水-能源-粮食纽带关系：地球科学的认知与解决方案

郑人瑞，唐金荣，金 玺

(1.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037；2.中国地质调查局，北京 100037)

水、能源和粮食是人类赖以生存的三大基本要素，任何一个要素出现问题都会深刻影响国家经济社会发展及政权稳定，因此，世界各国都将水安全、能源安全和粮食安全列入国家安全重要领域，采取多种措施应对单一安全所面临的风险。但水、能源和粮食三者却是相互关联，直接影响着彼此。正如兰德公司高级政策研究员H H Willis指出,“当我们讨论目前全球所面临的最大的风险时，粮食、水和能源三者中任何一个都有可能被摆在首位。但是，三者实际上是相关联的，要种植食物，就需要浇灌，而浇灌是需要消耗能源以驱动泵机的”[1]。这种复杂的关联关系越来越多地得到国际社会的关注，并被称为“水-能源-粮食的纽带关系”(以下简称纽带关系)。本文在系统跟踪纽带关系研究进展的基础上，尝试从地球科学的角度来认知三者间复杂的关系，并系统总结应对纽带关系的地球科学解决方案。

1 纽带关系的提出与发展

1.1 纽带关系提出的背景

水、能源和粮食之间相互关联关系在自然资源利用领域中首次引用是在1983年联合国大学开展的“食物-能源联系”项目中，当时是为了更好地认识发展中国家所面临的食物和能源挑战。最近几年，受全球人口爆发式增长、工业化进程加快和气候变化加剧等因素影响，三者间纽带关系越来越清晰地表现出来，而针对其研究也成为一个全球性的研究议题。首先，随着全球人口的不断攀升，对能源、粮食和水同时产生巨大需求。据预计，2050年全球人口规模将达到96亿，届时全球水资源需求、能源需求和粮食需求将分别增加55%、80%和60%[2]。其次，随着发展中国家工业化进程加速，全球进入资源紧张竞争时代。过去，发达国家在工业化完成的过程中，消耗了全球80%的能源资源，但也只是实现了全球10%的人口的工业化和城镇化；现在，随着中国、印度和东盟等发展中国家和地区工业化进程的加速，要实现的是全球70%人口的工业化和城镇化，所面临的能源资源约束问题将日益严峻。同时，全球气候变化政治化及生态环境恶化，致使三种资源相互关系复杂化。全球气候变化谈判的实质是世界各国发展权之争，在应对气候变化的大旗下，全球陷入了“需要更多能源、更少二氧化碳；更多绿色粮食，更少污染食品；更多清洁用水，更少污染用水”的境地。在应对全球生态环境问题、气候变化加剧的挑战下，统筹水、能源和粮食安全和环境保护的协调性任务将更加艰巨。

1.2 纽带关系研究的进展

从全球范围来看，纽带关系主要受全球水议程所推动，被粮食议程所包含，而后被能源安全议程所接受，其发展经历了先期的水-能源、水-粮食和能源-粮食的两两关联关系研究，而后逐步将三者融为一体，总体呈现出从“单一中心”，向“双双关联”，再到三者“纽带关系”的整合过程。

2011年，在德国波恩召开的水-能源-粮食纽带关系国际会议将这一议题摆上国际舞台[3]。其后短短的几年里，纽带关系研究经历了概念探索和理论共识研究的起步阶段，代表性的研究成果主要有：联合国亚太经济社会理事会(UNESCAP)在2013年发布《亚太地区水-粮食-能源纽带关系报告》，提出纽带关系在时间和空间上具有紧密联系，认为气候变化、能源-粮食-金融危机、快速的城市化进程、过度消费等外部影响因素均会对纽带关系产生影响[4]；亚洲开发银行(ADB)从水资源管理的角度提出，纽带关系的复杂性要求我们提高水治理水平，改变粗放的水资源开发利用情况[5]；联合国粮农组织(FAO)2014年从粮食安全角度对纽带关系进行了阐述，并从保障粮食安全和农业可持续发展的角度分析了如何采用纽带关系方法进行决策[6]。可以看出，水-能源-粮食纽带关系逐渐成为可持续发展领域的一个重要内容。相较于国外针对纽带关系活跃的研究，国内的研究则相对滞后，还处于概念引进和介绍的阶段，缺乏探索性的研究成果[7-9]。

