水-能源-粮食纽带系统研究脉络梳理与分析

郑德凤，王 明，安志英

(辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029)

水资源、能源和粮食之间存在紧密联系[1]，能源开发利用与粮食生产过程都需要消耗大量的水资源，而粮食生产加工和水资源的输配/处理等过程又需要消耗大量的能源物质[2]。水资源、能源、粮食任一要素的变化都会使其他要素发生一定程度的变化[3]，系统地将这3个要素关联起来称为“水-能源-粮食纽带系统”(WEF nexus)[4]。“纽带系统”是一个具有综合性、系统性和多要素的复杂关联系统[5]，涉及自然资源系统和社会决策系统两个维度[6-7]。

当前，全球范围内水资源、能源和粮食供需不平衡的矛盾日益严峻[8-10]，已严重影响人类社会的绿色可持续发展[11-12]。目前，各领域学者针对“纽带系统”从多角度开展研究，取得了不少研究成果。在气候变化方面，Phetheet等[13]分析了气候变化对没有农业适应能力的干旱地区WEF nexus的影响；Radini等[14]基于城市综合系统，分析了污水处理过程中水-能源-粮食-气候的关系；Cristiano等[15]将纽带系统延伸至生态系统领域，分析了在水-能源-粮食-生态系统关联的背景下城市安装多层绿色屋顶的利弊；Yang等[16]评估了气候和人类活动的变化对水-能源-粮食-生态系统的影响。此外，Núnez-López等[17]在宏观层面上优化了WEF nexus的弹性；Gain等[18]研究了孟加拉国政治背景下的WEF nexus。

近年来WEF nexus研究内容比较广泛，但对其研究脉络和进展还未形成整体认知，因此有必要对WEF nexus的研究脉络进行梳理和分析。价值空间分类是根据文献的研究价值对其进行分类的梳理框架，其优点在于该框架中的研究价值本身就包含一个时间的先后顺序，概念化、分析、设计和影响这一顺序与研究发展的过程相一致，有助于定性分析WEF nexus的研究脉络。CiteSpace可视化软件是基于文献信息对文献特征进行计量与描述，可以更直观地反映研究前沿的演变趋势。因此，本文以定性与定量相结合的方式对WEF nexus的研究脉络和研究前沿进行梳理与分析，采用价值空间分类框架对WEF nexus相关文献进行脉络梳理，运用文献计量方法分析国内外的研究热点和发展现状，进而统计分析常用的指标和方法的关联组合。研究成果有助于把握未来WEF nexus的最新动态，可为后续研究提供参考和导向。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文分别对国内外WEF nexus的研究文献进行计量分析，英文文献数据源于Web of Science(WoS)数据库，检索时间跨度为2011—2020年，检索式为(TS：water)and(TS：energy)and(TS：food)and(TS：nexus)，经数据预处理剔除书评(Book Review)、会议记录(Meeting Abstract)和编辑材料(Editorial Material)等，最终获得1 014篇相关文献。中文文献数据源于中国知网(CNKI)，检索式为(主题：水)and(主题：能源)and(主题：粮食)，删除与主题无关的文献后，最终获得57篇相关文献。

1.2 研究方法

价值空间分类框架是根据文献的研究价值，将其分为概念化研究、分析研究、设计导向研究、影响导向研究4类，其优点在于该框架中的研究价值表现了层层递进的探究过程，适用于定性梳理研究脉络[19]。CiteSpace是基于JAVA程序的可视化软件，可以通过节点大小、连线颜色与粗细等直观反映数据分析结果，通过可视化方式展示研究的脉络结构、热点及时序演变特征[20]。Apriori算法是挖掘数据之间关联规则的重要方法之一，其优点在于算法原理简单，容易实现，能够量化一个事件对另一事件依存度和关联度，适用于探索两者之间是否存在较强的关联规则[21-25]。主要通过逐层搜索的方式迭代寻找数据集中所有项集的关系，进一步设置支持度与置信度的阈值筛选强关联关系。支持度是数据集中某项集{α，β}出现的频率，表示为S(α→β)；置信度是前项集出现的前提下，后项集也出现的频率，表示为C(α→β)，公式如下：

