以水為核心的“水-能-糧-生”關系研究

Study on the water-centered Water-Energy-Food-Ecology Nexus

李彬權2，趙麥換，劉靜，徐晨光

（1.河海大學流域水循環與水安全全國重點實驗室，210098，南京；2.河海大學水文水資源學院，210098，南京；3.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，450003，鄭州；4.華北水利水電大學，450046，鄭州）

摘要：水-能源-糧食紐帶關系各環節均會影響到生態環境，因此充分考慮生態環境保障要求，將水-能源-糧食關系拓展到水-能源-糧食-生態關系進行研究很有必要。現有研究主要集中在水-能源-糧食-生態系統大尺度二元紐帶關系及多維概念分析上，缺乏對多元要素相互作用的剖析及關鍵過程的物理描述。在總結水-能源-糧食-生態關系相關研究成果基礎上，探討了水-能源-糧食-生態復雜系統定義和發展歷程，剖析其內涵及構成要素；以水資源流為核心，初步搭建了資源流-生態要素“核心關聯”及自然社會因子“外部關聯”的水-能源-糧食-生態系統研究方法框架，提出融合流域水量水質-作物生長-能源足跡-生態效應耦合模擬的物理機理模型構建方法，為水-能源-糧食-生態協同調控提供相對科學合理的研究依據。

關鍵詞：水-能-糧-生；資源流；生態環境；定量分析；物理機理模型

作者簡介：李彬權，副教授，主要從事水文水資源研究。

基金項目：國家自然科學基金面上項目“黃河流域水-能源-糧食-生態系統競合關系與演化風險研究”（42471049）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.09.002

引言

氣候變化、快速城鎮化、人口增長等現實因素引發水、能源、糧食等資源時空供需矛盾加劇，水-能源-糧食（Water-Energy-Food，WEF）三者之間存在著復雜競爭與互饋關系，傳統以供給側開發為主導的資源管理模式無法確保水資源可持續利用。聯合國糧食及農業組織（FAO）、聯合國環境規劃署（UNEP）、“未來地球計劃”（FE）、歐盟委員會聯合研究中心（JRC）及美國國家科學基金會（NSF）等國際組織機構持續資助WEF可持續發展研究，助推WEF成為國際學界、政治與經濟界的關注焦點。

水資源開發利用、能源生產和糧食生產都與生態環境密切相關，近年一些學者提出將生態環境納入WEF紐帶關系，即“水-能-糧-生”（Water-Energy-Food-Ecology，WEFE）協同調控。目前關于WEFE的研究還處于探索階段，系統、完善的理論方法體系尚未形成，相關研究多數是對紐帶關系概念的詮釋以及宏觀層面的資源供需平衡分析，對多元資源要素交互作用的關鍵過程描述不足，缺乏基于系統性機理模型的WEFE競合關系解析與風險評估，無法有效支撐WEFE協同安全保障科學決策。

本文以理論和方法研究為主導，通過歸納總結國內外有關WEF和WEFE的相關研究，深入剖析WEFE本質，闡述WEFE復雜系統定義，揭示其內涵及構成要素，以水資源為核心搭建WEFE研究方法框架，為WEFE協同調控提供相對科學合理的研究依據。

“水-能-糧-生”系統的概念與內涵

1.WEF的概念與發展歷程

1983年，聯合國大學（UNU）發起探索糧食和能源之間重要聯系的“糧食-能源紐帶關系計劃”，并于次年在巴西舉行了“糧食、能源與生態系統”會議。美國是最早開展WEF耦合系統相關研究的國家之一，20世紀80年代中期的研究重點主要集中在美國西部水資源與電力之間的相互關系上。20世紀90年代，世界銀行開始使用“紐帶關系（nexus）”一詞描述水、糧食和貿易三者之間的關系。20世紀90年代中后期至21世紀初，美國哥倫比亞大學水中心對印度的水、能源、農業三者之間的關系進行了重點研究。在“虛擬水”和“水足跡”概念提出后，紐帶關系概念得到進一步深入研究，眾多學者認識到有必要將能源作為與水、糧食聯系中的第三支柱。2011年德國波恩召開的“水-能源-糧食安全紐帶關系會議”正式將水、能源、糧食三者關聯性確定為紐帶關系，突出“綠色經濟”概念。此后，一些國家政府和社會相繼啟動WEF紐帶關系研究，德國建立水、能源和糧食安全紐帶關系資源平臺，并于2012年建立聯合國大學物質通量與資源綜合管理研究所（UNU-FLORES），開展水、廢物和土壤環境資源綜合管理等方面研究。