当前，纽带关系研究已经进入以合作研究、具体项目投入为主的理论与实践相结合的发展阶段。例如，英国工程与物理科学研究委员会于2015年投入450万欧元对其开展专门研究，以确保英国的水、能源和粮食安全；美国科学基金会和美国农业部下属的国家食品和农业研究所合作开展“粮食、能源和水系统纽带关系创新(INFEWS)”项目,并于2016年和2017年合作投入7 200万美元和3 660万美元[10-11]。

2 地球科学对于纽带关系的认知

之所以用纽带关系来形容三者之间的复杂关系，是因为三者之间存在或明或暗，或直接或间接的难以用一般语言加以描述的关系。目前，国际上多数研究认为，纽带关系的核心为水、能源和粮食，但是也有研究认为还应包括土地利用规划、人类健康和生态系统保护等。纽带关系的挑战并不仅仅是水、能源、粮食之间相互依存的关系，而且还涉及到不同地理空间尺度(地区、国家和全球)、时间尺度(历史、现在和未来)上影响这些资源的复杂行星式驱动形式、压力和挑战，以及所带来的不同风险(政治、经济及气候变化)，见图1。

图1 水-能源-粮食纽带关系及其外部影响因素

2.1 三者相互依存、相互制约

在人类的生存与发展中，三种资源的开发和利用之间存在着紧密的相互依存关系。几乎所有的能源开发利用方式都离不开水，在很大程度上也受到水的影响，例如，页岩油气开发中的水力压裂、增强型地热系统的水-热交换过程、高含水油田的开采等。据国际能源署统计，全球15%的取水量被用于能源生产。水资源的运输、提取和利用都必须以能源作为动力，例如，加利福尼亚州绵延200 km的调水工程每年将74亿m3的水从北方运输至南方，以供应洛杉矶的城市用水和农业用水，这需要消耗整个州2%～3%的电力资源[12]。而粮食资源的形成正是建立在水资源和能源资源的消耗上，全球范围来看，农业是主要的水用户，亚洲很多国家的农业用水量几乎占所有用水量的90%，同时，部分粮食资源也可以转化为能源资源，例如以玉米等为原料的生物能源。

水、能源和粮食安全之间存在明显的传导性，某一因素的恶化会在三者间产生连锁反应。以生物能源为例，其使用和生产比其他能源利用方式需要消耗更多的水，为了生产更多的玉米等生物能源原料，还需要使用大量的化肥和杀虫剂等农业化学物质，这就必然对周围的水体造成化学污染和破坏。

2.2 水和能源具有协同作用

在现代农业生产、工业活动和居民生活中，能源和水资源具有广泛的协同作用。现代农业已经由小型自给农业向大规模机械化、市场化、信息化农业发展，使得农业生产的工业化程度越来越高，同时要消耗的能源越来越多，因此，能源和水的协同作用在现代农业生产中不断强化。而工业活动从产出之初，就是建立在能源和水的消耗利用基础上，二者的协同作用表现得也最为突出：一方面，几乎所有的大型工业活动都依赖于能源和水的稳定供应；另一方面，工业活动的能源消耗强度与用水强度往往具有正相关关系，能源消耗大户通常也是水资源消耗大户，比如能源利用、金属和化学制品及石油、天然气和煤炭开采等行业都是能源-水消耗密集型工业活动。同时，在不同类型能源的生产和利用，以及水的提取、运输和利用过程中，能源-水的物质流和能源流也是相互交织，相互参与的[13]。

2.3 不同资源在地理空间分布上的错配加剧了风险存在

对纽带关系的研究，一个重要目的是实现水、能源和粮食三者间的平衡和可持续开发利用，防范关联性风险的产生。全球范围来看，由于能源和水资源空间分布上的错配所造成的风险在不断加剧，威胁着地区甚至全球的可持续发展。2016年，世界资源研究所(WRI)发布报告指出，未来全球水、能源将面临三个重要风险：美国的页岩油气开发用水、中国的火电用水、中东和北非的海水淡化[14]。这些风险的产生从根本上来讲是由于能源和水资源在地理空间上的错配所造成的。

美国页岩油气开发取得成功，但页岩油气勘探需要消耗大量的水，据估计，一口页岩井在一个完整的生产周期中的耗水量达2 700多万升。美国60%的页岩油气盆地分布在水资源紧张的中、东部地区，由此造成了美国局部地区用水紧张风险在不断加大[14]。同时，页岩油气开采中大量使用的水力压裂液也会对周围地下水造成污染甚至破坏。

