基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的新疆“水-能-碳”耦合系統(tǒng)特征研究

王志強(qiáng)，姜文桓，盧詩月

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)提出，“雙碳”目標(biāo)已成為習(xí)近平生態(tài)文明思想的重要組成部分，必將引起國家資源利用的系統(tǒng)性變革［1］。水資源、能源、碳排放是影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要要素，彼此間相互依存、相互制約，單一要素的變化會引起其他要素的聯(lián)動變化［2］。一方面，能源為水資源的取用以及廢水處理提供動力［3］；另一方面，水資源為能源的開采、加工、運(yùn)輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)原料［4］，水、能的需求規(guī)模、組合方式及消耗強(qiáng)度不同，導(dǎo)致碳排放量具有差異性［5］。然而，現(xiàn)實(shí)資源利用管理過程中，水資源、能源、碳排放隸屬于不同的管理部門，產(chǎn)業(yè)部門往往拘泥于自身發(fā)展需求中，以致資源利用過程中“水-能-碳”系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)正面效應(yīng)的疊加和負(fù)面效應(yīng)的拮抗。探究如何從多要素資源耦合視角推動區(qū)域資源高效利用和碳減排，是新時(shí)代區(qū)域可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。

國內(nèi)外學(xué)者對于水資源、能源和碳排放的研究，主要偏重于水能資源耦合［6-8］、能源消費(fèi)與碳排放關(guān)系［9-13］、內(nèi)陸水體碳排放量［14-15］等兩要素的耦合研究，對于三要素的研究處于起步發(fā)展階段，更多聚焦于典型行業(yè)的“水-能-碳”耦合［16-17］分析。隨著高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的提出，城市資源消耗低碳管理［18］、資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)增長協(xié)同增效［19］、城市產(chǎn)業(yè)“能-水-碳”耦合分析［20］引起關(guān)注。對“水-能-碳”耦合關(guān)系的研究方法可歸納為兩類：一是生命周期評價(jià)法［21］和物質(zhì)流分析法［22］，對研究對象的全生命周期進(jìn)行評價(jià)，雖然保證了量化的準(zhǔn)確性，但需要大量數(shù)據(jù)的支持，屬于“自下而上”的方法。后期引入生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法，從整體上辨識系統(tǒng)內(nèi)在屬性的方法［23］。二是投入產(chǎn)出法，通過建立產(chǎn)品供需方程，從而預(yù)測經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景，研究區(qū)域逐步從單區(qū)域投入產(chǎn)出法向多區(qū)域投入產(chǎn)出法擴(kuò)充，從靜態(tài)投入產(chǎn)出向環(huán)境投入產(chǎn)出遞增［24］，屬于“自上而下”的方法。

綜上所述，目前學(xué)者對資源要素耦合的研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，研究方法不斷呈現(xiàn)多元化的發(fā)展，但仍有以下2 個(gè)方面還需要完善：一是現(xiàn)有成果集中于單一資源領(lǐng)域和單一產(chǎn)業(yè)，碳約束下區(qū)域多資源要素、多產(chǎn)業(yè)的資源利用系統(tǒng)管理研究亟待加強(qiáng)；二是研究區(qū)域集中于全國或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，缺少對特殊地區(qū)的實(shí)證研究成果。因此，本文選取具有資源富集-生態(tài)脆弱區(qū)域特點(diǎn)的新疆，核算18 個(gè)產(chǎn)業(yè)部門隱含水消耗、隱含能消耗以及隱含碳排放量，從循環(huán)率和系統(tǒng)魯棒性2個(gè)方面辨識“水-能-碳”系統(tǒng)耦合屬性，從部門動力學(xué)剖析“水-能-碳”生態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同效應(yīng)，以期為區(qū)域產(chǎn)業(yè)間實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理、資源高效利用提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆（73°40′～96°18′E，34°25′～48°10′N）位于中國西北邊陲，占地面積166.49×104km2。新疆煤炭、石油、天然氣預(yù)測量分別為2.19×1012t、101×108t、8.3×1012m3，是我國重要的能源儲備、加工和輸出基地［25］。水資源方面，新疆擁有大小河流、冰川分別有570條、18000余條。年均降水量150 mm，水資源總量僅占全國的3%，生產(chǎn)生態(tài)用水矛盾日益凸顯，呈現(xiàn)典型的生態(tài)脆弱區(qū)特征。2022年，新疆地區(qū)生產(chǎn)總值17741.34×108元，工業(yè)增加值7271.08×108元，占41%，工業(yè)增加值中煤炭開采、石油加工冶煉業(yè)等資源型產(chǎn)業(yè)占工業(yè)增加值的60%以上［26］，基本形成了資源型產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，資源約束日益趨緊，碳鎖定效應(yīng)明顯。

