中国水-能源-粮食纽带系统安全水平与全要素生产率时空耦合协调关系分析

王 恒，方 兰

(陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展研究院，陕西 西安 710119)

水资源、能源、粮食是人类经济-社会-生态环境可持续发展的核心支撑点。随着全球人口及中产阶级比重的不断增加，城镇化进程的不断加快，工业发展对资源的过渡攫取、生活方式的肆意扩张等，水、能源、粮食系统间关联性与协调性在不断增强，传统针对单资源系统的研究范式已无法有效应对可持续发展视角下复合型系统间纽带关系研究。2011年11月德国波恩会议上，首次系统性提出“水-能源-粮食纽带系统安全关系”研究框架[1]，以可持续发展为目标，探索构建耦合水-能源-粮食纽带系统整体研究新视角与技术思路，研究如何提高效率、减少权衡、建立多系统间协同交互体系，以确保水-能源-粮食纽带系统安全性。

近年来国内外关于水-能源-粮食纽带系统的研究成果呈现井喷增长势头[2]，相关研究逐渐成为备受关注的新兴主题。学术界关于水-能源-粮食纽带系统研究主题主要涉及关联关系建模与评价[3-11]、系统风险[12]与管控[13]、产出效率[5]、粮食安全与虚拟水流动[14-18]、可持续发展[19-21]等，研究方法多采取数据包络分析[5]、系统动力学模型[3-4]、主成分分析[8]、空间计量学分析[6]、耦合协调模型、社会网络分析[22]等。关于水-能源-粮食纽带系统评价与协同效应的定量研究大多通过构建水、能源、粮食或结合社会经济子系统进行测度。综合来看，目前对水-能源-粮食纽带系统研究多是独立分析其系统内部匹配程度与可持续性[23-24]，重点关注效率评价与系统动力学分析，仅有少数研究将水-能源-粮食纽带系统与经济发展协同分析[7]。

进入工业化发展后期，广大发展中国家普遍人口增加、城镇化率不断提升，同时中产阶级占比上升，居民消费模式升级，对资源环境与经济发展的协调可持续性带来巨大的压力。近年来，经济社会快速发展的中国同样面临严峻的水资源短缺与时空分布不均、结构性粮食安全与能源安全趋紧等问题，如何在有限的资源环境及生态禀赋下，综合考量区域间经济发展差异性，协调不同地区资源安全与经济发展的耦合关系，及时有效优化调整发展战略与资源配置，成为亟待研究的重要命题。因此，研究中国区域间资源保障水平与经济系统效率耦合协调发展规律及时空匹配性，对引领中国经济社会更协调有序发展具有至关重要的意义。基于此，本文以除港澳台和西藏地区外的中国30个省(自治区、直辖市)(以下简称“省”)为研究区域，采用耦合协调度模型分析各省水-能源-粮食纽带系统安全水平与全要素生产率(total factor productivity，TFP)耦合协调关系及其时空格局，旨在为中国区域可持续发展提供参考。

1 研究方法

1.1 水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合框架

随着人类活动对资源与环境作用的不断增强，水资源、能源、粮食三者作为资源开发利用核心因素，其形成的资源利用、生态产品、服务产出的资源生态系统，正经历着与经济系统的协同演化过程。水资源作为重要投入资源参与到一次能源生产与粮食生产中，同时，农业生产与加工、运输与水资源的提取、运输、利用等环节也需消耗能源，另外生物质能转化途径也可将部分能源作物转化为乙醇等能源产品进行利用。基于水、能源、粮食之间的相互转化与系统安全性考量，如何提高整体资源使用效率、保障水-能源-粮食纽带系统的综合安全问题日益突出。

经济高质量增长已成为近年来中国经济系统发展核心命题。全要素生产率在一定程度上不仅可衡量资源配置效率，还可初步判断经济发展阶段。从生产率角度看待发展问题，可以更为有效地剖析经济发展源泉，研究如何深化资源配置，进而提高生产率，推动经济增长。

随着可持续发展理念的深入以及资源环境与经济系统矛盾的日益凸显，单纯追求经济发展无法达到经济、社会与生态的可持续发展，因此，有必要从资源禀赋即资源开采或生产端，与资源消费即资源利用端出发，结合地方经济发展效率，从资源环境承载力和人地关系角度，探究资源禀赋对经济发展耦合协调特性。

