水-能源-糧食紐帶系統(tǒng)研究脈絡梳理與分析

鄭德鳳，王 明，安志英

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

水資源、能源和糧食之間存在緊密聯(lián)系[1]，能源開發(fā)利用與糧食生產(chǎn)過程都需要消耗大量的水資源，而糧食生產(chǎn)加工和水資源的輸配/處理等過程又需要消耗大量的能源物質(zhì)[2]。水資源、能源、糧食任一要素的變化都會使其他要素發(fā)生一定程度的變化[3]，系統(tǒng)地將這3個要素關聯(lián)起來稱為“水-能源-糧食紐帶系統(tǒng)”(WEF nexus)[4]?！凹~帶系統(tǒng)”是一個具有綜合性、系統(tǒng)性和多要素的復雜關聯(lián)系統(tǒng)[5]，涉及自然資源系統(tǒng)和社會決策系統(tǒng)兩個維度[6-7]。

當前，全球范圍內(nèi)水資源、能源和糧食供需不平衡的矛盾日益嚴峻[8-10]，已嚴重影響人類社會的綠色可持續(xù)發(fā)展[11-12]。目前，各領域?qū)W者針對“紐帶系統(tǒng)”從多角度開展研究，取得了不少研究成果。在氣候變化方面，Phetheet等[13]分析了氣候變化對沒有農(nóng)業(yè)適應能力的干旱地區(qū)WEF nexus的影響；Radini等[14]基于城市綜合系統(tǒng)，分析了污水處理過程中水-能源-糧食-氣候的關系；Cristiano等[15]將紐帶系統(tǒng)延伸至生態(tài)系統(tǒng)領域，分析了在水-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)關聯(lián)的背景下城市安裝多層綠色屋頂?shù)睦?；Yang等[16]評估了氣候和人類活動的變化對水-能源-糧食-生態(tài)系統(tǒng)的影響。此外，Núnez-López等[17]在宏觀層面上優(yōu)化了WEF nexus的彈性；Gain等[18]研究了孟加拉國政治背景下的WEF nexus。

近年來WEF nexus研究內(nèi)容比較廣泛，但對其研究脈絡和進展還未形成整體認知，因此有必要對WEF nexus的研究脈絡進行梳理和分析。價值空間分類是根據(jù)文獻的研究價值對其進行分類的梳理框架，其優(yōu)點在于該框架中的研究價值本身就包含一個時間的先后順序，概念化、分析、設計和影響這一順序與研究發(fā)展的過程相一致，有助于定性分析WEF nexus的研究脈絡。CiteSpace可視化軟件是基于文獻信息對文獻特征進行計量與描述，可以更直觀地反映研究前沿的演變趨勢。因此，本文以定性與定量相結合的方式對WEF nexus的研究脈絡和研究前沿進行梳理與分析，采用價值空間分類框架對WEF nexus相關文獻進行脈絡梳理，運用文獻計量方法分析國內(nèi)外的研究熱點和發(fā)展現(xiàn)狀，進而統(tǒng)計分析常用的指標和方法的關聯(lián)組合。研究成果有助于把握未來WEF nexus的最新動態(tài)，可為后續(xù)研究提供參考和導向。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文分別對國內(nèi)外WEF nexus的研究文獻進行計量分析，英文文獻數(shù)據(jù)源于Web of Science(WoS)數(shù)據(jù)庫，檢索時間跨度為2011—2020年，檢索式為(TS：water)and(TS：energy)and(TS：food)and(TS：nexus)，經(jīng)數(shù)據(jù)預處理剔除書評(Book Review)、會議記錄(Meeting Abstract)和編輯材料(Editorial Material)等，最終獲得1 014篇相關文獻。中文文獻數(shù)據(jù)源于中國知網(wǎng)(CNKI)，檢索式為(主題：水)and(主題：能源)and(主題：糧食)，刪除與主題無關的文獻后，最終獲得57篇相關文獻。

