长江经济带水-能源-粮食-土地耦合协调发展研究

顾茉莉　叶长盛　楼婷婷　李鑫

摘要：研究土地利用与水-能源-粮食系统耦合机理和协调发展状况有助于区域资源管理和协同合作。以长江经济带为例，分析了水-能源-粮食-土地系统的耦合协调机理，构建综合评价指标体系，运用耦合协调度模型和空间相关性分析测度研究区2005～2020年水-能源-粮食-土地系统耦合协调发展的时空演变特征和空间联系。结果表明：① 2005～2020年长江经济带水-能源-粮食-土地系统综合評价指数不断上升，耦合度达到高水平耦合阶段，耦合协调度经历勉强协调-初级协调-中级协调-良好协调-优质协调5个阶段。② 各省市间水-能源-粮食-土地系统耦合度达到高水平耦合阶段，协调发展水平处于初级协调和中级协调阶段，总体呈现上游地区>中游地区>下游地区的基本态势。③ 水-能源-粮食-土地系统耦合协调度省域空间集聚度不稳定，空间正负相关性波动强烈，分布格局易发生变动。

关 键 词：土地利用； 水-能源-粮食； 耦合机理； 协调发展； 长江经济带

中图法分类号： F301.24；TV213.4 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.002

0 引 言

水资源、能源和粮食（Water-Energy-Food，WEF）作为人类生存和社会经济发展必不可少的基础性资源，是可持续发展研究的重要课题［1-2］。预计到2050年，世界人口将达到98亿［3］，多达50亿人的正常供水难以得到满足［4-6］。人口的急剧增长、能源枯竭、粮食安全以及水资源短缺等成为人类社会发展过程中不容忽视的一系列问题。水-能源-粮食三者之间的关系复杂而又密不可分，任一系统中的单个变量变化都会引起整个纽带系统的互动和响应。将水-能源-粮食三要素或多要素整合，研究其内在联系、利用效率、空间分布等，有利于实现资源的高效利用和跨部门的集成管理。

土地是承载水、能源、粮食等资源并实现其开采、利用等一切活动的基础［7-8］。粮食的种植、灌溉、生产及收割加工不断消耗着水、能源和土壤肥力；能源的存储、挖掘、处理及运输需要大量的水资源；水资源是构成土地系统的主体之一，其运输、净化过程伴随着能源的消耗。土地利用影响着水、能源、粮食的生产和供应，四者之间存在着复杂的因果关系。因此，有必要将土地要素与水-能源-粮食关联起来探讨各系统之间的耦合机制。

目前，关于水-能源-粮食的研究主要包括3个方面：① 界定水-能源-粮食系统的概念与纽带关系。2011年，世界经济论坛发布《全球风险报告（第六版）》第一次提出“水-能源-粮食风险群”概念［9］。同年，在德国波恩举行的WEFN（Water-Energy-Food Nexus）国际会议将水资源、能源、粮食之间的关系总结为一种“纽带关系”［10］。自此，关于水-能源-粮食纽带系统的研究内容和范围逐渐丰富和多元化。众多国际组织和学者从不同领域、不同视角对其概念进行理解表述。如从水资源［11］、粮食安全［12］、气候变化［13］角度，强调特定子系统，探讨水-能源-粮食纽带系统的关联关系及影响因素。Biba［14］、White等［15］则将水-能源-粮食视为整体，认为它们之间是相互依存、不可分割的关系。② 揭示水-能源-粮食系统运行特征和动态演变。运用数学模型定量分析水-能源-粮食系统内部的协同机制、对外影响及优化措施。李桂君等［16］采用数据包络分析方法评价了中国30个地区的水-能源-粮食投入产出效率，为提升区域水-能源-粮食投入产出效率提供了政策建议。Naderi等［17］将水-能源-粮食作为整体，对伊朗Qazvin平原的水资源系统进行了定性描述和定量系统动力学模拟，结果表明现状的管理政策会对未来的水、能源系统造成严重损害。还有很多学者运用NexSym模型［18］、耦合协调度模型［19］、生命周期法［20］等方法研究水-能源-粮食系统的发展状态和优化管理。③ 研究气候、土地等外部因素与水-能源-粮食系统的关联关系和影响。将社会和自然属性纳入水-能源-粮食系统进行全局考虑。李桂君等［21］运用系统动力学构建了以水-能源-粮食为主体并涵盖社会、经济和环境要素的因果关联网络，模拟未来的资源需求，揭示了多种因素对资源利用的影响。Heuvel等［22］通过生态系统服务视角并使用关联方法评估水-能源-粮食-土地-气候之间的相互作用，为多部门管理和政策制定提供了参考；Li等［23］开发了一种气候变化下农林业系统中水-土地-粮食-能源纽带关系的优化方法，为农林业系统中水、粮食、能源和土地资源提供了可持续发展战略。

