山西省水-能源-糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)時(shí)空變化特征研究

王 凱，李景保，李 歡

(湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081)

1 研究背景

水、能源和糧食是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所必需的基礎(chǔ)要素，其內(nèi)外關(guān)聯(lián)效應(yīng)的優(yōu)劣是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。21世紀(jì)以來(lái)，隨著世界人口和經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，W-E-F(water-energy-food)供求壓力日益凸顯。金融危機(jī)前后國(guó)際油價(jià)經(jīng)歷兩輪上漲，同時(shí)歐美開(kāi)始大規(guī)模發(fā)展生物質(zhì)能源，導(dǎo)致糧食價(jià)格急劇上升。隨后美國(guó)率先掀起頁(yè)巖油氣革命，有效提升了能源供應(yīng)，卻又極大加劇了相關(guān)地區(qū)的水資源壓力?？梢?jiàn)W-E-F問(wèn)題的日益突出已使全球可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時(shí)也揭示了三者面臨的內(nèi)在矛盾和外部壓力。在此背景下W-E-F問(wèn)題受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注，并將三者的關(guān)聯(lián)關(guān)系稱為W-E-F Nexus[1-3]。我國(guó)現(xiàn)階段正處于人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展雙重壓力之下，水資源、能源和耕地均存在不同程度的短缺，且空間組合效果較差。能源和糧食產(chǎn)量雖居世界首位，但獲取代價(jià)較高且難以自給，水資源匱乏的北方地區(qū)成為其主產(chǎn)區(qū)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境問(wèn)題凸顯。此外，保障生態(tài)和糧食安全的壓力又使得建設(shè)用地供應(yīng)受限。由此可見(jiàn)，大規(guī)模的能源開(kāi)發(fā)利用和糧食增產(chǎn)壓力抬高了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境和土地成本，W-E-F問(wèn)題已成為阻礙中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

作為可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)外學(xué)者已對(duì)W-E-F Nexus進(jìn)行了大量研究。一方面闡釋了W-E-F Nexus的理論框架和現(xiàn)實(shí)意義，分析其內(nèi)外關(guān)聯(lián)機(jī)制，為后續(xù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)[2,4]；另一方面引入跨學(xué)科的方法并開(kāi)發(fā)專用的模型工具，主要從跨國(guó)流域、地區(qū)和國(guó)家等尺度上進(jìn)行實(shí)證研究并提出政策建議[5-8]。國(guó)內(nèi)關(guān)于W-E-F系統(tǒng)的研究起步較晚，在引進(jìn)國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上[9]，主要基于仿真預(yù)測(cè)、運(yùn)行效率、耦合協(xié)調(diào)、系統(tǒng)優(yōu)化、供求壓力、安全評(píng)價(jià)等視角，引入相關(guān)學(xué)科的方法進(jìn)行定量研究[10-15]，同時(shí)也表現(xiàn)出對(duì)地域差異的重視。此外，隨著可持續(xù)發(fā)展研究的不斷深化，近年來(lái)城市W-E-F關(guān)聯(lián)關(guān)系的地位開(kāi)始得到重視，基于城市維度的研究成果正迅速增加[16-17]。

