引言

水、能源、粮食是人类社会发展的重要战略支撑要素。随着全球人口增长、城镇化进程推进与产业快速发展对资源的过度攫取，人类活动正逐渐加剧水资源短缺、能源枯竭与气候变化等，对全球水、能源、粮食的需求与供应提出了新的要求。2011年11月德国波恩会议上，首次系统性提出“水—能源—粮食纽带系统（water，energy and food security nexus，W-E-F Nexus）安全关系”研究框架^[1]，随后学界研究转向探索水、能源、粮食三者复杂关联关系。

党的二十大报告中明确提出，确保粮食、能源资源安全，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展，要求对重点功能区可持续发展与国家战略安全问题展开有针对性的研究，以确保区域整体资源配置，实现重点区域可持续发展。黄土高原是我国重要的能源、粮食基地，在国内外能源与粮食供求关系日益严峻新形势下，推动黄土高原能源、粮食健康平稳发展对稳定国家安全具有至关重要的战略地位。从资源协调与可持续发展视角来看。黄土高原年均降水200 ~ 700mm，降雨稀少且时空分布不均，黄土高原水资源总量547亿m³，人均630m³，仅为全国平均值的四分之一；黄土高原煤炭储量占全国50% 以上，主要矿产资源潜在价值占全国总值的48.8%，煤炭、石油、天然气为代表的矿产资源在全国能源安全中占据极重要的地位。生态环境脆弱，水资源严重不足，能源产业与农业发展用水需求刚性，如何平衡资源间供需矛盾，推动资源高效配置问题急需解决。水资源短缺、生态环境脆弱与水—能源—粮食系统安全风险^[2]已成为制约黄土高原可持续发展核心因素，研究如何科学优化黄土高原水—能源—粮食纽带系统关联关系具有重要意义。特别是黄河“几”字湾地区，作为我国能源安全重要支撑区，在有限的资源环境及生态禀赋下，综合考量国家战略与区域高质量发展诉求，综合分析典型地区水—能源—粮食关联现状，探究其水—能源—粮食纽带系统耦合协调机理，从微观角度探讨水—能源—粮食纽带系统可持续发展路径，以期为区域高质量发展提出有益科学启示。

在W-E-F Nexus研究领域，早期研究多以单要素与双要素协调演化过程研究为主，如水—能源^[3]、水—粮食^[4]研究，研究方法多采用生命周期分析，投入产出分析等对要素间复杂关系进行定量测算。随着水—能源—粮食纽带系统关系的提出，国内外学者对三者系统评价与协同效应的定量研究大多通过构建水、能源、粮食或结合社会经济子系统进行联合测度^[5-9]，研究多关注资源压力时空变化^[10]、投入产出效率^[11]、农业资源配置^[12]等问题。综合来看，已有研究多关注全国或区域等宏观层面水—能源—粮食纽带系统安全性探讨^{[8, 13, 14]}，逐渐从单要素向多要素耦合探索转变^[15-17]，对市、区层面典型区域搭建微观的立体化思考仍较为缺乏。基于此，本研究选择黄土高原能源富集区榆林市以及典型区域榆阳区为研究区域，以水—能源—粮食纽带系统安全为核心，分析榆林市及榆阳区水—能源—粮食纽带系统安全水平耦合协调关系及其时空格局，研究其资源保障水平与经济系统效率耦合协调发展规律及时空匹配性，可为相关能源富集区域优化资源利用结构，推进资源节约、协调利用与可持续发展提供参考。

1 数据来源和研究方法 1.1 研究区域

榆阳区位于黄土高原核心区，总面积7053 km²、2020年榆阳区实现国内生产总值（GDP）1001.02亿元，位于全国百强区第53位^①。榆阳区境内探明煤炭储量500亿t，能源工业产值占总产值97.58%^[18]，能源化工产业快速发展为榆阳区经济社会发展奠定坚实基础。在榆阳区经济快速发展的背后，同样面临着水资源分配的重要瓶颈，居民生活用水、能源用水与农业用水之间冲突日益加剧。2020年榆阳区水资源总量为34 877万m³，总用水量达33 855万m³，已达到水资源平衡临界点，水资源压力较为紧迫。从用水结构来看，农业用水占总用水量65.85%，工业用水占总用水量20.85%，并呈快速增加趋势，居民生活用水与生态用水严重不足。榆阳区能源、矿产资源丰富，而水资源短缺成为制约当地经济社会发展的瓶颈要素。水资源分配不均匀造成了供需不平衡的矛盾现象，榆阳区由于水资源的短缺，已经逐渐出现了阻碍经济发展的现象。

