對(duì)較小外,其余各地區(qū)糧食子系統(tǒng)貢獻(xiàn)率均在50%及以上。2013—2016 年,生態(tài)子系統(tǒng)成為各地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度提升的主要驅(qū)動(dòng)因素,其中華北和華南地區(qū)的生態(tài)子系統(tǒng)貢獻(xiàn)率較高,分別為54%和41%,華北地區(qū)主要是城市綠地面積、河流水質(zhì)、礦山開采破壞面積修復(fù)以及能源治理方面有較大改善,華南地區(qū)則在能源減排、水土流失治理面積方面有明顯改善。2017—2020 年,水資源子系統(tǒng)成為各地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度提升的主要驅(qū)動(dòng)因素,貢獻(xiàn)率最大的地區(qū)主要為東北、華東和華北,分別為79%、64%和58%。這主要得益于我國(guó)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)、水資源合理配置與水安全供水保障等相關(guān)政策規(guī)劃的有效落實(shí)[26] ,各地區(qū)用水總量增速減緩甚至總量減少,2020 年各地區(qū)平均用水總量比2017 年下降30 億m3。各地區(qū)能源子系統(tǒng)貢獻(xiàn)率在2017 年之后大多由負(fù)轉(zhuǎn)正,華北和東北地區(qū)貢獻(xiàn)率相對(duì)較低,主要原因是能源子系統(tǒng)安全水平相對(duì)較低,能源自給率分別比2017 年下降約20%和3%,而東北地區(qū)能源資源量比2017 年下降約4%。

        3 結(jié)論與建議

        1)2005—2020 年,我國(guó)水資源、能源、糧食、生態(tài)子系統(tǒng)之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平整體呈上升趨勢(shì),但各子系統(tǒng)發(fā)展水平存在較大差異,與優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展水平還有一定距離。

        2)2005—2012 年,糧食子系統(tǒng)因生產(chǎn)規(guī)模及水平的大幅提升而成為驅(qū)動(dòng)水資源-能源-糧食-生態(tài)多維系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度上升的主要因素,但2012 年之后糧食子系統(tǒng)生產(chǎn)水平有所下降。因此,建議開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品附加價(jià)值或發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)等,以提升糧食規(guī)模效益和糧食子系統(tǒng)生產(chǎn)水平。

        3)2013—2017 年,生態(tài)子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)均為水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。然而,生態(tài)子系統(tǒng)作為一切生產(chǎn)行為的載體往往更容易受到其他子系統(tǒng)的影響。因此,建議各部門加強(qiáng)合作,把握共抓大保護(hù)的契機(jī),使生態(tài)子系統(tǒng)水平穩(wěn)步提升并逐漸參與市場(chǎng)機(jī)制,將良好生態(tài)環(huán)境蘊(yùn)含的生態(tài)價(jià)值轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)價(jià)值,推動(dòng)生態(tài)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

        4)2005—2013 年,水資源子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)因受粗放式開發(fā)利用的影響而對(duì)水資源-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。2013 年之后,隨著我國(guó)深化改革、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推動(dòng)綠色低碳發(fā)展以及建設(shè)調(diào)水工程等一系列舉措,使水資源子系統(tǒng)水平明顯提升。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求依然較大的情況下,建議積極支持清潔能源的研發(fā)與應(yīng)用,并鼓勵(lì)采取措施降低能源(特別是一次能源)的使用量。

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        【責(zé)任編輯 張華興】

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