黄河流域水资源－能源－粮食系统生态可持续发展能力评价

孙才志，段兴杰

（1.教育部人文社科重点研究基地 辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心，辽宁 大连 116029；2.辽宁省海洋经济高质量发展高校协同创新中心，辽宁 大连 116029；3.辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029）

人类生存和经济发展得益于水资源、能源、粮食重要自然资源的支撑，2011年波恩会议上首次将水资源、能源、粮食联系起来并作为一个整体考虑，认为三者之间相互联系、紧密依存、相互制约［1－2］。黄河流域有丰富的矿产、能源、土地资源，是我国重要的能源基地和粮食主产区，然而流域经济发展因水资源短缺而受到制约［3］，矿产资源因过度开发而面临枯竭，流域生态环境遭受破坏［4］。2019年9月18日，习近平总书记在郑州主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会，明确提出黄河流域生态保护和高质量发展的主要目标任务之一是加强生态环境保护［5］。科学评价黄河流域水资源－能源－粮食系统生态可持续发展能力，对于促进该系统均衡发展、加快推动流域生态可持续发展至关重要［6］。水资源－能源－粮食系统作为一个复合系统，是具有一定结构和功能的有机整体。在进行黄河流域水资源－能源－粮食系统生态可持续发展能力评价时，需要从经济社会发展和生态环境保护全局视角，综合考虑水资源安全、能源安全、粮食安全和生态环境健康发展［7］。一些学者对此进行了研究，如赵红蕊等［8］将时空信息熵应用于延河流域生态可持续性分析中，结果表明延河流域的生态弹性总体增强，生态可持续状况明显改善；刘家旗等［9］利用生态足迹理论和生态可持续发展能力指数等对黄河流域生态可持续发展进行评价；宁朝山等［10］利用改进的纵横向拉开档次法和耦合协同度模型对黄河流域生态保护和经济发展水平进行综合评价。能值评价是一种评价区域生态经济系统在不同尺度上可持续发展能力的方法，近年来国内外学者将其应用于各个领域与区域，如马文静等［11］使用能值分析方法全面评估了我国生态可持续发展水平；Pan等［12］建立生态系统服务能值指标体系，评价了思茅市城市系统的可持续发展能力；王慧亮等［13］利用能值理论评价了黄河流域各省（区）水资源生态经济系统的可持续发展状况。

通过梳理文献发现，国内外学者在对水资源、能源和粮食子系统可持续发展能力进行评价时，往往忽略不同地区资源储量、社会发展、经济基础和技术条件等方面存在的差异，导致评估中指标选取不同，难以建立统一的评估框架，影响系统整体评估结果的准确性［14］。鉴于此，本文以黄河流域为研究对象，采用能值分析方法评价其水资源－能源－粮食系统生态可持续发展能力，以期为黄河流域生态保护和高质量发展提供参考。

1 流域概况

黄河全长5 464 km，从上游到下游依次流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南和山东9个省（区）。黄河流域面积79.5万km2，占全国总面积的8.28%。黄河流域是我国重要的生态安全屏障、能源化工基地和粮食生产基地，在国家生态环境建设和经济发展中具有战略性地位。2021年年底黄河流域生产总值为16.92万亿（占全国的14.79%），总人口2.52亿（占全国的17.83%）。流域内降水分布不均，水量仅占全国河川径流的2%，人均水资源量仅占全国平均水平的1／4。黄河流域能源储量庞大，蕴藏着丰富的煤炭、石油和天然气等能源资源，国家规划建设的山西、鄂尔多斯盆地和蒙东国家综合能源基地都位于该流域［15］。流域光热资源丰富，2021年黄河流域粮食产量1.61亿t，占全国粮食总产量的23.57%。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 能值分析理论和方法

能值分析理论与方法是由Odum［16］创立的，Odum把能值定义为一种流动或储存的能量所包含另一种类别能量的数量，由于地球上的能量来源于太阳能，因此任何种类的能量都可以被测算为太阳能值，并通过能值转换率转换成太阳能等效焦耳。能值计算公式［16］为

式中：E为能值，sej；τ为能值转换率，sej／J（或sej／g）；B为能量，J（或为物质的质量，g）。

2.1.2 信息熵理论

利用信息熵理论方法，可以更好地表达水资源－能源－粮食系统的复杂变化信息，提供更加客观的结构均衡性分析结果，从而揭示该系统的生态可持续性状况。信息熵计算步骤如下［6，17］。