1.2 理論模型

為呈現(xiàn)新疆產(chǎn)業(yè)間水、能、碳等要素耦合屬性及控制依賴關(guān)系，構(gòu)建了“水-能-碳”多要素構(gòu)成的有機(jī)的、多層次、全方位的分析框架體系（圖1）。首先，核算產(chǎn)業(yè)直接用水、用能、碳排放量，考慮與能相關(guān)的水資源（能耗水）、與水相關(guān)的能源（水耗能）、與水相關(guān)的碳排放（水耗碳）。其次，基于投入產(chǎn)出分析計(jì)算隱含水、隱含能、隱含碳，將隱含資源消耗及排放與關(guān)聯(lián)隱含資源消耗及排放相加，形成混合水、混合能、混合碳。最后，運(yùn)用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法，測度循環(huán)率、魯棒性、控制依賴程度定量模擬分析耦合系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖1 “水-能-碳”耦合系統(tǒng)模擬框架Fig.1 Simulation framework of the“water-energy-carbon”coupling system

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用環(huán)境投入產(chǎn)出研究法，選取2007、2012年和2017年新疆投入產(chǎn)出表為主要數(shù)據(jù)源，同時(shí)權(quán)衡資源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑，環(huán)境投入產(chǎn)出表構(gòu)建過程中將42 個(gè)產(chǎn)業(yè)部門合并為18 個(gè)部門（表1）。為消除投入產(chǎn)出表不同年度價(jià)格指數(shù)影響，產(chǎn)值數(shù)據(jù)統(tǒng)一用2015 年不變價(jià)計(jì)算。產(chǎn)業(yè)直接能源消費(fèi)量來源于2008、2013 年和2018年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，直接水資源消耗量來源于2007、2012 年和2017 年《新疆水資源公報(bào)》及新疆水利廳調(diào)研所得。

表1 新疆產(chǎn)業(yè)部門分類情況Tab.1 Classification of industrial sectors in Xinjiang

參考張俊等［27］的計(jì)算方法，對產(chǎn)業(yè)直接消耗水資源、能源量以及碳排放量進(jìn)行核算。水資源種類包括地表水、地下水以及再生水3種，能源種類包括煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣、電力9種，分別將各產(chǎn)業(yè)部門消耗的不同種類水資源、能源、碳排放相加，得到新疆各產(chǎn)業(yè)部門水消耗量（Wi，108m3）、能源消耗量（Ei，104tce）、碳排放量（Ci，104t），計(jì)算公式如下：

由于新疆沒有發(fā)布水資源的單位耗能量和能源的單位耗水量數(shù)據(jù)，因此用水單位耗能和用能單位耗水分別采用姜珊［7］、項(xiàng)瀟智等［28］的研究成果。各產(chǎn)業(yè)部門水、能消耗所產(chǎn)生關(guān)聯(lián)產(chǎn)物，與能相關(guān)的用水、與水相關(guān)的用能、與水相關(guān)的碳排放（，104t），計(jì)算公式如下：

式中：為第p種能源的用水強(qiáng)度[煤類和油品類用水強(qiáng)度（m3·t-1）、天然氣用水強(qiáng)度（m3·(103m3)-1）、電力用水強(qiáng)度（m3·kWh-1）]；eˉk為第k種水資源的用能強(qiáng)度（kWh·m-3）。

