共生视角下中国区域“水-能源-粮食”复合系统适配性评估

支彦玲　陈军飞　王慧敏

摘要

水资源、能源和粮食是人类生存发展的基础资源，三者之间的交互关系被称为“水-能源-粮食”纽带。中国水资源、能源和粮食（耕地）资源时空分布不匹配，影响资源流动效率。随着资源供需矛盾加剧，资源管理方式亟需从“单资源”规划向“多资源”协同转变， 因此，开展“水-能源-粮食”复合系统适配性评估对推动多资源协同管理具有重要意义。本文引入共生理论，构建“水-能源-粮食”系统共生架构，提出区域“水-能源-粮食”系统适配概念，将“水-能源-粮食”系统适配性分解为稳定性、协调性和可持续性，基于压力-状态-影响-响应（PSIR）模型构建适配性评估指标体系，对2000—2016年我国区域“水-能源-粮食”系统适配性进行综合评估。研究表明：①可持续性对“水-能源-粮食”复合系统适配性影响最大，协调性是适配性提升的短板，稳定性是适配性的重要基础。②我国“水-能源-粮食”复合系统的整体适配性、协调性、可持续性水平呈上升趋势，增长速度先快后慢，稳定性指数小幅波动，趋于平稳。③我国“水-能源-粮食”复合系统适配性时空分异特征明显，东北、东部地区的适配性水平相对较高，主要呈上升趋势;中部、西部地区的适配性水平相对较低，主要呈下降趋势。根据评估结果，提出以下建议：①加强水资源、能源、农业、土地等多部门协同，增加科技、水利、能源等方面投资力度，协调水-能源、水-粮食和能源-粮食关系，提高水资源、能源和粮食系统之间转化效率。②引导自然资源从富集区域向匮乏区域流动，引导高端产业、先进技术和投资等社会资源从发达地区向自然资源富集区域转移，缓解资源匮乏区供需矛盾，提高资源附加值，促进区域协同发展。

关键词 水-能源-粮食;适配性;共生;评估

中图分类号 F062.1 文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2020）01-0129-11 DOI：10.12062/cpre.20190502

水资源、能源和粮食是人类生存发展基础性战略资源，在全球人口增长、环境恶化、气候变化影响加剧的背景下，淡水资源日渐短缺、粮食供给变化不定、能源需求日益旺盛[1]。伴随着三种资源相互依赖、深度纠缠的新特征，传统的“单资源”管理方式已经无法有效应对资源供给与需求之间的矛盾，也容易造成多种资源的浪费，不利于区域可持续发展。从“多资源”综合角度，开展“水-能源-粮食”纽带关系研究，加强部门之间协同合作，保障区域水安全、能源安全和粮食安全成为当前国际社会关注的热点[2]。我国水资源、能源和粮食（耕地）时空分布不均衡、不匹配，极大地影响了资源流动与转化的效率，加剧了资源供需的不平衡。评估水、能源、粮食系统协同关系、优化资源在区域内部以及区域之间配置，提高资源转化效率和利用效益，降低资源禀赋对社会发展的约束作用，改善“水-能源-粮食”系统与“社会-经济-自然”复合系统之间的适应性和匹配性，是“多资源”综合管理的重要内容。因此，开展区域“水-能源-粮食”系统适配性研究，科学界定“适配性”内涵，客观评估“适配性”变化态势和时空分异特征，明确影响“适配性”的因素，寻求提升“适配性”的有效途径，对于推动资源协同管理、缓解资源供需矛盾、保障资源系统安全具有重要指导意义。

