水资源-能源-粮食纽带关系研究的文献计量分析

孙 虹，于 杰，赵又霖

(河海大学商学院，江苏 南京 211100)

20世纪以来，随着人口膨胀与生产规模的迅速扩大，资源与环境的需求持续挑战地球生态系统的供给能力，其中水、能源和粮食更是与人类社会息息相关的关键战略资源。联合国环境规划署(UNEP)、联合国粮食及农业组织(FAO)、世界经济合作与发展组织(OECD)、国际能源署(JEA)等机构研究显示，未来人类对水资源、能源和粮食的需求呈现持续增长的趋势，预计2050年全球淡水、能源、粮食需求量将分别增长200%、60%和50%左右。2015年9月通过的联合国2030可持续发展议程中，在17个可持续发展目标中与水资源、能源和粮食直接相关的就占据3个[1]。水资源、能源和粮食的可持续开发利用，关乎人类社会存续发展以及全人类福祉。

水资源、能源、粮食三者相互依存，牵一发而动全身。部门分割的孤立行为不仅得不到理想的可持续性结果，引起“次最优”问题的产生，甚至会致使其他资源系统的崩溃[2]。2011年，世界经济论坛在《全球风险报告》中提出“水资源-能源-粮食”风险的概念，将其视为三大重要风险群之一。同年在德国波恩召开的水资源-能源-粮食安全联盟会议上，首次使用“耦合”(nexus)一词来表述三者的关联关系，以深刻理解水、能源、粮食乃至气候、生物多样性等领域间的相互关系[3]。2013年，联合国亚太经济社会理事会发布《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，认为外部因素会对“纽带关系”产生影响。自此，对于水资源-能源-粮食纽带关系的研究迅速增长，利用水资源-能源-粮食纽带关系来解决全球资源环境挑战成为研究者的共识[4]，纽带关系也成为可持续发展领域的研究热点。

水资源-能源-粮食纽带关系(WEF-Nexus)是一种“新思维”，从系统的视角将水、能源、粮食3个独立公共部门的资源关联起来。随着世界范围内的水资源、能源以及粮食的供需不平衡导致区域冲突加重，故在复杂环境下研究“水资源-能源-粮食纽带关系”的演化和趋势有利于促进人类社会可持续发展。为增进科学理解，本文利用VOSviewer、Bibexcel和文献计量在线分析等可视化软件，从国别和机构分布、文献产出量、作者影响力3个方面研究分析“WEF-Nexus”的基本特征和原因，进而通过关键词共现和主题聚类探究萌芽、探索和快速发展3个时间阶段热点的变化，从而探析“WEF-Nexus”的热点演化规律及趋势特征。

1 数据来源、研究方法和工具

1.1 数据源

本研究使用的数据来源于Web of Science核心数据库，以“water-energy-food”“food-energy-water”“FEWs”“water-food-energy”“energy-water-food”“energy-food-water”以及“food-water-energy”为主题，检索时间为1985—2021年，最终获得1188篇文献。

1.2 研究方法和工具

运用VOSviewer、Bibexcel和文献计量在线分析等可视化软件进行基本特征以及共现分析。VOSviewer用于文献的聚类视图，评估文献的研究方向和热点。Bibexcel用于文献的计量和共词分析，展现数据可视化。文献计量在线分析平台以web形式存储数据，实现数据的可视化。关键词共现为内容分析工具，分析关键词之间的关联强度，用于分析研究领域、术语的发展趋势[5]。

利用影响因子和作者H指数来衡量作者的影响力。H指数为至少h篇文章达到h次以上的文献数量。影响因子是期刊前两年发表的论文在该报告年份中被引用总次数除以这两年内发表的论文总数。本文主要参考2020年公布的2019年期刊影响因子。

2 WEF-Nexus研究的特征分析

2.1 特征分析

纵观1985—2021年的研究成果，年度发表的文献从1997年的4篇增加到2015年的77篇，到2019年已达到244篇。共涉及59个学科，位列前10的是环境科学生态学、工程、水资源、科学技术、能源燃料、气象大气科学、化学、地质学、农业、计算机科学。

2.1.1国别和机构分布

从国别来看，共有81个国家在这一领域有所贡献，美国、英国、中国、德国和荷兰的发文量占83.2%。美国的发文量居于各国之首，占总发文量的40.0%；2018—2020年，中国的发文量较美国和英国有上升趋势。从国家合作来看，中美之间的合作最为频繁，合作53篇；其次为美国和英国，合作49篇。