紐帶關系的概念并無定論，對其理解取決于不同地區或部門（如水利、能源和農業）對資源的需求目標。2014年FAO將WEF Nexus定義為“水-能源-糧食紐帶關系已成為描述和解決全球資源系統復雜而相互關聯性質的概念；它能夠平衡不同資源用戶的目標和利益，同時能夠保持生態系統的完整性”。20世紀90年代提出的以水資源為中心的“水-糧食-貿易紐帶關系”在某種程度上與虛擬水概念相似，不僅著眼于水資源本身，還聚焦于嵌入農產品中的虛擬形態水資源的流動過程。虛擬水和水足跡能評估產品或服務的水資源耗用過程，水足跡側重于生產角度，虛擬水側重于貿易角度。在水資源領域，通過強調水資源綜合管理在WEF紐帶關系中的核心地位，可以提升資源利用效率并促進不同部門間的合作。

2.WEFE的提出及其內涵

水資源的開發利用、能源生產和糧食生產都直接影響到生態環境。例如水庫是水資源開發利用的重要形式，是水-糧食關系（水庫供水灌溉）和水-能源關系（水力發電）的重要媒介。水力發電不僅能夠提供可再生能源，還可以帶來巨大的經濟效益。但在某些流域，水庫建設很可能會付出較大的社會和環境代價。水庫建設改變了河流系統的自然流態及其連通性，破壞了生物和沉積物的運動，而與水庫運行相關的蓄水過程可能會改變地貌并破壞生態系統。同時，在某些淡水魚種類豐富的流域，河流開發可能會破壞魚類的生境，影響當地居民的魚類食物來源以及部分珍稀魚類物種的生態系統。

農業生產也會對水環境產生影響，化肥施用量的增加在提高糧食產量的同時也會造成水質持續惡化，該問題在20世紀80—90年代的美國和歐洲國家以及當前的中國等經濟快速發展的發展中國家較為普遍。針對WEFE關系問題，國內外學者開展了探索研究，提出了基于風險管控的研究框架，但是對生態系統與WEF之間關聯系統的整體研究較少，僅部分研究關注了單獨要素與生態系統的關聯問題。

我國自“八五”計劃以來就啟動過多項聚焦水、能源和糧食之間關系的研究項目；國家能源部門從“十二五”開始立項資助“水資源約束對能源開發利用的影響研究”方面的研究項目。但是，WEF紐帶關系在我國仍處于探索階段，受不同行業部門壁壘所限，現有研究大多聚焦于水-能源、水-糧食和能源-糧食二元關系研究層面，關于WEFE關系的研究則很少。國家自然科學基金委員會于2015年啟動了“西南河流源區徑流變化和適應性利用”重大研究計劃，西南河流源區供水-發電-環境多目標互饋關系是該計劃的重點研究內容；2017年，國家自然科學基金委員會與美國國家科學基金會啟動“食品、能源、水”系統關聯合作網絡項目。通過這些專項研究計劃，WEFE關系研究取得重要進展。下表列出了2020年以來國家自然科學基金委員會資助的與WEFE相關的研究項目清單，可以看出越來越多研究關注WEF與生態（環境）、碳、土等子系統的關系，并應用于水庫群調度、水資源優化配置等場景。此外，國家重點研發計劃相關專項也資助過類似的研究項目，如“十三五”國家重點研發計劃項目“‘水-能源-糧食’協同安全保障關鍵技術”，該項目系統開展了WEF理論方法、關鍵技術與戰略支撐等三個層面的研究工作，創建了全國WEF協同安全保障框架。

