長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

顧茉莉　葉長(zhǎng)盛　樓婷婷　李鑫

摘要：研究土地利用與水-能源-糧食系統(tǒng)耦合機(jī)理和協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r有助于區(qū)域資源管理和協(xié)同合作。以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶為例，分析了水-能源-糧食-土地系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)機(jī)理，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型和空間相關(guān)性分析測(cè)度研究區(qū)2005～2020年水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的時(shí)空演變特征和空間聯(lián)系。結(jié)果表明：① 2005～2020年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)不斷上升，耦合度達(dá)到高水平耦合階段，耦合協(xié)調(diào)度經(jīng)歷勉強(qiáng)協(xié)調(diào)-初級(jí)協(xié)調(diào)-中級(jí)協(xié)調(diào)-良好協(xié)調(diào)-優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)5個(gè)階段。② 各省市間水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合度達(dá)到高水平耦合階段，協(xié)調(diào)發(fā)展水平處于初級(jí)協(xié)調(diào)和中級(jí)協(xié)調(diào)階段，總體呈現(xiàn)上游地區(qū)>中游地區(qū)>下游地區(qū)的基本態(tài)勢(shì)。③ 水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度省域空間集聚度不穩(wěn)定，空間正負(fù)相關(guān)性波動(dòng)強(qiáng)烈，分布格局易發(fā)生變動(dòng)。

關(guān) 鍵 詞：土地利用； 水-能源-糧食； 耦合機(jī)理； 協(xié)調(diào)發(fā)展； 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶

中圖法分類號(hào)： F301.24；TV213.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.002

0 引 言

水資源、能源和糧食（Water-Energy-Food，WEF）作為人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)性資源，是可持續(xù)發(fā)展研究的重要課題［1-2］。預(yù)計(jì)到2050年，世界人口將達(dá)到98億［3］，多達(dá)50億人的正常供水難以得到滿足［4-6］。人口的急劇增長(zhǎng)、能源枯竭、糧食安全以及水資源短缺等成為人類社會(huì)發(fā)展過(guò)程中不容忽視的一系列問(wèn)題。水-能源-糧食三者之間的關(guān)系復(fù)雜而又密不可分，任一系統(tǒng)中的單個(gè)變量變化都會(huì)引起整個(gè)紐帶系統(tǒng)的互動(dòng)和響應(yīng)。將水-能源-糧食三要素或多要素整合，研究其內(nèi)在聯(lián)系、利用效率、空間分布等，有利于實(shí)現(xiàn)資源的高效利用和跨部門的集成管理。

土地是承載水、能源、糧食等資源并實(shí)現(xiàn)其開(kāi)采、利用等一切活動(dòng)的基礎(chǔ)［7-8］。糧食的種植、灌溉、生產(chǎn)及收割加工不斷消耗著水、能源和土壤肥力；能源的存儲(chǔ)、挖掘、處理及運(yùn)輸需要大量的水資源；水資源是構(gòu)成土地系統(tǒng)的主體之一，其運(yùn)輸、凈化過(guò)程伴隨著能源的消耗。土地利用影響著水、能源、糧食的生產(chǎn)和供應(yīng)，四者之間存在著復(fù)雜的因果關(guān)系。因此，有必要將土地要素與水-能源-糧食關(guān)聯(lián)起來(lái)探討各系統(tǒng)之間的耦合機(jī)制。

