中國省際水資源-能源-糧食安全測度及其時空演變

黃德春，吳小慶，李進秋

(1.河海大學商學院，江蘇 南京 211100；2.江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211100；3.河海大學產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟研究所，江蘇 南京 211100)

水資源、能源、糧食是一個國家或地區(qū)最重要的基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，中國作為世界第一人口大國，面臨著資源時空分布不均、人口資源占有量不足等問題，資源的地理錯配問題進一步加劇了安全威脅。自2011年德國波恩會議首次將水、能源和糧食的關系界定為“紐帶關系”(WEF Nexus)以來，WEF Nexus逐漸成為辨識人與自然互動關系的一種新視角[1]，利用“紐帶關系”將水資源、能源、糧食3種資源聯(lián)系起來，可以更加深刻地理解和評價一個國家或地區(qū)的資源安全狀況[2]。因此，構(gòu)建適應新時代背景的水資源-能源-糧食安全評價體系，對中國30個省級行政區(qū)(以下簡稱省份)的水資源-能源-糧食安全進行測度和分析，并具體探討不同省份的資源安全現(xiàn)狀、變化特征和形成原因，將有助于有關政府部門了解區(qū)域資源安全現(xiàn)狀和問題所在，優(yōu)化各地區(qū)國土空間內(nèi)的自然資源治理和管控，推進地區(qū)治理體系和治理能力現(xiàn)代化。

在水資源-能源-糧食紐帶關系下，不同學者對水資源-能源-糧食安全給出了不同的定義。2011年波恩會議首次指出水資源-能源-糧食安全致力于尋找減少資源權衡、促進資源協(xié)同、提高系統(tǒng)效率、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的方法，Pahl-Wostl[3]和Cai等[4]也認為水資源-能源-糧食安全的目標在于減少3種資源的權衡效應，發(fā)揮協(xié)同效應。Bhat[5]認為水資源-能源-糧食安全主要在于既要滿足伴隨著人口增長的糧食需求，同時也要滿足由于氣候變化帶來的生態(tài)需求；Venghaus等[6]考慮到食物、能源和水的相互依賴性，認為水資源-能源-糧食安全應被界定為不存在對人類福祉和與水資源、能源、糧食的生產(chǎn)和使用有關的生態(tài)系統(tǒng)的威脅。

在水資源-能源-糧食安全測算和評價方面，現(xiàn)有大部分學者聚焦于單一水資源安全[7-8]、能源安全[9-10]和糧食安全[11-13]的評價與分析，且測算方法各不相同，而對水資源-能源-糧食安全評價的研究大都側(cè)重于對水資源-能源-糧食的安全特征或風險特征展開描述性分析[14-16]，較少揭示特征背后的原因。在水資源-能源-糧食安全評價體系構(gòu)建方面，目前國際上使用較多的RAND指數(shù)[17]和SDG指數(shù)[18]均主要側(cè)重于對一個國家或地區(qū)的水資源-能源-糧食安全評價，對于省際的資源安全評價尚不適用。另外，RAND指數(shù)在評價體系構(gòu)建過程中忽略了資源需求、生態(tài)以及社會經(jīng)濟方面的因素；SDG指數(shù)的評價體系過分強調(diào)了經(jīng)濟、社會發(fā)展指標的重要性，使得評價結(jié)果不盡合理。

綜上所述，已有學者對水資源-能源-糧食安全給出了具體定義，并構(gòu)建了相應的評價指標體系，但仍然存在以下不足之處：一是中國各地區(qū)自然資源稟賦差異和發(fā)展差異較大，其資源安全狀況也應各不相同，而目前缺乏對中國省際水資源-能源-糧食安全的評價，尤其是缺乏對安全現(xiàn)狀背后原因的分析和闡述；二是當前對水資源-能源-糧食安全的評價體系構(gòu)建中，大多數(shù)是自然指標，但隨著中國進入高質(zhì)量發(fā)展階段，社會治理能力逐漸增強，單純側(cè)重于資源稟賦角度去評價資源安全是不全面的，必須增加相應的社會、經(jīng)濟指標。為彌補上述不足，筆者將根據(jù)水資源-能源-糧食安全的具體含義構(gòu)建適應中國新時代背景的水資源-能源-糧食安全評價指標體系，以使評價和分析結(jié)果更加合理。

