基于水-粮食-能源级联关系的水服务流矩阵构建

林咏园, 税 伟, 2, 李志攀, 杨海峰, 朱粟锋, 付 银

(1. 福州大学环境与资源学院，福建 福州 350108； 2. 福州大学空间数据挖掘与共享教育部重点实验室，福建 福州 350108； 3. 福州大学空间信息工程研究中心，福建 福州350108)

0 引言

粮食、 水、 土地和能源是人类福祉和可持续发展的根本，是与人类密切相关的维持生命的需要[1-2]. 特别是在资源严重稀缺的发展中国家，水和能源供应的变化将影响粮食生产，同时，粮食安全对人类健康也有重要影响[3]. 过去几十年，全球人口的快速增长给自然资源施加了不可控制的压力，对自然资源的可持续利用造成极大的影响[4-6]. 水资源安全对于实现生态系统积极变革起到重要作用，这种变革与经济社会发展相关，并最终改善人类福祉[7-9]. 联合国将水安全定义为“人类保障可持续地获得足够数量的优质水以维持生计、 人类福祉和社会经济发展的能力，将其用以预防水源污染和与水有关的灾害，以及在和平与政治稳定的气氛中保护生态系统”[10]. 在现实情况下，水资源部门之间仍然缺乏协同效益，这是由于水的管理通常是孤立进行的，没有具体考虑到它们对其他部门的正面或负面影响. 地下水降落漏斗区是水资源和粮食生产矛盾突出的类型区，随着人口的增长和粮食需求的增加，当地为了提高粮食产量，无限制地开采地下水进行灌溉，使得该区域地下水位逐年下降[11].

生态系统服务是人类直接或间接从生态系统功能中获得的收益[12-13]. 一些学者通过评估生态系统服务的价值来核算生态系统服务对人类的贡献，由于没有考虑生态系统服务的转移、 转化和传递等，这种静态的评估易被重复计算[14]，相关评估结果的指导作用有限[15]. 还有学者通过研究生态系统服务供给的增加或减少来描述其对人类福祉的影响[15-16]，但这些研究忽略了对受益区空间位置和受益者的描述，参考价值有限. 生态系统服务流是在一定时间尺度内具有流动性、 传递性的某种生态系统服务在不同空间尺度的动态过程，揭示了生态系统到社会经济系统的流动[17]，将生态系统服务供给与需求动态耦合起来，有利于将生态系统服务与人类需求进行动态耦合，明确生态系统服务带给人类的实际益惠，是连接自然生态系统与人类社会经济系统不可或缺的纽带[18-21]，对解决以上诸多问题有积极作用. 与生态系统服务的静态评估研究相比，目前对生态系统服务流的研究成果较少，更多地集中在潜在而非实际的供应上，相应的益惠和受益者尚未成为评估的组成部分[22]. 此外，研究结果中缺乏将供应区(“源”)与相应的受益区(“汇”)结合进行，对空间流在特定生态系统服务传递中的作用展示不足.

本文结合相关研究，探讨受到水和能源压力的安徽省宿州市这一城市漏斗区，通过水资源的生态系统服务流传递到各个部门，探讨其传递路径所受益的部门与生态系统的供给服务之间的影响，建立保障粮食安全的水服务流矩阵，应用德尔菲法，确定用水部门和生态系统供给服务之间的相关影响程度，以期满足各部门日益增长的用水需求，指导政府制定相关战略，实现共赢发展. 通过分析生态系统服务流传递过程中所涉及的水、 粮食和能源之间的关系，探讨生态系统服务供给、 需求和流在实际研究过程中存在的联系. 矩阵的建立可为生态系统服务流定量化提供理论基础，有利于生态系统服务流定量化的开展.

1 研究区域

宿州市地处东经116°09′～118°10′，北纬33°18′～34°38′之间，安徽省淮北平原北部，皖、 苏、 鲁、 豫四省交界地带(图1). 下辖砀山县、 萧县、 埇桥区、 灵璧县、 泗县等四县一区，总面积为9 787 km2. 地形西北高、 东南低，地势平坦，区内河流主要有沱河、 汴河和环城河等.

