水-能源-粮食系统下水资源利用与经济增长脱钩研究——以河北省为例

王 晶，刘天一，吴春莉

（燕山大学经济管理学院，河北 秦皇岛 066000）

0 引 言

水资源是战略性经济资源和控制性生态要素。随着我国经济的高速发展，水资源短缺、水环境污染、用水结构不合理等问题给我国社会经济高质量发展和生态文明建设带来巨大挑战。定量分析水资源利用和经济增长的关系对于区域内可持续发展具有重要意义。英国学者Allen 在1993年提出“虚拟水”的概念，用来计算产品和服务在生产以及销售过程中的用水量[1]。以此为基础，荷兰学者Hoekstra 在2002年提出了“水足迹”的概念，用来衡量个人、区域或国家在某时期消耗的水资源数量[2]。程国栋首次将虚拟水的概念引入我国，为解决我国水资源安全问题提供新的工具，并初步计算西北五省虚拟水量[3]。2011年召开的波恩会议，将水资源安全、粮食安全和能源安全之间的关系作为一种“纽带关系”，这也让水-能源-粮食系统成为了热点研究方向[4]。王晶通过测算河北省水-能源-粮食系统耦合协调度和空间分布特征研究耦合协调发展水平，结果表明河北省水-能源-粮食系统综合评价指数居中，系统间耦合度较高，处于中级协调发展阶段；耦合协调度具有空间正相关性，东北地区为低低集聚，中部地区为高高集聚或低高集聚[5]。李桂君等通过数据包络分析的方法，分别从动、静、动静结合3 个角度评价中国30 个地区水-能源-粮食投入产出情况，结果表明我国大多数地区的DEA 效率值较低，技术及管理水平需要提高[6]。

经济合作与发展组织（OECD）最早对脱钩进行了定义，即经济增长与环境压力之间是否存在同步变化的关系。20年代末，OECD 又将脱钩理论的概念引入农业政策研究中，并逐渐延伸到资源、经济等领域。随着脱钩理论在资源环境上的广泛应用，许多学者对资源消耗和经济发展的关系进行深入研究。潘安娥通过构建协调发展脱钩模型对湖北省水资源消耗与经济增长之间的协调关系进行评价[7]。谷学明结合相对“脱钩”“复钩”理论，从水资源消耗和水环境压力两方面对江苏省水资源利用与经济的关系进行评价[8]。黄德春对黄河流域经济高质量发展与水资源消耗脱钩进行研究，并将脱钩因素分解为生产技术、经济规模、产业结构和人口数量四大脱钩因子[9]。从研究对象上来看，这些研究多以省、流域为研究区域。马海良以“能源-水”的视角分析工业领域水资源-能源-经济三者之间的两两关系，“十一五”时期我国均实现了工业用水、工业用能与经济增长的脱钩，“十二五”时期绝大多数省份脱钩更彻底[10]。谢文宝通过Tapio 模型实证研究新疆农业领域水资源利用与农业经济增长的脱钩关系，结果表明新疆农业领域的脱钩状态历经弱脱钩阶段、不稳定阶段和强脱钩阶段，且不同流域的脱钩状态存在差异[11]。当前学者主要从“能源-水”、“粮食-水”等角度研究水资源利用与经济增长的关系，以“水-能-粮”的视角进行研究是十分必要的，因此，本文以河北省水-能源-粮食系统为研究对象，探究其水资源利用与经济增长的协调关系，并分析内在原因，为河北省实现可持续发展做出科学指导。

1 研究方法设计

本文基于水足迹理论对河北省水-能源-粮食系统下水资源利用进行研究，为定量分析水资源利用状况，构建水资源利用指标体系，并建立协调发展脱钩评价模型揭示水资源利用与经济增长的脱钩态势，通过扩展的LMDI 模型对脱钩因素进行分解分析。

1.1 水资源利用评价

根据王丽川[12]构建的区域水资源利用评价指标体系，结合河北省水-能源-粮食系统及经济发展的现实情况，从结构、效益、安全3个维度进行评价，选取水资源进口依赖度、水资源匮乏度、水资源自给率等8个指标构建体系，如表1所示。

