西部地區(qū)“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全評價及障礙因子識別研究

郝雪純　王志強　李莉　萬翼　魏鵬

摘要：2011年世界經(jīng)濟論壇將世界缺乏對“水—能源—糧食”紐帶關(guān)系的理解視為全球經(jīng)濟所面臨的重大挑戰(zhàn)。以2012—2021年為時間線，采用熵權(quán)-TOPSIS模型評估西部地區(qū)11個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全水平，并運用“障礙度”模型對各地區(qū)障礙因子進行識別研究，探討影響系統(tǒng)安全水平的障礙因素。結(jié)果表明：目前，7個地區(qū)的安全水平在2017年后呈現(xiàn)不斷上升的狀態(tài)，通過各省安全水平平均數(shù)值可知，研究期內(nèi)西部地區(qū)最安全的省份為內(nèi)蒙古，陜西、新疆次之，四川、廣西、青海分別為第四、五、六名，云南、寧夏、甘肅、貴州、重慶依次排在后五位；通過障礙因子識別結(jié)果可以看出，云南、寧夏的障礙因子平均分布在水資源安全、能源安全和糧食安全相關(guān)的指標上，廣西、重慶、四川和新疆的障礙因子主要以水資源安全為主，貴州的障礙因子主要集中在能源安全方面，內(nèi)蒙古、陜西、甘肅、青海的則以糧食安全為主。因此，針對各地區(qū)不同資源特點及系統(tǒng)安全水平，不同地區(qū)應(yīng)因地制宜，及時調(diào)整相關(guān)機制，揚長避短，進一步提升“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全水平。

關(guān)鍵詞：西部地區(qū)；“水—能源—糧食”系統(tǒng)；安全評價；障礙因子

中圖分類號：F205

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 11025008

Study on security evaluation and obstacle factor identification of

“Water-Energy-Food” system in western China

Hao Xuechun， Wang Zhiqiang， Li Li， Wan Yi， Wei Peng

（School of Public Administration （Law School）， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China）

Abstract：In 2011， the World Economic Forum identified the worlds lack of understanding of the Water-Energy-Food nexus as a major challenge facing the global economy. Taking 2012—2021 as the time line， Entropy Weight-TOPSIS was used to evaluate the security level of the “Water-Energy-Food” system in 11 provinces （autonomous regions and municipalities directly under the Central Government） in western China， and the “Obstacle degree” model was used to identify the obstacle factors in each region and explore the obstacle factors affecting the system security level. The results show that the safety level of the seven regions at present has been on the rise since 2017. According to the average value of the safety level of the provinces， Neimenggu is the safest province in the western region during the study period， followed by Shaanxi and Xinjiang， Sichuan， Guangxi and Qinghai ranked fourth， fifth and sixth respectively， and Yunnan， Ningxia， Gansu， Guizhou and Chongqing ranked the last five in turn. According to the results of obstacle factor identification， the obstacle factors in Yunnan and Ningxia are evenly distributed in the indicators related to water resource security， energy security and food security; the obstacle factors in Guangxi， Chongqing， Sichuan and Xinjiang are mainly water resource security; the obstacle factors in Guizhou are mainly energy security; and the obstacle factors in Neimenggu， Shaanxi， Gansu and Qinghai are mainly food security. Therefore， according to the different resource characteristics and system security levels in different regions， different regions should adjust the relevant mechanisms in a timely manner， promote strengths and avoid weaknesses， and further improve the security level of the “Water-Energy-Food” system.

Keywords：the western region;“Water-Energy-Food” system; safety evaluation; obstacle factor

0引言

水、能源、糧食是人類生存和經(jīng)濟社會發(fā)展過程中至關(guān)重要的資源。2011年波恩氣候變化大會提出將水、能源和糧食視為三合一的“紐帶”安全，可以根本實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標［1］。2021年第一屆國際水—能—食品與可持續(xù)發(fā)展大會的召開，更體現(xiàn)出了學(xué)者對于水資源、能源、糧食系統(tǒng)目前的重視程度。“十四五”規(guī)劃提出了改善水資源優(yōu)化配置，促進清潔、低碳、安全、能源高效利用，保障國家糧食安全等系列方針政策，充分體現(xiàn)了國家對“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全的重視。近幾年新冠疫情的爆發(fā)，嚴重影響了水資源、能源和糧食等基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源組成的安全系統(tǒng)。因此，對于該系統(tǒng)安全水平進行評估勢在必行。