1.2 研究方法

價值空間分類框架是根據(jù)文獻的研究價值，將其分為概念化研究、分析研究、設計導向研究、影響導向研究4類，其優(yōu)點在于該框架中的研究價值表現(xiàn)了層層遞進的探究過程，適用于定性梳理研究脈絡[19]。CiteSpace是基于JAVA程序的可視化軟件，可以通過節(jié)點大小、連線顏色與粗細等直觀反映數(shù)據(jù)分析結果，通過可視化方式展示研究的脈絡結構、熱點及時序演變特征[20]。Apriori算法是挖掘數(shù)據(jù)之間關聯(lián)規(guī)則的重要方法之一，其優(yōu)點在于算法原理簡單，容易實現(xiàn)，能夠量化一個事件對另一事件依存度和關聯(lián)度，適用于探索兩者之間是否存在較強的關聯(lián)規(guī)則[21-25]。主要通過逐層搜索的方式迭代尋找數(shù)據(jù)集中所有項集的關系，進一步設置支持度與置信度的閾值篩選強關聯(lián)關系。支持度是數(shù)據(jù)集中某項集{α，β}出現(xiàn)的頻率，表示為S(α→β)；置信度是前項集出現(xiàn)的前提下，后項集也出現(xiàn)的頻率，表示為C(α→β)，公式如下：

(1)

(2)

式中：Count(α∩β)為項集{α，β}出現(xiàn)的數(shù)目；N為項集總數(shù)；P(α)為項集{α}的數(shù)目。

本文采用價值空間分類框架從定性角度將文獻分為概念化、分析、設計和影響4類，分析WEF nexus的研究脈絡。在此基礎上應用文獻計量方法和Apriori算法對WEF nexus相關文獻進行定量分析?；贑iteSpace軟件繪制國家和機構發(fā)文量圖譜，分析各個國家和機構對該領域的關注度和科研水平；通過發(fā)文量變化分析WEF nexus的研究熱度；繪制關鍵詞共現(xiàn)、時區(qū)圖和突現(xiàn)詞圖譜分析研究熱點和主要研究議題的脈絡演變；運用Apriori算法對文獻中應用的指標和方法進行關聯(lián)度分析。

2 WEF nexus研究脈絡梳理

根據(jù)Malhotra等[26]的研究，將文獻分為概念化、分析、設計和影響4類，有助于定性梳理研究脈絡。因此，本文選取了WoS數(shù)據(jù)庫中WEF nexus相關文獻發(fā)文量和影響因子均在前10的期刊，采用價值空間分類框架對期刊中WEF nexus相關文獻進行脈絡梳理，并根據(jù)文獻的研究類型，將其分為概念化研究、分析研究、設計導向研究、影響導向研究4類(圖1)。

圖1 基于價值空間分類的WEF nexus研究的脈絡梳理

2.1 概念化研究

WEF nexus的概念化研究主要包括概念框架與模型方法的綜述等。目前人們對WEF nexus的研究非常關注，分別從多個角度對WEF nexus進行了定義。M?rker等[27]分別從橫向和縱向政策整合兩個方向重新定義了WEF nexus框架；Zhang等[28]對比分析了兩種類型的紐帶系統(tǒng)定義，一種被解釋為紐帶系統(tǒng)中不同子系統(tǒng)之間的相互作用，另一種則是作為分析方法來量化三者之間的聯(lián)系。Pahl-Wostl等[29]從nexus的角度對水-能源-糧食安全進行了定義。在WEF nexus研究中被廣泛接受的是由水安全、能源安全和糧食安全三者構成的紐帶關系框架，學者們在此基礎上進行補充或整合提出新的概念框架。Zhang等[30]從資源相互依賴、資源供給和系統(tǒng)整合的角度提出了城市WEF nexus的三維概念框架；Newell等[31]分別從WEF nexus和城市WEF nexus兩個角度對已發(fā)表文章進行了綜述分析；Karabulut等[32]沿著生態(tài)系統(tǒng)-水-糧食-土地-能源關系的概念提出了綜合矩陣系統(tǒng)(EWFLE nexus)。