1 評價指標體系構(gòu)建及測度

1.1 水資源-能源-糧食安全的概念與內(nèi)涵

資源安全是指一個國家或地區(qū)可以持續(xù)、穩(wěn)定、充足和經(jīng)濟地獲取所需自然資源及資源性產(chǎn)品的狀態(tài)，以及維護這一安全狀態(tài)的能力[19]，其核心是在保證各種重要資源充足、穩(wěn)定、可持續(xù)供應基礎上，追求以合理價格獲取資源，以節(jié)約、環(huán)境友好的方式利用資源，保證資源供給的協(xié)調(diào)和可持續(xù)。而水資源-能源-糧食紐帶關系視角下的資源安全側(cè)重于在整體發(fā)展運行過程中水資源、能源、糧食三者之間協(xié)調(diào)與合作的性質(zhì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各自之間的協(xié)調(diào)、協(xié)作推動資源系統(tǒng)整體加強，朝著更加優(yōu)化的方面發(fā)展。水資源-能源-糧食系統(tǒng)是由水資源、能源、糧食3種單一資源組成的綜合復雜系統(tǒng)，一種資源的消耗會牽動另一種資源的消耗，同時3種資源亦存在一定程度的“替代能力”，即水資源、能源、糧食三者之間 一定程度上可以相互轉(zhuǎn)化，這一特征將決定水資源-能源-糧食安全復合函數(shù)的構(gòu)建，即水資源-能源-糧食安全綜合測算方法的選擇。

1.2 評價指標選取及數(shù)據(jù)來源

根據(jù)現(xiàn)有學者對水資源-能源-糧食安全的定義，筆者認為水資源-能源-糧食安全評價應從供給安全、消費安全、生態(tài)安全、經(jīng)濟社會安全4個方面展開。其中，供給安全是指資源的自然稟賦，主要表現(xiàn)為資源儲量和生產(chǎn)量，側(cè)重衡量供給量水平、供給可靠性和供給多樣性和可持續(xù)性；消費安全是指資源的數(shù)量和質(zhì)量要求，包括自給自足能力和使用效率；生態(tài)安全是指資源開發(fā)和使用過程中對環(huán)境的影響程度；經(jīng)濟社會發(fā)展安全將包括支付能力、資源調(diào)配方面的考量，最終建立的中國省際水資源-能源-糧食安全評價指標體系如表1所示。

表1 中國省際水資源-能源-糧食安全評價指標體系

各三級指標的數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》(2003—2020)、各省份統(tǒng)計年鑒(2003—2020)、《中國環(huán)境年鑒》(2003—2019)及《中國能源年鑒》(2003—2019)、各省份環(huán)境狀況公報、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展公報等。

1.3 評價指標權重

目前，關于資源安全評價的文章中，大多數(shù)學者使用主觀賦權法或組合賦權法確定指標權重，考慮到使用主觀賦權法有較大的隨機性[9]，尤其當存在較多三級指標時，指標賦權會因?qū)＜业膫€人判斷有較大的隨意性和不穩(wěn)定性，因此，筆者采用客觀賦權法中的變異系數(shù)法來確定各指標權重，在充分反映各個指標的差異和影響程度的同時避免對異常數(shù)據(jù)的敏感性，適用于筆者的研究中對不同省份的水資源-能源-糧食相對安全程度進行比較。在使用變異系數(shù)法之前，首先需要對數(shù)據(jù)進行標準化處理：

(1)

式中：X′ij為第i個省份第j項指標的標準化值；Xij為第i個省份第j項指標的實際值；max{Xij}、min{Xij}分別為第i個省份第j項指標實際值的極大值和極小值。

(2)

(3)

各項三級指標的變異系數(shù)Vj和權重wj分別為

(4)

(5)

1.4 各省份水資源-能源-糧食安全測度

由三級指標權重計算水資源安全指數(shù)λwt、能源安全指數(shù)λet、糧食安全指數(shù)λft:

(6)

(7)

(8)

式中：wj表示第j項指標的權重；Xjt表示第j項指標第t年的標準化值。根據(jù)Venghaus等[6]的研究，當單一資源之間存在一定的替代能力時，幾何平均法更適用于資源系統(tǒng)的安全評價測算。對于水資源、能源、糧食3種資源而言，存在一定條件下的依賴、轉(zhuǎn)化和替代能力，因此各省份第t年的水資源-能源-糧食安全的綜合評價指數(shù)為

(9)