1 研究综述

水资源、能源和粮食系统是一个复杂的关联系统。2011年，在德国波恩召开的“水-能源-粮食安全纽带：绿色经济路径”会议（简称为“波恩会议”）[3]，首次提出“水-能源-糧食”纽带（WEF Nexus）概念，明确水资源、能源和粮食系统之间关联关系（Nexus）的重要性。遵循Nexus思维，学者们在“水-能源”“水-粮食”和“能源-粮食”内部关联的基础上，拓展到经济、社会、自然系统的外部关联，并引入生态系统服务、可持续发展、气候变化、适应性管理等概念，开展水资源、能源和粮食多系统协同性研究，形成诸多成果。①定性研究方面：提出WEF Nexus框架[1，4]，土地、水资源、能源、资本、劳动力等是“Nexus”内部的基础资源，人口增长、城镇化、技术进步、政府治理等是“Nexus”外部的驱动因素，与水、能源和粮食相关的社会、经济和环境效益是“Nexus”管理的目标;探讨WEF Nexus安全概念、风险来源、风险的关联传导机制等，建立诸如WEF Nexus→环境污染及环境资源压力→健康风险、生态系统风险→WEF Nexus的循环反馈路径[5-6];构建WEF Nexus安全指标体系，包含人口、经济、管理、技术、农业、水资源和能源等系统要素及风险特征[7-8];指出“可利用资源量”“可获取资源量”和“已使用资源量”是水资源、能源和粮食系统安全的核心要素[9]，“可用水量”是WEF Nexus的核心要素[3]。②定量研究方面：Rand[10]根据资源“可利用性”和“可获取性”构建“Food-Energy-Water”安全指数，并将其解构为水安全、能源安全和粮食安全，评估全球166个国家的WEF安全状态;Wang等[11]、Chen等[12]基于PSR技术、物元模型（matter-element model）、协调度模型等，提出WEF Nexus的“可持续性”评估体系，分别评估中国、中国西北地区的“水-能源-粮食”系统可持续性，指出中国2015的WEF Nexus的可持续性高于2005年，西北地区资源系统比较脆弱，系统之间协调度不高;李桂君等[13]利用系统动力学模拟水资源、能源、粮食、社会、经济、环境的交互关系，评估并预测北京市W-E-F状态和趋势;彭少明等[14]基于协同学原理，构建黄河流域“水-能源-粮食”协同模型，优化水资源约束下粮食生产、能源开发和水资源调配布局;Zhang & Velimir[15]从投入-产出角度建立包含生产成本、社会经济需求和环境影响控制多期模型，优化区域水资源、能源和粮食供给策略。

然而，已有的研究较少从系统适配的角度开展，缺乏对“水-能源-粮食”系统适配性概念、内涵、过程和必要性理论分析;“水-能源-粮食”系统安全评价指标主要从水资源、能源和粮食三个方面筛选，较少关注“社会-经济-自然”外部环境，不能体现“水-能源-粮食”系统循环性与反馈性;实证分析主要针对单个区域展开，缺少全国层面“水-能源-粮食”纽带关系的时空差异性分析。“适配性”是对系统关系的描述，涉及社会、经济、自然等多个关联的异质系统。马世骏和王如松[16]提出“社会-经济-自然”复合生态系统，认为其内部子系统之间物质、信息和能量交换等过程符合生态系统基本规律。“共生理论”[17]是生态学基本原理之一，描述生物性活体的营养性联系。在复合生态系统背景下，研究人员将其引入到社会经济领域，指出“共生”关系是多主体协同发展的基础[18]。张智光[19]用“共生”描述经济和自然关系，构建森林生态系统-林业产业共生关系测度模型，评估区域林业生态安全;马仁锋等[20]用“共生”分析社会、经济、环境系统关系，提出“移民-产业-环境”共生型流域规划方法。已有研究为本文用“共生”关系解读水资源、能源、粮食系统适配性提供基础。

本文将“共生理论”引入“水-能源-粮食”纽带关系中，构建区域“水-能源-粮食”系统共生框架，提出区域“水-能源-粮食”系统适配概念;基于压力-状态-影响-响应（PSIR）技术，建立“水-能源-粮食”系统适配性评价指标体系;利用坎蒂雷赋权法确定指标权重，并对2000—2016年中国区域“水-能源-粮食”系统适配性进行综合评估。最后，为中国“水-能源-粮食”系统适配性提升和区域可持续发展提供政策建议。

2 共生视角下“水-能源-粮食”复合系统适配性分析

2.1 “水-能源-粮食”系统共生关系分析

“共生”（Symbiosis）起源于生物学领域，指不同生物体生活在一起，在生理上相互依存并达到某种平衡状态。广义的“共生系统”指共生单元在一定的共生环境中按照某种共生模式形成的共生关系的集合[18]。其中，共生单元（u）是能量产生和交换的基本物质条件;共生模式（r）是共生单元相互作用的方式或相互结合的形式;共生环境（e）是共生模式存在与发展的外部条件;三者相互作用的媒介被称为共生界面（m），是物质、信息和能量传递的通道与载体。共生系统具有寄生、偏利共生、非对称互惠共生、对称互惠共生等多种进化状态;进化的本质是共生能量（Ee）的增加，这是共生系统存在和发展的基本条件，体现了系统生存和增值能力。Ee由多种因素决定，其关系式可表达为：共生系统的进化与共生能量的增加具有一致性。因此，选择合适的共生界面，改善物质、信息、能量生产、交换与配置的效率，增加共生能量，是促进系统向对称性互惠均衡状态进化的有效路径。