2020年以來國家自然科學基金委員會資助的與WEFE相關的研究項目

“水-能-糧-生”系統研究方法和框架

WEFE系統是一個結構復雜、功能多樣的巨系統，從結構和功能上可將其劃分為水、能源、糧食、生態4個子系統，各子系統相互作用、相互影響，形成復雜的紐帶關系。這種紐帶關系又受到外部因子影響，如氣候變化、城鎮化和經濟發展等。因此在WEFE關系分析方法方面，需要從4個子系統內部“核心關聯”以及整個大系統與外部因子“外部關聯”兩個層次進行研究（見圖）。

WEFE系統的“核心-外部”雙關聯模式概化

1.“核心關聯”層面分析內容及方法

（1）子系統關系分析

在內部各子系統相互關聯層面，需要重點分析水與能源、水與糧食、能源與糧食以及WEF資源流與生態環境之間的關系。

①水-能源關系。需要分析能源產業發展對水資源的需求，例如煤炭開采洗選，石油和天然氣開采，電力、蒸汽、熱水供應，石油加工，煉焦，煤氣生產和供應以及新能源產業等用水。一般采用統計類方法。

②水-糧食關系。利用作物需水理論估算糧食作物對水資源的需求，研究糧食作物生育期的耗水規律、水分脅迫對糧食產量的影響，分析糧食生產、貿易、消費全過程用水環節。一般采用機理分析方法。

③能源-糧食關系。需要研究糧食生產對煤炭、柴油、電力等主要能源的直接消耗。從水資源流層面看，水電能源開發利用中的水量供給與糧食作物灌溉用水需求在時間上重合度較高，能源與糧食同時存在較強的水資源競爭關系。一般采用統計類方法。

④WEF資源流-生態環境關系。需要研究能源-糧食生產引起水資源競爭協調、水資源時空分布響應及對生態用水的影響等。主要分析方法包括數理統計和機理分析兩類。

（2）用水競爭定量分析

動態桑基圖（Sankey）是定量分析水資源、能源（水電、煤炭和天然氣等）、糧食（水稻、小麥和玉米等）資源流關聯關系的有效方法，可以與機器學習算法等結合，挖掘WEF資源流利用與生態環境用水的競爭性以及系統特征的空間變化。此外，基于水足跡理論，可以定量描述能源-糧食紐帶系統的耗水及生態環境保障需水的演變特征，研究流域不同空間區域能源開發與糧食種植單元交錯布置、河道生態環境用水之間水資源競爭性和相容性關系。下圖給出了利用動態桑基圖與水足跡理論研究WEFE用水競合關系的概化流程。

WEFE用水競合關系研究概化流程

2.“外部關聯”層面分析內容及方法

分析外部因子對WEFE系統影響，需要在整體視角下研究以水資源流為脈絡的核心關聯關系變化，并進一步分析核心關聯關系變化過程中產生的外部關聯關系及對應要素轉換特征。主要分析方法有數理統計、系統動力學模型及物理機理模型等。

（1）融合水量水質-作物生長-能源足跡-生態效應的機理模型框架

流域尺度的WEFE耦合模型需要具備描述水量水質變化、作物生長耗水全過程的能力，同時還需要適應河流水電能源開發導致匯流阻斷的特點。下圖以已開發的WEF Nexus Tool和SWAT模型為例，給出構建融合水量水質-作物生長-能源足跡-生態效應的機理模型框架。其中，將SWAT模型中水文模型架構、農業非點源污染模塊及作物生長模塊EPIC等集成至WEF Nexus Tool（保留其他模塊），提升模型對流域尺度水量水質過程、不同作物生長的模擬能力。

流域尺度WEFE耦合模擬模型架構設計示意

（2）資源流全過程解析及生態環境影響分析

①資源流全過程相互作用分析。利用構建的WEFE耦合模型可以模擬研究區不同時空尺度（上中下游、干支流區域空間尺度，以及旬、月、年、年際時間尺度）水資源利用、能源足跡（水電、煤炭和天然氣等能源流動過程）、糧食生產-消費過程，分析不同資源流輸入-輸出轉化過程的時空變化規律，研究不同空間區域單元之間的資源流以及研究區域內外的資源供需驅動過程，揭示流域尺度水-能源-糧食資源流全過程流動規律。