山西省位于華北地區(qū)，屬經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后的資源型省份。2018年人均GDP僅為全國(guó)平均水平的70%，同年煤炭產(chǎn)量占全國(guó)比重達(dá)24.9%。但人均水資源量不足全國(guó)平均水平的1/5，W-E-F系統(tǒng)內(nèi)部及其與生態(tài)環(huán)境之間存在突出的矛盾。長(zhǎng)期以來(lái)高投入的糧食生產(chǎn)以及大規(guī)模的能源開(kāi)發(fā)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的損害，2018年全省100個(gè)地表水監(jiān)測(cè)斷面中水質(zhì)優(yōu)良比例僅為58%，同期全國(guó)空氣質(zhì)量最差的20個(gè)城市中山西即占6席。未來(lái)伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)及乙醇汽油的推廣，W-E-F系統(tǒng)外部及彼此間的需求還將繼續(xù)增長(zhǎng)，山西的可持續(xù)發(fā)展將面臨更大的壓力。因此亟待提高W-E-F系統(tǒng)的內(nèi)外協(xié)調(diào)水平，保障其對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支持能力，同時(shí)減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于W-E-F系統(tǒng)的研究主要集中在全國(guó)和省域尺度，較少關(guān)注資源型地區(qū)系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)空變化特征?？紤]到W-E-F關(guān)聯(lián)關(guān)系具有明顯的地方特性，本文以山西省為研究區(qū)，立足于W-E-F系統(tǒng)的內(nèi)外關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建適合該區(qū)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)測(cè)算其發(fā)展水平和耦合協(xié)調(diào)狀況，分析W-E-F系統(tǒng)的時(shí)空差異及其變化特征，以期為促進(jìn)山西省W-E-F系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化發(fā)展提供理論參考。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文所需的原始數(shù)據(jù)來(lái)源于2008-2018年的《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》《山西省水資源公報(bào)》以及各地市的統(tǒng)計(jì)公報(bào)，少數(shù)缺失數(shù)據(jù)采用線性擬合法插補(bǔ)。由于原始數(shù)據(jù)的量綱和作用方向不同，首先對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便具有可比性。

正向指標(biāo)：

Xi=(xi-min{xi})/(max{xi}-min{xi})

(1)

負(fù)向指標(biāo)：

Xi=(max{xi}-xi)/(max{xi}-min{xi})

(2)

式中:Xi為i指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值;xi為i指標(biāo)的原始值；max{xi}、min{xi}分別為i指標(biāo)的最大值和最小值。

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)重的確定

遵循完整性、獨(dú)立性、可行性等原則，參考相關(guān)研究并結(jié)合山西省的實(shí)際情況[18-22]，基于W-E-F系統(tǒng)的內(nèi)涵，對(duì)各子系統(tǒng)分別從多個(gè)維度選取指標(biāo)，將各子系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)系數(shù)大于0.8的重復(fù)指標(biāo)剔除,最后得到21個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此構(gòu)建山西省W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。其中單位GDP用水量和單位GDP能耗皆按2005年不變價(jià)處理后計(jì)算，以便具有可比性；同時(shí)因數(shù)據(jù)缺乏且各市皆以糧食為主要種植作物，糧食生產(chǎn)地均增加值由種植業(yè)地均增加值近似替代，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)則以電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)替代。

表1 山西省W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文采用熵權(quán)法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，熵權(quán)法通過(guò)測(cè)度各指標(biāo)的觀測(cè)值內(nèi)部差異程度來(lái)計(jì)算其權(quán)重值。指標(biāo)觀測(cè)值的內(nèi)部差異越大，其權(quán)重值也越大，反之越小。由于其采用客觀計(jì)量方法，一定程度上避免了定性方法的缺陷。

2.3 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)模型

在計(jì)算出各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值和權(quán)重的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)研究中廣泛使用的線性加權(quán)模型計(jì)算W-E-F各子系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)[20]，公式如下：

(3)

式中：βk為各子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指數(shù)；wi為各指標(biāo)的權(quán)重值；m為各子系統(tǒng)的指標(biāo)數(shù)量。

據(jù)此可分別計(jì)算出3個(gè)子系統(tǒng)在不同年份和地區(qū)的評(píng)價(jià)指數(shù)，進(jìn)而對(duì)其發(fā)展水平的時(shí)空變化進(jìn)行測(cè)度。W-E-F 3個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指數(shù)值分別以f(x)、g(y)、h(z)表示。