在社会-经济-自然复合系统中，水资源、能源和粮食系统之间也存在“你中有我、我中有你”的共生形态，本文将其称为“水-能源-粮食”共生系统（见图1）。①水资源、能源和粮食系统属于异质共生单元，是基本能量生产和交换单位，其内部资源的数量、质量、结构等是共生系统均衡的重要条件。②水-能源、水-粮食、能源-粮食的依存转化屬于共生关系，是竞争（如能源和粮食争水）与合作（如灌溉用水、农机耗能）过程的多重耦合，关系协调是共生系统均衡的重要属性[18]。③社会-经济-自然复合系统属于共生环境，是共生关系存在和演化的外部条件，两者的影响具有相互性，共生关系对环境的适应性和共生环境的可持续性是共生系统均衡的重要特征。④与“水-能源-粮食”系统相关社会形态、市场制度、政府管理、产业、企业、工艺等要素均属于共生界面，是共生单元之间以及与共生环境接触方式和机制的总和，用“水-能源-粮食”耦合系统指代。

根据共生系统进化理论，“水-能源-粮食”系统共生的本质是产生共生能量，进化的目标是达到对称性互惠均衡状态。即在一定区域的环境容量内，通过优化水资源、能源和粮食系统内部及其交互过程中资源配置，提升资源流动与转化的效率，实现三者协调;进而提升水、能源、粮食相关产品与服务供给的数量与质量，增强水-能源-粮食系统与外部环境的适应性，产生更好的经济、社会与环境效益，形成“1+1+1>3”的效果，推动区域可持续发展。

由共生能量的表达式可知，“水-能源-粮食”系统的共生能量由共生单元（水资源系统、能源系统、粮食系统）、共生关系（水-能源、水-粮食、能源-粮食）和共生环境（社会、经济、自然）及共生界面（制度、管理、产业、技术等）这4个主要因素决定。对“水-能源-粮食”共生系统状态评估也以上述4个内容的要素为主要指标。

2.2 “水-能源-粮食”系统适配概念、内涵及过程分析

“水-能源-粮食”系统共生是客观现象，系统的共生能量和进化状态却由于相关因素的驱动存在时空差异。为了评估水资源、能源和粮食系统的协同共生程度，本文提出区域“水-能源-粮食”系统适配的概念：在社会-经济-自然复合系统内，水资源、能源和粮食系统之间在资源开发利用的全生命周期形成协调、匹配的互动关系，提升资源利用效率、提高相关产品与服务的产出水平;水-能源-粮食系统与外部的社会、经济和自然系统在平衡供需矛盾的过程中形成彼此适应的状态，降低污染物排放，保障区域可持续发展。

“适配”与“水-能源-粮食”系统共生状态、共生能量相对应。根据公式（1），适配性包含四个方面内容：①共生单元适配。水资源、能源和粮食系统是共生的基础，共生单元承载能力影响了共生能量增加的上限，部分共生能量表现为资源数量和质量提升。共生单元内资源数量、质量、结构、功能等越正向发展，其承载能力越大，适配度越高。②共生关系适配。水-能源、水-粮食和能源-粮食互动是共生能量的内部驱动力，互动关系协调程度影响共生能量增加的数量和速度。协调不仅包括共生单元之间数量、结构、功能等协调，也包括其对资源利用过程协调。协调度越高，资源配置和利用效率越高，共生关系适配度越高。③共生环境适配。社会-经济-自然复合系统是共生的外部环境，是共生能量的外部驱动力，与共生关系之间彼此影响。共生环境适配度越高，来自共生关系的正向影响越多、负向排放越少，共生单元越能适应外部环境变化并保证相关产品和服务供给，资源利用产生的社会、经济和环境效应越大。④共生界面适配。共生界面影响共生能量产生方式。社会制度、市场机制、管理方式、产业结构、技术水平等要素与区域的资源禀赋、发展水平匹配，共生系统内物质、信息、能量交换效率较高，供需矛盾减小，区域发展趋于稳定和持续。“水-能源-粮食”系统适配过程如图2所示。

基于上述区域“水-能源-粮食”系统适配性描述，本文将“适配性”分解为三个指数：稳定性指数（S）、协调性指数（C）和可持续性指数（E）。其中，稳定性指数反映共生单元适配性，衡量水资源、能源和粮食系统内部资源数量、质量、结构、功能及承载能力等状态。协调性指数反映共生关系适配性和共生界面适配性，衡量水-能源、水-粮食和能源-粮食依存转化过程中资源配置与利用效率。由于共生界面所包含的要素主要作用于共生关系改善，本文将其和共生关系合并。可持续性指数反映共生环境适配性，衡量“水-能源-粮食”系统与外部环境之间的适应程度及交互影响效果。