1.2 评价指标体系构建

根据水-能源-粮食纽带系统安全研究内涵，参考相关研究成果，拟选取水资源子系统、能源子系统、粮食子系统3个二级指标，遵循系统性、科学性与可操作性，构建水-能源-粮食纽带系统安全综合评价指标体系(图1)，其中人均用水量、单位GDP用水量、水资源开发利用率、人均能源消费量、单位GDP能耗、人口自然增长率为负向指标，其余指标均为正向指标。

图1 水-能源-粮食纽带系统安全综合评价指标体系Fig.1 Comprehensive evaluation index system of WEF nexus system security

1.3 TOPSIS模型

逼近理想解的排序方法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)可以同时考虑各个子系统到正理想解与负理想解的距离，可准确、合理地对各个子系统进行评价。因此，本文基于已构建的水-能源-粮食纽带系统安全综合评价指标体系，采用TOPSIS法进行水-能源-粮食纽带系统安全综合评价，具体评价方法见文献[7]。

1.4 全要素生产率测算

生产率或者全要素生产率可表征经济发展水平与资源配置效率[25]，同时，全要素生产率的提高仍是中国经济系统发展的重要目标之一[26]。因此，参考相关研究，本文采用DEA-Malmquist指数计算全要素生产率，将全要素生产率作为衡量经济增长质量的重要指标。本文选择投入指标为资本存量与就业人数，产出指标选择各省GDP，其中资本存量与各省GDP以2005年为基期进行折算，测算方法参考文献[27]。

1.5 耦合协调模型

采用耦合度刻画水、能源、粮食子系统与全要素生产率子系统间相互作用、相互影响的程度。各子系统之间的耦合度C计算公式为

(1)

式中fW、fE、fF、fTFP分别为水资源子系统、能源子系统、粮食子系统与全要素生产率子系统的综合评价得分。耦合度取值范围为[0，1]，其值的大小是可持续发展各子系统的质量决定的，越大说明各子系统之间相互作用、相互影响越强烈，具体划分标准见表1。

表1 可持续发展耦合度等级划分标准Table 1 Grading standards of sustainable development coupling degree

为研究4个子系统处于何种协调程度，引入耦合协调度模型来更准确地表征水资源子系统、能源子系统、粮食子系统与全要素生产率子系统之间的耦合协调程度：

(2)

其中

式中D为耦合协调度，取值范围为[0，1]，D越大，表示可持续发展子系统之间越协调，当D=1时，可持续发展子系统之间达到优质协调状态；反之，D越小，子系统之间越不协调。

为了分层分级表示出可持续发展耦合协调度，结合各子系统的分析数据，将可持续发展耦合协调度划分为5个等级，具体划分标准见表2。

表2 可持续发展耦合协调度等级划分标准Table 2 Grading standards of sustainable development coupling coordination degree

1.6 数据来源

数据来自《中国统计年鉴》《中国环境年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国农业统计年鉴》《中国劳动力统计年鉴》以及相关各省统计资源。

2 结果与分析

2.1 水-能源-粮食纽带系统安全综合水平演化

根据TOPSIS法测度2005—2019年各省水-能源-粮食纽带系统安全水平，结果如图2和表3、表4所示。

图2 中国水-能源-粮食纽带系统安全水平演化趋势Fig.2 Evolution trend of WEF nexus system security level in China

表3 2005—2019中国各省水-能源-粮食纽带系统安全综合得分Table 3 Comprehensive scores of Chinese provincial WEF nexus system security from 2005 to 2019

表4 2019年中国各省水、能源、粮食子系统安全得分分布Table 4 Score distribution of Chinese provincial WEF subsystem security in 2019