1.4 研究方法

1.4.1 環(huán)境投入產(chǎn)出模型新疆區(qū)域經(jīng)濟(jì)體是經(jīng)濟(jì)發(fā)展內(nèi)部因素與外部條件共同作用而產(chǎn)生的區(qū)域發(fā)展實(shí)體，各產(chǎn)業(yè)部門總產(chǎn)出受中間使用、最終使用與流入3 部分的影響。中間需求部門受總產(chǎn)出影響，最終需求部門受需求消費(fèi)推動［27］。參考張俊等［27］、彭焜等［29］、孫才志等［30］模型構(gòu)建方法，采用環(huán)境投入產(chǎn)出模型對隱含水、隱含能和隱含碳進(jìn)行計(jì)算。以水資源計(jì)算為例，具體過程如下：

式中：Xi為部門i的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出（104元）。

（2）中間部門隱含水矩陣（We）計(jì)算公式如下：

式中：Wd為直接水資源消耗系數(shù)組成的直接水消耗系數(shù)矩陣；I為單位矩陣；A=(aij)，為直接消耗系數(shù)矩陣；aij為部門j生產(chǎn)單位產(chǎn)品對部門i的直接消耗量；zij為部門j到i產(chǎn)品的直接消耗（104元）；為Xi的對角矩陣。

（3）終端部門隱含水矩陣（Wz）計(jì)算公式為：

式中：Ldiag為終端部門對i部門的價(jià)值型需求對角矩陣。

（4）混合水矩陣（Wh）計(jì)算公式如下：

式中：We′為與能相關(guān)的隱含水矩陣。

能源和碳排放計(jì)算原理與水資源相同，只需將相關(guān)系數(shù)替換即可。

1.4.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析模型生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法運(yùn)用矩陣運(yùn)算原理對生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動規(guī)律進(jìn)行模擬。參考張俊等[27］的計(jì)算方法，基于環(huán)境投入產(chǎn)出模型計(jì)算出的隱含水、隱含能、隱含碳，構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析模型，通過芬恩循環(huán)指數(shù)（FCI）、系統(tǒng)魯棒性指數(shù)（SR）呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)部門間要素的循環(huán)率和可持續(xù)性，通過控制指數(shù)（CA）和依賴指數(shù)（DA）表征部門動力學(xué)。

為方便后續(xù)計(jì)算，對構(gòu)建關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和單一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行說明。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中包含能耗水時(shí)，即為水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不包含能耗水時(shí)，即為水網(wǎng)絡(luò)。以水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算為例，具體計(jì)算過程如下：

（1）FCI表示水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中水流的循環(huán)率，數(shù)值越大說明水的有效利用效率越高，計(jì)算公式如下：

式中：N為代謝水流的積分無量綱流矩陣；nij為混合水從部門i出發(fā)經(jīng)過一次或多次循環(huán)后再次流入部門j的循環(huán)量；G=(gij)，為代謝水流的直接無量綱矩陣；gij為部門i到j(luò)的混合水流通強(qiáng)度；fij為中間部門消費(fèi)的從部門i到j(luò)流通的混合水（108m3）；為Ti按列重復(fù)n次形成的n維方陣；Ti為i部門流通的混合水（108m3）；yi為終端部門消費(fèi)的來自i部門的混合水（108m3）；FCIi為i部門的混合水流循環(huán)強(qiáng)度；TST 為水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中間部門和終端部門混合水流通量（108m3）。

（2）SR通過考慮流動效率和冗余之間的平衡來表示耦合網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展能力，計(jì)算公式如下：

式中：C為水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展能力（1016m6）；TSTb為水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中間部門混合水流通量之和（108m3）；Ae為水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的上升性（1016m6）；T′i為中間部門使用i部門混合水的總輸入或總輸出（108m3）；Tj為中間部門使用j部門混合水的總輸入或總輸出（108m3）；α為系統(tǒng)上升性占系統(tǒng)發(fā)展能力的比值；SR為系統(tǒng)魯棒性指數(shù)。