2.3 共生视角下“水-能源-粮食”系统适配的PSRI结构模型与指标体系

为了评估“水-能源-粮食”系统适配度及3个指数，构建测度稳定性指数S、协调性指数C和可持续性指数E的指标体系。从系统论角度，“水-能源-粮食”共生系统的适配过程符合压力-状态-影响-响应（Pressure-State-Impact-Response， PSIR）[19]模型（见图3）。由于“社会-经济”系统（共生环境）中的人口增长、经济发展、社会进步、产业结构调整等因素，导致区域内水资源、能源、粮食需求增加，对资源系统（共生单元）造成压力;压力驱动单元内部敏感因素变化，引起水资源、能源和粮食系统的基础状态（共生单元）和关系状态（共生关系）发生改变，偏离原有的系统状态;状态变化对自然系统（共生环境）产生影响，在诸如气候、水环境、空气等生态方面产生作用;自然环境变化引起人类反思，通过管理、市场、工程、技术等响应措施（共生界面），优化资源流动速率和方向，提高资源利用效率，保护环境，增加产品与服务供给，缓解外部压力，促进区域可持续发展。

在“水-能源-粮食”系统适配性PSIR结构模型中（图3），WEF-P和WEF-I中的要素合起来反映外部社会、经济、自然系统中与“水-能源-粮食”双向影响的因素，可以用来构建测度可持续性指数的指标体系;WEF-S中的基础状态要素，反映共生单元内部资源的数量、结构等状态，可以用来构建测度稳定性指数S的指标体系;WEF-S中关系状态要素反映了水资源、能源和粮食互动关系，而WEF-R中的要素主要用来优化上述互动过程，提升资源利用效率，都与共生关系相关，可以合起来构建测度协调性指数的指标体系。

根据“水-能源-粮食”系统共生、适配及PSIR结构模型分析，结合已有的水资源系统、能源系统、粮食系统以及“水-能源-粮食”纽带关系研究中采用的相关指标[4，7，10-11，21-24]，遵循科学性、动态性、数据可得性和层次性原则，本文构建以“稳定性”、“协调性”和“可持续性”为二级目标的区域“水-能源-粮食”适配性评价指标体系（见表1）。

3 研究方法

在对“水-能源-粮食”系统指标数据进行标准化处理的基础上，利用“坎蒂雷赋权法”赋权法确定指标权重，利用TOPSIS模型综合计算“水-能源-粮食”系统的适配性。

3.1 指标数据的标准化

3.2 “坎蒂雷赋权法”确定指标权重

“坎蒂雷赋权法”[25]是客观赋权法，利用相关系数矩阵R和标准差矩阵S乘积进行指标权重计算。该方法将信息含量赋权与相关性赋权相结合，既克服了熵权法、离差最大化等方法忽略数据相关性弊端，又克服了因子分析法等忽略数据信息含量弊端，信息含量越大、与评价目标越相关，指标权重越大。

4 我国“水-能源-粮食”复合系统适配性实证结果与分析讨论

4.1 数据来源

本研究区域涵盖我国30个省、直辖市和自治区（不含西藏、香港、澳门、台湾），各指标数据主要来源于2000—2016年的《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国水资源公报》《中国水利统计年鉴》。其中，“能源-粮食”要素集的“能源系统粮食消耗”和“生物能源工程投资”缺乏相应统计数据，且发生量在“水-能源-粮食”互馈过程中比重较低，对适配性评估影响较小，故未统计上述两个指标的数据。

4.2 “水-能源-粮食”系统适配性指标权重计算结果

根据“坎蒂雷赋权法”公式，计算“水-能源-粮食”系统适配度评价指标权重（见表1）。

4.2.1 “可持续性”对“水-能源-粮食”系统适配性影响最大

准则层要素权重排序为可持续性>稳定性>协调性，表明“可持续性”对适配性影响最大，是造成区域“水-能源-粮食系统”适配度差异的主要来源。“可持续性”指标

评估共生环境的适配度，而“社会-经济-自然”系统（共生环境）状态与資源禀赋（共生单元）和资源流动（共生关系）高度相关，是适配水平的“显示器”。因此，提升区域共生环境的容量，提高共生单元和共生关系（水、能源和粮食系统开发、生产）的供给能力，并减少污染物排放，是提高区域“水-能源-粮食”适配水平的首要任务。其中，城镇化水平、研发经费投入、空气污染控制等因素是主要着力点。