2.4 耦合協(xié)調(diào)模型及類型劃分

耦合是指系統(tǒng)間或者系統(tǒng)內(nèi)部諸要素間通過(guò)各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象，耦合度即是對(duì)這種相互作用程度強(qiáng)弱的度量。W-E-F三者在生產(chǎn)、消耗與管理過(guò)程中皆存在緊密的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)測(cè)算其耦合程度可以揭示其相互作用程度的強(qiáng)弱。W-E-F耦合度模型雖然能綜合反映三者耦合作用的強(qiáng)弱，但無(wú)法反映三者間相互發(fā)展水平的高低，即系統(tǒng)協(xié)調(diào)水平[23]。耦合協(xié)調(diào)度可衡量各子系統(tǒng)相互作用中良性耦合程度的大小，體現(xiàn)協(xié)調(diào)狀況的優(yōu)劣程度。因此采用耦合協(xié)調(diào)度模型，以便更好地評(píng)價(jià)W-E-F三者耦合發(fā)展的協(xié)調(diào)程度。根據(jù)相關(guān)研究確定耦合度和耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算方法[12]：

(4)

(5)

T=af(x)+bg(y)+ch(z)

(6)

式中:C為耦合度，C∈[0，1]，其值越高代表3大子系統(tǒng)間相互作用程度越強(qiáng)；D為耦合協(xié)調(diào)度，D∈[0，1]，其值越高表明W-E-F系統(tǒng)越趨向于協(xié)調(diào)發(fā)展；T為W-E-F系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，反映系統(tǒng)的整體發(fā)展水平；a、b、c為3個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)系數(shù)。本文認(rèn)為3個(gè)子系統(tǒng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展具有同等的重要性，故取a=b=c=1/3。

通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)[12]確定耦合協(xié)調(diào)類型劃分的標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)表2。

表2 耦合度和耦合協(xié)調(diào)度類型劃分

3 結(jié)果分析

3.1 W-E-F各子系統(tǒng)及系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平時(shí)序變化特征

根據(jù)公式(1)～(6)，計(jì)算山西省2008-2017年W-E-F各子系統(tǒng)及其綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、系統(tǒng)耦合度和耦合協(xié)調(diào)度。為直觀顯示，將其繪制為折線圖(如圖1所示)，并分析判斷各子系統(tǒng)及其耦合程度和耦合協(xié)調(diào)水平的時(shí)序變化特征。

圖1 2008-2017年山西省W-E-F系統(tǒng)發(fā)展水平的時(shí)序變化過(guò)程

3.1.1 W-E-F各子系統(tǒng)時(shí)序變化特征 對(duì)圖1(a)進(jìn)行分析得出：

(1)水資源子系統(tǒng)的變化以2014年為界可分為波動(dòng)上升期和波動(dòng)恢復(fù)期兩個(gè)階段。2008-2014年水資源評(píng)價(jià)指數(shù)提升了1.16倍，其原因首先是總權(quán)重為0.364的用水結(jié)構(gòu)得到改善，其中生態(tài)用水占比從1.3%上升到2014年的4.76%，是貢獻(xiàn)最大的指標(biāo)；其次是人均工業(yè)廢水排放的下降和用水效益的提升，這與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化密切相關(guān)，2008-2014年第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重上升了7.3個(gè)百分點(diǎn)。在此期間權(quán)重最大的人均用水量增長(zhǎng)17.3%，負(fù)向拉動(dòng)效應(yīng)顯著，主要原因是灌溉面積增加導(dǎo)致用水量顯著增長(zhǎng)。2015年因降水減少使人均水資源量下降15.7%，并引發(fā)農(nóng)業(yè)用水占比上升導(dǎo)致進(jìn)入波動(dòng)恢復(fù)期?？傮w來(lái)看，水資源系統(tǒng)受氣候波動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響較大。

(2)能源子系統(tǒng)可分為2015年前后的上升期和下降期。2008-2015年間因全國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展促使人均能源產(chǎn)量增長(zhǎng)了22.4%，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也顯著優(yōu)化，單位能耗大幅降低24.2%。但同時(shí)權(quán)重最大的人均能耗增長(zhǎng)了23%，在2013年已達(dá)到峰值，對(duì)能源子系統(tǒng)構(gòu)成拖累，這與金融危機(jī)后大規(guī)模的基建投資及其拉動(dòng)的重化工業(yè)發(fā)展有很大關(guān)系。2016年起能源子系統(tǒng)出現(xiàn)下滑，究其原因，首先是因供給側(cè)改革淘汰過(guò)剩產(chǎn)能以及國(guó)家調(diào)整能源消費(fèi)品種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致煤炭產(chǎn)量下降，加之能源消耗隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展有所增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致占權(quán)重達(dá)0.377的能源供需關(guān)系顯著惡化；其次是由于能源消費(fèi)彈性系數(shù)較2015年的低點(diǎn)有所反彈，但仍處于集約發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