（1）对数据进行标准化处理：

式中：Xij、X′ij分别为第i年指标j的原始值和标准化后的值；Xjmax、Xjmin分别为研究期指标j的最大值和最小值。

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（2）计算信息熵：

式中：W（x）、E（x）、F（x）分别为水资源、能源、粮食子系统的信息熵；p（wi）、p（ei）、p（fi）分别为水资源、能源、粮食子系统指标量占比；H（x）为水资源－能源－粮食系统信息熵。

运用能值分析理论与方法，绘制黄河流域水资源－能源－粮食系统的能值系统图，见图1。

图1 黄河流域水资源－能源－粮食系统的能值系统

（3）构建指标体系。依据黄河流域水资源－能源－粮食系统的实际情况，构建系统能值指标体系，见表1；采用信息熵理论，并借鉴刘耕源等［18］、吕翠美等［19］构建的评价指标体系，构建基于信息熵理论的黄河流域水资源－能源－粮食系统均衡性评价指标体系，见表2。

表1 黄河流域水资源－能源－粮食系统能值指标体系

表2 基于信息熵理论的黄河流域水资源－能源－粮食系统均衡性评价指标体系

2.2 数据来源

本文所用的黄河流域9个省（区）的相关数据来源于2008—2018年《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《黄河水资源公报》及各省（区）统计年鉴等。本文黄河流域各省（区）均指其在黄河流域范围内的区域，所采用的能值折算系数和能值转换率以及能值计算公式主要参考刘耕源等［18］、Odum［20］、蓝盛芳等［21］、黄黄等［22］的研究成果。利用表1得到的2008—2018年黄河流域水资源－能源－粮食系统能值计算结果见表3。

表3 2008—2018年黄河流域水资源－能源－粮食系统能值计算结果

3 结果与分析

3.1 系统整体能值评价指标分析

由表3可知，2008—2018年黄河流域水资源－能源－粮食系统的总能值用量由2008年的7.64×1023sej增长到2018年的1.45×1024sej，不可更新资源占比由2008年的95.7%增长到2018年的96.72%，可更新资源占比由2008年的4.3%下降到2018年的3.28%。可见，黄河流域资源消耗以不可更新资源为主且使用量呈增加趋势，可更新资源投入量少且呈减少趋势。为保证水资源－能源－粮食系统稳定、协调和健康发展，应减少煤、石油、天然气等不可更新资源的投入，加大太阳能、风能、水电等可更新资源的开发力度，实现能源的可持续利用。

2008—2018年黄河流域水资源－能源－粮食系统环境负载率呈现先增大再减小再增大的趋势，由2008年的30.26增大到2018年的48.71。2015年开始可更新资源的使用量增大，系统生态环境压力有所减小，2018年因不可更新资源消耗量增加而出现峰值。能值可持续发展指数变化幅度不大，由2008年的0.14下降到2018年的0.10；可持续发展指数从2008年的0.25减小到2018年的0.09。参考陆宏芳等［23］的研究成果可知，可持续发展指数越小，系统可持续发展能力越弱。该系统2008—2018年能值可持续发展指数和可持续发展指数一直处于下降趋势，在经济快速发展的同时对当地生态环境造成了很大压力，造成系统生态可持续发展能力不断减弱的主要原因是不可更新资源的过度开发和不合理利用［24］。由此可见，该系统长期处于生态超负荷状态，今后必须调整经济发展模式，合理配置不可更新资源与可更新资源的使用。

3.2 黄河流域各省（区）能值评价指标分析

3.2.1 黄河流域各省（区）能值用量分析

鉴于黄河流域范围内各省（区）面积差异较大，本研究采用单位面积能值分析各省（区）能值用量。由表4可以看出，黄河中下游的内蒙古、山西、陕西、河南和山东能值用量远远大于黄河上游各省（区），尤其是山东能值增长最为明显，由2008年的1.53×1013sej增大到2018年的3.14×1013sej。

表4 黄河流域各省（区）单位面积能值用量1011sej

各省（区）能值用量占比见图2（山东和河南可更新资源占比太小图中无法显示），可以看出，黄河流域各省（区）能值总量构成以不可更新资源为主。山西、内蒙古主要依靠不可更新资源促进经济发展，河南、宁夏、陕西不可更新资源占比波动较大，陕西2015年因外界不可更新资源输入减少、当地不可更新资源消耗量增加而出现峰值。黄河流域上游的青海和四川经济发展以可更新资源投入为主，流域中下游的内蒙古、山西等省（区）可更新资源占比较低。在今后的发展中，上述省（区）应提高不可更新资源利用率，合理开发利用自然资源，加大可更新资源的开发力度，以促进经济发展。