目前，關(guān)于水-能源-糧食的研究主要包括3個(gè)方面：① 界定水-能源-糧食系統(tǒng)的概念與紐帶關(guān)系。2011年，世界經(jīng)濟(jì)論壇發(fā)布《全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告（第六版）》第一次提出“水-能源-糧食風(fēng)險(xiǎn)群”概念［9］。同年，在德國(guó)波恩舉行的WEFN（Water-Energy-Food Nexus）國(guó)際會(huì)議將水資源、能源、糧食之間的關(guān)系總結(jié)為一種“紐帶關(guān)系”［10］。自此，關(guān)于水-能源-糧食紐帶系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容和范圍逐漸豐富和多元化。眾多國(guó)際組織和學(xué)者從不同領(lǐng)域、不同視角對(duì)其概念進(jìn)行理解表述。如從水資源［11］、糧食安全［12］、氣候變化［13］角度，強(qiáng)調(diào)特定子系統(tǒng)，探討水-能源-糧食紐帶系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系及影響因素。Biba［14］、White等［15］則將水-能源-糧食視為整體，認(rèn)為它們之間是相互依存、不可分割的關(guān)系。② 揭示水-能源-糧食系統(tǒng)運(yùn)行特征和動(dòng)態(tài)演變。運(yùn)用數(shù)學(xué)模型定量分析水-能源-糧食系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同機(jī)制、對(duì)外影響及優(yōu)化措施。李桂君等［16］采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法評(píng)價(jià)了中國(guó)30個(gè)地區(qū)的水-能源-糧食投入產(chǎn)出效率，為提升區(qū)域水-能源-糧食投入產(chǎn)出效率提供了政策建議。Naderi等［17］將水-能源-糧食作為整體，對(duì)伊朗Qazvin平原的水資源系統(tǒng)進(jìn)行了定性描述和定量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)果表明現(xiàn)狀的管理政策會(huì)對(duì)未來(lái)的水、能源系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。還有很多學(xué)者運(yùn)用NexSym模型［18］、耦合協(xié)調(diào)度模型［19］、生命周期法［20］等方法研究水-能源-糧食系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和優(yōu)化管理。③ 研究氣候、土地等外部因素與水-能源-糧食系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系和影響。將社會(huì)和自然屬性納入水-能源-糧食系統(tǒng)進(jìn)行全局考慮。李桂君等［21］運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建了以水-能源-糧食為主體并涵蓋社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境要素的因果關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，模擬未來(lái)的資源需求，揭示了多種因素對(duì)資源利用的影響。Heuvel等［22］通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)視角并使用關(guān)聯(lián)方法評(píng)估水-能源-糧食-土地-氣候之間的相互作用，為多部門管理和政策制定提供了參考；Li等［23］開(kāi)發(fā)了一種氣候變化下農(nóng)林業(yè)系統(tǒng)中水-土地-糧食-能源紐帶關(guān)系的優(yōu)化方法，為農(nóng)林業(yè)系統(tǒng)中水、糧食、能源和土地資源提供了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

綜上所述，關(guān)于水-能源-糧食系統(tǒng)的研究越來(lái)越豐富。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多集中于探討水-能源-糧食系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系、協(xié)同發(fā)展及影響因素，而土地利用作為人口-資源-環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本問(wèn)題，將其納入水-能源-糧食系統(tǒng)進(jìn)行研究尚不多見(jiàn)，且研究多聚焦于國(guó)家［24］、流域［25］、省市［26］，鮮有關(guān)于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的研究。此外，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和耦合協(xié)調(diào)度模型在水-能源-糧食系統(tǒng)研究中已得到廣泛運(yùn)用［2，27］，可為本文分析水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合機(jī)理和協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論支撐。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略區(qū)、生態(tài)引領(lǐng)示范區(qū)，在中國(guó)區(qū)域發(fā)展格局中具有極其重要的地位和作用，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)先厘清土地利用與水-能源-糧食系統(tǒng)的耦合機(jī)理，據(jù)此構(gòu)建水-能源-糧食-土地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，再運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型定量測(cè)度其2005～2020年協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r，分析其水-能源-糧食-土地系統(tǒng)空間聯(lián)系，旨在為區(qū)域資源協(xié)同管理、跨部門政策制定提供參考。

1 水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展機(jī)理

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可以反映土地利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境等多種驅(qū)動(dòng)力之間的相互關(guān)聯(lián)及因果循環(huán)反饋機(jī)制。因此，本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法呈現(xiàn)水-能源-糧食-土地系統(tǒng)的因果反饋機(jī)制（見(jiàn)圖1）。