图1 宿州市区位Fig.1 The location of Suzhou City

目前宿州市面临着水资源匮乏和污染的问题，局部地区资源性缺水问题依然突出(表1)，特别是北部砀山县、 萧县资源性缺水问题突出，成为安徽省调水的难点. 宿州市城区、 砀山县地下水超采严重，已经形成650 km2的降落漏斗，水资源保障能力无法满足战略性开发需要，水资源供需矛盾突出，未得到根本解决. 宿州市是我国重要的煤炭生产基地之一，为当地经济发展做出重要贡献，由于多年来大规模开采煤矿，导致地应力减小，形成了大面积的采煤沉陷区，严重影响到当地的城市生态安全. 煤炭塌陷区主要分布在埇桥区，位于宿州城市规划主建成区的东南近郊，至2014年底已形成沉陷土地面积约40 km2，最终形成的沉陷区面积将达288.48 km2，将占到埇桥区国土总面积的10%.

表1 宿州市历年水资源总量Tab.1 The total amount of water resources in Suzhou City over the years (km3)

2 研究方法

通过建立水服务流框架(图2)，以水流作为生态系统服务传递的载体，将供应区(“源”)与相应的受益区(“汇”)结合进行，运用定性分析方法，分析生态系统的供给服务与水流传递相应的受益区之间的影响，同时探讨水、 粮食和能源之间的级联关系以及相应要素间的影响. 参考Karabulut构建的矩阵系统[1]，本文构建了基于水-粮食-能源的水服务流矩阵，在行中列出本地化的水资源的部门服务流，在列中列出生态系统供给服务，行与列之间对应的单元格定义了每个服务流对生态系统供给服务影响的方向性.

图2 水-粮食-能源级联关系的水服务流框架 Fig.2 The framework of water service flow based on water-food-energy nexus

本文列出了宿州市可能的支持粮食安全的服务流，指的是流动的水用于一个特定部门使用，如饮用水、 灌溉水和土壤水等. 这些水服务流分类是根据可能的类型和子类型的使用部门，它能够直接或间接影响人类福祉的最终或中间服务. 对于确定相关的用水服务流：首先是确定受益于“生态终点”或“最终生态系统产品和服务”的生态系统服务受益者[25]； 第二是列出该地水部门的类型及其子类，一般分为生产用水、 生活用水和生态用水三大类； 第三是确定水服务流是否直接或间接影响人类福祉的最终或中间服务，并且与粮食安全有积极或消极的影响[1]； 最后确定了宿州市支持粮食安全不同部门水服务流(图3).

图3 宿州市部门用水服务流Fig.3 The department water service flows in Suzhou City

水服务流的类型中，生产用水占比最高[23]，占74.5%，包括农田灌溉用水、 农业生产中可利用的土壤水、 林业、 渔业、 禽畜业用水、 农业产品用水、 能源开采用水和制造加工包装用水； 生活用水占比为23.8%，包括饮用水和家庭餐馆等准备用水； 生态用水仅占1.7%，包括园艺用水和废物处理用水. 本文把可利用的土壤水和供给能源开采的水作为中介服务支持粮食生产的水，同时把灌溉水、 农业产品用水和农林用水等作为最终服务.

本文只考虑生态系统服务的供给服务，没有包含剩余的服务(支持、 调节和文化服务)，其中供给服务包括养分、 材料和能源三个方面. 其中，养分包括生物质和饮用水，材料包括生物材料、 非生物材料和非饮用水，能源包括可再生的生物质能源、 非生物能源和不可再生的化石能源，详细解释见表2.