4.2.2 “协调性”是“水-能源-粮食”系统适配性水平提升的短板

“协调性”要素权重不足0.21，表明当前水资源、能源和粮食系统之间互馈频率和效率较低，资源循环流动路径有待拓展，是适配性水平提升的短板。“协调性”指标评估共生关系适配度、共生界面的适配度，然而，在当前评估体系中，能源-粮食相关转换数据集中于能源→粮食，粮食→能源反向流动较少;资源系统互馈过程统计数据匮乏，无法全面定量反映共生关系状态。因此，从技术和管理角度，不仅要加快水资源、能源和粮食单元之间资源流动，更要建立完善的资源互馈过程数据统计制度，便于评估、管理和改善资源系统协调性。

4.2.3 “稳定性”是“水-能源-粮食”共生系统演化的重要基础

“稳定性”要素集内指标的权重约占整体1/3，表明共生单元适配度——系统运行过程中资源的数量、质量、结构、功能等因素是“水-能源-粮食”系统适配的重要内容。其中，水资源系统总体权重相对较低，不能充分体现水资源系统承载能力对“水-能源-粮食”系统适配的重要性。可能的原因是：当以中国整体为评估对象时，由于水资源的流动性，其时空分布不均衡的矛盾特征会被掩盖，体现水资源禀赋的指标（如：人均水资源量）权重较低，影响水资源系统的整体权重。此外，体现供水结构的“非常规水资源开发”和质量的“水质”等指标权重相对较高，反映水资源循环和净化过程对“水-能源-粮食”系统适配的重要性。

4.3 我国“水-能源-粮食”系统整体适配性计算结果

采用3.3节的适配性综合评价函数，计算2000—2016年我国区域“水-能源-粮食”系统的适配性、稳定性、协调性、可持续性指数，其变化情况如图4所示。

4.3.1 我国“水-能源-粮食”系统整体适配性稳定上升，趋于平稳

“水-能源-粮食”系统的整体适配水平在2000—2016年呈现良好的上升趋势，年均增长率6.14%。在增长率方面，适配性指数增长速度先快后慢，说明在“水-能源-粮食”复合系统内，资源开发、转化与利用过程中的物质、信息和能量传递以及共生能量增加受共生环境容量的约束，不能无限制发展。

4.3.2 我国“水-能源-粮食”系统的协调性、可持续性上升，稳定性小幅度波动

“水-能源-粮食”系统的协调性、可持续性指数在2000—2016年逐渐增加;稳定性指数小幅度波动。“协调性”指数在2000—2002年比较低，并在2002年后呈现较快增长趋势，在2010年后进入相对平稳状态。主要原因是：①协调性指数反映水资源、能源、粮食转化效率以及为提升转化效率所做的投资，随着管理和科技水平不断提高，表征资源转化利用程度和效率的绝对量均大幅增加;②社会进步及其带来增长效应受到资源禀赋和外界环境容量约束，相关指标的绝对量增加逐渐变缓;③在对数据进行标准化时，大部分指标在初始阶段都接近0，综合“协调性”指数相对较小。

4.3.3 稳定性、协调性、可持续性和适配性指数相互作用，影响效果存在滞后性

如图4所示：①当“稳定性”指数高于“协调性”和“可持续性”指数时，共生单元的资源储量能够容纳共生关系和共生环境演化所增加的需求和消耗，“协调性”、“可持续性”和“适配性”曲线变化率较大;②资源大规模开发利用导致共生单元的资源承载能力下降，“稳定性”逐渐降低，对人类社会经济活动约束作用加强;③稳定性、协调性、可持续性的影响效果具有滞后性，并非同步变化，随着“稳定性”指数缓慢降低，后三者的增长率开始下降;④2007—2008年，随着资源节约型、环境友好型社会和生态文明建设开始，对资源开发与利用更加关注节约、效率、环境和生态保护，通过南水北调、最严格水资源管理制度、功能区规划等工程与非工程措施调节和保护资源系统稳定性，提升区域资源系统承载能力，“稳定性”下滑趋势逆转。

4.4 我国“水-能源-粮食”系统适配性时空分异特征

结合中国国民经济和社会发展规划，选取2000年、2005年、2010年和2015年开展省级层面“水-能源-粮食”系统适配性评估。根据评价值的最大值、均值及分布特征，将适配度划分为0～0.35、0.35～0.45、0.45～0.55、0.55～0.65、0.65～1五个梯次，用不同的图案标识（见图5）。