水子系統(tǒng)是關(guān)聯(lián)能源、糧食和土地子系統(tǒng)的基礎(chǔ)要素。水子系統(tǒng)通過(guò)投入農(nóng)業(yè)用水和降水為糧食等農(nóng)作物的灌溉、種植、生產(chǎn)提供基礎(chǔ)物質(zhì)資料；通過(guò)投入工業(yè)用水，為能源開(kāi)發(fā)、提取、加工、冷卻、生產(chǎn)提供動(dòng)力支撐；通過(guò)投入生活用水滿足人民生活需求，同時(shí)水資源是構(gòu)成土地系統(tǒng)的主體之一，以土地作為存儲(chǔ)場(chǎng)所并進(jìn)行活動(dòng)。

能源子系統(tǒng)是水、糧食和土地子系統(tǒng)運(yùn)行的重要?jiǎng)恿?。能源子系統(tǒng)通過(guò)投入糧食生產(chǎn)用能，即農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力，為農(nóng)業(yè)種植提供動(dòng)力支持；通過(guò)產(chǎn)能消耗為水資源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、供應(yīng)提供支撐；能源產(chǎn)出的工業(yè)廢水，經(jīng)過(guò)加工凈化成為再生水循環(huán)利用，還有部分廢水廢氣經(jīng)過(guò)排放、降水、大氣循環(huán)等環(huán)節(jié)滲入土壤和植被，造成土壤植被污染，降低土地利用效率并影響土地利用變化。

糧食子系統(tǒng)是水、能源和土地子系統(tǒng)運(yùn)行的產(chǎn)物。糧食子系統(tǒng)以水資源和能源供應(yīng)幫助農(nóng)作物生長(zhǎng)、成熟、收獲、加工，并通過(guò)消耗玉米、小麥等能源作物為生物質(zhì)能生產(chǎn)提供原料，通過(guò)糧食供給提升人民生活需求和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以耕地為基礎(chǔ)，其殘留的化肥、農(nóng)藥又會(huì)造成農(nóng)田和水資源污染，損害生態(tài)系統(tǒng)健康。

土地子系統(tǒng)是水、能源和糧食子系統(tǒng)運(yùn)行的基本保障。城鎮(zhèn)化的推進(jìn)使土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化。人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得建設(shè)用地急劇擴(kuò)張，工業(yè)用地、交通用地增加需要消耗更多的能源和水資源，同時(shí)侵占了大量的生態(tài)用地，如農(nóng)田、林地和水域等，導(dǎo)致糧食種植面積減少，影響水資源和能源的開(kāi)發(fā)利用方式。然而，人口增加對(duì)糧食和自然資源的需求也在不斷增加，糧食和能源生產(chǎn)消耗過(guò)程中形成的污染又會(huì)對(duì)土壤造成損害，土地利用供需矛盾日益突出。

綜上所述，水-能源-糧食-土地系統(tǒng)之間相互依賴、相互權(quán)衡。若只側(cè)重單一要素或某二元要素之間的關(guān)聯(lián)，難以實(shí)現(xiàn)區(qū)域水、能源、糧食及土地的整體安全。因而有必要將水-能源-糧食-土地系統(tǒng)視為整體，探討其耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶橫跨中國(guó)東中西三大經(jīng)濟(jì)板塊，覆蓋9省2市，分為上游、中游和下游3個(gè)區(qū)域，上游地區(qū)包括重慶、四川、貴州和云南，中游地區(qū)包括江西、湖北和湖南，下游地區(qū)包括上海、江蘇、浙江和安徽。國(guó)土面積為205萬(wàn)km2。2020年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶常住人口為60 637.67萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值為471 579.99億元，分別占全國(guó)常住人口和生產(chǎn)點(diǎn)值的42.94%和46.42%。區(qū)域用水總量為2 482.80億m3，水資源總量為15 600.60億m3，分別占全國(guó)用水總量和水資源總量的42.71%和49.36%。能源消耗總量為173 067.68萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，能源生產(chǎn)總量為73 408.50萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，分別占全國(guó)能源消耗總量和能源生產(chǎn)總量的35.50%和18.48%。糧食生產(chǎn)總量為23 914.14萬(wàn)t，占全國(guó)糧食物產(chǎn)總量的35.72%。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶以21%的國(guó)土面積集聚了全國(guó)40%以上的人口和經(jīng)濟(jì)總量，人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得能源、糧食等資源供需不平衡。研究土地利用與水-能源-糧食系統(tǒng)的因果聯(lián)系和協(xié)調(diào)發(fā)展對(duì)促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本次研究數(shù)據(jù)包括長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶11個(gè)省市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、能源、土地等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，主要來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)國(guó)土資源統(tǒng)計(jì)年鑒》以及各省市的統(tǒng)計(jì)年鑒和統(tǒng)計(jì)公報(bào)。個(gè)別省市個(gè)別年份的缺失數(shù)據(jù)利用SPSS軟件中“替換缺失值”功能，即采用線性插值法進(jìn)行補(bǔ)充。