我国能源生产和粮食生产高度依赖水资源，但是我国大部分水资源分布在多雨的南方地区，而煤炭发电和谷物生产地集中在干旱的北方。例如，内蒙古占全国煤炭产量的26%，水资源却只占全国的1.6%，这种地理空间上的错配，是我国水资源短缺的最核心问题之一[11]。目前，海水淡化已成为中东和北非地区淡水的主要来源，在2013年，沙特阿拉伯是全球最大的石油生产国(占全球生产总量的13.3%)和前10大天然气生产国(比例为3.1%)，但当年用于海水淡化的能源消耗占其石油、天然气生产总量的25%[15]。

2.4 三者在形成、演化上具有复杂的耦合关系

化石能源的形成通常需要水的参与，以砂岩型铀矿为例，作为世界上发现最早、分布最广的铀矿床类型，砂岩型铀矿的形成需要古河流、滨湖三角洲或滨海三角洲的沉积作用，且对古地下水的性质和运动方式具有选择性。以全球变暖为主要特征的气候变化使得纽带关系的演化进程更加复杂。在全球温室气体排放中，能源公司产生的废气排放占比最高，达到40%左右[16]。而受气候变化的影响，全球降水、蒸发、径流、土壤湿度等水文循环过程在不断发生变化，引起水资源总量的变化以及在时间和空间上的重新分配，增加了洪涝、干旱等极端灾害发生的频率和强度[17]，这将极大地影响发电厂(尤其是需要用水冷却的火电厂和核电厂)的正常运转，同时也加剧了全球粮食危机发生的可能性。

3 应对纽带关系的地球科学解决方案

地球科学研究的内容包括地球的各种系统，及其复杂的地质、海洋、大气层和水文演化进程，这些系统和进程与人民生活和经济发展息息相关。美国地质学会(AGI)指出，开展地球科学工作，在满足社会关键需求中发挥着重要作用，主要包括：确保充足的清洁水供应、开发能源以满足国家需求、提高抵御自然灾害的能力、保护土壤质量以保持肥沃、为现代社会提供原材料、研究海洋和海岸带问题、应对气候变化、妥善处理垃圾以维护环境健康等方面[18]。可以看出，地球科学工作或者说其所研究解决的问题正是水-能源-粮食纽带关系所面临的主要问题。

随着近几年纽带关系的提出与兴起，不同学者和研究机构已从最初的概念解释、理论框架和典型案例研究逐渐向纽带关系应对手段、解决方案等实际操作方向转变。而在这其中，由于研究对象(能源、水和粮食)的实际一致性、达成目标(人类社会和自然环境的可持续发展)的内在统一性，地球科学工作将成为应对水-能源-粮食纽带关系的重要抓手，主要表现在资源调查、系统监测、大数据分析、科技创新和外部影响研究等几个方面，整体框架见图2。

图2 地球科学应对纽带关系整体解决方案

3.1 资源调查支撑纽带安全

纽带关系的核心是纽带安全问题，各个国家自然条件、发展状况不同，所面临的主要风险也不同，这就决定了水-能源-粮食纽带安全在不同国家和地区中所表现出来的主要形式不同。目前，我国能源消耗强度大、利用效率低、碳排放量高，已经成为制约我国纽带安全的最主要因素，同时水污染加剧、贫困地区缺水、粮食质量问题突出等矛盾也在威胁着纽带安全。

近年来，在资源调查领域，清洁低碳的非常规能源及可再生能源的调查评价力度在不断加大，并取得一系列重大突破和进展：我国南海神狐海域天然气水合物首次试采成功，其产业化开采正在稳步推进；贵州遵义安页1井和湖北宜昌鄂宜页1井页岩气调查相继取得重大突破，加快我国页岩气产业化开发利用步伐；青海共和盆地3 705 m深处钻获236 ℃的高温干热岩体；锂、镍和石墨等新能源技术矿产调查取得重大突破。这些成果将为优化我国能源消费结构，保障能源安全提供有力支撑。

“水已经成为了我国严重短缺的产品，成了制约环境质量的主要因素，成了经济社会发展面临的严重安全问题”，习近平总书记在2014年中央财经领导小组第五次会议上指出我国当前面临着严峻的水资源安全问题[19]。作为水资源的重要组成部分，地下水是维系良好生态环境的重要因素，是农业和生活用水的主要来源，也是地球科学领域最重要的研究对象之一。地下水调查和动态监测能够为社会和科研提供全面、及时、准确的地下水动态信息，为地下水污染治理、地下水合理开发和保护、地面沉降防控等提供科学依据和决策支持。水文地质调查积极服务贫困区、基岩区、岩溶地区的抗旱找水工作，为缺水群众提供清洁地下水水源。