2.2 分析研究

WEF nexus的分析研究主要是對WEF nexus的協(xié)同效益進行評估，以及從定性和定量等角度探討三者之間的關聯(lián)關系。如Sherwood等[33-35]應用了投入-產(chǎn)出模型從不同角度對WEF nexus進行了評估；Uen等[36]通過多目標水庫優(yōu)化方案探討了協(xié)同優(yōu)化WEF nexus的效益；Si等[37]建立了黃河上游的WEF關系模型，分析了不同情景下的WEF nexus；Liang等[38]通過物質(zhì)和能量流分析量化了城市WEF nexus；Schl?r等[39]改進了FEW nexus城市指數(shù)，將關聯(lián)指數(shù)與加權權益指數(shù)結合起來衡量城市彈性；Wang等[40]利用改進的物元可拓模型定量評價了中國WEF nexus的可持續(xù)性。

2.3 設計研究

WEF nexus的設計研究主要是構建新的綜合框架或模擬模型等。Nie等[41]提出了加強WEF nexus權衡與優(yōu)化的系統(tǒng)框架；Li等[42]建立了用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中WEF資源可持續(xù)管理的綜合模型AWEFSM；Kan等[43]為解決WEF關聯(lián)問題，利用異構計算加速全局優(yōu)化方法改進了水量模擬與預測；Karan等[44]設計模擬了一家四口的小規(guī)?？沙掷m(xù)WEF nexus，使用定量模型計算了可持續(xù)的WEF nexus的總成本；Martinez-Hernandez等[45]提出了一個仿真分析框架以及相應的Nexus仿真系統(tǒng)(NexSym)，用于分析水資源、能源、糧食和生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用。

2.4 影響研究

WEF nexus的影響研究主要分為兩個方面：外界對WEF nexus的影響和WEF nexus變化對外界的影響。外界對WEF nexus的影響主要聚焦于氣候變化和政策等方面。Hussien等[46]開發(fā)了WEF nexus模型以評估季節(jié)變化對WEF nexus的影響；Berardy等[47]在美國亞利桑那州構建了一個WEF nexus的動態(tài)模擬模型，以評估溫度上升、能源和水供應中斷對作物灌溉需求、農(nóng)場能源使用和產(chǎn)量的潛在影響。Basheer等[48]評估了跨界河流流域合作對WEF nexus的影響。WEF nexus變化對外界的影響主要聚焦于對環(huán)境和產(chǎn)品供應的影響。Ramaswami等[49]量化了社區(qū)范圍的水、能源、糧食供應對城市的多種環(huán)境影響，并可視化分析了環(huán)境對城市造成的WEF供應鏈風險；Al-Ansari等[50]評估了一種假想糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對環(huán)境的影響；Owen等[51]使用投入-產(chǎn)出分析技術分析了能源、水和糧食對產(chǎn)品供應鏈上不同點的影響。總體來看，產(chǎn)品貿(mào)易供應、氣候變化與WEF nexus之間存在較為直接的相互影響。

綜上所述，近年來學者們逐漸關注WEF nexus的安全問題，研究類型較為全面，但整體而言，諸多問題的研究還存在不足之處，亟待深入研究。①目前多數(shù)研究仍以原有單因素為核心的思想(如以水為核心因素)，違背了公平競爭與權衡協(xié)同的理念，水資源、能源和糧食中任一元素的變化都會使整個紐帶系統(tǒng)發(fā)生改變，在任何環(huán)境下均要將其視為一個整體。②當前研究仍集中于區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)部的紐帶關系，但隨著貿(mào)易流動，區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)部紐帶關系的變化可能會使區(qū)域外各資源要素受到影響，未來可開展跨區(qū)域尺度紐帶系統(tǒng)的綜合研究，促進區(qū)域內(nèi)部與外部各資源要素的可持續(xù)發(fā)展。③當前學界研究開發(fā)的定量模擬模型多側重于刻畫自然過程，而忽視了社會經(jīng)濟系統(tǒng)過程，對紐帶系統(tǒng)難以進行全面系統(tǒng)的量化評估，模擬模型結果僅用于學術理論探討，尚未應用于政府宏觀決策。