全球共1 587个机构开展相关研究，前10大最具生产力的研究机构发文数量占18.9%。发文量最高的是德克萨斯A&M大学，牛津大学次之。此外，德克萨斯大学、美国地质调查局、康奈尔大学、密西根州立大学与牛津大学、曼彻斯特大学合作较为频繁；曼彻斯特大学、德克萨斯A&M大学与中国科学院、北京师范大学合作较为频繁。从机构合作来看，德克萨斯A&M大学与贝鲁特大学合作最为频繁，合作13篇；其次为中国科学院与中国科学技术大学，合作9篇；第三为美国地质调查局与圣塔芭芭拉加利福尼亚大学。

2.1.2文献产出量

1985—2021年共458个期刊发表相关文章，发文量前10的期刊占27.91%。其中Water期刊发文量最多，被引240次；其次是ScienceoftheTotalEnvironment，发文48篇，被引185次；JournalofCleanerProduction期刊发文40篇，被引203次。此外，影响因子最高的期刊是AppliedEnergy。

分阶段看，1985—2014年，ProceedingsofSpie、ProceedingsoftheSocietyofPhotoOpticalInstrumentationEngineersSpie以及SensorsandActuatorsBChemical的期刊发文较多；2015—2017年间Water以及InternationalJournalofWaterResourcesDevelopment期刊发文最多；2018—2021年，ScienceoftheTotalEnvironment期刊发文量最多。此外，最具影响力的前5篇文章的发文期刊均属于发达国家。

2.1.3作者影响力

1985—2021年共4 311名学者参与相关研究，其中以色列特拉维夫大学的Katzir发文最多，其主要研究方向为光谱学、工程学和光学。其次是雷恩大学的Bureau和Boussard，其研究方向为工程学、仪器仪表及光学；第四是美国德克萨斯A&M大学的Mohtar，其研究方向为环境科学与生态、水资源；第五是阿里埃勒大学的Raichlin，其研究方向为光学、化学和光谱学。

2.2 特征缘由

针对“WEF-Nexus”中国家和机构分布、文献产出量以及作者影响力的基本特征，笔者从科研环境、研究方向、期刊定位等方面分析其原因。

a.国家的经济实力、科研环境、发展背景影响发文分布情况。发达国家的相关研究较早，发文量较多。美国在发达国家中占据领先的地位，发文量居于各国之首；中国起步时间较晚，《2017年国内外油气行业发展报告》提出，中国全年天然气消费量同比增长17%，出现了阶段性、区域性的“气荒”问题，故从2018年起中国的发文量有略微上升；发达国家之间的合作频次较高，但随着中国国家自然科学基金委员会与美国科学基金会关于“WEF-Nexus”的合作研究项目指南的发布，中美合作更为密切。

b.研究方向和科研实力影响机构发文和合作。不同国家的学术机构研究方向和科研实力不同，跨国合作难度较大。德克萨斯A&M大学、牛津大学、曼彻斯特大学等知名学术机构的研究内容大多为环境科学、水资源、生态学，研究方向较为前沿，更容易合作发文；不同国家经济发展阶段和起步研究时间具有差异性，使各国研究者的关注点不同，故学术机构之间的合作仍以国内合作为主。

c.期刊的定位[6]、经济发展变化以及研究者关注点影响文献产出量。发文量前3的期刊定位与“WEF-Nexus”的研究方向相吻合，多接收环境科学与发展、生态环境以及环境与人类关系的文章；AppliedEnergy期刊定位在能源方面，接收能源转化与节约、能源资源优化利用、污染物减排等内容的文章，对文章质量要求较高，故发文量较少；1985—2014年世界发展的重心是提高经济实力，故从光学、应用化学、工程学等方面研究替代能源的期刊发文较多；2015—2017年，随着经济的发展，水资源、能源的供需不平衡使研究者探索新的方式弥补资源的短缺，故与水资源科学技术、水生态紧密相关的期刊开始活跃；2018—2021年，城市化进程、环境污染、气候变化等复杂环境使三者关联关系的矛盾日益凸显，故研究环境与人类可持续发展的文章较多。

d.研究关注度、研究方向和发文期刊影响作者影响力。前3位学者的发文集中在1985—2014年，属于早期研究阶段，研究方向为工程学、仪器仪表、应用化学以及光学等方面。早期研究者的研究内容对后续研究有导向作用，故作者影响力较高。另外两位学者的发文集中在2018—2020年，研究方向为环境科学与生态、水资源，在影响因子较高的ScienceoftheTotalEnvironment期刊上发文较多。

3 WEF-Nexus研究的热点演化趋势

通过分析“WEF-Nexus”基本特征发现，不同阶段作者关注点不同，可能会影响热点的变化，故笔者将分阶段研究其热点的演化趋势。1985—2014年，发文量从无到有，可视为萌芽阶段；2015—2017年，发文量缓慢上升，可视为探索发展阶段；2018—2021年，发文量快速上升，可视为快速发展阶段。为凸显不同阶段热点的变化，筛选出频次前10且均出现于3个阶段的关键词(表1)。

