《Sustainable Production and Consumption》：Recycling-oriented food production system highlights enhanced coupling of water, energy and food efficiencies
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本研究构建了食品生产系统（FPS）的废物回收导向分析框架，通过超级SBM模型评估水、能源和食物的总因子效率，并利用耦合度模型分析三者的协同效应。基于中国30省份数据，发现内部回收循环使水、能源和食物效率分别提升25.4%、92.3%、83.9%，耦合度提高23%，优于2011-2020年历史数据。该框架为资源效率协同优化提供了系统方法。
胡婷宇|宋俊年|邢家豪|姚天福|吴友|王西攀|杨伟|王贤恩
教育部地下水资源与环境重点实验室，吉林大学，长春，130021，中国
摘要
食物生产系统（FPS）促进了水、能源和食物的密集流动，然而在技术创新和环境可持续性背景下评估资源管理的总要素效率仍不够明确。将废物回收纳入效率评估中存在方法论挑战，这些挑战因FPS内部复杂的资源流动和相应的环境权衡而变得更加复杂。本研究针对中国30个省份的整个FPS，首先量化了FPS产生的环境排放，并将其映射到ReCiPe2016的九个中间影响类别。然后使用基于超松弛度的测量模型计算总要素水、能源和食物效率，并通过耦合度模型评估其耦合性。设计了一个包含内部废物回收循环的前景情景，其中包括处理后的废水回收以及生物能源和生物肥料的生产，以评估其对效率提升和耦合增强的影响。结果显示，在江苏和广东，回收利用使回收水量超过90亿立方米；在黑龙江，能源回收量达到31万吨；在河南和山东，生物肥料产量超过11万吨。与2020年的基线相比，九个影响类别中有八个（除陆地酸化外）下降了0.2%（臭氧消耗）到87.6%（细颗粒物形成）。水、能源和食物效率分别可以提高25.4%、92.3%和83.9%，其耦合性可以提高23.0%，超过了2011-2020年间16.2%的历史改进幅度。本研究展示了通过内部回收循环实现的综合效益，为评估FPS中的回收导向转型提供了一个可转移的框架。
引言
水、能源和食物是维持人类生活和推动社会发展的基本资源（Ali和Acquaye，2024；Huntington等人，2021；Ju等人，2023；Liang等人，2020；Zhou等人，2023）。从基于系统的资源管理视角来看，水、能源和食物之间的相互联系和相互作用强调了综合资源治理的重要性，因为一个领域的决策会显著影响其他领域（de Amorim等人，2018；Li等人，2024；Liang等人，2019；Qin等人，2024；M. Wang等人，2023）。例如，提高灌溉效率可以减少取水和输送所需的能源，同时提高农业生产力并增强食品安全（Qin等人，2024；M. Wang等人，2023）。制定提高资源利用效率的策略对于有效应对气候变化和资源短缺等全球挑战以及实现可持续发展目标至关重要（Gu等人，2024；S. Zhang等人，2024）。
提高资源效率的重点是在生产过程中优化资源利用，旨在最大化生产力同时最小化环境影响和废物产生（Bodirsky等人，2022；Pimenov等人，2022）。与仅关注单一输入（如单位经济产出的能源消耗或水消耗）的单要素效率不同，总要素效率综合考虑了生产系统中劳动力、资本、土地等额外投入、经济产出或产品产量作为期望输出，以及各种气候和环境影响作为不期望输出（Lin和Guan，2023；Wang等人，2022）。总要素效率的提高通常依赖于技术创新和加强的资源管理，而不仅仅是增加任何单一资源的投入，这表明它更准确地捕捉了技术进步或资源利用的全面变化（Fang等人，2024；Lin和Wang，2024）。
值得注意的是，中国整个食物系统大约一半的排放发生在食物生产过程中，伴随着大量的水资源和能源消耗（Halpern等人，2022；Liu等人，2023；Wang等人，2025），这使得食物生产系统（FPS）成为改善资源利用和减轻环境负担的重点领域。在这里，FPS被定义为涵盖作物生产、畜牧业生产、水产养殖、食品加工和食品物流的整个食物相关活动链。中国为基于效率的评估提供了特别有意义的背景，因为它是一个面临水资源和能源约束的主要食物生产国，而且各地区在资源禀赋、生产结构和技术条件上的显著差异使得可以检查相关的模式和瓶颈，从而为面临类似约束的其他地区提供可转移的见解。
现有的关于水-能源-食物的研究以不同的方式讨论效率（Huang等人，2023；Gao等人，2024），但不同研究之间的系统边界和定义并不总是一致的。特别是，总要素水效率（WE）和能源效率（EE）经常与食物效率（FE）和其他更广泛的效率概念一起讨论，但这些概念并不总是在一致的系统边界下定义（Sun等人，2021），这使得读者难以跨维度比较效率结果。一个更清晰的框架是将WE、EE和FE视为在同一FPS边界内测量的三个总要素效率构造，这样效率之间的差异反映了特定资源的约束而不是边界不一致性。这里，FE指的是FPS内食物生产的总要素效率，它全面评估了所有系统输入在维持食物相关经济产出同时最小化环境影响方面的效率，从而提供了FPS可持续性的全面评估。耦合是一个源自物理学的概念，指的是相互依赖系统之间的相互作用，通过这种相互作用，它们的集体行为可以变得更加有序（Solymar等人，1997；Wang等人，2022）。在这个框架内，效率耦合指的是WE、EE和FE以协调和平衡的方式发展的程度，意味着一个维度的改进不会伴随着其他维度的停滞或恶化。提高耦合性很重要，因为当其他维度仍然是约束条件时，单个效率的孤立提升可能对系统的整体影响有限，而更强的耦合性表明效率提升在系统层面更加同步。现有研究主要通过资源流动和关联关系来考察资源之间的耦合（Hu等人，2024；Lu等人，2021；Mondal等人，2023），而关注效率提升是否转化为相互连接元素之间协同效应的效率耦合则尚未得到充分探索。