表2 生态系统供给服务的分类名词含义Tab.2 The classification of ecosystem supply services

生态系统服务评估中的一个主要问题是确定适当的指标和数据，以量化广泛的生态系统服务[26]. 许多学者利用专家评估来预测未来生态系统服务评估的趋势[27-28]. 通过德尔菲法[29]，基于专家的评价结果，得出的结果是不同的水服务流与生态系统服务供给能力的关联关系. 首先，向专家发出函询表，专家将自己的预测意见以无记名的方式反馈给调查机构. 其次，组织机构汇总专家意见后进行统计分析，将结果反馈给专家. 专家们根据反馈资料，重新考虑原先的预测意见. 接着，再以书面形式反馈给研究者. 这样，最后经过3～4轮反馈，预测意见就逐渐集中，形成集体的预测结论. 为便于调查数据的定量化，将得到的关联关系用数值表示：权衡非常强= -5，权衡极强= -3，权衡强= -1，无关联关系=0，协同强=1，协同极强=3，协同非常强=5.

3 结果分析

3.1 关键用水服务流与供给服务的关联关系

宿州市用水服务流中占比最高的生产用水与生态系统供给服务之间存在强协同和强权衡关系，特别是与粮食生产直接相关的农业类型用水，如灌溉水，生活用水中的饮用水与供给服务之间呈现较强权衡关系，生态用水与供给服务之间呈现弱协同和弱权衡关系； 水服务流和能源供给之间呈现较强的竞争关系(图4～5).

图4 水服务流矩阵Fig.4 Water service flow matrix

图5 关键用水服务流与供给服务的关联关系Fig.5 Correlation between critical water service flows and supply services

3.2 养分供给服务

为确保粮食安全而采取的作物种植、 管理农场和农林业等干预措施的用水对生态系统提供生物质的养分服务产生积极的辅助影响. 由于宿州市当地农业资源丰富，农田灌溉用水量最高，占全市的43.3%； 同样地，用于农业产品和林业和园艺产业的水资源有利于生物质的供给，如肥料有利于作物生长； 而开采能源用水、 制造、 加工和包装食物用水和饮用水等，对生物质供给服务没有直接影响，但间接占用了输送给生物质的水，二者表现为权衡关系.

在宿州市这个缺水地区，考虑到用水优先分配给粮食安全相关部门会负向影响饮用水的供给服务，制造、 加工和包装食物用水、 准备食物用水和废物处理用水也是同样情况，其中农业用水量最高为0.492 km3，占总用水量的49.7%，生活用水量为0.214 km3，占21.6%，城镇公共用水量0.029 km3，占2.93%； 饮用水主要来自于地下水，土壤水主要来自浅层地下水，园艺用水源于处理后的污水，后二者与饮用水供给没有关联关系； 开采能源既占用了输送给居民的饮用水，又为开采地下水提供能源，同时存在两个影响方向.

3.3 材料供给服务

农业生产部门的用水类型有灌溉水、 土壤水和农业产品用水等，2017年农业产品(饲料、 肥料和农药等)有37.29亿元用于农业中间消耗，以及林业、 渔业、 园艺用水都有利于初级生物材料的生产； 制造、 加工和包装食物用水、 准备食物用水是把水输送给处理初级产品的相关部门，二者是协同关系； 缺水地区分配给居民生活的饮用水与初级产品生产的相关用水存在权衡关系； 开采能源用水和废物处理用水对生物材料供给服务没有直接影响，但间接占用了输送给生物材料的水，二者表现为权衡关系.

生态系统服务供给的非生物材料作为燃料能源供应各个部门，开采能源用水有利于非生物材料的供给； 其余部门的水资源使用在缺水条件下面临竞争，并且当地消耗大量的燃料来开采地下水，其中农林牧渔业生产中间消耗17.36亿元的燃料，二者表现为权衡关系； 而土壤水主要来自浅层地下水，直接作用于农业生产，与非生物材料供给没有关联关系. 灌溉水、 土壤水、 林业用水和废物处理用水等有利于水的物质循环，2017年宿州市的污水处理率达到96.55%，对于生态系统非饮用水的供给有协同关系； 而其余部门的用水一定程度上消耗生态系统中非饮用水的供给，表现为权衡关系.

3.4 能源供给服务

有利于生物质能生产的灌溉水、 土壤水、 管理农场和林业等用水，在使用水的过程中对生态系统提供的生物质能产生积极影响； 当水资源供给禽畜养殖以及废物处理活动，各部门产生的固体废物和污水等作为可再生生物质能被利用，因此存在着协同关系； 农业产品用水最终生产的肥料等产品不仅有利于部分生物质，而且生产过程产生的固废和污水也可作为能源一部分. 渔业用水、 制造加工用水和饮用水是高需水量部门，与需水的生物质能源有竞争关系. 能源开采用水主要是化石能源的开采，与可再生能源无关联关系.