(3)糧食子系統(tǒng)在九年間發(fā)展較快且沒(méi)有顯著波動(dòng)，這與全國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)基本一致。2006年廢除農(nóng)業(yè)稅以來(lái)，國(guó)家加大對(duì)農(nóng)業(yè)的扶持力度，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施顯著改善，九年間農(nóng)田有效灌溉比例提高8.68個(gè)百分點(diǎn)，農(nóng)村人均用電量增長(zhǎng)49%。糧食生產(chǎn)補(bǔ)貼和臨儲(chǔ)制度實(shí)施后農(nóng)民種糧收入和積極性顯著提高，糧食在九年間增產(chǎn)31.7%，糧食地均產(chǎn)出增長(zhǎng)了1.6倍。但同時(shí)權(quán)重最大的地均化肥施用量在已經(jīng)較高的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了13%，導(dǎo)致糧食種植的生態(tài)化水平進(jìn)一步退化，生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響加重。

總體來(lái)看，山西省W-E-F系統(tǒng)屬水資源滯后型，其中糧食子系統(tǒng)穩(wěn)定性最好且提升幅度最大，能源子系統(tǒng)次之，水資源子系統(tǒng)穩(wěn)定性最差且增幅最低。2008-2017年各子系統(tǒng)均獲得顯著發(fā)展，很大程度上是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政府政策支持的綜合結(jié)果。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化促使水能消耗結(jié)構(gòu)得到改善，資源型產(chǎn)業(yè)比重的下降使得單位GDP的水能消耗也隨之下降，政府對(duì)農(nóng)業(yè)的扶持則是糧食子系統(tǒng)發(fā)展的主要原因。對(duì)3個(gè)子系統(tǒng)負(fù)向拉動(dòng)效應(yīng)明顯的指標(biāo)分別為人均用水量、人均能源消費(fèi)量和地均化肥施用量，表明經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)資源環(huán)境的依賴和破壞程度加深。

3.1.2 W-E-F系統(tǒng)耦合度和協(xié)調(diào)水平變化特征 由圖1(b)可看出，山西省W-E-F系統(tǒng)在2008-2017年間一直保持高水平耦合狀態(tài)，表明各子系統(tǒng)間相互作用程度較高。W-E-F系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)2008-2017年增長(zhǎng)了130%，耦合協(xié)調(diào)度從0.55上升到0.83，由勉強(qiáng)協(xié)調(diào)發(fā)展到良好協(xié)調(diào)，基本呈穩(wěn)步發(fā)展態(tài)勢(shì)。

由于系統(tǒng)耦合度接近于1且比較穩(wěn)定，因此系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的變化趨勢(shì)與綜合評(píng)價(jià)指數(shù)相似，可分為2008-2014年的穩(wěn)定上升期和2015-2017的波動(dòng)上升期。前一階段先后由水資源子系統(tǒng)和糧食子系統(tǒng)發(fā)揮主要帶動(dòng)作用，其推動(dòng)因素主要為用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工業(yè)污水排放下降以及糧食生產(chǎn)投入產(chǎn)出水平的提升等方面，這得益于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和政策支持。后一階段因2015年以來(lái)水資源和能源子系統(tǒng)的大幅下降而發(fā)生波動(dòng)，起到負(fù)向拉動(dòng)的因素從大到小依次是農(nóng)業(yè)用水占比、人均一次能源產(chǎn)量、能源消費(fèi)彈性系數(shù)、人均用水量、生態(tài)用水占比、人均能源消費(fèi)量。