表1 水资源利用评价Tab.1 Water resource utilization evaluation

水资源进口依赖度反映出该系统对外部水资源的依赖程度，进口依赖度越高说明该系统处于贫水状态，反之亦然；水资源自给率反映出地区的水资源利用对内部的依赖程度，自给率较高说明对外依赖程度低，对内依赖程度高；人均水足迹反映出当地的经济发展程度和水资源利用效率，一般来说，经济发达的地区人均水足迹较高；万吨水足迹人口密度反应每单位水足迹的作用人口，指标越高，说明支撑人口能力越强；水资源利用效率反映出水资源的利用水平，值越大，代表单位水足迹带来的经济效益越大；进出口贸易比代表了本地区粮食、能源虚拟水的贸易情况，比值大于1说明进口虚拟水大于出口虚拟水，属于水资源输入地，比值小于1则属于水资源输出地；水资源匮乏度反映出本地区水资源紧缺程度，值越大水资源越紧缺，当拥有量大于消耗量时，代表水资源利用是可持续的，反之，水资源相对匮乏；水资源压力指数反映生产需水量对可利用水资源总量的作用强度，指标越大，说明水资源压力越大。

1.2 模型构建

首先，通过构建系统水足迹模型计算水-能源-粮食系统的水足迹，并简要分析水足迹的构成情况，其次，通过构建水足迹与经济增长之间的协调脱钩模型，从总系统、粮食子系统和能源子系统3个方面分析脱钩态势，最后，为了探究产生脱钩态势的驱动因素，利用LMDI 分解模型进行深化研究。3个模型组成了研究水资源利用与经济增长脱钩关系的“模型链”，见图1。

1.2.1 水足迹模型

水足迹核算有两种方法，一种是“自上而下法”，即用区域内总用水量与进出口虚拟水量的和来表示，此方法是从宏观的角度进行核算，它的优点在于数据获取方便，同时能反映进出口贸易的情况，但直接用工农业用水量不能反映水足迹的占比情况；另一种是“自下而上法”，即用产品单位虚拟水乘以其消费量与居民用水量的和来表示，此方法是从微观的角度进行核算，它的优点在于能清楚看到水足迹的成分占比，从而有针对性的进行研究，但单位虚拟水含量受多方面影响，计算不易进行。本文选择“自上而下法”进行核算，其中粮食和能源水足迹的分别选择小麦、玉米等12 种粮食以及煤、石油等5种能源代替农业和工业用水量，以此可以获得详细的水足迹构成，计算公式如下：

式中：TWF为水-能源-粮食系统水足迹总量；WFIN为系统内部的水足迹，即系统内部生产的产品和服务并且在系统内消费所耗费的水资源数量；WFEX为系统外部的水足迹，它代表其他地区提供给系统内的产品和服务所耗费的水资源数量。

式中：FWF为粮食水足迹；EWF为能源水足迹；DWC为居民日常生活的用水量；EWC为生态用水量；VWC表示系统内生产的能源和粮食产品在外地消耗所需要的虚拟水含量。

式中：VWIN为从其他地区进口的能源和粮食产品的虚拟水含量；VWEX为通过进口其他地方生产的产品和服务，但没有在系统内消费，而是选择再出口到其他地方的虚拟水含量。

1.2.2 脱钩评价模型

脱钩的概念最早起源于物理学，指的是两个以及两个以上具有相应关系的物理量没有响应关系。Tapio 脱钩弹性模型[13]因具有无量纲的特点，在国内研究中使用广泛，因此，本文基于Tapio 脱钩弹性模型，构建GDP 与水足迹之间的脱钩弹性方程，变化率用增量除以两年数值和的平均数来计算，可以平滑结果，减少误差。计算公式如下：

式中：et为弹性系数，代表第t-1期到t期的经济增长与系统水足迹的变化情况；%∆TWF、%∆GDP分别为水足迹和经济增长的变化率；TWFt、GDPt分别为第t年的水足迹总量和经济总产值。

为方便对脱钩状态进行定性的评价，更直观地反映脱钩情况，基于强脱钩到强负脱钩的脱钩程度，将各个脱钩状态划分为8个评价等级，其中A等级比B等级更理想，A+等级比A-等级更理想，脱钩分类情况如图2所示。

图2 脱钩分类图Fig.2 Decoupling classification diagram

1.2.3 LMDI因素分解模型

对数平均迪氏指数分解法（LMDI）是指数分解法的一种，因具有有效解决分解中的“0”值和消除残差项等优点，得到广泛应用[14]。仅利用脱钩评价模型研究水资源利用和经济增长的关系不能够说明产生脱钩态势的原因。现有的水资源利用脱钩驱动因素研究中，多以用水强度、产业结构、规模经济和人口规模作为主要因素，鲜少以足迹结构作为因素进行研究，同时系统水足迹的构成中粮食水足迹占比最大，耕地面积作为影响粮食水足迹的重要因素之一，也定会对其脱钩产生影响。为了进一步研究水资源利用与经济发展脱钩驱动因素，本文参考孙付华[15]等学者的研究，从足迹结构、用水强度、规模经济、人口耕地密度、耕地面积五个方面进行研究，将模型进行如下扩展：