综上所述，关于水-能源-粮食系统的研究越来越丰富。国内外学者多集中于探讨水-能源-粮食系统的关联关系、协同发展及影响因素，而土地利用作为人口-资源-环境可持续发展的基本问题，将其纳入水-能源-粮食系统进行研究尚不多见，且研究多聚焦于国家［24］、流域［25］、省市［26］，鲜有关于长江经济带的研究。此外，系统动力学和耦合协调度模型在水-能源-粮食系统研究中已得到广泛运用［2，27］，可为本文分析水-能源-粮食-土地系统耦合机理和协调发展提供理论支撑。长江经济带作为中国经济发展战略区、生态引领示范区，在中国区域发展格局中具有极其重要的地位和作用，运用系统动力学先厘清土地利用与水-能源-粮食系统的耦合机理，据此构建水-能源-粮食-土地评价指标体系，再运用耦合协调度模型定量测度其2005～2020年协调发展状况，分析其水-能源-粮食-土地系统空间联系，旨在为区域资源协同管理、跨部门政策制定提供参考。

1 水-能源-粮食-土地系统耦合协调发展机理

系统动力学可以反映土地利用、社会经济、自然环境等多种驱动力之间的相互关联及因果循环反馈机制。因此，本文运用系统动力学方法呈现水-能源-粮食-土地系统的因果反馈机制（见图1）。

水子系统是关联能源、粮食和土地子系统的基础要素。水子系统通过投入农业用水和降水为粮食等农作物的灌溉、种植、生产提供基础物质资料；通过投入工业用水，为能源开发、提取、加工、冷却、生产提供动力支撑；通过投入生活用水满足人民生活需求，同时水资源是构成土地系统的主体之一，以土地作为存储场所并进行活动。

能源子系统是水、粮食和土地子系统运行的重要动力。能源子系统通过投入粮食生产用能，即农用机械动力，为农业种植提供动力支持；通过产能消耗为水资源的生产、运输、供应提供支撑；能源产出的工业废水，经过加工净化成为再生水循环利用，还有部分废水废气经过排放、降水、大气循环等环节渗入土壤和植被，造成土壤植被污染，降低土地利用效率并影响土地利用变化。

糧食子系统是水、能源和土地子系统运行的产物。粮食子系统以水资源和能源供应帮助农作物生长、成熟、收获、加工，并通过消耗玉米、小麦等能源作物为生物质能生产提供原料，通过粮食供给提升人民生活需求和社会经济发展。农业生产活动以耕地为基础，其残留的化肥、农药又会造成农田和水资源污染，损害生态系统健康。

土地子系统是水、能源和粮食子系统运行的基本保障。城镇化的推进使土地利用结构发生剧烈变化。人口增加和经济发展使得建设用地急剧扩张，工业用地、交通用地增加需要消耗更多的能源和水资源，同时侵占了大量的生态用地，如农田、林地和水域等，导致粮食种植面积减少，影响水资源和能源的开发利用方式。然而，人口增加对粮食和自然资源的需求也在不断增加，粮食和能源生产消耗过程中形成的污染又会对土壤造成损害，土地利用供需矛盾日益突出。

综上所述，水-能源-粮食-土地系统之间相互依赖、相互权衡。若只侧重单一要素或某二元要素之间的关联，难以实现区域水、能源、粮食及土地的整体安全。因而有必要将水-能源-粮食-土地系统视为整体，探讨其耦合协调发展状况。