3.2 W-E-F系統(tǒng)空間差異變化特征及其內(nèi)部關(guān)聯(lián)效應(yīng)

W-E-F系統(tǒng)的空間差異及其變化對(duì)其整體發(fā)展水平具有重要影響,采用2008-2017年山西省各地市的面板數(shù)據(jù)計(jì)算其耦合協(xié)調(diào)水平。結(jié)果顯示大多數(shù)地市系統(tǒng)發(fā)展水平的時(shí)序變化方向基本一致，故以2008年和2017年為例分析W-E-F系統(tǒng)的空間差異及其變化特征。首先基于ArcGIS軟件，采用自然斷點(diǎn)法將測(cè)算結(jié)果劃分為4個(gè)等級(jí)。山西省各地市2017年W-E-F系統(tǒng)發(fā)展水平空間分異及2008-2017年變動(dòng)幅度見(jiàn)圖2。

3.2.1 W-E-F各子系統(tǒng)的空間差異 經(jīng)計(jì)算，2017年W-E-F各子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的變異系數(shù)分別為0.19、0.26、0.22，再結(jié)合對(duì)圖2(a)～2(c)的分析表明：

(1)3個(gè)子系統(tǒng)發(fā)展水平的空間差異顯著。其中水資源子系統(tǒng)在呂梁表現(xiàn)最好，除表現(xiàn)較差的運(yùn)城和朔州外其余各市間的差異較小。其差異主要在耗水結(jié)構(gòu)和水資源供需兩方面，其中農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水占比在運(yùn)城和朔州最差。這是由各地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的差異所導(dǎo)致的，地理環(huán)境和資源基礎(chǔ)對(duì)其影響較大。

(2)能源子系統(tǒng)在太原和北部的大同、忻州等地發(fā)展水平較高，在晉西北的朔州和晉東南的晉城較差。其首要原因是能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的差異，大同和太原產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)效果較好，2017年戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)占工業(yè)比重分別達(dá)到9.7%和14.5%。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在很大程度上影響著能源需求和單位GDP能耗，而各市的資源稟賦在一定程度上塑造了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

(3)糧食子系統(tǒng)在山西中南部發(fā)展較好，尤以晉中和運(yùn)城最高，陽(yáng)泉?jiǎng)t屬全省最低，與糧食主產(chǎn)區(qū)的分布相符。其主要差異體現(xiàn)在灌溉比例和產(chǎn)出水平上，其中種植業(yè)地均產(chǎn)出的市際差異最大。由于山西黃土高原地形復(fù)雜，山地丘陵和盆地相間分布，各市農(nóng)業(yè)發(fā)展條件差異很大。太原、晉中和運(yùn)城3市皆位于汾河谷地，灌溉和耕作條件顯著優(yōu)于其它地區(qū)。

3.2.2 W-E-F系統(tǒng)協(xié)調(diào)水平的空間差異 由圖2(d)可知，2017年各市W-E-F系統(tǒng)協(xié)調(diào)程度差異明顯，處于中級(jí)協(xié)調(diào)水平占55%，初級(jí)協(xié)調(diào)水平占45%，協(xié)調(diào)度最高值為最低值的1.2倍。

圖2 山西省各地市2017年W-E-F系統(tǒng)發(fā)展水平空間差異及2008-2017年變動(dòng)幅度

協(xié)調(diào)水平最高的地區(qū)為山西中北部的太原、忻州和晉中市，前兩者主要受能源子系統(tǒng)的推動(dòng)，第三產(chǎn)業(yè)能耗比重分別超過(guò)全省9.9和16.5個(gè)百分點(diǎn)，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)較優(yōu)。晉中水資源和糧食子系統(tǒng)發(fā)展水平居中，主要由糧食子系統(tǒng)拉動(dòng)，其境內(nèi)分布有汾河谷地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好，糧食生產(chǎn)地均增加值和人均肉類產(chǎn)量居全省首位。