式中：WFit表示第t时期中第i部门水足迹总量；P表示河北省常住人口；S表示耕地面积。

对上式进行改写如下：

式中：Ci表示i部门用水量占系统水足迹的比重，代表足迹结构效应；I表示每单位GDP 需要的水足迹量，代表技术效应；Lnc表示人均GDP，代表规模效应；ρ表示人口耕地密度，代表密度效应。系统水足迹的增量ΔTWF可做如下分解：

上述的∆WFC、∆WFI、∆WFLnc、∆WFρ、∆WFS分别代表结构效应、技术效应、规模效应、密度效应和耕地面积效应，表示足迹结构、技术改进、规模经济、人口耕地密度和耕地面积5 种因素对水足迹的影响。利用LMDI 加和分解法[16]对式（7）进行分解：

分解效应为正数，则说明该因素具有促进作用，反之，该因素具有抑制作用。根据公式（7）～（12），并结合Tapio脱钩弹性模型[13]，可推导因素脱钩分解模型:

式中：eC、eI、eLnc、eρ、eS分别代表结构效应、技术效应、规模效应、密度效应和耕地面积效应造成的脱钩因子变化。

2 数据来源与处理

河北省位于我国华北地区，东临渤海，内部与北京和天津接壤，地跨海河和滦河两大水系，是中国粮食主产区之一；同时，河北省能源丰富，尤其是煤、石油、天然气。但是水资源相对缺乏，低于全国平均水平。河北省是京津冀经济圈的重要组成部分，河北省的经济发展相对于京津地区来说相对迟缓，在京津冀经济圈内，河北省的人均生产总值、人均可支配收入以及经济增长率等远远低于京津两地[17]。因此，想要实现京津冀经济圈高质量发展，就必须对3个地区中发展相对缓慢的河北省采取相应措施。

2.1 数据来源

本文研究数据主要来自2010-2020年《河北统计年鉴》、《中国统计年鉴》、《水资源公报》、中华人民共和国商务部等。农产品、动物产品、能源的单位虚拟水量参考曹永强[18]、Chapagain[19]和关伟[20]的研究成果如表2所示。

表2 农产品、动物产品及能源单位质量的虚拟水含量Tab.2 Virtual water content per unit mass of agricultural products,animal products and energy

2.2 数据处理

由于数据缺乏，在系统水足迹计算过程中，VWC和WFEX中的农作物水足迹选择平均万元GDP 和进出口总额的乘积来计算；VWC和WFEX中的能源水足迹选择能源单位平均水足迹和进出口总额的乘积来计算；VWEX不再纳入核算范围。

3 水足迹和水资源利用评价指标分析

3.1 水足迹构成

利用公式（1）～（3）计算2011-2020年河北省水-能源-粮食系统的用水量，水足迹构成情况见表3和图3。

由表3和图3可以看出，10年间河北省水-能源-粮食系统水足迹总量逐年上升，仅在2018年出现小幅度下降。2011年的系统水足迹值为1 414.5 亿m³，为近10年最低值，在2020年上涨到1 600.4 亿m³。粮食水足迹在系统水足迹一直占有最大比重，平均占比高达96%，表明农业仍然是第一用水大户。可以看出河北省地势平坦、土地肥沃，适宜种植，区域内农业发达，但是工业发展相对不足。

图3 水-能源-粮食系统用水结构Fig.3 Water use structure of water-energy-food system

表3 2011-2020年水-能源-粮食系统水足迹构成Tab.3 Composition of water footprint of water-energy-food system from 2011 to 2020

由图4（a）可以看出，在粮食子系统中，禽蛋的水足迹值最大，平均高达321.8亿m³，这是由于动物产品的虚拟水含量较高，禽蛋的产量较大；其次为蔬菜，其产量在核算的产品中位居第一，平均每年可产4 956.5 万t；小麦和玉米作为河北省最主要的农作物产品，其水足迹值稳步增长，近10年增加20 亿m³；豆类和薯类的用水量较低，平均只有6.4 亿m³和13.2 亿m³。

