中國水資源-能源-糧食紐帶系統(tǒng)效率時空分異特征

孫才志，郝 帥，趙良仕

(1.遼寧師范大學(xué)海洋經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展研究中心，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

水資源、能源、糧食作為支撐人類生存和區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性資源，三者之間相互作用、交互影響。在17項可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(sustainable development goals， SDGs)中，SDG2、SDG6和SDG7重點闡述了糧食、水與能源對實現(xiàn)聯(lián)合國《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》的重要意義[1-2]。當(dāng)前，中國已成為世界水資源、能源和糧食第一消費國，其中能源、糧食對國際市場的依賴程度逐漸加深，加之工業(yè)化及城鎮(zhèn)化進程不斷加快，以及人口增加、氣候變化等因素將不可避免地加大資源供給壓力，同時加劇水資源、能源、糧食所面臨的挑戰(zhàn)。因此，開展水資源-能源-糧食紐帶系統(tǒng)(water resources-energy-food nexus system, WEF系統(tǒng))的綜合研究對保證水資源安全、能源安全及糧食安全具有重要意義。

2011年，Hoff[3]于波恩會議上提出水資源、能源、糧食紐帶關(guān)系，為研究三者之間的相互作用提供了基本框架；亞洲開發(fā)銀行、國際可再生能源機構(gòu)、聯(lián)合國糧農(nóng)組織則分別以“水資源”“能源”“糧食”為中心對三者之間的“紐帶”關(guān)系進行了進一步的闡述[4-6]。目前，關(guān)于WEF系統(tǒng)的研究尺度各異[7-8]，但就研究方法來看，常用方法有生命周期評估法(life cycle assessment， LCA)[9-10]、投入產(chǎn)出分析法(input-output analysis， IOA)[11-12]、指標(biāo)體系法[13-14]及系統(tǒng)動力學(xué)法(system dynamics， SD)[15]。Salmoral等[10]以英格蘭南部的Tamar河流域為研究對象，基于生命周期評估法對該區(qū)域糧食消費過程中的水資源和能源進行了量化，并對糧食供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵投入進行了評估，研究結(jié)果可為應(yīng)對WEF系統(tǒng)的潛在風(fēng)險提供依據(jù)；Owen等[16]運用投入產(chǎn)出分析法，基于能源、水和糧食的消費情況計算了英國1997—2013年從原料提取到最終消費不同產(chǎn)品供應(yīng)鏈之間能源、水資源和糧食的相互作用；Zhang等[17]基于“資源依賴”“資源供給”和“資源集成”3個視角構(gòu)建了城市WEF系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的基本框架；Liu等[18]基于多區(qū)域投入產(chǎn)出方法，對中國WEF系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行了研究，在此基礎(chǔ)上識別、確定了WEF系統(tǒng)中的關(guān)鍵區(qū)域和流量，研究結(jié)果可為研究WEF系統(tǒng)之間的相互作用及區(qū)域WEF系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理提供借鑒；Chu等[19-21]則從水資源的視角探討了中國能源(化石能源及電能)消費與區(qū)域水資源之間的關(guān)系，為研究WEF系統(tǒng)提供了一種新的視角；Yan等[22]認為產(chǎn)業(yè)聯(lián)動是推動WEF系統(tǒng)發(fā)展的一個經(jīng)濟原因，據(jù)此基于產(chǎn)業(yè)聯(lián)動視角構(gòu)建了結(jié)構(gòu)向量自回歸(structural vector autoregression， SVAR)模型對中國1997—2016年的WEF系統(tǒng)的內(nèi)部作用機制進行了分析；孫才志等[23-25]通過構(gòu)建WEF系統(tǒng)評價指標(biāo)，采用空間計量方法對中國省際WEF系統(tǒng)的偶合協(xié)調(diào)程度進行了測度。