表1 不同阶段关键词频次

3.1 水资源研究受到关注

1985—2014年萌芽期间，发达国家的研究者率先对“WEF-Nexus”开展相关研究，发文207篇，占全部发文量的17.72%。在该阶段，农业是全球用水大户，占世界总用水量的70%，其次为能源生产，占总用水量的15%[7]。随着工业的发展，农业和能源生产对水资源的需求变大，水资源匮乏，因此，在萌芽阶段的研究热点与水资源相关(图1)。

图1 1985—2014年关键词共现

由于水资源的需求增多，缓解水资源的匮乏成为当时研究重点。研究者开始从化学和制造技术、光学、应用化学等方面探索替代能源，故该阶段发文较多的期刊为“ProceedingsofSpie”“ProceedingsoftheSocietyofPhotoOpticalInstrumentationEngineersSpie”以及“SensorsandActuatorsBChemical”。在农业生产生活中，淡水使用量占全球淡水使用量的70%[8]，水资源的总量、质量和空间分布格局直接关系着地区的粮食生产和安全[9]，故水资源研究方面，水质和水量成为研究者关注重点，其主要受人类生产生活产生的化学元素、气候变化以及降雨量等因素的影响(表2)。

表2 萌芽阶段聚类结果

3.2 WEF-Nexus的逐步探索

2011年11月，德国联邦政府在波恩召开了“水资源-能源-粮食安全纽带关系”会议，首次将这3种资源作为一个整体提出[7]。2011—2015年大约300个来自学术界、商业和政府的相关组织机构参与到纽带关系研究中[10]。故2015年后，文献数量有缓慢上升趋势。因此，本文将2015—2017年视为探索发展阶段。

在2015—2017年探索发展期间，WEF-Nexus的发文量增加缓慢，占全部发文量的24.5%。该阶段研究者意识到生态环境的变化可能会影响三者的耦合机制，故各国开始重视生态环境的保护。其中，气候变化不仅会影响能源与粮食生产的效率，还使得全球整体可获得的淡水资源量下降。例如，Yang等[11]提出了一种新型流域水利经济水系模型，主要研究气候变化及其他因素对南亚布拉马普特拉河流域沿岸国家未来的能源和粮食生产供水的影响。因此，气候变化成为探索发展阶段的研究热点(图2)。

图2 2015—2017年关键词共现

随着生态环境的变化，研究者们开展环境科学、水生态相关研究，该阶段Water及InternationalJournalofWaterResourcesDevelopment期刊的发文量明显上升。水、能源、粮食的冲突，导致资源利用效率低，对社会经济、生态产生不良影响，故在生态服务系统中，为提高资源的利用率，“WEF-Nexus”会成为可持续发展的必要工具。此外，全球气候环境多变，局部研究不能解释其交互关系，“WEF-Nexus”需要跨界整合，故跨界流域水生态也受到关注(表3)。

表3 探索发展阶段聚类结果

3.3 WEF-Nexus的快速发展

2018—2021年间“WEF-Nexus”的发文量快速增加，占全部发文量的58.08%。该阶段中“WEF-Nexus”出现频率最高，共124次(图3)。

图3 2018—2021年关键词共现

随着人口快速增长、城市化进程加快、全球变暖等环境问题愈发突出，在复合环境下探索“WEF-Nexus”成为当下研究重点，ScienceoftheTotalEnvironment期刊发文量增多。在这一阶段，有4个研究方向备受学术界关注(表4)。

表4 快速发展阶段聚类结果

3.3.1气候风险下的水资源-能源-粮食关联关系

快速发展阶段中“WEF-Nexus”的风险问题主要集中在气候变化以及资源短缺。Miller-Robbie等[12]采用生命周期评价方法核算“WEF-Nexus”下温室气体排放量；Moore等[13]将“WEF-Nexus”各个要素部门分解到网格，按照其耗水量和对应地区的水资源径流量核算地区的水短缺风险。随着人口的不断增多，人类活动带来的气候变化和资源短缺影响3种资源的平衡。因此需要降低气候风险，提高资源利用率，实现3种资源可持续发展。①利用高新技术解决水资源安全问题。可以利用污水处理与污水、雨水的再利用相结合的办法，以分散化一体化的水管理设施代替集中的水处理与分配，从而减少运输能耗，改善供水弹性[14]；②在“极端高温事件”频发和强度不断提高的情况下，城市蔓延和郊区化会影响城市能源体系的弹性，增加城市能源直接消耗与碳排放量，从而影响系统的复原力[15]，因此，可以改变土地利用方式，提高三者耦合系统的整体效能。