（3）控制指數(shù)（CA）和依賴指數(shù)（DA）通過計(jì)算部門i對j的控制程度和部門j對i的依賴程度，量化展現(xiàn)經(jīng)濟(jì)部門間的資源流動。計(jì)算公式如下：

式中：g′ij為部門j到i的混合水流通強(qiáng)度；為將Ti轉(zhuǎn)置后按行重復(fù)n次形成的n維方陣；N′為面向產(chǎn)出的代謝水流矩陣；n′ji為混合水從部門j出發(fā)經(jīng)過一次或多次循環(huán)后再次流入i部門的循環(huán)量；G′=(g′ij)，為代謝水流的間接無量綱矩陣；caij為部門i對j的控制系數(shù)；daij為部門j對i的依賴系數(shù)。

水網(wǎng)絡(luò)、能關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、能網(wǎng)絡(luò)、碳關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及碳網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算原理與水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相同，只需將相關(guān)系數(shù)替換即可。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于環(huán)境投入產(chǎn)出模型的終端消費(fèi)

2007、2012、2017 年新疆最終使用部門消費(fèi)混合水分別為619.76×108m3、849.18×108m3、953.39×108m3，消費(fèi)增長率為53.90%（圖2）。2007—2017年，農(nóng)業(yè)（S1）是混合水最大消耗部門，國內(nèi)省外流出和居民消費(fèi)的混合水消費(fèi)比重最高，占最終使用總混合水量的85%。

圖2 新疆終端部門混合水消費(fèi)Fig.2 Mixed water consumption in end sectors of Xinjiang

2017 年新疆終端消費(fèi)混合能52941.68×104tce，較2007年上漲297.10%（圖3）。2017年資本形成總額混合能消費(fèi)占最終使用總混合能消費(fèi)的42.24%，省外流出占40.34%，居民消費(fèi)占11.58%。從各產(chǎn)業(yè)部門分布來看，化學(xué)工業(yè)（S8）和非金屬礦物制品業(yè)（S9）是拉動資本形成總額的主要部門，石油和天然氣開采業(yè)（S3）和金屬冶煉及制品業(yè)（S10）是能源主要流出部門。

圖3 新疆終端部門混合能消耗Fig.3 Mixed energy consumption in end sectors of Xinjiang

2007、2012、2017 年 混 合 碳 排 放 量 分 別 為50650.62×104t、79898.71×104t、112150.72×104t，整體呈現(xiàn)上漲趨勢（圖4）。從各產(chǎn)業(yè)部門碳排放結(jié)構(gòu)分布來看，金屬冶煉及制品業(yè)（S10）和電力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)（S14）是混合碳排放主要部門，占最終使用總排放量的40%。

圖4 新疆終端部門混合碳排放Fig.4 Mixed carbon emissions in end sectors of Xinjiang

2.2 基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的“水-能-碳”系統(tǒng)耦合特征

2.2.1 系統(tǒng)循環(huán)率芬恩循環(huán)指數(shù)表征的是網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)流動的強(qiáng)度，量化水-能-碳耦合對網(wǎng)絡(luò)循環(huán)的影響。對水、能、碳的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和單一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比分析，呈現(xiàn)新疆產(chǎn)業(yè)間水-能-碳耦合網(wǎng)絡(luò)資源循環(huán)流動特征（圖5）。通過計(jì)算，2017 年水網(wǎng)絡(luò)總循環(huán)率為38.98%，水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)總循環(huán)率為38.44%，與能相關(guān)的水流動降低了混合水的流動速率。水網(wǎng)絡(luò)中農(nóng)業(yè)（S1）用水占總混合水量的93.66%，但循環(huán)率僅為36.82%，表明農(nóng)業(yè)（S1）水循環(huán)率降低了整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)率。能網(wǎng)絡(luò)和能關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的芬恩循環(huán)指數(shù)分別為21.23%和21.31%，能關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中金屬冶煉及制品業(yè)（S10）和化學(xué)工業(yè)（S8）混合能消耗占比49.49%，但部門循環(huán)貢獻(xiàn)率僅為11.13%，表明能源主要消耗部門間產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)不強(qiáng)，引致能源循環(huán)率下降。碳排放關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率為21.66%，碳關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)比碳網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率高0.19個(gè)百分點(diǎn)，碳關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中金屬冶煉及制品業(yè)（S10）和化學(xué)工業(yè)（S8）產(chǎn)生49.54%的混合碳，循環(huán)貢獻(xiàn)率僅為12.25%。