綜上所述，當(dāng)前關(guān)于WEF系統(tǒng)之間的關(guān)系框架研究、系統(tǒng)中兩兩之間的關(guān)系研究相對成熟，研究成果較為豐富，而關(guān)于WEF系統(tǒng)的效率研究則相對較少[26]。現(xiàn)有關(guān)于WEF系統(tǒng)效率研究存在的不足之處在于：一是雖然將WEF系統(tǒng)作為一個相互依賴、相互作用的系統(tǒng)進而構(gòu)建效率評價指標(biāo)體系，但所選指標(biāo)并未能明確各子系統(tǒng)內(nèi)部之間的相互聯(lián)系[27]；二是以某一系統(tǒng)為導(dǎo)向進行指標(biāo)構(gòu)建，忽視了WEF系統(tǒng)之間的相互消耗關(guān)系及三者之間的傳導(dǎo)性。鑒于此，本文以1997—2017年中國30個省級行政區(qū)為研究對象，基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(data envelopment analysis, DEA)模型結(jié)構(gòu)的思想，構(gòu)建WEF系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并據(jù)此構(gòu)建效率評價指標(biāo)體系，采用基于松弛變量度量(slack based measure, SBM)-DEA模型對各子系統(tǒng)的效率值進行測度，在此基礎(chǔ)上采用雙變量空間自相關(guān)方法對WEF系統(tǒng)中兩兩之間的空間分布特征進行分析，同時運用網(wǎng)絡(luò)DEA模型對WEF系統(tǒng)的綜合效率進行測度并對其進行時空演變特征分析，以期為實現(xiàn)中國WEF系統(tǒng)的良性循環(huán)提供參考。

1 研究方法

1.1 SBM-DEA模型

SBM-DEA模型是一種非徑向非角度的DEA模型，與傳統(tǒng)DEA模型相比優(yōu)點在于不要考慮投入產(chǎn)出指標(biāo)的量綱問題，不影響效率值的測算，且所計算的效率值會根據(jù)投入產(chǎn)出松弛程度的變化而嚴格單調(diào)遞減[28-29]。因此本文選取SBM-DEA模型計算WEF系統(tǒng)各子系統(tǒng)的效率值，計算公式如下：

(1)

(2)

式中：ρ為效率值;m、n分別為投入、產(chǎn)出指標(biāo)的個數(shù)；sb、sg分別為投入、產(chǎn)出指標(biāo)的松弛量；sbk、sgr分別為第k個投入指標(biāo)和第r個產(chǎn)出指標(biāo)的松弛量；xbo、ygo分別為被評價單元o投入、產(chǎn)出值；xbko、ygro分別為被評價單元o的第k個投入值和第r個產(chǎn)出值；λ為強度向量，即λ=(λ1，λ2，…，λK)，其中K為評價單元個數(shù)；Xb、Yg分別為投入、產(chǎn)出值構(gòu)成的矩陣。目標(biāo)函數(shù)ρ關(guān)于sb、sg嚴格單調(diào)遞減，且0<ρ≤1。

1.2 雙變量空間自相關(guān)

與以往空間自相關(guān)僅考慮一個變量相比，雙變量空間自相關(guān)可對不同地理要素的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系進行表征，雙變量空間自相關(guān)所得到的莫蘭指數(shù)被用于評價一個位置變量與其他變量之間的相關(guān)程度[30]。本文采用雙變量空間自相關(guān)方法探究水資源、能源和糧食子系統(tǒng)之間的空間相互作用，相關(guān)計算公式如下：

(3)

(4)

其中

1.3 網(wǎng)絡(luò)DEA模型

由于傳統(tǒng)DEA模型在計算效率時均是得出某一階段的效率值，而且在計算過程中，模型將決策單元看作一個“黑箱”，彼此之間相互獨立，并沒有充分考慮“黑箱”內(nèi)部資源的運作和整合，僅以“投入-產(chǎn)出”的視角對評價單元進行效率測度，容易造成評價單元整體效率的高估，不能有效地表達更多的信息來幫助管理者進行管理和決策[31]。對此，F(xiàn)?re等[32]提出網(wǎng)絡(luò)DEA模型(圖1(a))，其實質(zhì)是打開“黑箱”具體分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即將評價單元系統(tǒng)內(nèi)部的運作過程進行分解細化，分為若干連續(xù)的子階段，通過對各個子階段進行效率分析評價，進而探討各節(jié)點即子階段對整體效率的影響。因此，本文基于網(wǎng)絡(luò)DEA的基本框架，構(gòu)建了WEF系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖1(b))，運用網(wǎng)絡(luò)DEA模型對WEF系統(tǒng)的綜合效率進行測度，相關(guān)計算公式見文獻[33]，同時參考現(xiàn)有研究成果將效率值θ分為5級[34]：低效率(0<θ≤0.4)，較低效率(0.4<θ≤0.6)，中等效率(0.6<θ≤0.8)，較高效率(0.8<θ<1)，高效率(θ=1)。

