中国水-能-食物-生态关联中耦合与解耦的时空模式及其驱动因素：基于可持续生计框架的方法

《Journal of Cleaner Production》：Spatiotemporal patterns and driving factors of coupling and decoupling in the water-energy-food- ecology nexus in China: A sustainable livelihoods framework approach

中国WEFE Nexus协调度时空演变及驱动因素研究（摘要） 该研究构建WEFE Nexus评价体系，基于耦合协调度模型和GTWR模型，分析2006-2021年中国30省WEFE系统协调度时空特征及驱动机制，发现协调度总体上升呈南部高北部低空间格局，生态与水、能、食的协调区域东部更显著，可持续水影响最大，能源和食物区域差异明显，为资源协同管理提供理论支撑。

　　

王芳毅|周丽华

中国科学院科技发展研究院，北京，100190，中国

摘要

随着全球人口增长和资源供需矛盾的加剧，有效管理水-能源-食物-生态（WEFE）之间的相互关系对于实现联合国可持续发展目标至关重要。本研究构建了一个WEFE相互关系指标体系，并利用耦合协调度（CCD）和脱钩模型分析了2006年至2021年间中国30个省级地区的WEFE相互关系的时空演变。此外，还采用了地理和时间加权回归（GTWR）模型，在可持续生计框架下探讨了驱动因素。研究发现，中国的WEFE相互关系的CCD呈现出波动上升的趋势，反映了从不平衡向协调的转变，空间分布呈现出“南部较高、北部较低”的特征。生态与水、能源和食物之间的脱钩关系表明，理想协调区域逐渐扩大，这种状况在西部地区较为少见。GTWR分析显示，回归系数分布较为分散且波动显著。在中西部地区，可持续水资源的影响最大；可持续能源的影响从东北部向西南部增强；可持续食物的影响从北部向南部增强；而可持续生态的影响相对较弱。本研究有助于促进WEFE相互关系的协调发展，并为促进可持续资源利用和提高人类福祉提供理论指导。

引言

水、能源和食物是支撑社会经济发展和人类生计可持续性的基本资源（Melo等人，2021年）。预计到2030年，全球人口将达到85亿，对食物、能源和水资源的需求将分别增加35%、50%和40%（Lim等人，2018年）。然而，由于气候风险加剧和环境退化，水、能源和食物同时面临压力。2024年，中国的能源总消耗量和标准煤当量总产量分别为59.6亿吨和49.8亿吨。水资源消耗量为5926.5亿立方米，其中农业用水占比62.89%；食物消费量达到8.3亿吨，比2023年增长了1.59%。水-能源-食物（WEF）相互关系受到内部资源竞争和地区不平衡的挑战。例如，淡水资源主要集中在西南部，而能源和食物资源主要分布在东北部（Zhang等人，2022年）。此外，地缘政治冲突、气候变化和快速城市化等外部压力进一步加剧了这一相互关系的脆弱性。因此，研究WEF相互关系内的协调发展对于实现可持续的社会经济增长至关重要。

WEF相互关系与联合国的可持续发展目标（SDGs）密切相关，特别是SDG 2（零饥饿）、SDG 6（清洁水和卫生设施）和SDG 7（负担得起和清洁的能源）（An等人，2024年）。SDGs为评估可持续发展进展提供了全球框架（Cansino-Loeza等人，2021年；Hu等人，2024年）。因此，实现每个SDG目标需要评估系统可持续性并采取综合管理策略。

对水、能源和食物的可持续管理需要一种认识到它们相互依赖性的方法，而不仅仅是孤立地处理这些问题。相互关系方法旨在解决这些复杂、动态且不确定的相互作用（Conway等人，2015年）。该概念在2011年的波恩会议上得到正式提出，并由联合国亚洲及太平洋经济和社会委员会于2013年进一步完善，涵盖了WEF相互作用及其与外部驱动因素（如气候和经济冲击）的联系（Putra等人，2020年）。例如，粮食生产严重依赖水和能源，全球农业消耗了约70%的水资源，食品生产消耗了30%的全球能源。同样，能源生产需要大量的水资源投入，而水资源管理本身也是能源密集型的（Zeng等人，2019年）。因此，从相互关系的角度进行综合管理对于解决这些相互关联的问题至关重要。

然而，目前大多数研究仅关注单一生态或其与其他资源的相互作用（Xiong等人，2025年），而没有将水-能源-食物-生态（WEFE）相互关系视为一个相互关联的系统。生态系统为WEF的稳定提供了关键资源和基本服务（Srigiri等人，2022年）。不可持续的城市化、工业化和农业生产方式导致资源过度消耗和生态退化，削弱了生态系统的韧性，进而威胁到WEF的安全（Mondejar等人，2021年）。鉴于资源稀缺和环境挑战，将生态因素纳入WEF相互关系中至关重要，特别是对于中国这样的发展中国家（Chen等人，2023年）。

本研究旨在通过构建基于SDGs的评估指标体系来深入理解WEFE相互关系。然后，我们利用CCD和脱钩模型评估了中国30个省级地区（2006-2021年）的耦合协调度（CCD）和脱钩水平。此外，还采用地理和时间加权回归（GTWR）模型，在可持续生计框架（SLF）下分析影响CCD的因素的时空模式。该过程的关键步骤如图1所示。本研究为中国WEFE相互关系的稳定性和安全性提供了宝贵见解，有助于优化资源配置，促进水、能源、食物和生态的可持续和协同发展。本研究的主要贡献如下：首先，我们将生态因素创新性地整合到传统的WEF相互关系中，构建了一个全面的WEFE评估体系，揭示了其在中国的时空演变以及生态与其他系统之间的动态脱钩关系。其次，基于可持续生计框架（SLF），我们利用GTWR模型探讨了影响WEF相互关系协调性的因素的时空异质性。

研究区域和数据来源

考虑到数据的完整性，主要数据来源包括中国的30个省级地区，不包括西藏、香港、澳门和台湾。根据经济发展情况，这些地区被划分为四个主要区域（Wei等人，2020年）：东部、中部、西部和东北部（图2）。指数数据来源于《中国统计年鉴》（2007-2022年）、《中国能源统计年鉴》（2007-2023年）、《中国农村统计年鉴》（2007-2022年）等。

WEF相互关系的综合评估指数

综合评估指数（CEI）用于分析中国四个主要经济区内WEF相互关系的发展趋势和区域差异（图3）。2006年至2021年间，中国的水、能源、食物和生态系统CEI发生了显著变化。能源CEI从2006年的0.173上升到2021年的0.252，这主要是由于国家对能源基础设施的战略投资、能源效率的显著提高以及对可再生能源的重视程度增加。

WEF相互关系的耦合和脱钩特征

超过90%的省份的CCD水平有所上升，这可能是由于它们在促进综合发展方面做出了协调努力，充分考虑了生态承载能力和自然恢复，从而推动了WEF相互关系的可持续发展（Wu等人，2024年）。值得注意的是，像贵州这样的西南部省份表现出生态和经济效益的同步提升。

结论

本研究构建了一个基于SDGs的WEF相互关系评估指标体系，并分析了2006年至2021年间中国30个省级地区的WEF相互关系的CCD。此外，还应用了脱钩模型来研究生态与水、能源和食物系统之间的时空脱钩关系。同时，利用GTWR模型在可持续生计框架（SLF）下探讨了影响CCD的驱动因素。主要研究结果如下：

CRediT作者贡献声明

王芳毅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草案，可视化，软件，资源，方法论，调查，概念化。周丽华：验证，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：周丽华表示获得了中国科学院战略优先研究计划的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国科学院战略优先研究计划（XDA26010301）的支持。