呂梁和大同協(xié)調(diào)水平屬第二梯隊(duì)。呂梁主要受水資源子系統(tǒng)帶動(dòng)，其用水結(jié)構(gòu)和水資源供需關(guān)系較好，2017年水資源開(kāi)發(fā)利用率僅有30.1%，為全省最優(yōu)，但其位于西部呂梁山區(qū)，地形以丘陵和山地為主，水土流失嚴(yán)重，糧食生產(chǎn)條件較差，糧食子系統(tǒng)發(fā)展水平偏低。大同屬山西第二大城市，是重要的能源生產(chǎn)基地，能源子系統(tǒng)發(fā)展水平較高；境內(nèi)雖有大片盆地，但受干旱、內(nèi)澇和鹽堿的威脅，糧食和水資源系統(tǒng)發(fā)展水平居全省中間位置，3個(gè)子系統(tǒng)間差異較小。

陽(yáng)泉、長(zhǎng)治、臨汾和晉城4市屬第三梯隊(duì)。陽(yáng)泉位于太行山區(qū)，農(nóng)業(yè)發(fā)展條件較差，2017年人均耕地面積僅為全省平均水平的39.8%，灌溉比例僅有15.9%，糧食子系統(tǒng)發(fā)展水平屬全省最低；因其農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的壓力較小，水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平較高。臨汾和長(zhǎng)治兩市相鄰，發(fā)展水平相近，且系統(tǒng)內(nèi)部差異較小，這與其相似的資源基礎(chǔ)和地理環(huán)境有很大關(guān)系。晉城是全省第五大能源生產(chǎn)基地，但其能源子系統(tǒng)對(duì)協(xié)調(diào)水平起到顯著的負(fù)向拉動(dòng)作用，主要由能耗結(jié)構(gòu)的落后所導(dǎo)致；同時(shí)因多年平均降水量為全省最高，加之多山地形使得耕地灌溉面積較小，單位GDP耗水量較低，因而水資源子系統(tǒng)發(fā)展水平較高。

協(xié)調(diào)程度最低為朔州和運(yùn)城，其能源和水資源子系統(tǒng)嚴(yán)重滯后。一方面重化工業(yè)在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中的比重較高，使得能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)較差且人均能耗較高，其中朔州是山西最大的能源輸出基地；另一方面因兩市分布有大片盆地，農(nóng)業(yè)發(fā)展條件較好，2017年灌溉比例分別為47.9%和61.4%，均超過(guò)全省平均水平，導(dǎo)致較差的水耗結(jié)構(gòu)和較高的人均用水量，使得水資源系統(tǒng)壓力過(guò)大，不利于W-E-F系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.2.3 W-E-F系統(tǒng)空間差異的變化特征 W-E-F系統(tǒng)協(xié)調(diào)水平的空間差異逐漸變大，趨于不平衡發(fā)展。經(jīng)計(jì)算，2008年和2017年各市耦合協(xié)調(diào)度的變異系數(shù)分別為0.047、0.057，表明2008-2017年各市協(xié)調(diào)水平的差異有所擴(kuò)大，這是因各市協(xié)調(diào)水平發(fā)展路徑的分化所致。由圖2(e)可知，陷入停滯的地區(qū)包括晉城、陽(yáng)泉和朔州，2008-2017年增幅均不足9%。朔州水資源和能源子系統(tǒng)均沒(méi)有明顯的發(fā)展，主要因灌溉面積增加和重化工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致對(duì)水、能源的需求迅速增長(zhǎng)，水能消耗結(jié)構(gòu)也未得到顯著優(yōu)化；陽(yáng)泉主要因糧食子系統(tǒng)而陷入停滯，地形因素使農(nóng)業(yè)發(fā)展空間受限；晉城主要受能源子系統(tǒng)衰退的拖累，其能耗水平在九年間大幅上升且能耗結(jié)構(gòu)未得到顯著改善。