(1)

(2)

式中：Count(α∩β)为项集{α，β}出现的数目；N为项集总数；P(α)为项集{α}的数目。

本文采用价值空间分类框架从定性角度将文献分为概念化、分析、设计和影响4类，分析WEF nexus的研究脉络。在此基础上应用文献计量方法和Apriori算法对WEF nexus相关文献进行定量分析。基于CiteSpace软件绘制国家和机构发文量图谱，分析各个国家和机构对该领域的关注度和科研水平；通过发文量变化分析WEF nexus的研究热度；绘制关键词共现、时区图和突现词图谱分析研究热点和主要研究议题的脉络演变；运用Apriori算法对文献中应用的指标和方法进行关联度分析。

2 WEF nexus研究脉络梳理

根据Malhotra等[26]的研究，将文献分为概念化、分析、设计和影响4类，有助于定性梳理研究脉络。因此，本文选取了WoS数据库中WEF nexus相关文献发文量和影响因子均在前10的期刊，采用价值空间分类框架对期刊中WEF nexus相关文献进行脉络梳理，并根据文献的研究类型，将其分为概念化研究、分析研究、设计导向研究、影响导向研究4类(图1)。

图1 基于价值空间分类的WEF nexus研究的脉络梳理

2.1 概念化研究

WEF nexus的概念化研究主要包括概念框架与模型方法的综述等。目前人们对WEF nexus的研究非常关注，分别从多个角度对WEF nexus进行了定义。Märker等[27]分别从横向和纵向政策整合两个方向重新定义了WEF nexus框架；Zhang等[28]对比分析了两种类型的纽带系统定义，一种被解释为纽带系统中不同子系统之间的相互作用，另一种则是作为分析方法来量化三者之间的联系。Pahl-Wostl等[29]从nexus的角度对水-能源-粮食安全进行了定义。在WEF nexus研究中被广泛接受的是由水安全、能源安全和粮食安全三者构成的纽带关系框架，学者们在此基础上进行补充或整合提出新的概念框架。Zhang等[30]从资源相互依赖、资源供给和系统整合的角度提出了城市WEF nexus的三维概念框架；Newell等[31]分别从WEF nexus和城市WEF nexus两个角度对已发表文章进行了综述分析；Karabulut等[32]沿着生态系统-水-粮食-土地-能源关系的概念提出了综合矩阵系统(EWFLE nexus)。

2.2 分析研究

WEF nexus的分析研究主要是对WEF nexus的协同效益进行评估，以及从定性和定量等角度探讨三者之间的关联关系。如Sherwood等[33-35]应用了投入-产出模型从不同角度对WEF nexus进行了评估；Uen等[36]通过多目标水库优化方案探讨了协同优化WEF nexus的效益；Si等[37]建立了黄河上游的WEF关系模型，分析了不同情景下的WEF nexus；Liang等[38]通过物质和能量流分析量化了城市WEF nexus；Schlör等[39]改进了FEW nexus城市指数，将关联指数与加权权益指数结合起来衡量城市弹性；Wang等[40]利用改进的物元可拓模型定量评价了中国WEF nexus的可持续性。

2.3 设计研究

WEF nexus的设计研究主要是构建新的综合框架或模拟模型等。Nie等[41]提出了加强WEF nexus权衡与优化的系统框架；Li等[42]建立了用于农业系统中WEF资源可持续管理的综合模型AWEFSM；Kan等[43]为解决WEF关联问题，利用异构计算加速全局优化方法改进了水量模拟与预测；Karan等[44]设计模拟了一家四口的小规模可持续WEF nexus，使用定量模型计算了可持续的WEF nexus的总成本；Martinez-Hernandez等[45]提出了一个仿真分析框架以及相应的Nexus仿真系统(NexSym)，用于分析水资源、能源、粮食和生态系统之间的相互作用。