國外學(xué)者的相關(guān)研究主要體現(xiàn)在研究區(qū)域的不同，研究方法相對較為零散。Beekma等［2］認為三者的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)可以作為提高生產(chǎn)率和部門政策的工具，Tyagi［3］、Purwanto［4］等通過運用不同方法對印度當(dāng)前的WEF安全情況進行評對印度尼西亞卡拉旺區(qū)進行了個案研究，Nkiaka等［5］認為任何旨在加強WEF安全的政策反應(yīng)都需要處理國家內(nèi)部的社會經(jīng)濟、治理和其他背景因素，Khacheba等［6］以阿爾及利亞為研究對象分析了影響WEF的相關(guān)因素。目前，中國關(guān)于該系統(tǒng)安全評價的研究處在起步階段，不同學(xué)者運用不同視角及方法開展了一定研究。李瀟［7］引入?yún)f(xié)同－共生理論，支彥玲等［8］運用PSIR模型建立評估指標體系，劉凌燕等［9］從供需視角分析WEF-R因果關(guān)系構(gòu)建其系統(tǒng)動力學(xué)模型組，蓋美等［10］從水資源—能源—糧食－經(jīng)濟社會－管理維護安全角度出發(fā)，劉晶等［11］運用壓力狀態(tài)－響應(yīng)模型進行協(xié)同安全性評價，于宏源［1］對中亞的“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全紐帶進行梳理，趙良仕等［12］對黃河流域“水—能源—糧食”安全系統(tǒng)進行耦合協(xié)調(diào)度分析，陳軍飛等［13］對內(nèi)蒙古“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全進行評價并對未來發(fā)展趨勢進行預(yù)測。

綜上所述，學(xué)術(shù)界已經(jīng)在該方面取得了一些成就，但缺乏對于西部地區(qū)等資源分配不均且具有復(fù)雜性的地區(qū)的相關(guān)研究，同時大部分學(xué)者的研究只單純從時間序列或截面數(shù)據(jù)進行分析，缺少整體把握。

本研究考慮各資源間的相互影響，不僅研究時間序列的相關(guān)規(guī)律，還對各個地區(qū)進行了縱向?qū)Ρ?，更加客觀、準確地掌握目前西部地區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）目前系統(tǒng)的安全水平，通過安全評價以及障礙因子識別結(jié)果，進一步把握該區(qū)域“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全狀態(tài)。

1“水—能源—糧食”系統(tǒng)作用機理

1.1“水—能源—糧食”系統(tǒng)分析

隨著人口、氣候急劇變化等各種因素影響，水資源、能源和糧食形成了一種相互影響、制約的敏感關(guān)系。如圖1所示，水資源有效配置可以保障能源開采和糧食生產(chǎn)；合理的能源結(jié)構(gòu)和布局可以提高水資源配置，提升糧食生產(chǎn)、加工效率；科學(xué)的農(nóng)業(yè)灌溉和種植結(jié)構(gòu)可以減少水資源和能源不必要的浪費，保障糧食安全。通過“水—能源—糧食”系統(tǒng)的協(xié)同聯(lián)動，使整個復(fù)合系統(tǒng)達到動態(tài)、良性循環(huán)。

1.2基于P-S-R的“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全分析框架

通過壓力—狀態(tài)—響應(yīng)（P-S-R）模型構(gòu)建“水—能—糧”系統(tǒng)安全分析框架，該模型以系統(tǒng)內(nèi)在因果關(guān)系為基礎(chǔ)，以調(diào)控措施為手段，以系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展為目標。如圖2所示，壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層可形成一個閉環(huán)，壓力層傳遞給狀態(tài)層及響應(yīng)層相關(guān)的信息，響應(yīng)層將行動反饋給壓力層［14］，從而改善狀態(tài)層現(xiàn)狀，以更好地實現(xiàn)人與自然的相處模式?！八茉础Z食”系統(tǒng)通過人類活動、資源的不合理利用和污染物排放等因素對系統(tǒng)安全水平產(chǎn)生影響，政府和相關(guān)部門根據(jù)系統(tǒng)安全的壓力和狀態(tài)，采取應(yīng)對措施，積極提高“水—能—糧”系統(tǒng)的安全水平。