W-E-F各子系統(tǒng)的變異系數(shù)分別從2008年的0.17、0.21、0.15增大到2017年的0.19、0.26、0.22。由圖2(e)可以發(fā)現(xiàn)，糧食和能源子系統(tǒng)區(qū)域差異的顯著擴(kuò)大，是導(dǎo)致W-E-F系統(tǒng)空間差異擴(kuò)大的重要原因。糧食子系統(tǒng)中，晉中、運(yùn)城的較快增長(zhǎng)和陽(yáng)泉的停滯是區(qū)域不平衡加劇的原因所在，各市投入產(chǎn)出水平的增長(zhǎng)差異較大，糧食子系統(tǒng)發(fā)展的推動(dòng)因素包括玉米收購(gòu)價(jià)的上漲，政府對(duì)糧食種植的補(bǔ)貼，農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施的改善以及單產(chǎn)的提升等方面。能源子系統(tǒng)方面，太原、忻州的大幅提升和朔州、晉城的停滯加劇了空間分異，其變化差異主要在于能耗水平和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，這與各市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，朔州和晉城工業(yè)結(jié)構(gòu)以重化工業(yè)為主，2017年煤炭行業(yè)增加值占規(guī)模以上工業(yè)比重超過(guò)60%，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的依賴程度依然較高。水資源子系統(tǒng)提升最顯著的是呂梁和晉中，主要表現(xiàn)為人均水資源量和生態(tài)用水占比的提升，增長(zhǎng)最慢的是朔州和運(yùn)城，其人均用水量大幅上升且用水結(jié)構(gòu)未有顯著優(yōu)化，尤其是運(yùn)城的農(nóng)業(yè)用水量因灌溉面積擴(kuò)大而增長(zhǎng)了65%。

3.2.4 W-E-F系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)效應(yīng) W-E-F系統(tǒng)內(nèi)部存在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，兩部門(mén)間的關(guān)系及其變化會(huì)對(duì)另一部門(mén)產(chǎn)生間接影響并發(fā)生反饋。各子系統(tǒng)之間既可以相互支持，也可能相互損害。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境等外圍因素的影響下，部門(mén)間以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的形式發(fā)生非線性循環(huán)傳導(dǎo)作用[9]，并對(duì)整個(gè)資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，最終作用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。隨著系統(tǒng)外部壓力的不斷增加，由關(guān)聯(lián)關(guān)系所引發(fā)的系統(tǒng)內(nèi)部矛盾日益激化，長(zhǎng)期以來(lái)，能源和糧食自給被視為優(yōu)先目標(biāo)，水資源系統(tǒng)付出了較大的代價(jià)。為比較系統(tǒng)內(nèi)部差異，將2017年山西省各地市W-E-F各子系統(tǒng)發(fā)展水平繪制為柱狀圖，如圖3所示。

圖3 2017年山西省各地市W-E-F各子系統(tǒng)發(fā)展水平

首先，糧食和水資源子系統(tǒng)之間普遍存在矛盾，其導(dǎo)致的水資源壓力也會(huì)影響到能源的開(kāi)發(fā)利用，反映了由外部壓力和資源稟賦交互作用所導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)部矛盾。各市水資源和糧食子系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)從2008年的-0.32減小到2017年的-0.55，負(fù)相關(guān)程度顯著增強(qiáng)。其原因在于農(nóng)業(yè)用水效率偏低，較高的灌溉比例抬高了農(nóng)業(yè)用水比重、人均用水量和單位GDP水耗，從而引起水資源子系統(tǒng)反向變動(dòng)。灌溉比例較低的忻州、呂梁、陽(yáng)泉和長(zhǎng)治等地水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)皆高出糧食子系統(tǒng)30%以上，朔州、晉中、運(yùn)城則與之相反。

其次，能源與水資源和糧食子系統(tǒng)之間也面臨著不同程度的沖突。各市能耗總量與廢水排放總量、城鎮(zhèn)工業(yè)用水量相關(guān)系數(shù)分別為0.617、0.485，且能耗主要來(lái)自工業(yè)，表明能源開(kāi)發(fā)利用對(duì)水資源子系統(tǒng)造成一定的損害，并通過(guò)耗水和水污染對(duì)糧食生產(chǎn)造成不利影響。能源和糧食子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)關(guān)系相對(duì)較好，但二者的相互需求不斷增長(zhǎng)，進(jìn)而也會(huì)對(duì)水資源造成壓力。2017年各市人均糧食產(chǎn)量和一產(chǎn)用電比例的相關(guān)系數(shù)為0.62，相比2008年有所上升，表明糧食生產(chǎn)愈加依賴于能源支持，同時(shí)由于投入增加、生活水平提升、城鎮(zhèn)化等因素，糧食在生產(chǎn)資料、加工、享用等階段的能耗也在增長(zhǎng)。相比之下，能源對(duì)糧食的直接壓力較小，目前主要表現(xiàn)為乙醇汽油推廣對(duì)糧食的需求，其實(shí)質(zhì)是對(duì)水土資源的爭(zhēng)奪。