粮食安全已经由最初的强调数量安全向数量和质量并重转变[20]。作为粮食生产的载体，耕地的数量和质量对于粮食安全起着基础和保障作用。目前实施的全国土地地球化学调查，可谓是针对我国耕地质量的一次“健康体检”，据此编制的《中国耕地地球化学调查报告》，为污染土地整治修复、优质土地资源保护、土地资源利用规划和特色土地资源开发等工作提供了依据，有力支撑了我国耕地安全和粮食安全。同时，富硒、硼、钼、锌等有益微量元素的优质耕地的调查与开发，取得了显著的经济效益和社会效益，提高了粮食安全的品质。

3.2 地球科学监测为纽带关系的量化研究提供基础支撑

目前针对纽带关系的研究多集中在概念框架和理论研究上，缺少对三者间的相互影响、相互作用和依赖程度等问题的定量和建模分析，无法为决策提供充分的依据。例如，目前我国已启动的南水北调中线工程年调水量约35亿m3，以满足北方缺水地区的用水需求，但针对这个调水工程中的能源消耗问题并没有相关的研究。因此，针对纽带关系的三者间相互关联程度和影响的基础研究亟待加强。

地球科学以多要素、实时、系统的监测为基础，利用监测信息数据进行三维建模，并针对未来的变化做出预测和预警。针对纽带关系研究，通过对不同类型水资源、能源资源和粮食资源生产、利用、消费情况进行监测和数据信息收集，测量和模拟水、能源、粮食之间跨时空的相互作用，对人为和自然变化驱动下过去和现在三者间相互作用进行评估，从而模拟未来三者间相互作用的变化。地球科学对于纽带关系的情景模拟能够在一定的框架内识别和量化未来景观、气候、社会经济情况的不确定性，“抢在变化之前”预测未来状况，这在目前认识和应对纽带关系中具有迫切性。例如，利用地球科学监测和观测系统(实时传感器、生态指示器网络、生物观测等)，建立早期预警系统，对页岩油气开采过程造成的水污染、洪水对发电厂影响、粮食危机等灾害或冲突提供预警，为决策管理者的快速响应提供支撑。

3.3 利用地球科学大数据深化纽带关系认识

随着第四次工业革命的到来，大数据驱动下的科学进步正在深刻地影响着各个领域的发展。长周期、大尺度的地质作用过程研究和能源开发活动监测、地下水监测、环境污染监测与海平面变化监测等技术手段，不仅为研究水-能源-粮食纽带关系提供了科学知识和技术支持，同时也产生大量的关于纽带关系的数据，包括水资源、能源资源和粮食资源的数量和质量变化监测记录、三者物质流和能量流量化分析和未来的需要预测数据等。大数据背景下，数据的管理应用已经从简单的收集整理向强调预测未来、发现问题和相关性分析的数据研究演变。通过建立水、能源、粮食和土地等要素的数据库，并利用先进研究计算能力进行多类型数据整合，以实现纽带关系大数据的全生命周期管理，这将为探索、深化纽带关系认识提供新的途径。针对目前我国多部门管理下的数据分散问题，应加强自然资源部、水利部、农业农村部和生态环境部等部门间统筹协调，建立多部门支持下的水、能源和粮食综合数据管理和应用体系。

3.4 地球科学领域科技创新不断增强未来应对纽带关系的能力

水、能源和粮食纽带关系复杂性，来源于资源开发利用过程中的权衡取舍以及相互间的冲突，由此产生的资源、环境问题是未来应对纽带关系的重大挑战。例如，修建大坝对水资源利用进行了再分配，满足了生产能源的需求，却对流域的生态环境和下游的粮食生产造成影响甚至威胁。地球科学领域的科技创新在减少此类冲突和应对纽带关系中发挥着重要作用。

地球深部蕴藏着丰富的能源资源，据统计，我国深层和超深层石油和天然气资源丰富，目前资源探明率不及20%，深部干热岩资源初步估算折合标准煤856万亿t，其2%的可开采量即相当于2015年全国能源消耗的4 000倍。深部资源具有巨大的利用潜力，加快深部能源勘查将为保障我国能源安全提供有力支撑。当前，“向深部进军”已被国家确立为未来战略科技导向之一，自然资源部提出深地探测、深海探测、深空对地观测和土地科技创新“三深一土”科技创新战略[21]，这些都对未来应对纽带关系提供了强有力保障。