2材料與方法

2.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域為我國西部地區(qū)，包括內(nèi)蒙古、廣西、重慶、四川、陜西、云南、貴州、甘肅、青海、寧夏、新疆等11個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），西藏自治區(qū)因數(shù)據(jù)問題，不列入此次研究范圍。西部地區(qū)土地面積約占全國總面積的71%，人口約占全國總?cè)丝诘?8%，實際GDP占全國的比重為17.5%［15］。疆域遼闊，因其獨特的地理構(gòu)造及氣候條件，成為我國重要的資源儲備區(qū)［16］，為其余地區(qū)提供能源，水資源分布嚴重不均，西南地區(qū)水資源相對豐富，西北地區(qū)則缺水相對嚴重［17］，西部地區(qū)包含兩個糧食主產(chǎn)省區(qū)，但由于是我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)［18］且人口分布不均，糧食生產(chǎn)效率有待進一步提高，各種資源緊缺加劇了人類與資源分配間的矛盾，總體上一、二產(chǎn)占比較大，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍在進一步升級中，整體發(fā)展狀況與中國中部、東部存在一定差距。

2.2指標選取及數(shù)據(jù)來源

2.2.1指標選取

“水—能源—糧食”三者構(gòu)成的系統(tǒng)極其龐大［19］，對其進行安全評價相對復(fù)雜。本文依據(jù)研究區(qū)域和各資源特點以及數(shù)據(jù)的可獲得性，參考孫才志［19］、李紅芳［20］、李成宇［21］等學(xué)者的現(xiàn)有相關(guān)研究，通過壓力—狀態(tài)—響應(yīng)（P-S-R）模型構(gòu)建指標體系，建立水資源安全、能源安全、糧食安全作為二級指標層，最終選取27個評價指標對西部地區(qū)“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全狀態(tài)進行評估，并運用熵權(quán)法進行賦值，具體指標如表1所示。其中，能源消費結(jié)構(gòu)計算結(jié)果為煤炭消費與能源消費總量的比值。

2.2.2數(shù)據(jù)來源

本研究以11個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）作為研究對象，研究期為2012—2021年，數(shù)據(jù)均來源于2013—2022年《中國統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計年報》以及各省（自治區(qū)、直轄市）的統(tǒng)計年鑒等，部分暫未更新數(shù)據(jù)采用插值法代替。

2.3研究方法

2.3.1熵權(quán)TOPSIS法

該方法是對“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全的相關(guān)指標數(shù)據(jù)進行標準化處理［22］，采用熵權(quán)法賦權(quán)，再運用TOPSIS模型計算綜合貼近度，用此值反映“水—能源—糧食”系統(tǒng)的安全水平。

第一步，首先對指標進行標準化處理。指標分為正向指標和負向指標，為了使指標數(shù)據(jù)有可比性，對正、負向指標進行無量綱標準化處理。

第六步，計算貼近度D_j。D_j值越大表示該地區(qū)越接近最理想值，“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全水平越高。結(jié)合現(xiàn)有文獻，本文將貼近度劃分成5個等級來評價11個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全水平［20］，如表2所示。

2.3.2障礙度模型

本研究將采用障礙度模型分析影響“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全的障礙因素，障礙度模型是一種障礙診斷數(shù)學(xué)模型，該模型的基礎(chǔ)是各個指標的偏離度，即通過計算指標與最優(yōu)值的偏離度來確定各指標的阻礙程度，目前該方法已被廣泛應(yīng)用［21］，具體計算公式如式（11）～式（13）所示。

本文根據(jù)各地區(qū)障礙因子的障礙度大小進行排序，識別出對“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全影響較大的障礙因子，對各省不同年份排名前三的障礙因子進行列表統(tǒng)計并深入分析。