一个可持续的FPS需要在促进资源协同互联的同时最大化资源效率，以构建一个无缝整合的系统（Y. Wang等人，2023；S. Zhang等人，2024）。废物回收通过将FPS产生的废物（如作物生产的秸秆、畜牧业生产的粪便以及食品加工产生的有机废水和固体废物）转化为有价值的资源（如生物能源生产、营养物质回收和材料再利用）来增强资源整合（Demir和Alp，2025；Lahlou等人，2023）。具体来说，秸秆用于电力和生物燃料生产（Xing等人，2022；Xu等人，2022），而粪便、有机废水和固体废物用于沼气生产（Gupta和Khatiwada，2024；Liu和Rajagopal，2019；Xing等人，2022），这替代了传统的电力和化石燃料。沼气生产的副产品进一步加工成有机生物肥料，替代化学肥料（Duan等人，2025；Xu等人，2022），同时粪便、有机废水和固体废物也用于沼气生产（Gupta和Khatiwada，2024；Mainardis等人，2022；Xie等人，2023）。此外，处理后的废水被安全回收用于灌溉（Canaj等人，2021）。这些做法在FPS的所有阶段系统地整合起来，有效地减少了废物同时优化了资源分配。然而，回收过程可能会引入额外的环境影响（Humpen?der等人，2018），这可能会阻碍效率的提升，因此定量评估这些做法在优化资源效率和增强其耦合性方面的有效性至关重要。评估回收过程效率的研究仍然很少，且主要局限于对个别技术或设施的评估（Lijó等人，2017；Sala-Garrido等人，2023）。同时，在综合系统层面上，关于部署多种回收途径的效率影响的研究证据有限，特别是在明确考虑环境权衡和评估效率变化之间的耦合时。
在这项研究中，我们开发了一个综合的、以回收为导向的框架，在统一的系统边界内评估FPS内的WE、EE和FE，以中国30个省份作为应用该框架的实证研究区域（图1）。首先，我们对FPS内的环境排放进行阶段生命周期核算，并将其与ReCiPe2016模型的九个中间影响类别联系起来，这些影响类别作为总要素效率评估中的不期望输出。其次，在统一的FPS边界下，我们使用基于超松弛度的测量（SBM）模型估计总要素效率，并通过耦合度模型量化其耦合程度。第三，我们构建了一个包含内部废物回收循环（秸秆、粪便和食品加工有机废物）的前景情景，以展示回收如何共同提高资源回收、减轻环境影响和增强效率耦合。总体而言，该框架通过提供系统范围内的、环境全面的、明确考虑回收的FPS效率评估，填补了先前工作中的关键空白，并为面临密集食物生产和环境压力的地区提供了可转移的诊断性见解。
研究框架
作物生产、畜牧业生产、水产养殖、食品加工和食品物流被认为是FPS中的关键阶段，共同构成了从原材料生产到最终消费的完整供应链。建立了一个用于评估FPS内三种效率的投入-产出指标系统，其中不期望的输出来自对FPS各阶段产生的所有温室气体和污染物的详细评估，并归因于中间点
FPS内效率及其耦合的轨迹
超SBM模型输出的效率值使用ML指数进行了标准化，以便于时间比较，2011年作为参考年份（见补充信息中的S1节）。在2011-2020年间，大多数地区的效率呈现上升趋势（图2d）。具体来说，到2020年，北京、天津、上海和福建的WE分别达到了5.00、4.08、3.07和3.07（图2d；补充信息中的表S14），其中北京和天津的改进最为显著
所设计的效率评估框架的优势
鉴于全球资源稀缺和气候变化带来的紧迫挑战，提高FPS内的资源效率及其耦合性可以缓解资源压力并促进系统的长期可持续性。效率是资源利用有效性的关键指标。与基于直接资源消耗或单要素效率的分析不同，总要素效率考虑了所有输入和输出之间的关系，提供了优化资源利用的见解
结论
本研究开发了一个以废物回收为导向的分析框架，用于评估中国FPS内的总要素WE、EE和FE及其耦合，以及资源-环境-效率的协同效应。在方法论上，我们将映射到‘ReCiPe2016’的不期望环境输出整合到一个超SBM效率模型中，并将其与耦合度量相结合，从而在保持环境完整性的同时进行系统级评估。我们在30个省份实施了这一设计
CRediT作者贡献声明
胡婷宇：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。宋俊年：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、正式分析、概念化。邢家豪：资源管理、方法论、正式分析、数据管理。姚天福：资源管理、方法论、正式分析、数据管理。吴友：资源管理、方法论、正式分析、数据管理。王西攀：资源管理、方法论。杨伟：验证，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了吉林省自然科学基金（编号：20240101030JJ）的杰出青年基金的支持。