2.2 研究方法

2.2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

依據(jù)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)的因果反饋機(jī)制，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)估區(qū)域耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r（見(jiàn)表1）。指標(biāo)選取借鑒已有研究成果［28-29］，從總量、結(jié)構(gòu)、效益3個(gè)方面選取水資源和能源系統(tǒng)指標(biāo)，從生產(chǎn)、流通、消費(fèi)3個(gè)方面選取糧食系統(tǒng)的指標(biāo)，從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益3個(gè)方面選取土地系統(tǒng)的指標(biāo)。

2.2.2 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

為消除指標(biāo)體系中因數(shù)據(jù)量綱、正負(fù)取向存在差異而造成的計(jì)算不便，將其進(jìn)行無(wú)量綱化處理［19］。由于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各個(gè)省市發(fā)展程度不同，同一指標(biāo)會(huì)具有不同權(quán)重，為保證評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的客觀性，采用熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)［30］。利用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法測(cè)度長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水、能源、糧食、土地4個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展水平。具體步驟如下。

2.2.4 基于Moran′s I指數(shù)的空間相關(guān)性分析

本文引入全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)來(lái)檢驗(yàn)區(qū)域耦合協(xié)調(diào)度的空間依賴性。全局Moran′s I指數(shù)反映的是整個(gè)區(qū)域水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的空間自相關(guān)趨勢(shì)，用來(lái)考察各省市總體上的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展集聚度。局部Moran′s I指數(shù)反映的是一個(gè)空間單元與其領(lǐng)域的相似程度，用來(lái)衡量各省市耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的空間差異程度［31］。計(jì)算公式如下：

式中：I為全局自相關(guān)指數(shù)；Ii為局部空間自相關(guān)指數(shù)；n為研究對(duì)象個(gè)數(shù)；xi、xj分別為區(qū)域i、j的觀測(cè)值；x-為觀測(cè)值平均值；Wij為空間權(quán)重矩陣（空間相鄰為1，不相鄰則為0）；S2i為屬性值xi的方差。

3 結(jié)果與分析

3.1 水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)時(shí)序演變

為反映研究區(qū)水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的時(shí)間演變特征，將長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶視為一個(gè)整體，計(jì)算2005～2020年水-能源-糧食-土地系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、耦合度及耦合協(xié)調(diào)度（見(jiàn)表4）。

2005～2020年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶四大系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，2005～2012年處于起伏波動(dòng)階段，波動(dòng)幅度呈現(xiàn)“W”形走勢(shì)；2013～2020年處于穩(wěn)定上升階段。水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)在2005～2012年間波動(dòng)幅度較大，2013～2020年呈上升趨勢(shì)。能源子系統(tǒng)整體保持平穩(wěn)上升趨勢(shì)。主要是由于能源生產(chǎn)量和消費(fèi)量都在不斷增加，能源消費(fèi)效率得到了提高。糧食子系統(tǒng)除了在2005～2007年間有略微下降，其余年份基本上呈穩(wěn)定上升態(tài)勢(shì)。這是因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)提升，糧食單產(chǎn)提高以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等國(guó)家政策推動(dòng)了農(nóng)業(yè)發(fā)展。土地子系統(tǒng)除了在近幾年上升快速外，總體呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)。這也說(shuō)明人民生活質(zhì)量得到了改善，生態(tài)文明建設(shè)和城市發(fā)展在不斷加強(qiáng)。