以中國30個省份為研究對象(西藏、港澳臺地區(qū)由于部分數(shù)據(jù)無法獲取未納入研究范圍)，利用上述評價指標體系和測算方法對各省份水資源-能源-糧食安全進行測度，結(jié)果如圖1所示(僅展示部分年份)。圖1顯示，2003—2019年30個省份的水資源-能源-糧食安全值均有所提升，整體趨勢向好，而各省的變化特征和變化原因存在差異。本文第2部分將對中國30個省份水資源-能源-糧食安全的時空演變特征及成因進行分析。

圖1 主要年份30個省份水資源-能源-糧食安全指數(shù)分布

2 評價結(jié)果與分析

2.1 時序演變

利用STATA軟件繪制出主要年份中國30個省份的水資源安全指數(shù)、能源安全指數(shù)、糧食安全指數(shù)及水資源-能源-糧食安全指數(shù)核密度圖,如圖2所示。

a.從全域視角來看：①以核密度曲線的重心位置變化來看，2003—2019年核密度曲線重心逐漸向右遷移，說明30個省份水資源-能源-糧食整體安全度逐漸提升，安全指數(shù)平均值從2003年的0.36提升至2019年的0.47，反映了隨著中國經(jīng)濟社會發(fā)展水平的提高，在自然資源稟賦有限的條件下，各地區(qū)的資源開發(fā)能力、生產(chǎn)效率、調(diào)配能力和供給能力不斷提高，資源安全度亦逐漸提升；②從曲線的主峰高度來看，2003—2008年主峰高度上升后再下降，說明各省之間的水資源-能源-糧食安全得分先集中后扁平再集中，安全差距呈現(xiàn)先縮小后擴大并再次縮小的趨勢，尤其是能源安全指數(shù)和糧食安全指數(shù)的得分分布較為分散，差距較明顯；③從曲線波峰數(shù)量來看，綜合安全指數(shù)僅有2008—2012年出現(xiàn)波峰，說明我國各省份的水資源-能源-糧食安全尚未出現(xiàn)兩極分化甚至是多極分化的局面，安全區(qū)間相對集中；④從曲線左右拖尾來看，2003—2008年左側(cè)拖尾與右側(cè)拖尾基本一致，2008年后右側(cè)拖尾大于左側(cè)拖尾，出現(xiàn)加長和升厚趨勢，說明2008年后我國高安全指數(shù)的省份逐漸增加，占比逐漸加大；能源安全指數(shù)和糧食安全指數(shù)的拖尾相對較長，表明各省能源安全差異和糧食安全差異較大。

b.由圖1可以得出局域變化情況：上海、江蘇、江西、內(nèi)蒙古4個省份水資源-能源-糧食安全指數(shù)提升較快，上海由2003年的0.27提升至2019年的0.49，江蘇由0.27提升至0.47，江西由0.27提升至0.45，內(nèi)蒙古則由0.45提升至0.62，主要歸因于單位土地面積生態(tài)用水、工業(yè)廢水排放以及億元GDP耗水量和億元GDP能耗的減少、清潔能源使用比例和道路網(wǎng)密度的增加等；海南水資源-能源-糧食安全指數(shù)波動明顯，究其原因，主要是部分水資源安全和糧食安全指標不穩(wěn)定，尤其是人均糧食產(chǎn)量和人均耕地面積降低以及單位播種面積化肥施用量和農(nóng)作物受災率的增加導致海南水資源-能源-糧食安全值出現(xiàn)長時間的波動，總體上升趨勢不明顯；寧夏2014—2016年的水資源-能源-糧食安全值處于波動下降的狀態(tài)，主要由于單位播種面積化肥施用量和農(nóng)作物受災率的增加；新疆2014年安全值降低了0.03，后期增長速度亦低于其他省份，主要是由于人均糧食產(chǎn)量和食品消費能力的降低以及單位播種面積化肥施用量和農(nóng)作物受災率的增加。寧夏、新疆兩地以種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)使得化肥用量高于其他地區(qū)[20]，尤其近幾年在倡導地區(qū)特色農(nóng)業(yè)的背景下，兩省相應提高了蔬菜和瓜果的種植比例，單位播種面積化肥施用量隨之逐漸增加。寧夏、新疆兩地的糧食生產(chǎn)對自然災害的預警和抵御能力比較弱，使得該地區(qū)農(nóng)作物受災率較高。