由图2可见，研究期内中国粮食子系统安全得分由0.211 1增长至0.315 9，增长速度最快，年平均增长率为2.921%，主要是中国各级政府极为重视粮食安全，提出“粮食安全是国家重要基础”并出台系列政策措施提高农业科技进步贡献率、农业机械化率及农产品良种化进程，不断提升中国粮食安全保障能力，由此中国粮食生产已保持“十八连丰”，粮食总产量已达到68 285万t。研究期内中国能源子系统安全得分由0.126 7增长至0.203 3，呈现出稳定增长态势，年平均增长率为3.435%，能源安全是国民经济发展的重要基础，党的十八大以来，中国政府提出能源供给革命，在降低资源消耗、降低GDP能耗的同时，大力发展非化石清洁能源，光伏发电装机量领先全球。研究期内中国水资源子系统得分由0.139 1下降至0.133 7，呈现出波动平衡状态，主要是由于水资源作为自然资源禀赋之一，具有天然属性，短期内其数量不会有显著增加，但随着经济发展与城镇化率的提升，居民用水需求以及农业、工业、生态用水需求增加，伴随着水资源短缺与部分地区水资源过度开发，导致中国水资源安全保障问题较为突出。综合来看，2005—2019年中国水-能源-粮食纽带系统安全总体得分呈现波动上升趋势，由0.186 4增长至0.239 2，年平均增长率为1.797%，增长较快时期为2009—2012年，由图2可知，中国水-能源-粮食纽带系统安全得分的上升主要源于粮食子系统与能源子系统安全保障水平的不断上升，而水资源子系统安全水平应是未来需要重点应对的领域。

由表3和表4可见，在空间维度上，水-能源-粮食纽带系统安全综合得分高值区表现出明显的“双极分布”的空间分布特征，以青海为核心的西部高安全水平中心和以河北、山东、河南为核心的环渤海地区高安全水平中心，以及甘肃、宁夏、陕西、山西4省构成北方低安全条带，其分布的地域性与地带差异性明显，高值区表现出核心边缘特征，低值区表现出条带性特征。时间维度上，中国水-能源-粮食纽带系统安全得分表现出逐渐增大态势。子系统内部结构上，2005—2019年青海与河北、山东、河南为系统安全得分较高地区，其中河北、山东、河南粮食子系统得分较高，青海水资源子系统得分较高。甘肃、宁夏、陕西、山西4省持续为得分较低地区，主要限制因素为水资源，水资源短缺严重使得系统安全综合得分较低。西南地区与东南地区综合安全水平有所下降，因研究期内西南各省水资源与能源子系统安全水平处于低位波动，进而限制了西南地区系统安全综合得分。黑龙江安全水平有所上升，主要是因为黑龙江地区水资源子系统与粮食子系统安全得分上升较快。

2.2 水-能源-粮食纽带系统安全与全要素生产率耦合协调时空分异

2.2.1全要素生产率时间演化

根据DEA-Malmquist指数方法测度2005—2019年中国各省全要素生产率，进而汇总得到中国全要素生产率变化趋势如图3所示。研究期内，中国全要素生产率呈现波动上升趋势，均值约为1.278，总体呈现平稳发展特征，2012年后略有上升，总体年均增速为0.017%，测算结果与蔡昉[26]的研究结果接近。2008—2012年中国全要素生产率有明显下降趋势， 2008年受金融危机冲击，由金融危机引发的全球经济低迷、需求不振，对出口导向的中国沿海地区制造业影响较大，同时全国各地高投资、高增长的发展模式也逐渐式微，随着中国政府一系列金融财政措施的出台，2012年第三季度中国经济触底反弹，从经济危机阴影中走向复苏，全要素生产率也随之缓慢增大。总体看来，中国经济已走入全要素增长率放缓阶段，如何立足本土，把握中国经济内循环与外循环关系，提振生产率将成为未来经济系统面临的重要考验。

图3 中国全要素生产率演化趋势Fig.3 Evolution trend of TFP scores in China

2.2.2水-能源-粮食纽带系统安全与全要素生产率耦合协调演化

根据构建的耦合协调度模型，分别测算出2005—2019年耦合度与耦合协调度，结果如图4所示。随着社会经济协调发展及资源环境改善，中国水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合度与耦合协调度呈现波动上升趋势。研究期内，耦合度由0.481 4增长至0.545 6，年均增长速度为0.898%，由拮抗阶段过渡到磨合阶段，耦合协调度由0.450 3增长至0.506 9，年均增长速度为0.849%。

图4 中国水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合协调演化趋势Fig.4 Evolution trend of coupling coordination between WEF nexus system and TFP in China