2.4 影响研究

WEF nexus的影响研究主要分为两个方面：外界对WEF nexus的影响和WEF nexus变化对外界的影响。外界对WEF nexus的影响主要聚焦于气候变化和政策等方面。Hussien等[46]开发了WEF nexus模型以评估季节变化对WEF nexus的影响；Berardy等[47]在美国亚利桑那州构建了一个WEF nexus的动态模拟模型，以评估温度上升、能源和水供应中断对作物灌溉需求、农场能源使用和产量的潜在影响。Basheer等[48]评估了跨界河流流域合作对WEF nexus的影响。WEF nexus变化对外界的影响主要聚焦于对环境和产品供应的影响。Ramaswami等[49]量化了社区范围的水、能源、粮食供应对城市的多种环境影响，并可视化分析了环境对城市造成的WEF供应链风险；Al-Ansari等[50]评估了一种假想粮食生产系统对环境的影响；Owen等[51]使用投入-产出分析技术分析了能源、水和粮食对产品供应链上不同点的影响。总体来看，产品贸易供应、气候变化与WEF nexus之间存在较为直接的相互影响。

综上所述，近年来学者们逐渐关注WEF nexus的安全问题，研究类型较为全面，但整体而言，诸多问题的研究还存在不足之处，亟待深入研究。①目前多数研究仍以原有单因素为核心的思想(如以水为核心因素)，违背了公平竞争与权衡协同的理念，水资源、能源和粮食中任一元素的变化都会使整个纽带系统发生改变，在任何环境下均要将其视为一个整体。②当前研究仍集中于区域系统内部的纽带关系，但随着贸易流动，区域系统内部纽带关系的变化可能会使区域外各资源要素受到影响，未来可开展跨区域尺度纽带系统的综合研究，促进区域内部与外部各资源要素的可持续发展。③当前学界研究开发的定量模拟模型多侧重于刻画自然过程，而忽视了社会经济系统过程，对纽带系统难以进行全面系统的量化评估，模拟模型结果仅用于学术理论探讨，尚未应用于政府宏观决策。

3 WEF nexus研究的文献计量分析

3.1 WEF nexus发文量的变化趋势

发文量能直接反映研究领域的发展趋势及研究阶段[52]。表1显示在世界范围内，2011—2014年为初期发展阶段，总发文量31篇；2015—2020年发文量增长迅速，总发文量983篇，占比高达96.94%。中国WEF nexus的研究与世界研究情况基本一致，总体可分为两个时期，2011—2015年为概念明晰阶段，仅有1篇文献提及水、能源、粮食三位一体，但未进行深入探讨；2016—2020年为快速发展时期，发文量增长迅速，研究逐步深入。综合分析2011—2020年WEF nexus发文量变化，2015年之前研究处于起步阶段，2016年1月正式启动《2030年可持续发展议程》，17个可持续发展目标中有3项与WEF nexus密切相关，自此掀起了WEF nexus的研究热潮。

表1 2011—2020年WEF nexus发文量 单位：篇

3.2 国家和机构发文量分析

为了解各国对WEF nexus的研究现状，基于WoS数据对2011—2020年世界各国发文量及合作关系进行了系统量化分析，结果如图2所示。检索结果显示共有95个国家参与该系统的研究，由于关注度和科研能力差异，各国的发文量相差悬殊。发文量前5位的国家是美国、英国、中国、德国和荷兰，共发表892篇论文，占总量的87.97%，是WEF nexus研究的主要国家。从发文机构来看，共有297个机构参与该系统的研究(图3)，北京师范大学、德克萨斯农工大学、中国科学院、牛津大学和埃克塞特大学齐头并进，共发文129篇，占总发文量的12.72%，机构间呈现相对均一的发文数量和较为分散的合作关系。