3 WEF nexus研究的文獻計量分析

3.1 WEF nexus發(fā)文量的變化趨勢

發(fā)文量能直接反映研究領域的發(fā)展趨勢及研究階段[52]。表1顯示在世界范圍內(nèi)，2011—2014年為初期發(fā)展階段，總發(fā)文量31篇；2015—2020年發(fā)文量增長迅速，總發(fā)文量983篇，占比高達96.94%。中國WEF nexus的研究與世界研究情況基本一致，總體可分為兩個時期，2011—2015年為概念明晰階段，僅有1篇文獻提及水、能源、糧食三位一體，但未進行深入探討；2016—2020年為快速發(fā)展時期，發(fā)文量增長迅速，研究逐步深入。綜合分析2011—2020年WEF nexus發(fā)文量變化，2015年之前研究處于起步階段，2016年1月正式啟動《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，17個可持續(xù)發(fā)展目標中有3項與WEF nexus密切相關，自此掀起了WEF nexus的研究熱潮。

表1 2011—2020年WEF nexus發(fā)文量 單位：篇

3.2 國家和機構發(fā)文量分析

為了解各國對WEF nexus的研究現(xiàn)狀，基于WoS數(shù)據(jù)對2011—2020年世界各國發(fā)文量及合作關系進行了系統(tǒng)量化分析，結果如圖2所示。檢索結果顯示共有95個國家參與該系統(tǒng)的研究，由于關注度和科研能力差異，各國的發(fā)文量相差懸殊。發(fā)文量前5位的國家是美國、英國、中國、德國和荷蘭，共發(fā)表892篇論文，占總量的87.97%，是WEF nexus研究的主要國家。從發(fā)文機構來看，共有297個機構參與該系統(tǒng)的研究(圖3)，北京師范大學、德克薩斯農(nóng)工大學、中國科學院、牛津大學和?？巳卮髮W齊頭并進，共發(fā)文129篇，占總發(fā)文量的12.72%，機構間呈現(xiàn)相對均一的發(fā)文數(shù)量和較為分散的合作關系。

圖2 2011—2020年WEF nexus發(fā)文國家圖譜

圖3 2011—2020年WEF nexus發(fā)文機構圖譜

3.3 WEF nexus研究熱點與發(fā)展方向

3.3.1關鍵詞共現(xiàn)與聚類分析

關鍵詞是對文獻內(nèi)容的簡要概括，其詞頻表示在整個研究時間區(qū)間關鍵詞出現(xiàn)的累計次數(shù)，可以直觀反映WEF nexus的研究熱點[53]。為確保數(shù)據(jù)的真實性和代表性，本文對相同含義的關鍵詞進行了合并處理，按詞頻排序的英文關鍵詞及其中文含義與出現(xiàn)頻次如下：water-energy-food(水-能源-糧食，289)、climate change(氣候變化，241)、nexus(紐帶系統(tǒng)，180)、food(糧食，162)、sustainability(可持續(xù)性，140)、energy(能源，140)、water(水，133)、management(管理，133)等(圖4)。中文高頻關鍵詞包括水-能源-糧食(34)、紐帶關系(13)、能源(11)、糧食(10)、耦合(7)、可持續(xù)發(fā)展(7)等(圖5)，其中水-能源-糧食、紐帶關系、可持續(xù)發(fā)展、糧食和耦合具有較高的中介中心性，在WEF nexus研究中發(fā)揮橋梁作用?；谠~頻、中心性和突現(xiàn)性等特征對關鍵詞進行聚類分析，進而直觀分析該領域的研究熱點，結果顯示英文關鍵詞形成17個聚類(圖6)，主要研究主題有trine(三位一體)、economy(經(jīng)濟)和intersectionality(國際性)等；中文關鍵詞形成水資源、壓力指數(shù)和CiteSpace等6個聚類(圖7)。通過分析關鍵詞共現(xiàn)和聚類結果發(fā)現(xiàn)，主要側重于氣候變化、可持續(xù)發(fā)展、管理和耦合協(xié)調(diào)等角度的研究。