(a)水資源-能源-糧食安全指數(shù)

c.從2003—2019年水資源安全指數(shù)變化趨勢來看，除北京和天津的水資源安全指數(shù)先上升后下降以外，其他省份基本呈現(xiàn)上升的趨勢，尤其是上海和江蘇提升明顯；北京和天津主要是因為單位土地面積生態(tài)用水和人均用水量后期不斷提升，導致水資源安全指數(shù)降低，從而拉低水資源-能源-糧食整體安全度，上海、江蘇兩地節(jié)水政策效果明顯，同時投資效率的提高[21]使得人均生活用水、單位面積生態(tài)用水和億元GDP工業(yè)用水均有所降低，水資源安全提升顯著；內(nèi)蒙古、河南、山東變化不明顯，主要原因在于人均生活用水、生態(tài)用水和人均生活污水排放不穩(wěn)定。從2003—2019年能源安全指數(shù)變化趨勢來看，陜西、山西、內(nèi)蒙古提升了0.2以上，上海、江蘇、廣東、福建、四川、云南皆提升了0.15以上，增長幅度明顯，黑龍江則下降了0.05。從2003—2019年糧食安全指數(shù)變化趨勢來看，黑龍江、上海、江蘇增長最為明顯，提升幅度超過0.2，其次為安徽、湖北、河南、重慶，增長幅度為0.15～0.2，增長較慢的主要是貴州、青海、云南等西南地區(qū)，提升幅度不超過0.05。

2.2 空間演變

結(jié)合主要年份30個省份水資源-能源-糧食安全指數(shù)分布(圖1)和各省份的單一資源安全指數(shù)值，可以得到30個省份水資源-能源-糧食安全指數(shù)的空間演變特征。

a.整體來看，除內(nèi)蒙古和黑龍江始終保持相對高的安全值外，呈現(xiàn)出從2003年的“隨機分布”到2019年“長江經(jīng)濟帶沿線省份安全度較高，珠三角次之，京津冀安全度相對較低”的空間分布格局，并形成了兩大相對高安全值集聚區(qū)：西南三省和長三角地區(qū)。西南三省的水資源-能源-糧食安全值長期以來得益于較豐富的水資源、能源和糧食資源，長三角地區(qū)盡管自然資源稟賦有限，但資源的調(diào)配、供給能力和資源利用效率均高于其他省份，使得長三角地區(qū)的水資源-能源-糧食安全提升顯著。長江經(jīng)濟帶沿線省份水資源-能源-糧食安全指數(shù)提升尤為明顯，主要是自2008年國家重視中西部發(fā)展以來，財政政策的傾斜使得長江經(jīng)濟帶沿線省份加大了治理投入，2014年9月，長江經(jīng)濟帶正式上升為國家層面的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，此后依托于黃金水道，沿江省市逐漸實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和生態(tài)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)發(fā)展[22]，從而形成水資源-能源-糧食安全增強的“飛輪效應”。

b.從水資源安全指數(shù)的空間演變來看，除了京冀兩地下降明顯、浙江滬提升明顯以外，2003—2019年并無明顯的空間聚集特征，整體變化相對分散。京津冀地區(qū)主要是人均生活用水、單位土地面積生態(tài)用水和人均生活污水排放的增加拉低水資源-能源-糧食系統(tǒng)整體安全度，京津冀地區(qū)的高人口密度和高人均GDP使得該地區(qū)水資源需求高于其他地區(qū)，同時水資源過度開發(fā)利用、地下水持續(xù)超采等導致該地區(qū)水生態(tài)功能退化，加之京津冀地區(qū)相對干旱的氣候，使得該地區(qū)的生活水成本和生態(tài)水成本較高。

c.從能源安全指數(shù)空間變化來看，2003年高能源安全值的省份主要集中在新疆、黑龍江、內(nèi)蒙古、陜西、山西等地，各省能源安全差異較大，2019年能源安全指數(shù)較高的省份新增上海、浙江、福建、廣東、西南三省(云南、貴州、四川)，形成了多個高能源安全值集聚區(qū)，主要歸因于人均GDP、廢氣、固廢排放的改善，部分省份不再受資源稟賦的限制，提高了資源的調(diào)配和供給能力，同時更節(jié)約和經(jīng)濟地使用資源。

d.從糧食安全指數(shù)空間變化來看，2003年高糧食安全值的省份集中在東北地區(qū)(即吉林、黑龍江、遼寧三省)以及內(nèi)蒙古，2019年糧食安全指數(shù)較高的省份除了東北三省和內(nèi)蒙古外，還新增上海、江蘇、安徽、山東、河南、湖北、重慶、寧夏8個省份，內(nèi)陸和沿海省份均有提升，主要歸因于糧食單產(chǎn)、人均可支配收入、恩格爾系數(shù)以及道路網(wǎng)密度的提升，這說明糧食安全受經(jīng)濟水平的影響，當經(jīng)濟水平提升時，一方面資源的供給能力和使用效率會得到提高，從而降低資源的供給壓力；另一方面，人均收入的增加使得消費選擇更加多樣性，一定程度會降低的單一資源的消費需求壓力。