图2 黄河流域各省（区）能值用量占比

3.2.2 各省（区）自然子系统及可持续发展能值评价指标分析

根据表1可持续发展能值表达式计算出的2008—2018年黄河流域各省（区）可持续发展指数见表5。由表5可知，山东、河南环境负载率较大且都大于10，呈增长趋势，这些省份经济发展程度较高，生态环境压力较大，由于过度开发当地有限的不可更新资源，因此生态环境恶化；青海、甘肃、四川环境负载率较小，原因是这些地区经济发展程度较低，生态环境压力相对较小，不可更新资源使用量较少。环境负载率较大的省（区）能值可持续发展指数较小，2008—2018年山东、河南能值可持续发展指数较小且都小于1，这2个省的经济发展程度较高，资源利用强度较大，内部生态环境压力较大；青海大部分年份1＜能值可持续发展指数＜10，表明系统具有活力，生态可持续发展状况较好；四川大部分年份能值可持续发展指数＞10，说明该省所属黄河流域部分资源丰富但开发利用不够，致使经济不够发达。山东能值可持续发展指数＜1，可持续发展指数却逐年减小，说明山东经济达到了较高的水平，由于系统输入能值远大于系统输出能值，不可更新资源过度开发利用，长远来看生态可持续发展竞争优势逐渐减小［25］；可持续发展指数较小的山西作为煤炭大省，随着不可更新资源开发力度的加大处于资源枯竭的窘境，给生态环境带来巨大压力。

表5 黄河流域各省（区）可持续发展指数

3.3 黄河流域水资源－能源－粮食系统均衡性分析

系统均衡性不仅能反映水资源子系统、能源子系统和粮食子系统三者间的相互作用程度，而且能说明其生态可持续发展水平高低。根据信息熵理论测算出的2008—2018年黄河流域水资源－能源－粮食系统熵值变化情况见图3，可以看出，系统熵值整体呈波动减小趋势，省（区）间水资源－能源－粮食系统均衡性差距较大。宁夏、青海和内蒙古熵值较小，宁夏和内蒙古经济发展主要依靠不可更新资源的消耗，使得均衡性较差；青海水资源量丰富，但经济水平较低，致使均衡性较差。河南、山东、山西和陕西的熵值较大，这些省份作为我国重要的粮食主产区和能源生产基地，农业生产规模大、经济发展水平较高，水资源和能源利用率也较高，使得均衡性较好。但是，经济发展造成系统生态压力较大，地区水资源、能源与粮食之间的矛盾更加尖锐，尤其山东的熵值减小趋势最为明显，由2008年的3.02减小到2018年的2.15，均衡性降低。甘肃和四川熵值在2.75～2.89范围内波动，均衡性处于中等水平，这2个省水储量较大但水资源开发利用率较低、可持续发展水平较高。黄河流域水资源－能源－粮食系统的生态可持续发展能力不断减弱，亟须采取针对性措施，提升其水资源－能源－粮食系统的均衡性，实现当地水资源、能源和粮食可持续发展。

图3 黄河流域各省（区）水资源－能源－粮食系统熵值变化

4 结 论

（1）2008—2018年黄河流域水资源－能源－粮食系统主要依赖不可更新资源，属于资源消耗型的经济发展模式。系统长期处于高环境负荷状态，经济快速发展的同时对当地生态环境产生了很大压力，造成系统可持续发展能力不断减弱，原因主要是不可更新资源的过度开发以及不当利用。

（2）2008—2018年黄河中下游能值用量远远大于黄河上游，各省（区）能值总量构成以不可更新资源为主；黄河流域下游生态环境压力日益加重，上游省（区）生态环境压力相对较小；黄河下游经济发展水平高但可持续发展能力较低，应加强对可更新资源的开发力度，减少对不可更新资源的依赖；上游经济发展较为落后但可持续发展能力较强，需完善基础设施建设，在保证现有可持续性发展能力的基础上，逐渐缩小同下游经济发达地区的差距。

（3）2008—2018年黄河流域水资源－能源－粮食系统熵值整体呈波动下降趋势，各省（区）间系统均衡性差距较大。宁夏、青海和内蒙古熵值较小，均衡性较差；河南、山东、山西和陕西的熵值较大，均衡性较好；甘肃和四川熵值在2.75～2.89范围内波动，均衡性处于中等水平。黄河流域水资源－能源－粮食系统的生态可持续发展能力不断减弱，亟须采取针对性措施，提升系统的均衡性。