(a) 網(wǎng)絡(luò)DEA的基本框架

2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建與數(shù)據(jù)來源

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

結(jié)合DEA模型的特點及圖1中WEF系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時考慮數(shù)據(jù)的代表性及可獲得性構(gòu)建WEF系統(tǒng)效率測度指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 中國WEF系統(tǒng)效率測度指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文的研究對象為中國30個省級行政區(qū)(由于數(shù)據(jù)限制，不包含香港、澳門、臺灣和西藏)，所涉及的數(shù)據(jù)來源于1998—2018年《中國統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《中國固定資產(chǎn)投資統(tǒng)計年鑒》《中國勞動統(tǒng)計年鑒》。糧食子系統(tǒng)中能源投入包括農(nóng)村用電量、農(nóng)用柴油使用量、農(nóng)藥使用量及化肥施用量，其中電、柴油的發(fā)熱量數(shù)據(jù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》，農(nóng)藥及化肥的能源轉(zhuǎn)換系數(shù)來源于《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟手冊》。

3 結(jié)果與分析

3.1 子系統(tǒng)效率時空演變特征

3.1.1時間序列演變分析

根據(jù)已獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用式(1)(2)并基于MaxDEA Ultra7.0軟件計算得到1997—2017年中國30個省級行政區(qū)水資源、能源、糧食子系統(tǒng)效率值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 1997—2017年中國水資源、能源、糧食子系統(tǒng)效率變化趨勢

由圖3可知，研究期內(nèi)，中國水資源、能源、糧食子系統(tǒng)的效率值均呈現(xiàn)波動上升態(tài)勢，其中糧食子系統(tǒng)由1997年的0.228上升至2017年的0.796，增長幅度最大，水資源子系統(tǒng)次之，能源子系統(tǒng)效率值增幅相對較小。分階段來看，第一階段(1997—2011年)水資源子系統(tǒng)效率平均值最高(0.427)，能源子系統(tǒng)效率平均值次之(0.378)，而糧食子系統(tǒng)效率平均值最低，僅為0.297。第二階段(2012—2017年)糧食子系統(tǒng)效率值增速最快，而能源子系統(tǒng)效率值增幅趨緩，該階段內(nèi)糧食子系統(tǒng)效率平均值為0.693，水資源子系統(tǒng)效率平均值為0.655，而能源子系統(tǒng)效率平均值最低，為0.589。兩個階段內(nèi)，3個子系統(tǒng)效率值的變化情況表明中國在節(jié)約資源、提升資源利用效率及能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整方面成效顯著，但需要注意的是，能源子系統(tǒng)的效率值增幅逐漸趨緩，因此需要繼續(xù)提升清潔能源在能源消費中的占比，降低能源密集型產(chǎn)業(yè)占比。水資源子系統(tǒng)和糧食子系統(tǒng)的效率值穩(wěn)步提升，說明中國在生產(chǎn)、生活用水方面逐步實現(xiàn)了資源的高效利用。

3.1.2空間格局分析

表1為代表年份水資源、能源、糧食3個子系統(tǒng)效率值及研究期內(nèi)的均值。由表1可知：①1997年中國水資源子系統(tǒng)效率平均值為0.389，效率值在0.300以內(nèi)的有7個省(市、區(qū))，其中西南地區(qū)的云南、廣西、貴州3省(區(qū))的水資源效率值排名后3位，天津、江蘇、浙江、廣東4省(市)的水資源效率值均在0.500以上，其中江蘇水資源效率值最高，達到0.687；能源子系統(tǒng)效率平均值為0.313，其中僅上海達到中等效率(0.610)，而山西、甘肅等6省(區(qū))的能源效率值均在0.200以內(nèi)，主要分布在中國的西北及西南地區(qū)；糧食子系統(tǒng)效率平均值為0.228，低于水資源子系統(tǒng)和能源子系統(tǒng)效率值，糧食子系統(tǒng)效率值介于0.099～0.339之間，普遍較低。②相比1997年，2007年3個子系統(tǒng)效率平均值均有所提升，分別為0.486、0.399和0.361。水資源子系統(tǒng)低效率區(qū)主要分布在西北地區(qū)，水資源效率值均在0.400以內(nèi)，而北京、上海、廣東的水資源效率值均在0.600以上，其中廣東最高，達到0.781；能源子系統(tǒng)中等及較高效率區(qū)主要是北京、天津、上海、江蘇等5省(市)，其中江蘇能源效率值最高，達到0.850，低效率分布區(qū)與1997年相比變化較??；糧食子系統(tǒng)效率值與1997年相比整體提升較為顯著，效率值在0.300以內(nèi)的僅有山西、貴州、云南等9省(市、區(qū))，相比1997年減少了16個省(區(qū))。③2017年，3個子系統(tǒng)效率值提升顯著，分別為0.767、0.622和0.796，糧食子系統(tǒng)效率值最高，水資源子系統(tǒng)效率值在0.600以內(nèi)的僅有海南、青海、寧夏和新疆4省(區(qū))，北京、上海的水資源子系統(tǒng)效率達到高效率水平(1.000)；能源子系統(tǒng)低效率區(qū)主要是山西、內(nèi)蒙古、甘肅等8省(區(qū))，天津、上海、江蘇的能源子系統(tǒng)效率達到高效率水平；糧食子系統(tǒng)效率值在0.600以內(nèi)的僅有山西、云南、甘肅、寧夏4省(區(qū))，江蘇、浙江等6省的糧食子系統(tǒng)效率達到高效率水平。