4.4.1 东北地区“水-能源-粮食”系统适配性水平相对较高，总体下降

东北地区是我国重要商品粮基地、传统重工业基地，化石能源储量丰富，水系分布处于“过渡带”（丰水带、多水带、过渡带、少水带、缺水带），水资源、能源和粮食（耕地）空间分布具有一定的重合性。然而，该区域受气候变化影响，水资源量年际差异明显;农业和重工业均属于高耗水行业，社会经济系统运行受水资源约束作用较大;工业发展对能源需求量较大，环境问题比较突出。东北地区“水-能源-粮食”系统适配性提升主要来源于共生关系适配度提高，基于农业节水、产业升级、工艺优化等方式，提升资源配置和利用效率，缓解水资源压力、增加能源附加值和粮食供给，降低环境污染，进而影响共生环境的适配度。以辽宁为例，2000年区域水资源总量较少、供水总量占比超过99%、地下水开采约88%，严重威胁水资源系统稳定性，“水-能源-粮食”系统适配性较低。随着振兴东北老工业基地战略推进，辽宁依托矿产资源不断优化产业结构、工业流程等，推动资源型城市经济转型;依托港口发展临海经济，推进循环经济和“生态省”建设，降低单位经济产出的资源消耗强度和污染物排放，“水-能源-粮食”适配性得到提升。

4.4.2 东部地区“水-能源-粮食”系统适配性水平总体较高，逐渐提升

东部地区是我国经济社会发展水平相对较高的区域，人口密度较大，是主要资源消耗区。区域内水土资源禀赋差异较大，水资源“北贫南丰”，水资源、能源和粮食系统空间重合度较低。该区域“水-能源-粮食”适配性提升途径涵盖共生单元、共生关系和共生环境三个方面：①水、能源、粮食等相关产品与服務由其他地区流入，缓解本区域资源压力，改善资源系统稳定性，例如南水北调、引滦入津、引黄入冀等工程为北京、天津、河北、山东等区域提供大量水资源;②发展区域协同经济、园区经济，提升产业聚集度和规模效应;优化产业结构，发展金融、信息科技等高端产业，转移高耗水、高耗能、高污染等产业，提升资源系统转化率和协调性，如“京津冀”“长三角”“珠三角”等区域一体化战略;③提升社会文明程度和城市化水平，提高资源利用所带来的经济、社会正向效益;加大环境保护监管与投资，改善环境质量。以上海为例，该地区资源自给能力较弱，但是能源、粮食外购缓解上海供需矛盾，提高资源系统稳定性;第三产业比重较高，尤其是金融、科技产业发达，资源利用效率较高，资源消耗所产生附加值较高，由农业、工业生产造成的环境污染相对较小，“社会-经济-自然”外部环境可持续发展能力较大，区域“水-能源-粮食”适配水平较高。

4.4.3 中部地区“水-能源-粮食”适配性水平相对较低，总体下降

中部地区是中国经济发展的“腹地”，包括河南粮食主产区，山西、豫北、安徽等煤炭基地，武汉、长沙、郑州、合肥等重工业城市。中部地区的“水-能源-粮食”系统适配度相对较低，可能的原因：①水资源、能源和粮食空间重合度较低，山西、河南是重要的能源、粮食基地，处于缺水带;②第一、第二产业占比仍然较大，部分地区是重要的（重）工业基地，高耗能、高耗水、高污染产业较多，水和能源需求大、利用效率相对较低，环境污染比较严重;③紧邻东部地区，在区域一体化进程中，承接许多高能耗产业专业，污染排放增加;④人口密度比较高，水、能源和粮食等相关产品与服务需求较高，资源利用过程产生的经济和社会效益低于东部地区。以安徽为例，紧邻江苏、浙江，属于“长三角”腹地，拥有煤矿、有色金属、钢铁等多个大型重工业企业集团;在“长三角”一体化进程中，安徽作为原材料供给区域，重工业化程度加深，江浙沪地区低端产业链转移加剧了资源消耗，区域内资源利用效率不高，污染增加，导致“水-能源-粮食”适配度逐渐降低。

4.4.4 西部区域“水-能源-粮食”系统适配性水平总体较低，差异明显西部地区各省份适配性水平总体较低、差异较大：内蒙古、新疆、陕西、重庆的适配度相对较高;青海、四川的适配度波动明显;其他区域的适配度较低。西部地区自然资源丰富、生态脆弱，人口密度低。造成“水-能源-糧食”系统