圖5 新疆產(chǎn)業(yè)“水-能-碳”系統(tǒng)循環(huán)率Fig.5 Recycling rate of“water-energy-carbon”system in industry of Xinjiang

總體而言，2007—2017 年水類網(wǎng)絡(luò)（水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與水網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱）、能類網(wǎng)絡(luò)（能關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與能網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱）、碳類網(wǎng)絡(luò)（碳關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與碳網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱）系統(tǒng)循環(huán)率均呈現(xiàn)下降趨勢，究其原因是受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級轉(zhuǎn)型的影響，中低技術(shù)制造業(yè)（S7、S8、S9、S10）尚未能與其他產(chǎn)業(yè)部門形成大范圍的相互聯(lián)系，引致水流、能流、碳流無法高效、快速地返回關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。18個(gè)產(chǎn)業(yè)部門水類網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率最高是農(nóng)業(yè)（S1），能類網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率主要貢獻(xiàn)部門由石油和天然氣開采業(yè)（S3）、石油、煉焦及核燃料加工業(yè)（S7）轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘僖睙捈爸破窐I(yè)（S10）和化學(xué)工業(yè)（S8），碳類網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率最高是金屬冶煉及制品業(yè)（S10）。

2.2.2 系統(tǒng)魯棒性生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的循環(huán)效率并非越高越好，當(dāng)面對干擾時(shí)系統(tǒng)還需具備穩(wěn)定運(yùn)行的儲備力量，系統(tǒng)魯棒性指數(shù)（SR）通過平衡流動效率和冗余呈現(xiàn)耦合網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)性。當(dāng)系統(tǒng)上升性與發(fā)展能力的比值（α）越趨近于1，說明系統(tǒng)具有更高的效率；α越趨近于0，說明系統(tǒng)具有更強(qiáng)的彈性。通過計(jì)算，當(dāng)α=0.3679、SR=0.3679 時(shí)，是SR 曲線的平衡點(diǎn)，表明系統(tǒng)具有良好的可持續(xù)發(fā)展能力；當(dāng)點(diǎn)位于曲線左邊，說明系統(tǒng)效率低、剛性強(qiáng)，整體處于停滯狀態(tài)；當(dāng)點(diǎn)位于曲線右邊，說明系統(tǒng)韌性弱，難以抗拒外部風(fēng)險(xiǎn)。

通過新疆生態(tài)網(wǎng)絡(luò)SR曲線可知（圖6），水類網(wǎng)絡(luò)2007、2012 年和2017 年SR 均值分別為0.077、0.083、0.096，處于曲線左側(cè)，魯棒性雖逐年升高，但均值始終未能突破0.1，區(qū)域用水效率低，導(dǎo)致系統(tǒng)向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變進(jìn)程緩慢。能類網(wǎng)絡(luò)與碳類網(wǎng)絡(luò)的SR 均值整體位于0.124～0.128 區(qū)間內(nèi)，處于曲線左側(cè)，魯棒性雖然呈上升趨勢，但系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力未有實(shí)質(zhì)性的突破，整體呈現(xiàn)不可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。為提升“水-能-碳”系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力，需提高耦合系統(tǒng)資源使用效率，優(yōu)化資源流動路徑，增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)部可持續(xù)發(fā)展能力。

圖6 新疆生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)魯棒性指數(shù)（SR）曲線Fig.6 SR curve of ecological network of Xinjiang

2.2.3 系統(tǒng)控制依賴變化“水-能-碳”耦合通過影響系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系從而使部門間控制依賴關(guān)系發(fā)生改變，利用控制指數(shù)和依賴指數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)方式分別從投入和消費(fèi)2個(gè)角度展示“水-能-碳”耦合對部門間關(guān)聯(lián)程度的影響。