不仅为资源安全提供保障，地球科学领域科技创新同样关注三者在开发利用过程中所产生的冲突和矛盾。在近两年中国地质调查局的地质科技十大进展中，涌现出一批致力于解决纽带关系冲突和矛盾的创新研究，如地下水保障能力评价理论创新服务国家粮食安全战略、基于“关键隔水层”的煤矿突水预警系统成功研发、西南石漠化综合治理技术创新驱动火龙果生态产业发展等。未来，地球科学科技创新将进一步加强对于纽带关系中关键问题的研究，如不同能源(地热能和页岩油气等)开发利用中能源和水的协调关系、地下深部(包括深部咸水层)二氧化碳地质储存、能源和水资源集约节约利用技术创新等。

3.5 地球科学注重研究纽带关系与外部的相互影响

纽带关系的应对不仅强调三者间的平衡和可持续发展，还要考虑纽带关系作为一个系统性整体与外部的相互影响，如人居环境、生态安全、气候变化、城镇化发展等。以纽带关系对城市发展的影响为例，随着城镇化进程的不断加速，城市人口规模持续增加，城市水、能源和粮食安全供应、生态健康、资源环境承载能力等将面临严峻挑战，纽带关系在城市可持续发展中处于牵一发而动全身的位置。

地球科学具有研究对象多样化、研究范围广阔、研究手段丰富等特点，强调对发生于地球系统的各种现象、过程及过程之间相互作用机理、变化及其因果关系等的研究。水-能源-粮食纽带关系已经成为人类生存与可持续发展所面临的重大问题之一，以地球系统科学为指导，探究纽带关系与外部的相互作用和相互影响变得越来越重要。作为地球科学服务城市发展的重要抓手，城市地质工作的内涵在不断丰富，领域在不断扩展，在促进城市地下资源和空间的合理开发利用、推动纽带关系与城市的协调发展中发挥着不可或缺的作用。地球关键带研究越来越受到地球科学领域的重视，中国地质调查局在其“十大计划”业务体系中也部署了针对流域地球关键带调查研究的项目。地球关键带研究强调对岩石、水、空气和生物等不同要素在近地表环境中的相互作用，以及对人类生存活动影响的监测和探究，这些与纽带关系在研究内容和方法上具有高度的相关性，将为深化纽带关系与外部影响的研究提供基础平台。

4 结 论

1) 在人类生存和可持续发展中，水资源、能源资源和粮食安全问题成为三个最突出的问题，但三者却是相互关联，直接影响着彼此，即形成水-能源-粮食纽带关系。在全球人口持续增加对水、能源和粮食的巨大需求、发展中国家快速工业化和城镇化加剧资源供需矛盾、全球气候变化政治化及生态环境持续恶化等因素的驱动下，认识和应对纽带关系变得越来越紧迫。

2) 从全球范围来看，纽带关系主要受全球水议程所推动，被粮食议程所包含，而后被能源安全议程所接受。针对三者间关系的研究，已从先期的水-能源、水-粮食和能源-粮食的两两关联关系研究，发展至目前将三者作为一个复杂性系统整体来重新认识和研究，总体呈现出从“单一中心”，向“双双关联”，再到“三者纽带关系”的整合过程。

3) 纽带关系不仅强调水、能源和粮食之间相互依存的关系，而且还涉及到不同地理空间尺度、时间尺度上影响这些资源的复杂行星式驱动形式、压力和挑战，以及所带来的不同风险。从地球科学角度来认知纽带关系，三者间相互关系及复杂性主要表现为：三者相互依存、相互制约；水、能源在现代农业生产和工业活动中具有协同作用；不同资源地理空间分布上的错配加剧了风险存在；水和能源在形成、演化上具有复杂的耦合关系。

4) 由于研究对象的实际一致性、达成目标的内在统一性，地球科学在应对纽带关系中发挥着重要作用，提供了必要的解决方案，包括：清洁能源调查、地下水污染调查和土地质量地球化学调查等活动有力支撑纽带安全；系统的地球科学监测为纽带关系量化研究提供基础支撑；地球科学大数据将深化对纽带关系的认识；地球科学的科技创新不断增强应对能力；地球科学注重研究纽带关系与外部的相互影响。