2 数据与方法

2.1 研究区概况与数据来源

长江经济带横跨中国东中西三大经济板块，覆盖9省2市，分为上游、中游和下游3个区域，上游地区包括重庆、四川、贵州和云南，中游地区包括江西、湖北和湖南，下游地区包括上海、江苏、浙江和安徽。国土面积为205万km2。2020年，长江经济带常住人口为60 637.67万人，地区生产总值为471 579.99亿元，分别占全国常住人口和生产点值的42.94%和46.42%。区域用水总量为2 482.80亿m3，水资源总量为15 600.60亿m3，分别占全国用水总量和水资源总量的42.71%和49.36%。能源消耗总量为173 067.68万t标准煤，能源生产总量为73 408.50万t标准煤，分别占全国能源消耗总量和能源生产总量的35.50%和18.48%。粮食生产总量为23 914.14万t，占全国粮食物产总量的35.72%。长江经济带以21%的国土面积集聚了全国40%以上的人口和经济总量，人口增长和经济发展使得能源、粮食等资源供需不平衡。研究土地利用与水-能源-粮食系统的因果联系和协调发展对促进区域可持续发展具有重要意义。

本次研究数据包括长江经济带11个省市的社会、经济、能源、土地等统计数据，主要来源于《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国城乡建设统计年鉴》《中国国土资源统计年鉴》以及各省市的统计年鉴和统计公报。个别省市个别年份的缺失数据利用SPSS软件中“替换缺失值”功能，即采用线性插值法进行补充。

2.2 研究方法

2.2.1 指标体系构建

依据长江经济带水-能源-粮食-土地系统的因果反馈机制，构建评价指标体系，评估区域耦合协调发展状况（见表1）。指标选取借鉴已有研究成果［28-29］，从总量、结构、效益3个方面选取水资源和能源系统指标，从生产、流通、消费3个方面选取粮食系统的指标，从经济、社会、生态效益3个方面选取土地系统的指标。

2.2.2 综合评价指数

为消除指标体系中因数据量纲、正负取向存在差异而造成的计算不便，将其进行无量纲化处理［19］。由于长江经济带各个省市发展程度不同，同一指标会具有不同权重，为保证评价指标权重的客观性，采用熵权法对指标进行赋权［30］。利用综合评价指数法测度长江经济带水、能源、粮食、土地4个系统的发展水平。具体步骤如下。

2.2.4 基于Moran′s I指数的空间相关性分析

本文引入全局空间自相关和局部空间自相关来检验区域耦合协调度的空间依赖性。全局Moran′s I指数反映的是整个区域水-能源-粮食-土地系统耦合协调发展的空间自相关趋势，用来考察各省市总体上的耦合协调发展集聚度。局部Moran′s I指数反映的是一个空间单元与其领域的相似程度，用来衡量各省市耦合协调发展的空间差异程度［31］。计算公式如下：

式中：I为全局自相关指数；Ii为局部空间自相关指数；n为研究对象个数；xi、xj分别为区域i、j的观测值；x-为观测值平均值；Wij为空间权重矩阵（空间相邻为1，不相邻则为0）；S2i为属性值xi的方差。

3 结果与分析

3.1 水-能源-粮食-土地系统耦合协调时序演变

为反映研究区水-能源-粮食-土地系统耦合协调发展的时间演变特征，将长江经济带视为一个整体，计算2005～2020年水-能源-粮食-土地系统的综合评价指数、耦合度及耦合协调度（见表4）。

2005～2020年，长江经济带四大系统的综合评价指数总体呈上升趋势，2005～2012年处于起伏波动阶段，波动幅度呈现“W”形走势；2013～2020年处于稳定上升阶段。水资源子系统评价指数在2005～2012年间波动幅度较大，2013～2020年呈上升趋势。能源子系统整体保持平稳上升趋势。主要是由于能源生产量和消费量都在不断增加，能源消费效率得到了提高。粮食子系统除了在2005～2007年间有略微下降，其余年份基本上呈稳定上升态势。这是因为科学技术提升，粮食单产提高以及农业现代化等国家政策推动了农业发展。土地子系统除了在近几年上升快速外，总体呈稳定上升趋势。这也说明人民生活质量得到了改善，生态文明建设和城市发展在不断加强。

2005～2020年，水-能源-粮食-土地系统耦合度已处于高水平耦合阶段，这说明四大系统之间存在强稳的关联性和依赖性。系统耦合协调度不断上升，主要包括4个阶段：2005～2013年处于勉强协调与初级协调之间起伏波动阶段；2014～2018年处于中级协调阶段；2019年处于良好协调阶段；2020年处于优质协调阶段。可以看出，长江经济带水-能源-粮食-土地系统的协调发展水平在不断提升，并积极地朝着优质协调方向稳定发展。国家生态文明建设、长江经济带发展规划等政策的发布和实施推进了生态文明领域国家治理体系和治理能力现代化，促进了区域一体化和经济高质量发展，同时也提高了长江经济带水-能源-粮食-土地系统协调发展水平。