3 結(jié)論與政策建議

3.1 結(jié)論

2003—2019年我國30個省份水資源-能源-糧食整體安全度逐漸提升，部分省份不再受制于自然資源稟賦的不足，資源的調(diào)配、供給能力和資源利用效率大大提高；社會經(jīng)濟發(fā)展水平的提升不僅可以提升一個地區(qū)的資源供給能力，同時一定程度會降低的單一資源的消費需求壓力，從而提升水資源-能源-糧食安全。長江經(jīng)濟帶沿線省份水資源-能源-糧食安全值提升明顯，具有明顯的空間聚集特征，在長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略下，國家對長江經(jīng)濟帶沿線省份的生態(tài)轉(zhuǎn)型要求成效顯著，使得沿線省份的資源消費安全、生態(tài)安全和社會經(jīng)濟安全實現(xiàn)同步提升。京津冀地區(qū)生活水成本和生態(tài)水成本較高，拉低了水資源-能源-糧食安全，寧夏、新疆兩地單位播種面積化肥施用量的不斷增加帶來潛在的環(huán)境風險，同時氣象災害和病蟲害的頻發(fā)使得農(nóng)作物受災率高于各省平均水平，由此拉低了后期水資源-能源-糧食安全。各省之間的能源安全差距和糧食安全差距較大，主要是工業(yè)污染物排放強度、化肥施用量、農(nóng)作物受災率等存在較大差異。東部沿海省份長期處于環(huán)境技術效率的前沿，而西部省份的環(huán)境技術效率一直處于較低的狀態(tài)且有逐漸惡化的趨勢。這說明我國各省份的資源生產(chǎn)能力和環(huán)境治理能力相脫節(jié)，資源稀缺型省份被倒逼提高資源使用效率和環(huán)境治理能力，而資源豐富型省份“粗放低效型”經(jīng)濟發(fā)展模式尚未得到改善。

3.2 政策建議

a.加強資源的供給和調(diào)配能力，提高資源的利用效率。一方面既要在供應端加大基礎設施供應，完善物流交通網(wǎng)絡體系，提高資源的供給、調(diào)配能力，緩解各省份資源的錯配問題；另一方面，要加大能水資源、能源、糧食生產(chǎn)、加工和使用過程中的技術投入，提高資源利用效率，進而提高資源的消費安全。

b.發(fā)揮長江經(jīng)濟帶“綠色”“生態(tài)”轉(zhuǎn)型發(fā)展的空間帶動作用，助推其他省份的經(jīng)濟綠色可持續(xù)發(fā)展。尤其要建立包括廢水、廢氣、固體廢棄物在內(nèi)的工業(yè)污染物排放、治理和再利用的統(tǒng)一標準，推動長三角地區(qū)及其他東部沿海省份的污染物排放和再利用技術向中西部地區(qū)復制和轉(zhuǎn)移。

c.加強重點地區(qū)的農(nóng)作物受災害防治，尤其是加強洪澇和干旱災害的預警和治理。要不斷提高農(nóng)業(yè)災害防治的系統(tǒng)性，建立區(qū)域聯(lián)動的緊急防范系統(tǒng)，增強農(nóng)村和農(nóng)業(yè)防范災害風險和抵御自然災害的能力，加強糧食安全保障。

d.發(fā)揮經(jīng)濟發(fā)達省份的帶動作用，縮小沿海和內(nèi)陸地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展差距和居民收入差距。一方面，要利用經(jīng)濟發(fā)達省份帶動周邊省份經(jīng)濟發(fā)展，提高居民整體消費能力，降低對單一資源的消費需求壓力；另一方面，縮小農(nóng)業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)的收入差距，提高農(nóng)民種糧積極性，從而提高內(nèi)循環(huán)確保糧食安全。