2005～2020年，水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合度已處于高水平耦合階段，這說(shuō)明四大系統(tǒng)之間存在強(qiáng)穩(wěn)的關(guān)聯(lián)性和依賴性。系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度不斷上升，主要包括4個(gè)階段：2005～2013年處于勉強(qiáng)協(xié)調(diào)與初級(jí)協(xié)調(diào)之間起伏波動(dòng)階段；2014～2018年處于中級(jí)協(xié)調(diào)階段；2019年處于良好協(xié)調(diào)階段；2020年處于優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)階段。可以看出，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展水平在不斷提升，并積極地朝著優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)方向穩(wěn)定發(fā)展。國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃等政策的發(fā)布和實(shí)施推進(jìn)了生態(tài)文明領(lǐng)域國(guó)家治理體系和治理能力現(xiàn)代化，促進(jìn)了區(qū)域一體化和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，同時(shí)也提高了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平。

3.2 水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)空間差異

為了反映長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平的空間演變特征，分別計(jì)算出2005～2020年上游、中游、下游三大區(qū)域共11個(gè)省市的水-能源-糧食-土地系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、耦合度及耦合協(xié)調(diào)度均值（見(jiàn)圖2和表5）。

總體來(lái)看，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各省市的水-能源-糧食-土地系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和4個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指數(shù)都不高，基本在0.4～0.6之間波動(dòng)。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)總體呈上游>中游>下游。其中，水資源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)上游>中游>下游，與各區(qū)域的水資源含量及用水結(jié)構(gòu)有關(guān)。能源子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)上游>中游>下游，上游和中游地區(qū)評(píng)價(jià)指數(shù)相近，主要是因?yàn)樯嫌魏椭杏文茉瓷a(chǎn)量、能源消耗強(qiáng)度、能源自給率較高，同時(shí)二氧化硫等廢氣排放量增加，而下游地區(qū)受上海能源指數(shù)影響，能源主要依靠外來(lái)輸入供給。糧食子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)下游>上游>中游，主要是因?yàn)橄掠蔚貐^(qū)人口增長(zhǎng)較快，糧食消費(fèi)價(jià)格指數(shù)、人均糧食產(chǎn)量及糧食播種面積排名始終靠前。土地子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指數(shù)下游>中游>上游，因?yàn)橄掠蔚貐^(qū)人口密度、建成區(qū)綠化覆蓋率、地均GDP等多數(shù)指標(biāo)排名始終靠前，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，土地利用程度高。

2005～2020年，各省市水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合度均達(dá)到了高水平耦合階段，耦合度均大于0.970，說(shuō)明單個(gè)研究區(qū)內(nèi)4個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性依舊很強(qiáng)。但各省市水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度水平卻不高，總體呈現(xiàn)上游>中游>下游的基本態(tài)勢(shì)。長(zhǎng)江上游省份整體的耦合協(xié)調(diào)程度相對(duì)較高，除重慶外，其余三省處于中級(jí)協(xié)調(diào)階段，主要是由于這些地區(qū)降水量充沛、人均水資源量較高，農(nóng)業(yè)發(fā)展水平較高。中游地區(qū)中湖北和湖南處于中級(jí)協(xié)調(diào)狀態(tài)，而江西處于初級(jí)協(xié)調(diào)狀態(tài)，主要受糧食子系統(tǒng)影響較多。下游地區(qū)中除了安徽處于中級(jí)協(xié)調(diào)狀態(tài)外，上海、江蘇和浙江都在初級(jí)協(xié)調(diào)階段，受能源子系統(tǒng)影響，區(qū)域能源有限且能源分配不合理導(dǎo)致水-能源-糧食-土地系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展水平較低。總體而言，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各省市水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度還有很大的提升空間，未來(lái)仍需加強(qiáng)水資源保護(hù)、資源高效利用、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化及土地資源分配。