圖4 WEF nexus英文關鍵詞共現(xiàn)圖譜

圖5 WEF nexus中文關鍵詞共現(xiàn)圖譜

圖6 WEF nexus英文關鍵詞聚類圖譜

圖7 WEF nexus中文關鍵詞聚類圖譜

3.3.2關鍵詞時序特征分析

分析WEF nexus核心關鍵詞的時序特征(圖8)可知，自2011年將水資源、糧食和能源三者綜合為系統(tǒng)紐帶關系，掀起WEF nexus的研究熱潮；2011—2012年主要圍繞WEF nexus的概念框架、紐帶關系，結合土地利用、資源消耗、生命周期評估、可持續(xù)發(fā)展等角度進行分析研究，并將氣候變化、人口增長和城市化等因素納入量測范圍。2013年《亞太地區(qū)水-能源-糧食紐帶系統(tǒng)報告》強調(diào)了水安全、能源安全和糧食安全的重要性，研究熱點逐漸轉移至WEF nexus安全和管理層面。2015年受《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》的影響，WEF nexus的研究出現(xiàn)新的變化，重點關注WEF nexus的可持續(xù)性、發(fā)展遠景和政策整合等。隨著科技水平的提高，WEF nexus研究逐步引入計算機技術創(chuàng)建評估模型或系統(tǒng)模擬模型等，推動WEF nexus量化研究的蓬勃發(fā)展。由于距今時間較短，2017—2020年高頻的核心關鍵詞較少，但并不能表明研究熱度下降。國內(nèi)WEF nexus研究起步于2016年(圖9)，研究內(nèi)容聚焦于文獻計量分析、耦合協(xié)調(diào)評價、安全評價和優(yōu)化配置等方面。

圖8 2011—2020年WEF nexus英文關鍵詞時區(qū)圖

圖9 2011—2020年WEF nexus中文關鍵詞時區(qū)圖

3.3.3突現(xiàn)詞分析

突現(xiàn)關鍵詞能夠表示某一時段內(nèi)研究領域的趨勢和新興熱點，由表2可知，16個突現(xiàn)詞中強度最大的是security(安全)、food security(糧食安全)和biodiversity(生物多樣性)。研究熱點大致分為兩個階段，2012—2014年突出顯示bioenergy(生物能)、agriculture(農(nóng)業(yè))、resource(資源)和climate(氣候)等屬于自然屬性的關鍵詞，由氣候變化導致的水資源短缺和能源高耗使災害風險增加，資源和氣候等自然要素與WEF nexus耦合研究逐漸成為熱點。2015—2018年突現(xiàn)詞分為地區(qū)和社會要素兩方面，研究熱點地區(qū)為Southeast Asia(東南亞)、United States(美國)和Central Asia(中亞)，社會要素有water footprint(水足跡)、security(安全)、resilience(恢復力)和IWRM(水資源綜合管理)等。WEF nexus的中文研究成果較少，無突現(xiàn)詞。綜合分析2011—2020年突現(xiàn)詞的演變發(fā)現(xiàn)，為促進人類可持續(xù)發(fā)展，研究熱點逐漸從自然領域過渡到社會領域。

表2 2011—2020年WEF nexus英文突現(xiàn)詞

3.4 應用指標和方法分析

本文利用Apriori算法探索WEF nexus相關文獻中所應用指標和方法的關聯(lián)規(guī)則，發(fā)現(xiàn)人均水資源量與能源消費量、糧食播種面積、用水占比以及人均糧食產(chǎn)量等指標之間有較強的關聯(lián)關系，人均用水量與萬元GDP能耗、萬元GDP用水量、人均糧食產(chǎn)量和人均糧食消費量有較強的關聯(lián)關系(圖10)，表明水資源量是WEF nexus的核心要素，該結果與斯德哥爾摩國際環(huán)境研究院(SEI)結果基本一致[54]。耦合協(xié)調(diào)模型、綜合指數(shù)法、空間分析法和灰色預測模型之間存在強關聯(lián)關系(圖11)，主要用于水-能源-糧食耦合系統(tǒng)評價。此外系統(tǒng)動力學與壓力-狀態(tài)-響應模型，熵值法與投入產(chǎn)出模型之間都存在較強的關聯(lián)關系。