由图4（b）可以看出，在能源子系统中，火力发电是最主要的能源用水门户，近10年整体成上升趋势，但略有波动，仅有2011年、2012年和2015年低于10 亿m³，自2016年起稳步升高，并在2018年达至峰值12.28亿m³，最近3年呈现下降趋势；煤炭的水足迹值仅在2012年升高，随后呈现出明显的下降趋势，十年间煤炭的水足迹减少50%以上；石油、天然气水足迹值呈现出小幅度的下降；水力发电呈现出小幅度的增加。这与河北省能源结构优化紧密相关，进行传统能源优化升级取得明显成效，多采用清洁能源。

图4 粮食、能源子系统用水结构Fig.4 Water structure of food and energy subsystems

3.2 水资源利用评价指标分析

利用表1的水资源利用评价方法可得到水资源进口依赖度、水资源自给率等评价指标，见表4。

由表4可以看出，从结构方面来说，河北省水资源进口依赖度较低，近10年保持在1%上下，水资源自给率较高，平均为99.3%，对外依赖程度较低，不代表水资源利用充足，因为北方种植的农作物虚拟水含量高，进口的粮食作物数量远远低于当地的产量，导致水资源进口依赖度远低于水资源自给率。

表4 水资源利用评价指标Tab.4 Evaluation indicators of water resources utilization

从效益方面来说，近10年人均水足迹不断攀升，并在2020年达到2 145 m³/人，与世界平均水足迹1 240 m³/人相比，河北省人均水足迹远高于世界平均水平，但距离发达国家仍有差距；万吨水足迹人口密度不高，表明水足迹支撑人口能力不强，受到河北省的产业布局和发展战略等方面的影响；水资源利用效率在十年间从15.1 元/m³到22.6 元/m³，增长显著，这得益于科学技术进步和能源绿色转型；从虚拟水进出口贸易比可以看出，近年来进口虚拟水远大于出口虚拟水，属于虚拟水贸易逆差，表明河北省属于水资源输入地。

从安全方面来说，水资源匮乏度和水资源压力指数都比较大，这表明水资源已经处于非常紧缺的状态，必须通过进口虚拟水来缓解供需关系的不平衡，河北省水-能源-粮食系统处于不可持续发展的状态，因此要调整产业结构，重点发展工业与农业，采用清洁能源，减少污水排放所需用水量，并通过滴灌、喷灌等技术提高农业用水效率；优化种植布局，在保证粮食安全的条件下，改变耕种结构，适量减少小麦、玉米等高耗水农作物的耕种面积，增多需水量小、经济效益大的农作物；并通过一水多用等节水方式减少水资源的消耗。

4 脱钩关系与驱动因素研究

4.1 水-能源-粮食系统脱钩关系研究

利用式（4）脱钩评价模型可以得到河北省水-能源-粮食系统、粮食子系统和能源子系统的水足迹变化率、GDP 变化率、弹性系数以及脱钩态势，如表5和图5所示。

表5 水资源利用与经济增长的脱钩关系评价Tab.5 Evaluation of the decoupling relationship between water resources utilization and economic growth

由表5可以看出，在2012-2020年的9年期间，水-能源-粮食系统脱钩情况很理想，评价等级均在A 档，其中在2018年达到了强脱钩的状态，这是一种最理想的状态，经济在不断地增长，水足迹总量却在不断下降；其他年份均呈现出弱脱钩的状态，说明河北省水-能源-粮食系统水足迹值在不断地增长，但是其经济增长更快，此时处在初级协调阶段，是一种良好的情况，同时7 次弱脱钩的弹性系数小于0.4，可以看出在弱脱钩的范畴内也是较好的状态。从图5（a）可以看出，河北省GDP 增速较快，大多年份GDP 变化率在0.03～0.08 之间，而水足迹变化率增速较慢，基本在0.01～0.03，其中在2018年实现了负增长，实现了强脱钩态势。

粮食子系统的脱钩情况不理想，出现A 档等级6 次、C 档等级3 次，跨度频率大且脱钩状态不够稳定，在2014-2016年连续3年出现了扩张性负脱钩和强负脱钩非常不理想的情况。2017年河北省深入推进农业供给侧改革，优化种植结构，出现了显著成效，2017-2020年均呈现脱钩态势，并在2018年达到强脱钩状态。从图5（b）可以看出，粮食GDP 变化率波动明显，甚至在2015年和2016年出现了负增长，粮食水足迹变化率基本在-0.02～0.02 范围内，并在2012-2018年出现锯齿型下降，这对脱钩关系的影响是积极的。