如果在供水竞争中有采矿活动或化石燃料生产，不可再生化石能源和可再生非生物能源的供给服务可能受到保障粮食生产的相关用水的负面影响，同时在供水过程中需要消耗大量的能源，与开采能源用水服务呈协同关系，而与其余水服务流表现为权衡关系, 不可再生化石能源的供应量不断增加； 而土壤水主要来自浅层地下水，直接作用于农业生产，与能源供给没有关联关系.

4 讨论

以水资源匮乏而形成城市漏斗的宿州市作为研究对象，通过建立水服务流矩阵，定性研究部门用水对生态系统供给服务的影响，对水、 粮食和能源之间的关联关系进行评估，有别于前人在定性研究中多以静态的供应指标进行计算，揭示了生态系统供给服务、 服务载体与受益者之间的权衡关系. 研究以受水和能源双重压力的宿州市为研究区域，相较前人以大尺度国家单元进行研究[22, 25]，有效提供对小区域研究的理论支撑.

建立水服务流矩阵的重要实践意义在于推动研究区相关政策的制定与实践. 研究发现：农业和工业等不同部门都使用水和能源，但到目前为止，水和能源都是孤立的. 各部门之间缺乏合作，导致不同的水和能源用于粮食或其他目的之间的竞争十分激烈. 在对宿州的相关研究中，多从地下水资源的现状和保护等[30-31]微观视角出发，从单一的水资源角度研究当地可持续发展，无法缓解区域内部水和能源带来的双重压力. 漏斗区的水资源与人地矛盾突出问题在华北平原研究案例中同样受到关注[32-36]，华北平原的地下水超采形成了浅层漏斗与深层漏斗交织在一起的复合型地下水漏斗，与宿州市漏斗区成因有一定的共性. 一些学者通过对华北平原地下水资源储量及其承载力评价[32-34]，对生态系统服务的传递媒介——水进行核算，并核算农田生态系统的能值，均表现出逐年下降的趋势. 本文的研究中大部分供给服务和部门用水之间存在着权衡关系，说明了漏斗区的供给服务受到极大的限制，并进一步揭示了水服务流的具体特征.

不同部门的竞争在政府所制定的相互矛盾的战略和政策中得到体现，由于这些战略和政策不能有效地实现经济或环境的可持续性，对当地的粮食安全构成威胁. 因此需要同时处理水、 粮食和能源问题，以便制订战略，加强部门用水之间的积极协同作用，同时保护生态系统及其运作[37].

5 结论与建议

本文以安徽省宿州市这一典型漏斗区为例，通过构建基于水-粮食-能源联系的水服务流矩阵，运用德尔菲法，对用水服务流和生态系统供给服务的影响程度进行评估研究. 发现：① 宿州市用水占比最高的生产用水与生态系统供给服务之间存在强协同和强权衡关系，特别是与粮食生产直接相关的农业类型用水，生活用水中的饮用水与供给服务之间呈现较强权衡关系，生态用水与供给服务之间呈现弱协同和弱权衡关系； ② 水服务流和能源供给之间呈现较强的竞争关系.

基于以上的研究，本文建议：① 当地政府需要对水资源进行合理调配及利用，加强对水资源的保护和污染治理，推进煤矿塌陷区改造，规范自来水开采行为，提高用水效率循环利用，通过从外地调配水资源进行补充； ② 加速产业转型升级，对产能落后、 不符合安全生产要求、 不符合环保和节能减排要求的低效利用工业用地的企业进行清退，引入低能耗产业，缓解地区水资源压力. ③ 当地的农副食品加工业和饮料制造业规模较大，是部分县域的支柱产业，但对水资源的利用效率低，应当改良灌溉、 水资源循环利用等技术，通过科技的手段尽可能减少水资源的浪费，实现经济效益与环境保护的双赢.