2.2.3水-能源-粮食纽带系统安全与全要素生产率耦合度时空分异

由表5可看出，中国水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合度的高值区主要包括四川、广西、江西、福建、湖南、内蒙古等资源环境较优良且与经济发展匹配度较高的地区，低值区主要集中在北京、天津、河北、山东等环渤海地区以及宁夏、青海等西北地区。空间分布整体呈“南高北低”的空间格局特征，区域差异显著。从时间系列来看，各省水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合度在0.20～0.77之间，大多处于磨合阶段和拮抗阶段，分别占比50.00%和26.67%，仍有16.67%的省份处于低耦合阶段。相较于2005年，2010年各省水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合度逐步提升，由拮抗阶段进入为磨合阶段，处于磨合阶段与拮抗阶段的省份占比分别提升至53.33%和36.67%。至2015年，各省水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合度在0.30～0.76之间，低耦合度省份彻底消失。 2019年，各省水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合度在0.23～0.77之间，相比2015年大部分省份耦合度进一步增大。

表5 中国各省水-能源-粮食纽带系统安全与全要素生产率耦合度Table 5 Coupling degree of Chinese provincial WEF nexus system security and TFP in China

综合来看，以京津冀鲁为代表的低值区省份，水资源短缺，且时空分布不均，水资源短缺不仅挤压农业用水，加剧粮食安全隐患，同时对产业经济良性发展带来巨大挑战，区域内各省份全要素生产率较低，水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率处于拮抗或低耦合阶段。中国政府协同推进区域一体化战略布局，通过推动城市间以功能互补、错位发展、整体共赢的多元化、多层次合作，环渤海地区各省正逐渐引导经济发展高质量转型。以江西、湖南、广西、四川为代表的南方高值区省份，其水资源丰沛，能源供需总体宽松，也是中国主要粮食产区，资源环境安全水平与其全要素生产率水平互相优化促进，逐渐走向有序、协调的可持续发展之路。

2.2.4水-能源-粮食纽带系统安全与全要素生产率耦合协调度时空分异

由表6可看出，在空间维度上，各省水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合协调度与耦合度空间分布相关性较强，耦合协调度与耦合度大致吻合，整体由南至北呈现出“高—低—高”的空间分布特征，其分布的地带性差异明显。在时间维度上，耦合协调度整体呈现上升趋势，全国平均水平由2005年的0.46上升至2019年的0.51。2005年，各省耦合协调度在0.29～0.55之间，最低值为宁夏，最高值为湖南，该时期耦合协调类型主要有中度协调和轻度协调两种，分别占比86.67%和13.33%。2010年，各省耦合协调度处于0.31～0.63之间，最低值为天津，最高值为江西，耦合协调度类型有良好协调、中度协调和轻度失调3种，占比分别为3.33%、76.67%和20.00%，其中江西率先进入良好协调阶段。2015年，各省耦合协调度介于0.34～0.66之间，相比2010年略有上升，其中内蒙古进入良好协调阶段。2019年，各省耦合协调度介于0.37～0.66之间，平均耦合协调度逐渐增大，最低值为天津，最高值为内蒙古，耦合协调类型有良好协调、中度协调和轻度失调3种，占比分别为10.00%、80.00%和10.00%。

表6 中国各省水-能源-粮食纽带系统安全与全要素生产率耦合协调度Table 6 Coupling coordination degree of Chinese provincial WEF nexus system security and TFP in China

综合来看，社会经济的发展与水、能源和粮食子系统安全水平的动态协同演化逐渐趋于良性，尤其生态文明战略提出后，各级政府倡导协调生态环境与经济发展之间关系，通过资源环境不断优化与经济高质量发展转型的互相促进，正引导中国水-能源-粮食纽带系统与经济发展逐渐向健康有序的新发展阶段迈进。

3 结 论

a.中国水-能源-粮食纽带系统安全高值区呈现“双极分布”的空间格局，系统安全水平整体呈现逐年提升趋势，3个子系统中，粮食子系统安全水平最高，能源子系统次之，水资源子系统最低，安全水平增速粮食子系统最高，能源子系统次之，水资源子系统最低，综合来看水资源子系统安全水平是中国经济、社会与民生发展短板。

b.中国全要素生产率在2005—2019年呈波动上升趋势，均值约为1.278，年均增速为0.017%，中国经济已进入增速放缓阶段。中国水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合协调时空差异格局显著，其耦合协调度呈现增长趋势。空间维度上由南至北呈现出“高—低—高”的空间分布特征，形成聚集的高值区中心与低值区中心；时间维度上，中国水-能源-粮食纽带系统与全要素生产率耦合协调关系呈现向高水平耦合阶段演进的趋势。