控制變化方面，2017年水系統(tǒng)（圖7g）中非金屬礦物制品業(yè)（S9）對建筑業(yè)（S16）的控制變化率為28.54%，金屬礦采選業(yè)（S4）對金屬冶煉及制品業(yè)（S10）控制變化率為12.46%，其他產(chǎn)業(yè)部門控制變化率均處于10%以下。能系統(tǒng)（圖7h）金屬礦采選業(yè)（S4）對金屬冶煉及制品業(yè)（S10）、農(nóng)業(yè)（S1）對輕工業(yè)（S6）控制變化率分別為13.14%、9.66%，絕大多數(shù)產(chǎn)業(yè)對建筑業(yè)（S16）的控制關(guān)系變強(qiáng)，究其原因是部門間存在“供-需”關(guān)系的影響，因此控制變化率較為突出。由于碳作為能源消費(fèi)的產(chǎn)物，在基礎(chǔ)工業(yè)為產(chǎn)業(yè)提供能源、保障生產(chǎn)材料以及運(yùn)輸轉(zhuǎn)移的同時(shí)，碳排放也隨著能源消費(fèi)進(jìn)行流動，因此碳系統(tǒng)（圖7i）部門間控制關(guān)系變化與能網(wǎng)絡(luò)相似?！八?能-碳”系統(tǒng)控制變化率表明新疆產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，產(chǎn)業(yè)間關(guān)聯(lián)度低，不利于水、能利用效率的提升和碳減排。

圖7 新疆“水-能-碳”耦合網(wǎng)絡(luò)控制關(guān)系Fig.7 Control relationship of“water-energy-carbon”coupling network in Xinjiang

依賴變化方面，2017年水系統(tǒng)（圖8g）中建筑業(yè)（S16）對非金屬礦物制品業(yè)（S9）依賴指數(shù)為9.54%，金屬冶煉及制品業(yè)（S10）對金屬采選業(yè)（S4）依賴率為9.51%，其他產(chǎn)業(yè)間依賴變化率處于9%以下。能系統(tǒng)（圖8h）中石油、煉焦及核燃料加工業(yè)（S7）對石油和天然氣開采業(yè)（S3）、金屬冶煉及制品業(yè)（S10）對金屬礦采選業(yè)（S4）的依賴率分別為8.28%、10.05%。碳系統(tǒng)（圖8i）中建筑業(yè)（S16）對非金屬礦物制品業(yè)（S9）、金屬冶煉及制品業(yè)（S10）對金屬礦采選業(yè)（S4）的依賴指數(shù)分別為9.54%、9.77%，“水-能-碳”依賴指數(shù)表明新疆產(chǎn)業(yè)間要素依賴關(guān)系弱，產(chǎn)業(yè)間高度依賴關(guān)系尚未形成，降低了生產(chǎn)要素的循環(huán)利用。

圖8 新疆“水-能-碳”耦合網(wǎng)絡(luò)依賴關(guān)系Fig.8 Dependency relationship of“water-energy-carbon”coupling network in Xinjiang

綜合而言，2007—2017 年，絕大多數(shù)產(chǎn)業(yè)部門水網(wǎng)絡(luò)、能網(wǎng)絡(luò)、碳網(wǎng)絡(luò)控制區(qū)間位于0～0.2 內(nèi)，依賴區(qū)間位于0～0.1 內(nèi)，表明新疆“水-能-碳”耦合系統(tǒng)各部門間的水網(wǎng)絡(luò)、能網(wǎng)絡(luò)、碳網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，控制與依賴關(guān)系尚處于偶發(fā)狀態(tài)，產(chǎn)業(yè)間“水-能-碳”資源利用管理未能形成協(xié)同效應(yīng)。