3.3 水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的空間相關(guān)性分析

運(yùn)用Stata軟件計(jì)算得到2000～2020年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的全局Moran′s I指數(shù)（見(jiàn)表6）。可以看出，全局Moran′s I指數(shù)在2007，2008，2013年通過(guò)了1%的顯著性檢驗(yàn)，在2014年和2016年通過(guò)了10%的顯著性檢驗(yàn)，且符號(hào)為正，分別為0.506、0.767、0.416、0.121及0.156，說(shuō)明各省市之間水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展在其內(nèi)部存在正向空間自相關(guān)性，有較強(qiáng)的空間集聚態(tài)勢(shì)。2005～2020年，Moran′s I指數(shù)波動(dòng)趨勢(shì)明顯，大部分年份的指數(shù)為負(fù)值，呈空間負(fù)相關(guān)態(tài)勢(shì)，說(shuō)明其耦合協(xié)調(diào)度的空間分布格局并不穩(wěn)定，集聚度易發(fā)生變動(dòng)。

利用Moran散點(diǎn)圖來(lái)反映水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度分別在2005，2010，2015年及2020年的局部空間自相關(guān)性（見(jiàn)圖3）。2005年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶多省市處于“高-高”區(qū)域，表明耦合協(xié)調(diào)度低值城市包圍低值城市，空間呈正相關(guān)態(tài)勢(shì)。2010年和2015年多數(shù)省市呈“高-高”“高-低”集聚，2020年多數(shù)省份位于“低-高”“高-低”區(qū)域，表現(xiàn)為空間負(fù)相關(guān)性關(guān)系，具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性和離散型特征。可以看出，各省市間耦合協(xié)調(diào)度在空間上存在較大的不穩(wěn)定性，空間集聚度較低。這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越好，但區(qū)域差異卻在拉大，長(zhǎng)江上、中、下游發(fā)展不平衡問(wèn)題突出。未來(lái)，應(yīng)加強(qiáng)東中西互動(dòng)合作、資源合理分配，以縮小東中西部地區(qū)發(fā)展差距，促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié) 論

本文以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶為例，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、耦合協(xié)調(diào)度模型及空間相關(guān)性等方法分析了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)的耦合機(jī)理和時(shí)空演變特征。得到以下結(jié)論：

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)在2005～2012年呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2013～2020年呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢(shì)。2005～2020年水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合度已達(dá)到高水平耦合階段。耦合協(xié)調(diào)度經(jīng)歷勉強(qiáng)協(xié)調(diào)-初級(jí)協(xié)調(diào)-中級(jí)協(xié)調(diào)-良好協(xié)調(diào)-優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)5個(gè)階段。

2005～2020年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶各省市的水-能源-糧食-土地系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)總體表現(xiàn)為上游地區(qū)>中游地區(qū)>下游地區(qū)。各省市耦合度均大于0.970，達(dá)到高水平耦合階段。耦合協(xié)調(diào)度均值為0.700，總體呈現(xiàn)上游地區(qū)>中游地區(qū)>下游地區(qū)的基本態(tài)勢(shì)。

2005～2020年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)Moran′s I指數(shù)波動(dòng)趨勢(shì)明顯，空間集聚度不穩(wěn)定，空間正負(fù)相關(guān)性波動(dòng)強(qiáng)烈，且分布格局易發(fā)生變動(dòng)。