圖10 WEF nexus研究指標關聯(lián)規(guī)則圖譜

圖11 WEF nexus研究方法關聯(lián)規(guī)則圖譜

4 結論與展望

4.1 研究結論

a.對比黃雅麗等的研究[55-56]，本文不僅采用文獻計量的方法量化分析了WEF nexus的文獻特征，而且應用定性與定量相結合的方式對WEF nexus的研究脈絡和研究前沿進行梳理與分析，通過價值分類框架梳理研究脈絡發(fā)現(xiàn)WEF nexus的研究目前處于初級階段，概念框架研究不斷完善，但多數(shù)研究仍以原有單因素為核心的思想，違背了公平競爭與權衡協(xié)同的理念。研究多從定性和定量等多角度分析了三者之間的關聯(lián)關系，除對WEF nexus內(nèi)部聯(lián)系進行研究外，還與土地、生態(tài)系統(tǒng)、氣候和環(huán)境等外部系統(tǒng)進行關聯(lián)構建新框架，但仍集中于區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)部紐帶關系的研究，忽視了與區(qū)域外各資源要素之間的相互影響。在設計導向研究中，當前構建量化模擬模型為重點研發(fā)對象。在影響導向研究中，研究議題聚焦于氣候變化、政策、產(chǎn)品貿(mào)易供應和環(huán)境等要素與WEF nexus之間的相互影響。

b.目前WEF nexus的研究正處于熱潮，2015—2020年發(fā)文量迅速增長，總發(fā)文量983篇，發(fā)展前景廣闊；美國、英國、中國、德國和荷蘭對WEF nexus的研究起主導作用，發(fā)文量前5的機構為北京師范大學、德克薩斯農(nóng)工大學、中國科學院、牛津大學和?？巳卮髮W，其中來自中國的機構有兩個，且與全球其他機構合作較多。

c.WEF nexus的概念框架、紐帶關系、土地利用、資源消耗、生命周期評估、可持續(xù)發(fā)展、安全、管理、氣候變化和政策整合等分別是不同時期的主要研究熱點。在國內(nèi)應用耦合協(xié)調(diào)模型、綜合指數(shù)法、空間分析法和灰色預測模型等方法研究WEF nexus是研究時期最活躍的研究議題。

4.2 展望

水資源、能源和糧食是推動經(jīng)濟、社會和環(huán)境發(fā)展的重要資源。深入研究WEF nexus對社會經(jīng)濟增長和人類可持續(xù)發(fā)展有積極的促進作用，也是保證資源安全、協(xié)同發(fā)展的重要手段。未來該領域還需要從以下幾個方面進行深入探索：

a.水資源、能源和糧食之間已形成跨越部門與地域交互影響的紐帶系統(tǒng)，但目前對WEF nexus的研究普遍涉及空間和時間兩個維度，未來可以依據(jù)“耦合魔方”理論，從空間(近遠程)、時間(近遠期)、表象(顯隱性)和組織(組內(nèi)外)四個維度進行系統(tǒng)邊界的確定，形成內(nèi)外協(xié)調(diào)“三位一體”的良性耦合關系，從而更全面地研究WEF nexus。

b.大量的碳排放已危及全球生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會的發(fā)展，氣候變化可能對全球造成災害性影響。我國受氣候變化影響顯著，尤其是2021年7月河南省特大暴雨洪災，造成水體污染，電力、天然氣與石油等能源供應中斷和糧食減產(chǎn)等危害，從而影響地區(qū)WEF nexus的平衡。應對氣候變化、控制碳排放、實現(xiàn)碳中和已成為人類發(fā)展過程中的重大挑戰(zhàn)，未來可以從WEF nexus角度分析碳轉移或控制碳排放，為實現(xiàn)“雙碳”目標做出貢獻。

c.水資源、能源和糧食供需矛盾日益突出，實現(xiàn)3種資源的權衡發(fā)展、提高資源利用效率是亟待解決的重要問題。循環(huán)經(jīng)濟能夠更高效地利用資源和保護環(huán)境，實現(xiàn)以最小的發(fā)展成本獲取較大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，因此，在循環(huán)經(jīng)濟和綠色發(fā)展背景下實現(xiàn)水資源、能源和糧食的均衡發(fā)展，將對經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重大的促進作用。