适配度差异的原因可能是：①西北地区处于缺水带，化石能源丰富，水、能源和粮食系统时空匹配度低，水资源系统稳定性差，能源系统稳定性较高;第一、第二产业比重较大，区域发展受水资源和生态环境双重约束;能源产业带动区域经济、社会发展，为发展能源及相关产业，优化科技、管理、市场等手段，提高水资源利用效率，部分地区共生关系和共生环境适配度提高。以内蒙古为例，该区域是我国重要的煤炭能源基地，土地资源丰富，水资源匮乏，工业经济以煤炭开采、煤化工生产为主，经济发展受水资源和生态约束;内蒙积极改善农业节水技术、推进水权交易制度，优化水资源产业配置，并建设循环经济园区，推广空冷技术、中水回用等，强制企业污水零排放，提高资源利用效率，减少环境污染;增加生态用水量，为居延海等重要生态湿地补水，从共生单元、共生关系、共生界面和共生环境多个角度促进区域“水-能源-粮食”共生系统进化。②西南地区水资源丰富，是我国主要的水电能源富集区，水资源系统稳定;在“水-能源-粮食”共生系统中，优势资源开发利用、水-能源转化等尚未成为促进区域“社会-经济-自然”复合系统发展主要动力，受区域整体科技水平、产业结构等影响，资源利用产生的经济和社会效益相对较低，共生环境适配度不高。

5 结论与建议

5.1 结论

本研究基于生态学的“共生理论”，构建水资源、能源、粮食系统和“社会-经济-自然”复合生态系统的共生架构;提出区域“水-能源-粮食”复合系统适配概念，并将适配性分解为稳定性指数、协调性指数和可持续性指数;利用压力-状态-影响-响应（PSIR）技术，建立区域“水-能源-粮食”系统适配性评估体系;运用“坎蒂雷赋权法”计算指标权重，定量测算了2000—2016年中国区域“水-能源-粮食”系统适配性，对中国“水-能源-粮食”适配性时空分异特征进行系统分析。研究结论如下。

（1）中国“水-能源-粮食”系统适配性评估体系中，准则层3个要素的权重排序为“可持续性”>“稳定性”>“协调性”。“社会-经济-自然”复合系统（共生环境）适配性对区域“水-能源-粮食”系统适配性影响程度最大。经济、社会系统资源需求以及资源开发利用过程中向自然系统的排放是影响共生环境适配性的重要因素。“协调性”是区域“水-能源-粮食”系统适配性提升的短板，“稳定性”是“水-能源-粮食”共生系统演化的基础。

（2）从全国层面，2000—2016年中国“水-能源-粮食”系统的“适配性”“协调性”和“可持续性”均呈现上升趋势，“稳定性”缓慢波动;“适配性”“协调性”和“可持续性”曲线增长速度先快后慢，趋于平稳，区域发展受环境容

量制约。“稳定性”“协调性”和“可持续性”指数相互影响，影响效果具有滞后性：当“稳定性”高于“协调性”和“可持续性”时，共生单元承载能力能够容纳社会经济发展需求，“协调性”“可持续性”和“适配性”增速较快;当“稳定性”低于“协调性”和“可持续性”，资源禀赋对区域发展的约束性加强，“协调性”“可持续性”和“适配性”增速逐渐变慢。

（3）从区域层面，2000—2015年中国“水-能源-粮食”系统适配性时空分异特征明显：东北地区、东部地区的适配性水平相对较高;中部地区、西部地区的适配性水平相对较低，总体下降;四个地区内部各省之间适配性水平也存在差异。首先，区域内水资源、能源和粮食（耕地）空间分布的重合度对“水-能源-粮食”系统适配性有影响，重合度越高，适配度越高;其次，区域内部、区域之间的资源高效流动和优化配置能够提升资源的利用效率，缓解资源匮乏区域供给压力;区域资源禀赋、社会经济环境不同，“水-能源-粮食”系统适配度提升途径存在差异。

5.2 建议

基于上述对我国区域“水-能源-粮食”系统适配性评价结果，提出以下政策建议。

（1）提高水资源、能源和粮食系统转化效率，推进资源协同管理。一方面，增加科技研发、水利工程、能源建设等方面投入，改良生产技术与工艺，淘汰高耗能、高耗水的生产模式，减少资源浪费，提高水-能源、水-粮食和能源-粮食转化效率。另一方面，因地制宜规划区域资源开发利用，加强水资源、能源、农业、土地等管理部门协同，优化资源在产业间配置，提升资源整体投入产出水平。此外，完善资源转化利用过程资料统计制度，为资源系统协调性科学评估提供基础。

（2）推动自然资源和社会资源跨区域双向流动，促进区域协同发展。一方面，完善水资源、能源和粮食（耕地）管理制度，强化市场机制在资源配置中的作用，拓宽资源跨区流动路径，引导自然资源从富集区域向匮乏区域流动，缓解匮乏区域水、能源和粮食等相关产品与服务的供需矛盾。另一方面，引导高端产业、先进技术和投资等社会资源从发达地区向自然资源富集区域转移，提高转入区域资源利用的附加值，加快经济社会发展;同时，实施最严格的环境保护制度，在对口承接区域产业转移时，避免污染转移，把水质、空气质量、碳排放等指标纳入政府考核体系。

（编辑：李 琪）

参考文献

[1]Food and Agriculture Organization of the United Nations. The water-energy-food nexus： a new approach in support of food security and sustainable agriculture [R]. Rome： FAO， 2014.