图2 2011—2020年WEF nexus发文国家图谱

图3 2011—2020年WEF nexus发文机构图谱

3.3 WEF nexus研究热点与发展方向

3.3.1关键词共现与聚类分析

关键词是对文献内容的简要概括，其词频表示在整个研究时间区间关键词出现的累计次数，可以直观反映WEF nexus的研究热点[53]。为确保数据的真实性和代表性，本文对相同含义的关键词进行了合并处理，按词频排序的英文关键词及其中文含义与出现频次如下：water-energy-food(水-能源-粮食，289)、climate change(气候变化，241)、nexus(纽带系统，180)、food(粮食，162)、sustainability(可持续性，140)、energy(能源，140)、water(水，133)、management(管理，133)等(图4)。中文高频关键词包括水-能源-粮食(34)、纽带关系(13)、能源(11)、粮食(10)、耦合(7)、可持续发展(7)等(图5)，其中水-能源-粮食、纽带关系、可持续发展、粮食和耦合具有较高的中介中心性，在WEF nexus研究中发挥桥梁作用。基于词频、中心性和突现性等特征对关键词进行聚类分析，进而直观分析该领域的研究热点，结果显示英文关键词形成17个聚类(图6)，主要研究主题有trine(三位一体)、economy(经济)和intersectionality(国际性)等；中文关键词形成水资源、压力指数和CiteSpace等6个聚类(图7)。通过分析关键词共现和聚类结果发现，主要侧重于气候变化、可持续发展、管理和耦合协调等角度的研究。

图4 WEF nexus英文关键词共现图谱

图5 WEF nexus中文关键词共现图谱

图6 WEF nexus英文关键词聚类图谱

图7 WEF nexus中文关键词聚类图谱

3.3.2关键词时序特征分析

分析WEF nexus核心关键词的时序特征(图8)可知，自2011年将水资源、粮食和能源三者综合为系统纽带关系，掀起WEF nexus的研究热潮；2011—2012年主要围绕WEF nexus的概念框架、纽带关系，结合土地利用、资源消耗、生命周期评估、可持续发展等角度进行分析研究，并将气候变化、人口增长和城市化等因素纳入量测范围。2013年《亚太地区水-能源-粮食纽带系统报告》强调了水安全、能源安全和粮食安全的重要性，研究热点逐渐转移至WEF nexus安全和管理层面。2015年受《2030年可持续发展议程》的影响，WEF nexus的研究出现新的变化，重点关注WEF nexus的可持续性、发展远景和政策整合等。随着科技水平的提高，WEF nexus研究逐步引入计算机技术创建评估模型或系统模拟模型等，推动WEF nexus量化研究的蓬勃发展。由于距今时间较短，2017—2020年高频的核心关键词较少，但并不能表明研究热度下降。国内WEF nexus研究起步于2016年(图9)，研究内容聚焦于文献计量分析、耦合协调评价、安全评价和优化配置等方面。

图8 2011—2020年WEF nexus英文关键词时区图

图9 2011—2020年WEF nexus中文关键词时区图

3.3.3突现词分析

突现关键词能够表示某一时段内研究领域的趋势和新兴热点，由表2可知，16个突现词中强度最大的是security(安全)、food security(粮食安全)和biodiversity(生物多样性)。研究热点大致分为两个阶段，2012—2014年突出显示bioenergy(生物能)、agriculture(农业)、resource(资源)和climate(气候)等属于自然属性的关键词，由气候变化导致的水资源短缺和能源高耗使灾害风险增加，资源和气候等自然要素与WEF nexus耦合研究逐渐成为热点。2015—2018年突现词分为地区和社会要素两方面，研究热点地区为Southeast Asia(东南亚)、United States(美国)和Central Asia(中亚)，社会要素有water footprint(水足迹)、security(安全)、resilience(恢复力)和IWRM(水资源综合管理)等。WEF nexus的中文研究成果较少，无突现词。综合分析2011—2020年突现词的演变发现，为促进人类可持续发展，研究热点逐渐从自然领域过渡到社会领域。