3.2 水-能源-粮食-土地系统耦合协调空间差异

为了反映长江经济带水-能源-粮食-土地系统协调发展水平的空间演变特征，分别计算出2005～2020年上游、中游、下游三大区域共11个省市的水-能源-粮食-土地系统综合评价指数、耦合度及耦合协调度均值（见图2和表5）。

总体来看，长江经济带各省市的水-能源-粮食-土地系统综合评价指数和4个子系统的评价指数都不高，基本在0.4～0.6之间波动。综合评价指数总体呈上游>中游>下游。其中，水资源子系统评价指数上游>中游>下游，与各区域的水资源含量及用水结构有关。能源子系统评价指数上游>中游>下游，上游和中游地区评价指数相近，主要是因为上游和中游能源生产量、能源消耗强度、能源自给率较高，同时二氧化硫等废气排放量增加，而下游地区受上海能源指数影响，能源主要依靠外来输入供给。粮食子系统评价指数下游>上游>中游，主要是因为下游地区人口增长较快，粮食消费价格指数、人均粮食产量及粮食播种面积排名始终靠前。土地子系统评价指数下游>中游>上游，因为下游地区人口密度、建成区绿化覆盖率、地均GDP等多数指标排名始终靠前，经济发展较好，土地利用程度高。

2005～2020年，各省市水-能源-粮食-土地系统耦合度均达到了高水平耦合阶段，耦合度均大于0.970，说明单个研究区内4个子系统之间的关联性依旧很强。但各省市水-能源-粮食-土地系统耦合协调度水平却不高，总体呈现上游>中游>下游的基本态势。长江上游省份整体的耦合协调程度相对较高，除重庆外，其余三省处于中级协调阶段，主要是由于这些地区降水量充沛、人均水资源量较高，农业发展水平较高。中游地区中湖北和湖南处于中级协调状态，而江西处于初级协调状态，主要受粮食子系统影响较多。下游地区中除了安徽处于中级协调状态外，上海、江苏和浙江都在初级协调阶段，受能源子系统影响，区域能源有限且能源分配不合理导致水-能源-粮食-土地系统协调发展水平较低。总体而言，长江经济带各省市水-能源-粮食-土地系统耦合协调度还有很大的提升空间，未来仍需加强水资源保护、资源高效利用、農业现代化及土地资源分配。

3.3 水-能源-粮食-土地系统耦合协调的空间相关性分析

运用Stata软件计算得到2000～2020年长江经济带水-能源-粮食-土地系统耦合协调度的全局Moran′s I指数（见表6）。可以看出，全局Moran′s I指数在2007，2008，2013年通过了1%的显著性检验，在2014年和2016年通过了10%的显著性检验，且符号为正，分别为0.506、0.767、0.416、0.121及0.156，说明各省市之间水-能源-粮食-土地系统耦合协调发展在其内部存在正向空间自相关性，有较强的空间集聚态势。2005～2020年，Moran′s I指数波动趋势明显，大部分年份的指数为负值，呈空间负相关态势，说明其耦合协调度的空间分布格局并不稳定，集聚度易发生变动。

利用Moran散点图来反映水-能源-粮食-土地系统耦合协调度分别在2005，2010，2015年及2020年的局部空间自相关性（见图3）。2005年，长江经济带多省市处于“高-高”区域，表明耦合协调度低值城市包围低值城市，空间呈正相关态势。2010年和2015年多数省市呈“高-高”“高-低”集聚，2020年多数省份位于“低-高”“高-低”区域，表现为空间负相关性关系，具有较强的空间异质性和离散型特征。可以看出，各省市间耦合协调度在空间上存在较大的不稳定性，空间集聚度较低。这主要是因为长江经济带整体社会和经济发展越来越好，但区域差异却在拉大，长江上、中、下游发展不平衡问题突出。未来，应加强东中西互动合作、资源合理分配，以缩小东中西部地区发展差距，促进长江经济带协调发展。

4 结 论

本文以长江经济带为例，运用系统动力学、耦合协调度模型及空间相关性等方法分析了长江经济带水-能源-粮食-土地系统的耦合机理和时空演变特征。得到以下结论：

长江经济带水-能源-粮食-土地系统综合评价指数在2005～2012年呈波动增长趋势，2013～2020年呈现稳定上升趋势。2005～2020年水-能源-粮食-土地系统耦合度已达到高水平耦合阶段。耦合协调度经历勉强协调-初级协调-中级协调-良好协调-优质协调5个阶段。