能源子系统的脱钩情况要优于粮食子系统的脱钩情况，出现A 档等级8 次、C 档等级1 次，其中A+等级出现4 次，不仅脱钩关系稳定，而且常年处于优质状态。2018年反常出现了强负脱钩状态，由图5（c）可以清晰看到，能源水足迹变化率出现明显上升，同时能源GDP 变化率出现了负增长，随后的两年内又呈现出强脱钩态势，这种极端地跳跃要尽量避免，能够及时调整过来可能得益于政府对能源行业的管控和清洁能源的推广。

图5 水足迹-GDP-弹性系数变化关系Fig.5 Relationship between water footprint-GDP-elasticity coefficient

4.2 水-能源-粮食系统脱钩驱动因子及效应分析

利用公式（5）～（14）可以得出足迹结构、用水强度、规模经济、人口耕地密度和耕地面积5 种因素的脱钩驱动因子，见表6。

表6 脱钩因子分析表Tab.6 Decoupling factor analysis table

在2012-2020年间，河北省水-能源-粮食系统水资源利用与经济增长脱钩因子分解情况：用水强度因子和耕地面积因子为负向脱钩因子，足迹结构因子、规模经济因子和人口耕地密度因子为正向脱钩因子。

结构效应可以分为两个阶段，第一阶段为2012-2017年，大部分年份脱钩因子为正，对水资源利用与经济增长的脱钩关系产生抑制作用，但是阻碍的效果不明显，第二阶段为2018-2020年，均产生促进作用，但从长期来看仍属于抑制因子；技术效应对其脱钩关系产生了促进作用，是主要的促进因子，并且促进作用越来越大，2019年技术效应脱钩驱动因子促进作用最明显，技术效应的绝对值逐年增大，这说明技术效应所导致水足迹总量正在逐年降低，反应出“十三五”期间技术水平不断提升产生的良好影响；规模效应是主要的抑制因子，没有产生促进脱钩的作用，同时用水量不断升高，经济的高速发展依赖于水资源，其效应没有促进脱钩不代表河北省为了达到节水的目的而阻碍经济的发展；密度效应是次要的抑制因子，并且密度效应脱钩因子正在逐年增强，抑制作用不明显；耕地面积效应是次要的促进因子，平均脱钩因子值为-0.062，促进作用不够明显，耕地面积的减少会导致水足迹的减少，要坚持退耕还林政策，保护生态环境。

5 结 论

本文在水-能源-粮食系统下考虑水资源利用情况，通过研究得到以下结论。

（1）从整体来看，近10年河北省水-能源-粮食系统水足迹表现为波动上升的趋势，其中粮食水足迹占比最大，平均占比高达92.6%。因此，减少水-能源-粮食系统水足迹可以通过减少粮食水足迹来达成。可以采取部分技术手段来降低粮食生产制造过程的用水量，例如通过滴灌、喷灌技术等，提升其用水效率，从而达到节水的目的；另一方面，在保障粮食安全的条件下，改变耕种的结构，适量减少小麦、玉米等高耗水农作物的耕种面积，增加需水量较小、经济效益较大的农作物，进而达到减少粮食水足迹的目的。

（2）在脱钩模型设计中，变化率用增量除以两年数值和的平均数来计算，可以使结果更加平滑，减少误差；同时设置脱钩评价等级能够从总体上观察出脱钩状态的整体水平，便于分析。基于脱钩模型得到水-能源-粮食系统的脱钩关系如下，总系统脱钩情况很理想，全部处于强脱钩、弱脱钩的状态，评价等级均在A 档；粮食子系统脱钩情况不理想，变化幅度较大且状态不够稳定，多数年份处于脱钩状态，少数年份处于负脱钩状态；能源子系统脱钩情况要优于粮食子系统脱钩情况，多数年份评价等级处于A 档，且常年处于A+的强脱钩状态。

（3）在基于LMDI 的因素分解模型设计中，本文将足迹结构纳入研究范畴，同时鉴于粮食水足迹的占比最多，耕地面积是影响粮食水足迹的一大因素，同时也是系统整体水资源利用与经济增长的脱钩关系的影响因素，将足迹结构和耕地面积作为脱钩因子进行研究，一方面可以通过调整水足迹的比例升级产业结构，从而促进脱钩态势，另一方面耕地面积近10年呈不断下降趋势，作为促进脱钩的影响因子，有利于退耕还林政策稳步推进，增强人们保护生态环境的意识。