3實證分析

3.1評價結(jié)果分析

表3所示為2012—2021年11個地區(qū)“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全評價結(jié)果?？梢钥闯觯?012年，西部地區(qū)11個省（自治區(qū)、直轄市）的系統(tǒng)安全水平在0.2791～0.6074之間，各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）差距較大，排名第一為內(nèi)蒙古，最末為貴州。2013年最高值為陜西，0.6328，最低值為重慶的0.2417，內(nèi)蒙古、重慶、四川、甘肅、青海、新疆排名均下降，云南的排名提升至第二位。2014年結(jié)果顯示，陜西排名第一，重慶排名最末，廣西、青海、寧夏的排名有所提高，整體上該年各個省份的安全值相較前幾年都有所下降。根據(jù)2015年結(jié)果顯示，內(nèi)蒙古排名第一，為0.5888，貴州排名最末，為0.2896，內(nèi)蒙古、重慶、四川和新疆的排名有所上升。從2016年結(jié)果可以看出，內(nèi)蒙古為0.5465，排名第一，貴州排名最末，為0.2866，廣西、云南、青海的排名有所下降。2017年結(jié)果顯示，整體水平在0.2683～0.5402之間，最高值為內(nèi)蒙古，最低值為貴州，同時廣西、四川、青海的排名有所上升。2018年結(jié)果在0.2512～0.5933之間，內(nèi)蒙古和重慶分別排名第一和第十一，廣西、貴州、重慶、云南等近50%省份的排名均上升，總體變化較大。2019年結(jié)果顯示，內(nèi)蒙古排名依然第一位，為0.5877，最低值為云南的0.2583，廣西、重慶、貴州的排名有所上升。2020年各省（自治區(qū)、直轄市）的系統(tǒng)安全水平在0.22778～0.47567之間，內(nèi)蒙古陜西與新疆分別排名第一、二、三名，廣西排名波動最大，下降至第九名，最末值為云南；其中，4個地區(qū)的評價等級在一般安全及以上，資源相對富足地區(qū)的排名普遍靠前。2021年，系統(tǒng)安全水平在0.29528～0.49201之間，較上年整體有所上升，內(nèi)蒙古排名第一，重慶排名最末；相較2012年，5個地區(qū)的系統(tǒng)安全水平均有所上升，并且四個地區(qū)的系統(tǒng)安全值均處于一般安全水平。通過對各省份歷年系統(tǒng)安全水平的平均分計算并排名，結(jié)果顯示，2012至2021年間西部地區(qū)相對安全的省份為內(nèi)蒙古，陜西、新疆次之，四川、廣西、青海分別為第四、第五、第六名，云南、寧夏、甘肅、貴州、重慶依次排在后五位。

3.2障礙因子識別分析

本研究通過運用障礙度模型，對2012—2021年間影響11個地區(qū)“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全的障礙因子進行識別，通過不同區(qū)域劃分，識別出各地區(qū)長期的障礙因子，根據(jù)障礙度的大小，篩選出障礙度排名前三位、影響作用較為顯著的障礙因子，如表4所示。

內(nèi)蒙古排名前三的障礙因子共涉及20項指標，其中，X7、X8、X9、X10、X12、X13、X14、X15、X16、X19在前三名中均出現(xiàn)2次，40%的指標是和糧食安全有關(guān)；整體上糧食安全相關(guān)指標出現(xiàn)次數(shù)最多，為12次，由此可見糧食安全是影響內(nèi)蒙古系統(tǒng)安全的長期因素。

廣西的障礙因子共涉及18項指標，X3、X12、X20均在前三中出現(xiàn)3次，全部為水資源安全相關(guān)指標，從整體來看，水資源安全相關(guān)指標在前三中出現(xiàn)次數(shù)最多，為16次，目前對廣西來說，維持系統(tǒng)安全的工作重心應(yīng)在水資源安全上。

重慶共涉及19項指標，其中，X8、X27出現(xiàn)3次，均為糧食安全相關(guān)指標，總體上糧食安全指標出現(xiàn)次數(shù)最多，為14次，水資源安全、能源安全的相關(guān)指標分別出現(xiàn)8次。

四川共有17項指標出現(xiàn)在排名前三的障礙因子，X8、X11均出現(xiàn)3次，其中水資源安全相關(guān)指標出現(xiàn)15次，為其余兩項相關(guān)指標出現(xiàn)次數(shù)之和。

貴州共有16項指標出現(xiàn)在前三中，其中，X13出現(xiàn)4次，X4、X7分別出現(xiàn)3次，能源安全相關(guān)指標出現(xiàn)次數(shù)最多，共12次，由此可見能源安全是影響貴州系統(tǒng)安全的重要因素。

云南的排名前三的障礙因子共涉及20項指標，其中，X1、X8分別出現(xiàn)3次，水資源、能源、糧食安全相關(guān)指標分別出現(xiàn)11、10、9次，分布相對均勻。

陜西共有20項指標涉及排名前三的障礙因子，其中X27出現(xiàn)3次，糧食安全相關(guān)指標共出現(xiàn)14次，并且每個糧食安全相關(guān)指標均在排名前三的障礙因子中出現(xiàn)過，因此目前陜西仍需要在糧食安全問題上下功夫來維護系統(tǒng)的長期安全。

甘肅共有18項指標出現(xiàn)在前三中，X8、X25均出現(xiàn)3次，為糧食安全相關(guān)指標，整體上糧食安全相關(guān)指標共出現(xiàn)13次。

青海排名前三的障礙因子共涉及18項指標，其中X14共出現(xiàn)3次，除水資源安全相關(guān)指標出現(xiàn)6次外，能源安全、糧食安全的相關(guān)指標均出現(xiàn)12次。

寧夏的障礙因子共涉及19項指標，X3、X12、X14分別在前三中出現(xiàn)3次，水資源安全、能源安全、糧食安全的相關(guān)指標分別出現(xiàn)9、10、11次。