3.2 子系統(tǒng)效率值空間相關(guān)特征

為進一步了解各子系統(tǒng)效率值的空間相關(guān)作用關(guān)系，根據(jù)已獲得的水資源、能源、糧食子系統(tǒng)效率值，利用式(3)并基于GeoDa軟件進行雙變量全局自相關(guān)莫蘭指數(shù)測度，并選取1997年、2007年和2017年的數(shù)據(jù)繪制各子系統(tǒng)之間的LISA集聚圖如圖3～5所示。

根據(jù)式(3)計算得到1997年、2007年和2017年中國水資源子系統(tǒng)與能源子系統(tǒng)效率之間的莫蘭指數(shù)分別為0.450、0.465和0.244，水資源子系統(tǒng)與糧食子系統(tǒng)效率之間的莫蘭指數(shù)分別為0.159、0.359和0.262，能源子系統(tǒng)與糧食子系統(tǒng)效率之間的莫蘭指數(shù)分別為0.229、0.422和0.437，且均通過了1%水平的顯著性檢驗。

由圖4可知，高-高集聚主要分布東部地區(qū)，低-低集聚主要分布在西北及西南地區(qū)，高-低集聚主要分布在東北，而華北地區(qū)則呈現(xiàn)低-高集聚特征，研究期內(nèi)，高-高集聚的數(shù)量增加至12個省(市)，低-低集聚數(shù)量減少至8個省(區(qū))，結(jié)合全局莫蘭指數(shù)逐年下降的情況可知兩個子系統(tǒng)之間的負向協(xié)同作用在減弱。

表1 1997—2017年中國水資源、能源、糧食子系統(tǒng)效率值

(a) 1997年

圖5顯示，高-高集聚主要集中在東部地區(qū)，其數(shù)量從1997年的7個省(市)增加至2017年的11個省(市)；低-低集聚由研究初期的西北、西南地區(qū)逐漸集中于黃河流域，其數(shù)量從1997年的11個省(區(qū))減少至2017年的7個省(區(qū))；低-高集聚主要分布在華南地區(qū)，高-低集聚則較為分散。表明兩個子系統(tǒng)效率值之間的正向協(xié)同作用在增強。

圖6顯示，高-高集聚分布與圖4、圖5高-高集聚分布一致，全局莫蘭指數(shù)呈上升趨勢，其數(shù)量由1997年的8個省(市、區(qū))增加至2017年的11個省(市)；低-低集聚則仍以西北、西南地區(qū)為主，高-低集聚的分布范圍由1997年的東北地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)移至華中地區(qū)，低-高集聚較少。雖然低-低集聚的數(shù)量呈減少趨勢，但全局莫蘭指數(shù)呈上升態(tài)勢，說明兩個子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用在增強。

(a) 1997年

(a) 1997年

綜合來看，水資源、能源、糧食3個子系統(tǒng)的效率值兩兩之間的空間相互作用存在一定的差異，但協(xié)同作用地區(qū)(高-高集聚和低-低集聚)的分布范圍大致相同，西部地區(qū)應(yīng)在自然生態(tài)環(huán)境約束背景下，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低單位GDP的資源消耗量，提升區(qū)域資源綜合利用效率，避免水資源、能源、糧食3個子系統(tǒng)進入惡性循環(huán)。