對(duì)于各地市內(nèi)部W-E-F子系統(tǒng)間的不平衡程度，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，太原、大同、臨汾和長(zhǎng)治等市各子系統(tǒng)間差異相對(duì)較小，發(fā)展較為平衡，其余各市無(wú)論協(xié)調(diào)水平高低其內(nèi)部差異都較大，運(yùn)城、忻州、朔州尤為明顯，今后應(yīng)注重扶持落后子系統(tǒng)的發(fā)展，以便提高協(xié)調(diào)發(fā)展水平，使系統(tǒng)整體效能達(dá)到最佳。

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)構(gòu)建山西省W-E-F系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和耦合協(xié)調(diào)模型，將時(shí)間序列和空間維度相結(jié)合，研究2008-2017年山西省各地市W-E-F系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)水平及其變化特征，并探究了系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)2008-2017年山西省W-E-F系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)增長(zhǎng)了130%，耦合協(xié)調(diào)度從0.55上升到0.83，總體呈穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢(shì)。但其各子系統(tǒng)間存在顯著差異，總體屬水資源滯后型。得益于政策支持，糧食子系統(tǒng)發(fā)展最快且穩(wěn)定性好，水資源子系統(tǒng)發(fā)展較慢且波動(dòng)性最大，對(duì)能源和糧食子系統(tǒng)的支撐能力脆弱，不利于山西省的可持續(xù)發(fā)展。

(2)2008-2017年盡管山西省W-E-F系統(tǒng)總體上獲得顯著發(fā)展，但各子系統(tǒng)存在顯著且不斷擴(kuò)大的空間差異。其差異大小為能源>糧食>水資源，各子系統(tǒng)短板區(qū)域主要位于朔州、運(yùn)城、陽(yáng)泉和晉城等地。這與不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和資源環(huán)境狀況密切相關(guān)。未來(lái)需立足于各區(qū)域的現(xiàn)實(shí)條件，采取針對(duì)性的政策措施，以部門(mén)間的協(xié)同作為保障，著力提升低協(xié)調(diào)區(qū)滯后子系統(tǒng)的發(fā)展水平，推動(dòng)W-E-F系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)W-E-F系統(tǒng)的內(nèi)部矛盾較為突出，主要發(fā)生在糧食能源與水資源子系統(tǒng)之間，這與傳統(tǒng)的資源驅(qū)動(dòng)型發(fā)展方式和分割式的治理機(jī)制有很大關(guān)系。作為一個(gè)不可分割的整體，W-E-F各子系統(tǒng)的發(fā)展必須盡可能降低對(duì)其他子系統(tǒng)的不利影響。在保障能源和糧食安全的同時(shí)，也要注重對(duì)水資源的合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)，使其能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定的支撐。

(4)水糧關(guān)系的改善一方面需要加大投入，采取因地制宜的節(jié)水策略，提高節(jié)水灌溉比例；另一方面要通過(guò)改革推進(jìn)戶籍城鎮(zhèn)化，從而有效轉(zhuǎn)移農(nóng)業(yè)剩余人口，以適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)促進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣，減輕糧食生產(chǎn)對(duì)水資源的壓力。水能關(guān)系的改善首先需要優(yōu)化能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步提升各類清潔能源的產(chǎn)量。其次是要改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的發(fā)展，降低重化工業(yè)的能耗比重。最后要減輕能源利用的環(huán)境損害，加強(qiáng)高能耗產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造，有序推進(jìn)農(nóng)村清潔取暖進(jìn)程，降低散煤使用量。