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶上游地區(qū)的自然資源稟賦較好，城市擴(kuò)張較其他地區(qū)相對(duì)緩慢，水資源與能源含量豐富、農(nóng)業(yè)發(fā)展較發(fā)達(dá)。但其土地子系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)較低，在土地管理方面還有待加強(qiáng)，未來(lái)應(yīng)科學(xué)有序地統(tǒng)籌生態(tài)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)等功能空間，挖掘地域特色，積極發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，增加單位土地面積GDP；中游地區(qū)，江西耦合協(xié)調(diào)水平相對(duì)較低，但其發(fā)展正逐步接近于中級(jí)協(xié)調(diào)階段。受糧食子系統(tǒng)影響，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面還有較大的提升空間。未來(lái)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，應(yīng)加快鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，豐富農(nóng)民就業(yè)方式，提高居民收入。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，引進(jìn)先進(jìn)糧食生產(chǎn)技術(shù)，推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)；下游地區(qū)，上海、江蘇和浙江耦合協(xié)調(diào)發(fā)展表現(xiàn)較差。雖然其在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、區(qū)位條件方面均優(yōu)于其他省市，但由于人口增長(zhǎng)、用地?cái)U(kuò)張及資源需求量大，水-能源-糧食-土地系統(tǒng)協(xié)調(diào)水平受到較大的波動(dòng)。未來(lái)應(yīng)嚴(yán)格控制建設(shè)用地范圍，根據(jù)區(qū)域發(fā)展需求合理規(guī)劃水資源、能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，提高資源利用效率。同時(shí)，發(fā)揮其對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶沿線地區(qū)的帶動(dòng)作用，增強(qiáng)各子系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，提高資源流動(dòng)效率，達(dá)到資源互補(bǔ)，空間集聚，推動(dòng)整體協(xié)調(diào)發(fā)展。

由于數(shù)據(jù)的制約和各子系統(tǒng)內(nèi)部組成要素關(guān)系的復(fù)雜性，本研究的耦合機(jī)理關(guān)系網(wǎng)絡(luò)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是在宏觀層面上所構(gòu)建的，可能不夠全面和完善。另外，文章僅從省域尺度的角度探究長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水-能源-糧食-土地系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)發(fā)展的時(shí)空變化。未來(lái)，將從多尺度視角探討水-能源-糧食-土地系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，并積極探索水-能源-糧食系統(tǒng)內(nèi)部多要素影響機(jī)制，以及與其他系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

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（編輯：黃文晉）

Coupling mechanism of coordinated development of land use and water-energy-food systems in Yangtze River Economic Belt

GU Moli，YE Changsheng，LOU Tingting，LI Xin

（School of Earth Sciences，East China University of Technology，Nanchang 330013，China）

Abstract：Studying the coupling mechanism and coordinated development of land use and water-energy-food systems contributes to regional resource management and synergistic cooperation.Taking the Yangtze River Economic Belt as the case study，this paper analyzed the mechanism of coupled and coordinated development of water-energy-food-land system and constructed a corresponding comprehensive evaluation index system.The coupled coordination degree model and spatial correlation analysis were used to measure the spatial and temporal evolution characteristics and spatial linkages of the coupled and coordinated development of water-energy-food-land system in the study area from 2005 to 2020.The results show that：① The comprehensive evaluation index of water-energy-food-land system in the Yangtze River Economic Zone from 2005 to 2020 kept rising，the coupling degree reached a high level coupling stage，and the coupling coordination degree went through five stages （barely coordination-preliminary coordination-intermediate coordination-good coordination-high quality coordination）.② The coupling degree among provinces and cities reached a high level of coupling stage，and the level of coordinated development was at the stage of preliminary coordination and intermediate coordination，showing a trend of upstream areas＞midstream areas＞downstream areas in general.③ The spatial concentration of coupling coordination was unstable，the positive and negative spatial correlation fluctuated strongly，and the distribution pattern was prone to change.

Key words：land use；water-energy-food；coupling mechanism；coordinated development；Yangtze River Economic Belt

收稿日期：2022-08-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42061041）

作者簡(jiǎn)介：顧茉莉，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橥恋乩米兓c規(guī)劃。E-mail：248432821@qq.com

通信作者：葉長(zhǎng)盛，男，教授，博士，研究方向?yàn)槌青l(xiāng)發(fā)展、土地資源利用與保護(hù)。E-mail：ycs519@163.com