2005～2020年长江经济带各省市的水-能源-粮食-土地系统综合评价指数总体表现为上游地区>中游地区>下游地区。各省市耦合度均大于0.970，达到高水平耦合阶段。耦合协调度均值为0.700，总体呈现上游地区>中游地区>下游地区的基本态势。

2005～2020年长江经济带水-能源-粮食-土地系统耦合协调Moran′s I指数波动趋势明显，空间集聚度不稳定，空间正负相关性波动强烈，且分布格局易发生变动。

长江经济带上游地区的自然资源禀赋较好，城市扩张较其他地区相对缓慢，水资源与能源含量丰富、农业发展较发达。但其土地子系统发展指数较低，在土地管理方面还有待加强，未来应科学有序地统筹生态、农业、城镇等功能空间，挖掘地域特色，积极发展生态产业，提高社会经济发展水平，增加单位土地面积GDP；中游地区，江西耦合协调水平相对较低，但其发展正逐步接近于中级协调阶段。受粮食子系统影响，在农业农村现代化和社会经济发展方面还有较大的提升空间。未来在产业发展方面，应加快乡村产业转型，丰富农民就业方式，提高居民收入。在农业生产方面，建设高标准农田，引进先进粮食生产技术，推广高效节水灌溉技术；下游地区，上海、江苏和浙江耦合协调发展表现较差。虽然其在经济发展、区位条件方面均优于其他省市，但由于人口增长、用地扩张及资源需求量大，水-能源-粮食-土地系统协调水平受到较大的波动。未来应严格控制建设用地范围，根据区域发展需求合理规划水资源、能源生产和消费结构，提高资源利用效率。同时，发挥其对长江经济带沿线地区的带动作用，增强各子系统之间互联互通，提高资源流动效率，达到资源互补，空间集聚，推动整体协调发展。

由于數据的制约和各子系统内部组成要素关系的复杂性，本研究的耦合机理关系网络和评价指标体系是在宏观层面上所构建的，可能不够全面和完善。另外，文章仅从省域尺度的角度探究长江经济带水-能源-粮食-土地系统耦合协调发展的时空变化。未来，将从多尺度视角探讨水-能源-粮食-土地系统的耦合协调关系，并积极探索水-能源-粮食系统内部多要素影响机制，以及与其他系统之间的内在联系。

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（编辑：黄文晋）

Coupling mechanism of coordinated development of land use and water-energy-food systems in Yangtze River Economic Belt

GU Moli，YE Changsheng，LOU Tingting，LI Xin

（School of Earth Sciences，East China University of Technology，Nanchang 330013，China）

Abstract：Studying the coupling mechanism and coordinated development of land use and water-energy-food systems contributes to regional resource management and synergistic cooperation.Taking the Yangtze River Economic Belt as the case study，this paper analyzed the mechanism of coupled and coordinated development of water-energy-food-land system and constructed a corresponding comprehensive evaluation index system.The coupled coordination degree model and spatial correlation analysis were used to measure the spatial and temporal evolution characteristics and spatial linkages of the coupled and coordinated development of water-energy-food-land system in the study area from 2005 to 2020.The results show that：① The comprehensive evaluation index of water-energy-food-land system in the Yangtze River Economic Zone from 2005 to 2020 kept rising，the coupling degree reached a high level coupling stage，and the coupling coordination degree went through five stages （barely coordination-preliminary coordination-intermediate coordination-good coordination-high quality coordination）.② The coupling degree among provinces and cities reached a high level of coupling stage，and the level of coordinated development was at the stage of preliminary coordination and intermediate coordination，showing a trend of upstream areas＞midstream areas＞downstream areas in general.③ The spatial concentration of coupling coordination was unstable，the positive and negative spatial correlation fluctuated strongly，and the distribution pattern was prone to change.

Key words：land use；water-energy-food；coupling mechanism；coordinated development；Yangtze River Economic Belt

收稿日期：2022-08-23

基金项目：国家自然科学基金项目（42061041）

作者简介：顾茉莉，女，硕士研究生，研究方向为土地利用变化与规划。E-mail：248432821@qq.com

通信作者：叶长盛，男，教授，博士，研究方向为城乡发展、土地资源利用与保护。E-mail：ycs519@163.com