3.3 中國WEF系統(tǒng)效率時空演變特征

3.3.1時間序列演變分析

為進一步探究WEF系統(tǒng)的綜合效率，基于網(wǎng)絡(luò)DEA理論計算得到WEF系統(tǒng)綜合效率，結(jié)果如圖7所示。圖7顯示，中國WEF系統(tǒng)效率值呈波動上升趨勢，從1997年的較低效率水平(0.447)上升至2017年的中等效率水平(0.756)，增加幅度超過69%；就四大地區(qū)而言，其效率值的變化趨勢與全國效率值的變化趨勢基本一致。東部效率值從1997年的低效率水平(0.377)上升至2017年的較高效率水平(0.957)，中部地區(qū)(0.377)、西部地區(qū)(0.314)和東北地區(qū)(0.385)均從1997年的低效率水平分別上升至2017年的中等效率水平(0.683)、較低效率水平(0.590)和較高效率水平(0.845)。研究期內(nèi)各區(qū)域之間雖然存在部分交替上升的年份，但整體上東部地區(qū)(0.621)、東北地區(qū)(0.490)、中部地區(qū)(0.422)、西部地區(qū)低(0.324)效率平均值呈依次下降趨勢。其原因在于東部及東北地區(qū)作為中國資本、技術(shù)的集聚區(qū)，第三產(chǎn)業(yè)占比較高，資源利用效率高，單位GDP能耗遠低于中、西部地區(qū)，因此研究期內(nèi)WEF系統(tǒng)的效率值較高；而中部和西部地區(qū)雖然資源豐度高于東部，但該地區(qū)同時兼顧中國的能源與糧食生產(chǎn)，加之人口眾多、城鎮(zhèn)化率較低以及第一、第二產(chǎn)業(yè)占比較高，且西部地區(qū)資源環(huán)境承載能力脆弱，致使研究期內(nèi)WEF系統(tǒng)的效率值較低。

圖7 1997—2017年中國WEF系統(tǒng)效率變化趨勢

3.3.2空間格局分析

根據(jù)已獲取的WEF系統(tǒng)效率值，選取1997年、2007年與2017年繪制中國WEF系統(tǒng)效率空間分布圖如圖8所示。

(a) 1997年

由圖8可知，1997年WEF系統(tǒng)低效率區(qū)主要是河北、內(nèi)蒙古、云南等中部、西部及西南地區(qū)以及浙江、海南等省，吉林、遼寧等5省(區(qū))處于較低效率水平，山東、安徽、江西及湖南處于中等效率水平，黑龍江、山西處于較高效率水平，僅廣東呈現(xiàn)高效率水平，效率達到完全有效；相比1997年，2007年效率值整體有所下降，其中山西、黑龍江效率值下降幅度較大，均從較高效率值降為低效率值，北京、天津的效率值則呈上升態(tài)勢，全國效率由1997年的較低效率水平(0.447)降為低效率水平(0.371)；2017年，低效率區(qū)大幅下降，由2007年的21個省(市、區(qū))降為3個省(區(qū))，內(nèi)蒙古、吉林等8省(區(qū))由2007年的低效率水平轉(zhuǎn)為較低效率水平，四川、重慶等5省(市)上升為中等效率水平，其余省(市、區(qū))則為高效率水平，全國效率水平相比2007年提升至中等效率水平(0.756)。綜合來看，高效率區(qū)主要分布在東部沿海及黃河流域中下游地區(qū)，中等效率區(qū)則分布于長江上中游地區(qū)，較低效率區(qū)集中于華北及西南地區(qū)，而西部地區(qū)則是低效率聚集區(qū)。

4 結(jié) 論

a. 中國水資源、能源、糧食3個子系統(tǒng)效率值呈逐年上升趨勢，水資源子系統(tǒng)與糧食子系統(tǒng)效率值穩(wěn)步提升，能源子系統(tǒng)效率值提升較為緩慢；空間上，效率值呈自東向西逐漸遞減的趨勢。

b. 雙變量空間自相關(guān)分析表明，各子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用分布區(qū)較為一致，東部地區(qū)呈現(xiàn)正向的協(xié)同作用，而西部地區(qū)則為負向協(xié)同作用。

c. 中國WEF系統(tǒng)效率值呈波動上升趨勢，區(qū)域間東部效率值最高，東北地區(qū)次之，西部最低；空間分布上，東部沿海地區(qū)及黃河中下游區(qū)是高效率集聚區(qū)。