3 討論

“水-能-碳”是一個(gè)復(fù)合、動態(tài)演變的系統(tǒng)且具有強(qiáng)烈的區(qū)域底色，受制于資源稟賦、經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的影響，不同的資源投入組合格局和開發(fā)利用強(qiáng)度、資源流動和代謝效率，影響著區(qū)域“自然-經(jīng)濟(jì)”系統(tǒng)利用效率和碳減排效率［4］。

與現(xiàn)有研究相比，本文研究對象從兩要素的耦合分析［6-15］擴(kuò)展到了“水-能-碳”三要素的研究，研究區(qū)域從經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)［18-20］向能源富集-生態(tài)脆弱區(qū)域擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了研究對象和研究區(qū)域的進(jìn)一步突破。將新疆研究結(jié)果與其他省份對比，系統(tǒng)循環(huán)率方面，福建?。?7］、湖北?。?9］水類網(wǎng)絡(luò)的芬恩循環(huán)指數(shù)高于能類網(wǎng)絡(luò)，和本文的研究結(jié)果相同，主要是湖北、福建、新疆農(nóng)業(yè)用水占總用水量比例較高，同時(shí)自身分配系數(shù)較高，減少了水資源流動的路徑選擇，致使水在各部門間的流動快于能源。系統(tǒng)魯棒性方面，安徽?。?3］和湖北?。?9］的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)最接近于平衡點(diǎn)，福建?。?7］次之，新疆生態(tài)網(wǎng)絡(luò)處于發(fā)展停滯狀態(tài)，究其原因是新疆水資源主要用于農(nóng)業(yè)，能源主要用于金屬冶煉及制品業(yè)和化學(xué)工業(yè)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，不利于系統(tǒng)整體的可持續(xù)發(fā)展。系統(tǒng)控制依賴變化方面，新疆部門間控制、依賴程度與其他省份［23,27,29］相比，尚處于偶發(fā)狀態(tài)，未能形成協(xié)同效應(yīng)，這是因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)間尚未建立緊密的聯(lián)系，無法形成高效的水資源、能源利用。

事實(shí)上，新疆對于水資源、能源以及碳排放的管理，長期處于分治狀態(tài)，產(chǎn)業(yè)間“水-能-碳”耦合系統(tǒng)資源消耗及排放量大、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一；系統(tǒng)循環(huán)率降低，發(fā)展趨于停滯；系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)性面臨失調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從多要素耦合角度出發(fā)，協(xié)同管理“水-能-碳”耦合系統(tǒng)，明晰消耗污染主要源頭，統(tǒng)籌兼顧資源關(guān)聯(lián)影響，優(yōu)化要素流動路徑，實(shí)現(xiàn)技術(shù)資源有效銜接，建立供需雙向反饋，推動要素協(xié)同發(fā)展，有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源高效利用和碳減排，實(shí)現(xiàn)正面效應(yīng)的疊加，減少負(fù)面效應(yīng)的拮抗。

4 結(jié)論

（1）2007—2017 年，新疆產(chǎn)業(yè)混合水、混合能、混合碳排放整體呈現(xiàn)上升趨勢，混合水主要用于流出和居民消費(fèi)，混合能和混合碳主要用于流出和資本形成總額。農(nóng)業(yè)是混合水的主要消費(fèi)部門，金屬冶煉及制品業(yè)和化學(xué)工業(yè)是混合能的主要消耗部門和混合碳的主要排放部門。

（2）2007—2017年水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率從41.25%降低至38.46%；能源關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率從24.34%下降至21.31%；碳排放關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)率從23.56%下降至21.66%，產(chǎn)業(yè)間“水-能-碳”耦合系統(tǒng)整體處于下降的狀態(tài)。

（3）水關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)魯棒性一直處于0.1以下；能關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、碳關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)魯棒性在0.124～0.128 區(qū)間浮動，產(chǎn)業(yè)間“水-能-碳”耦合系統(tǒng)處于不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

（4）新疆產(chǎn)業(yè)部門間水系統(tǒng)、能系統(tǒng)、碳系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，控制與依賴關(guān)系尚處于偶發(fā)狀態(tài)，未形成協(xié)同效應(yīng)。