②生態指標體系及資源流-生態環境關鍵要素響應模式研究。分析不同資源流全周期過程對生態環境系統的分類影響，挖掘不同資源流生態效應的疊加-抵消規律并量化其綜合效應。從河流連通性、水文情勢、水環境等方面集成生態環境影響評價指標體系（如流量、水位、水質、生態基流、敏感生態需水等關鍵生態指標），明確流域不同生態要素對水位、流量及水文過程等的具體需求，研究資源流-生態環境關鍵要素響應關系。

結語

本研究立足全球水、能源、糧食資源供需矛盾與生態環境約束加劇的現實，圍繞WEFE系統進行探討，在總結國內外成果基礎上構建了以水資源為核心的研究方法和框架，為破解多元資源關聯復雜問題提供可能的路徑。研究梳理了WEF紐帶關系從二元關聯到三元耦合的演進脈絡，揭示了生態環境作為關鍵紐帶嵌入后的系統復雜性，明確WEFE本質是四大子系統通過資源流與生態環境約束形成的互饋網絡。在方法層面，提出“核心關聯-外部關聯”雙層次分析框架，其中：核心關聯層面通過統計類、機理分析等方法解析子系統間交互作用，結合動態桑基圖與水足跡理論量化資源競爭格局；外部關聯層面構建融合水量水質、作物生長、能源足跡與生態效應的流域尺度機理模型，實現對氣候變化等外部因子驅動下資源流全過程及生態響應的模擬，為多目標協同調控提供了方法支撐。

基于WEFE理論與技術研究成果，可以給出適用于政府和行業管理部門的具體建議，以增強WEFE協同安全保障水平。首先，建立跨部門數據共享與聯合決策機制，打破水利、農業、能源、生態等部門的信息孤島，確保各類監測數據（如水量、用能狀況、作物生長、生態健康）能夠實時匯流與互認。其次，在典型流域推廣基于動態桑基圖與水足跡監測的實時預警系統，可將流域內水資源流動、能源消耗、糧食生產用水及生態效應等關鍵要素通過可視化圖譜直觀呈現，并結合閾值預警功能，幫助管理者及時調整方案，降低風險與損失。最后，制定WEFE綜合考核指標體系，涵蓋用水效率、能耗強度、單位作物產量水足跡、生態健康指數等多維度量化指標，推動基于目標的各部門協同成效閉環考核和動態管理，真正將研究成果轉化為提升區域資源安全與可持續發展的決策行動方案。

當前，WEFE研究仍處于探索階段，系統完善的理論方法體系尚未形成，對多元要素交互關鍵過程的解析精度、系統性機理模型的構建深度以及風險評估與政策轉化的銜接機制仍需深化。未來需進一步加強跨學科數據融合與模型優化，聚焦典型流域開展實證研究，推動WEFE系統從理論框架向區域資源安全保障與生態可持續發展的決策實踐轉化，為應對全球變化下的資源環境挑戰提供更堅實的科學支撐。

Abstract: The interconnections among water, energy, and food significantly impact the ecological environment. Therefore, it is imperative to incorporate ecological protection requirements and extend the Water-Energy-Food (WEF) Nexus to a Water-Energy-Food-Ecology (WEFE) framework. Existing research predominantly focuses on large-scale binary relationships within the WEFE system and multidimensional conceptual analyses, lacking comprehensive insights into the interactions among multiple elements and the physical description of key processes. Building upon a review of current studies on the WEFE nexus, this paper explores the definition and developmental trajectory of the complex WEFE system, analyzing its connotations and constituent elements. Centered on water resource flows, a preliminary research framework is established, featuring “core linkages” between resource flows and ecological elements, and “external linkages” with natural and social factors. A method for constructing a physically based coupled model is proposed, integrating watershed water quantity and quality, crop growth, energy footprint, and ecological effects. This provides a relatively scientific and rational foundation for developing coordinated management strategies for the WEFE system.

Keywords: Water-Energy-Food-Ecology; resource flow; ecological environment; quantitative analysis; physical mechanism model

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封面攝影肖本

責編董林玥

校對李盧祎

審核王慧

監制軒瑋

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