新疆共有18項指標出現(xiàn)在排名前三的障礙因子中，其中X12出現(xiàn)3次，水資源安全相關(guān)指標出現(xiàn)最多，共13次，目前新疆仍需要在水資源安全方面加大重視，以維護系統(tǒng)的長期安全。

對2012—2021年間各地區(qū)排名前三的障礙因子出現(xiàn)在壓力—狀態(tài)—響應(yīng)系統(tǒng)的頻次進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。廣西、重慶、云南、陜西、寧夏的障礙因子主要集中在壓力層，內(nèi)蒙古、四川、貴州、青海、新疆的障礙因子主要集中于狀態(tài)層，甘肅的障礙因子均分在狀態(tài)層和響應(yīng)層。

4結(jié)論與建議

4.1研究結(jié)論

1）? 從評價結(jié)果來看，十年間排名較為穩(wěn)定的有內(nèi)蒙古、重慶、陜西、寧夏、青海、貴州，排名波動變化相對較小，新疆、四川、甘肅的波動程度類似，均在2014年出現(xiàn)排名最低值，云南波動程度較大，廣西2021年的排名相較2012年在所有省份中提升程度最高。2012—2021年間，內(nèi)蒙古始終處于一般安全水平，貴州、重慶主要處于不安全和較不安全狀態(tài)，廣西、四川、云南、陜西和新疆主要處于較不安全和一般安全狀態(tài)，甘肅、青海和寧夏主要處于較不安全狀態(tài)；平均各省安全水平數(shù)值可知，西部地區(qū)最安全的省份為內(nèi)蒙古，陜西、新疆次之，四川、廣西、青海分別為第四、第五、第六名，云南、寧夏、甘肅、貴州、重慶依次排在后五位。

2）? 通過障礙因子識別結(jié)果可以看出，共有18.18%地區(qū)的障礙因子平均分布在水資源安全、能源安全和糧食安全相關(guān)的指標上，36.36%地區(qū)的障礙因子以水資源安全為主，另外36.36%地區(qū)的障礙因子以糧食安全為主。45.45%的地區(qū)障礙因子主要分布在壓力層，36.36%的地區(qū)障礙因子以狀態(tài)層為主，不同地區(qū)應(yīng)根據(jù)自身的不同特點采取措施。對于整體而言，“水—能—糧”系統(tǒng)中各個要素及系統(tǒng)外部要素均處于動態(tài)均衡狀態(tài)，任何一方的不合理使用或分配均會導(dǎo)致系統(tǒng)安全受到挑戰(zhàn)。未來還需根據(jù)各地實際情況，因地制宜，找準努力方向。

4.2政策建議

通過以上分析和結(jié)論，對提高西部地區(qū)未來“水—能源—糧食”系統(tǒng)安全水平提出針對性建議：第一，在水資源安全方面，對于廣西、四川、貴州等水資源相對豐富的西南地區(qū)來說，水資源利用效率還需要進一步提高，尤其在農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水方面，需要進一步貫徹節(jié)水理念；對于新疆、寧夏等水資源缺乏區(qū)域來說，目前人均用水壓力較大，巨大的水資源消耗必定對各種資源都將產(chǎn)生一定的壓力，所以必須加強水資源安全管理，盡可能緩解人類活動對自然資源的破壞，以維持系統(tǒng)動態(tài)安全和平衡［21］。第二，在能源安全方面，貴州、青海需要進一步提高能源自給率，努力提升能源利用效率，寧夏、新疆等地應(yīng)積極調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu)，不斷開拓新能源市場，同時加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，依據(jù)自身特點優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局［22］，為我國實現(xiàn)“雙碳”目標貢獻力量。第三，在糧食安全方面，內(nèi)蒙古、重慶、云南、陜西、甘肅等地需要重視耕地畝數(shù)，盡可能提升糧食產(chǎn)量，對于貴州等地還需提升對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重視程度，推廣高效節(jié)水灌溉方式，在地膜、化肥施用方面進行一定限制，對于農(nóng)業(yè)災(zāi)害方面做好預(yù)警方案，盡可能減輕受災(zāi)程度。同時對于西部各地區(qū)來說，都應(yīng)取長補短，加強與其他地區(qū)間的各種資源合作［23］，在水、能源、糧食方面引進相關(guān)工藝，提高各個資源的利用效率，進一步貫徹綠色發(fā)展理念，以促進經(jīng)濟社會發(fā)展，努力構(gòu)建環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)共同進步。

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