3.3.2城市化进程与城市治理

城市化是人类生存发展的必然趋势，城市化进程的加快使得城市人口聚集，给环境带来巨大压力，致使水资源、能源供应不足，粮食安全也受到一定影响。因此在不断增强的环境压力下，平衡三者的关联关系是必要的。

城镇化背景下，废水处理成为城市治理的研究重点。城市化进程加快，大量废水会在未处理的状态下排放到地表水中。水在满足全世界人民用水和粮食需求方面有着关键作用，故需要加大技术投资进行废水处理[16]。除此以外，城镇作为未来资源消耗中心以及人们的“非正式定居点”，不同城镇的水、粮食、能源管理水平及实践需求不同，也形成了不同的治理结构[17]。因此，需因地制宜地开展城市治理，缓解水资源、能源、粮食之间的冲突。

3.3.3生物多样性

随着能源供需矛盾日益尖锐，开发新能源是人类存续发展的必由之路。自然界中存在丰富的生物质资源，通过燃烧、热化学法、生化法等技术将生物质资源、工业废水及城市固体废弃物转化为二次能源，从而形成生物质能[18]。开发生物质能不仅需要水资源，也需要大量的能源消耗，而任一种资源的消耗可能会影响三者的纽带关系。

适度开发生物质资源可以保护生物多样性，构建水资源、能源、粮食命运共同体式的纽带关系。Stoy等[19]以草原鸟类种群为例，发现能源转换对生物多样性具有影响。由此可见，生物多样性是建立可持续水资源-能源-粮食系统的重要组成部分，但现阶段的绿色革命技术一定程度上忽视了生态多样性的作用，使粮食和营养缺乏保障[20]。因此，在开发新能源时应重视生物多样性，促进水资源、能源、粮食的可持续发展。

3.3.4循环经济

随着经济的发展，水资源、能源、粮食供需关系紧张，任何一个资源的枯竭会影响其他资源的发展。循环经济能够高效利用资源，缓解环境与发展之间的矛盾，故在循环经济发展背景下研究水资源-能源-粮食纽带关系是必要的。例如，适度使用生物质能可以减缓森林枯竭速度[21]。

世界人口的增长，给粮食、能源和水带来了各种紧迫的挑战。利用循环经济可以平衡经济增长、保护环境，实现资源可持续性。在雨水密集的地区，可以收集雨水，将雨水输入水处理系统，用于家庭生产生活，不仅可以节约能源，还能缓解水资源短缺问题。在倡导循环经济的环境下，平衡水资源、能源、粮食三者的关联关系，可以实现世界经济的可持续发展。

4 结 语

本文基于文献计量的方法对1985—2021年“WEF-Nexus”的文献进行特征分析，进而通过关键词共现及聚类分析，探究其研究热点和演化趋势。根据其特征和关键词的变化，最终得出以下几点结论：

a.发达国家是主要的科研力量。从发文量来看，发达国家发文数量较多，其中美国德克萨斯A&M大学是主要的科研机构；最具影响力期刊和作者均来自于发达国家，其中发文最多的期刊是Water，最有影响力作者是以色列的Katzir。

b.中国将成为“WEF-Nexus”研究的重要力量。中国经济的快速发展影响城市化进程、气候以及能源开发等环境变化，资源的供需不平衡威胁着人类的生存和发展，随着中国科研投入的增多，未来中国将成为“WEF-Nexus”研究的重要力量。

c.“WEF-Nexus”研究的热点演化趋势呈阶段性变化。从萌芽阶段开始，水资源相关的研究开始活跃，重点关注水质水量；在探索发展阶段，随着气候变化等环境因素的不利影响，研究者们开始对环境科学、水生态开展相关研究，该阶段Water以及InternationalJournalofWaterResourcesDevelopment期刊的发文量明显上升，水生态的相关研究增多；在快速发展阶段中，经济的快速发展导致城市化进程加快、能源匮乏、气候异常，环境的变化对平衡三者纽带关系提出了更高的要求，故该阶段研究重点是在复杂环境下探索三者命运共同体式的纽带关系。

d.未来“WEF-Nexus”研究重点将是选择合适的边界，提高资源利用率，从而探索水资源、能源、粮食的协同机制，实现可持续发展。水资源、能源、粮食相互制约、相互依存，任何元素的变化往往会引发整个系统的变化，在城市进程、气候变化、资源短缺等环境下，仍要将三者视为一个整体。但不同地理位置的水、粮食和能源资源差异显著。因此，未来研究仍然需要进一步划分具体而明确的范畴，选择合适的边界，达到提升资源利用率的目标。