表2 2011—2020年WEF nexus英文突现词

3.4 应用指标和方法分析

本文利用Apriori算法探索WEF nexus相关文献中所应用指标和方法的关联规则，发现人均水资源量与能源消费量、粮食播种面积、用水占比以及人均粮食产量等指标之间有较强的关联关系，人均用水量与万元GDP能耗、万元GDP用水量、人均粮食产量和人均粮食消费量有较强的关联关系(图10)，表明水资源量是WEF nexus的核心要素，该结果与斯德哥尔摩国际环境研究院(SEI)结果基本一致[54]。耦合协调模型、综合指数法、空间分析法和灰色预测模型之间存在强关联关系(图11)，主要用于水-能源-粮食耦合系统评价。此外系统动力学与压力-状态-响应模型，熵值法与投入产出模型之间都存在较强的关联关系。

图10 WEF nexus研究指标关联规则图谱

图11 WEF nexus研究方法关联规则图谱

4 结论与展望

4.1 研究结论

a.对比黄雅丽等的研究[55-56]，本文不仅采用文献计量的方法量化分析了WEF nexus的文献特征，而且应用定性与定量相结合的方式对WEF nexus的研究脉络和研究前沿进行梳理与分析，通过价值分类框架梳理研究脉络发现WEF nexus的研究目前处于初级阶段，概念框架研究不断完善，但多数研究仍以原有单因素为核心的思想，违背了公平竞争与权衡协同的理念。研究多从定性和定量等多角度分析了三者之间的关联关系，除对WEF nexus内部联系进行研究外，还与土地、生态系统、气候和环境等外部系统进行关联构建新框架，但仍集中于区域系统内部纽带关系的研究，忽视了与区域外各资源要素之间的相互影响。在设计导向研究中，当前构建量化模拟模型为重点研发对象。在影响导向研究中，研究议题聚焦于气候变化、政策、产品贸易供应和环境等要素与WEF nexus之间的相互影响。

b.目前WEF nexus的研究正处于热潮，2015—2020年发文量迅速增长，总发文量983篇，发展前景广阔；美国、英国、中国、德国和荷兰对WEF nexus的研究起主导作用，发文量前5的机构为北京师范大学、德克萨斯农工大学、中国科学院、牛津大学和埃克塞特大学，其中来自中国的机构有两个，且与全球其他机构合作较多。

c.WEF nexus的概念框架、纽带关系、土地利用、资源消耗、生命周期评估、可持续发展、安全、管理、气候变化和政策整合等分别是不同时期的主要研究热点。在国内应用耦合协调模型、综合指数法、空间分析法和灰色预测模型等方法研究WEF nexus是研究时期最活跃的研究议题。

4.2 展望

水资源、能源和粮食是推动经济、社会和环境发展的重要资源。深入研究WEF nexus对社会经济增长和人类可持续发展有积极的促进作用，也是保证资源安全、协同发展的重要手段。未来该领域还需要从以下几个方面进行深入探索：

a.水资源、能源和粮食之间已形成跨越部门与地域交互影响的纽带系统，但目前对WEF nexus的研究普遍涉及空间和时间两个维度，未来可以依据“耦合魔方”理论，从空间(近远程)、时间(近远期)、表象(显隐性)和组织(组内外)四个维度进行系统边界的确定，形成内外协调“三位一体”的良性耦合关系，从而更全面地研究WEF nexus。

b.大量的碳排放已危及全球生态环境和经济社会的发展，气候变化可能对全球造成灾害性影响。我国受气候变化影响显著，尤其是2021年7月河南省特大暴雨洪灾，造成水体污染，电力、天然气与石油等能源供应中断和粮食减产等危害，从而影响地区WEF nexus的平衡。应对气候变化、控制碳排放、实现碳中和已成为人类发展过程中的重大挑战，未来可以从WEF nexus角度分析碳转移或控制碳排放，为实现“双碳”目标做出贡献。

c.水资源、能源和粮食供需矛盾日益突出，实现3种资源的权衡发展、提高资源利用效率是亟待解决的重要问题。循环经济能够更高效地利用资源和保护环境，实现以最小的发展成本获取较大的经济、社会和环境效益，因此，在循环经济和绿色发展背景下实现水资源、能源和粮食的均衡发展，将对经济社会可持续发展具有重大的促进作用。