[2]KEAIRNS D L， DARTON R C， IRABIEN A. The energy-water-food nexus [J]. Annual review of chemical and biomolecular engineering， 2016， 7： 239-262.

[3]HOFF H. Understanding the nexus： background paper for the Bonn 2011 Conference： the water， energy and food security nexus [R]. Stockholom： Stockholm Environment Institute， 2011.

[4]HOWARTH C， MONASTEROLO I. Understanding barriers to decision making in the UK energy-food- water nexus： the added value of interdisciplinary approaches [J]. Environmental science & policy， 2016，61： 53-60.

[5]李良， 毕军， 周元春， 等. 基于粮食-能源-水关联关系的风险管控研究进展[J]. 中国人口·资源与环境， 2018， 28（7）： 85-92.

[6]ROMERO-LANKAO P， BRUNS A， WIEGLEB V. From risk to WEF security in the city： the influence of interdependent infrastructural systems [J]. Environmental science & policy， 2018， 90：213-222.

[7]RASUL G. Food， water， and energy security in South Asia： a nexus perspective from the Hindu Kush Himalayan region[J]. Environmental science & policy， 2014， 39（5）： 35-48.

[8]SCHLR H， VENGHAUS S， HAKE J F. The FEW-Nexus city index-measuring urban resilience [J]. Applied energy， 2018， 210：382-392.

[9]BIZIKOVA L， ROY D， SWANSON D， et al. The water-energy-food security nexus： towards a practical planning and decision support framework for landscape investment and risk management [R]. Winnipeg： The International Institute for Sustainable Development， 2013.

[10]WILLIS H H， GROVES D G， RINGEL J， et al. Developing the Pardee RAND food-energy-water security index： toward a global standaridized， quantitative， and transparent resource assessment [R]. Santa Monica： RAND Corporation， 2016.

[11]WANG Q， LI S， HE G， et al. Evaluating sustainability of water-energy-food （WEF） nexus using an improved matter-element extension model： a case study of China [J]. Journal of cleaner production， 2018，202：1097-1106.

[12]CHEN J F， YU X Y， QIU L， et al. Study on vulnerability and coordination of water-energy-food system in Northwest China [J]. Sustainability， 2018， 10：1-25.

[13]李桂君， 李玉龙， 贾晓菁， 等. 北京市水-能源-粮食可持续发展系统动力学模型构建与仿真[J]. 管理评论， 2016， 28（10）： 11-26.

[14]彭少明， 郑小康， 王煜， 等. 黄河流域水资源-能源-粮食的协同优化[J]. 水科学进展， 2017， 28（5）： 681-690.

[15]ZHANG X， VESSELINOV V V. Integrated modeling approach for optimal management of water， energy and food security nexus[J]. Advances in water resources， 2017，101：1-10.

[16]马世骏， 王如松. 社会-经济-自然复合生态系统 [J]. 生态学报， 1984， 4（1）： 3-11.

[17]QUISPEL A. Some theoretical aspects of symbiosis [J]. Antonie van leeuwenhoek， 1951， 17（1）： 69-80.

[18]胡晓鹏. 产业共生：理论界定及其内在机理 [J]. 中国工业经济， 2008（9）： 118-128.

[19]张智光. 林业生态安全的共生耦合测度模型与判据 [J]. 中国人口·资源与环境， 2014， 24（8）： 90-99.

[20]马仁锋， 沈玉芳， 王筱春， 等. “移民-产业-环境”共生型流域规划方法研究——以金沙江中游为例 [J]. 长江流域资源与环境， 2010， 19（5）： 493-499.

[21]康绍忠. 水安全与粮食安全 [J]. 中國生态农业学报， 2014， 22（8）： 880-885.

[22]刘立涛， 沈镭， 高天明， 等. 中国能源安全评价及时空演进特征 [J]. 地理学报， 2012， 67（12）： 1634-1644.

[23]刘钢， 吴蓉， 王慧敏， 等. 水足迹视角下水资源利用效率空间分异分析——以长江经济带为例 [J]. 软科学， 2018， 32（10）： 107-111：118.

[24]白景锋， 张海军. 中国水-能源-粮食压力时空变动及驱动力分析 [J]. 地理科学， 2018， 38（10）： 1653-1660.

[25]周颖， 张舒明. 基于不变权重次约束的综合评价模型 [J]. 管理科学学报， 2017， 20（10）： 70-91.