① 资料来源：榆阳区情简介，http://www.yuyang.gov.cn/zjyy/yygk/qqjj/1295911690172370946.html。

具体来看，榆阳区水—能源—粮食之间的矛盾表现在：一是榆阳区煤矿能源和粮食生产高度依赖水资源，但水资源和能源、粮食生产分布呈现地理空间上的错配导致了能源和粮食对水资源的争夺，这也是榆阳水资源短缺的核心问题之一。二是水资源短缺制约能源化工深度转化。榆阳区作为国家级能源化工基地五大核心板块叠加的核心板块，水资源短缺限制能源化工项目落地与清洁化转型。三是煤炭资源开发导致矿区生态环境破坏和水污染严重。榆阳区煤层多且探明储量大，煤炭开采大量吸取水资源，不仅导致水资源压力快速上升，而且导致地下水位急剧下降，排出的疏干水进一步使得水质与生态环境恶化，严重威胁生态可持续发展。四是水资源与粮食生产之间的矛盾加剧。因水资源限制，为满足生活用水与经济社会发展用水，部分地区水资源严重过度开发，地下水开采增加导致了地下水资源日益匮乏，为了保证粮食安全，需要使用更多的能源抽取地下水或地表水，以满足农业灌溉。保障粮食安全可能要以一定程度能源安全和水安全的损失为代价，对本就脆弱的生态环境造成威胁。综合来看，我国能源富集区水资源短缺，能源需求剧增，粮食供给不确定性加剧等现象日益严重，水、能源、粮食三者相互依存与相互制约关系进一步凸显。因此研究水—能源—粮食纽带关系对促进我国能源富集区资源节约集约利用，产业结构优化调整以及水、能源、粮食三者间协调可持续发展提供重要参考。

1.2 水—能源—粮食纽带系统耦合框架

耦合协调理论是对系统的各个子系统或系统各要素之间有着相互联系、相互作用和相互配合等关系进行分析的重要研究工具。随着经济全球化和政治多极化的深入，人类社会的政治、经济、社会、生态等各个领域的要素都愈发复杂，所以人类正面临也将面临更多更为错综复杂和协调困难的问题。在众多的耦合协调关系中，水—能源—粮食的纽带关系问题也是一个复杂的现实问题。

根据耦合协调理论，水—能源—粮食纽带系统是水资源、能源利用和粮食生产之间通过相互作用、相互约束所构成的一个相互促进、相互影响和相互制约的关系紧密的整体，其中一种资源的变动会对其他两种资源产生很大影响，也会对整个经济、社会和生态系统产生影响。如粮食生产和能源利用的各个过程中都离不开水资源的消耗，水资源的变动会对另外两种资源的状态产生影响，而这三种资源产生的波动则会影响水安全、能源安全、粮食安全乃至经济社会的正常运转。因此，在进行其他产业和领域的政策调整和变动时需要更多地考虑水—能源—粮食纽带系统中各子系统之间紧密的互动关系和耦合关系，实现系统内部和系统之间的良性互动和配合，以更好地缓解粮食安全问题、能源结构不合理、水资源利用效率低下和水资源供需紧张等问题。

1.3 研究方法 1.3.1 指标体系构建

根据水—能源—粮食纽带系统安全研究内涵，参考已有研究成果^{[10, 19]}，本研究选取水资源、能源、粮食3项子系统，遵循系统性、科学性与可操作性，构建水—能源—粮食纽带系统安全综合评价指标体系（表 1），其中人均用水量、单位GDP用水、水资源开发利用率、人均能源消费量、单位GDP能耗、人口自然增长率为负向指标，其余指标均为正向指标。

1.3.2 TOPSIS模型

水—能源—粮食纽带关系评价指标体系需要将多指标综合成单一指数进行综合分析。常见的综合评价方法通常有层次分析法、相对指数法等主观赋权法和因子分析法、主成分分析法、熵值法及TOPSIS法等客观赋权法两类。趋近理想解的排序方法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）可同时考虑各个子系统到正理想解与负理想解的距离，较为准确、客观地对指标体系进行评价。另外，TOPSIS法作为一种经典的多目标决策方法，可充分利用指标信息且不要求指标间的独立性，因此，本文基于已构建的水—能源—粮食纽带系统安全综合评价指标体系，采用TOPSIS法进行水—能源—粮食纽带系统安全综合评价，测算方法见文献[19]。

1.3.3 耦合协调模型

基于构建的指标体系，运用耦合度测算水、能源、粮食子系统间相互作用的程度。各子系统之间的耦合度C计算公式为：

(1)

其中，f_W(x)、f_E(x)、f_F(x)分别代表水资源、能源、粮食子系统的评价得分。耦合度C是各子系统协调发展的质量决定的，C值越大表明各子系统间相互作用越强烈，具体划分标准见表 2。

为研究3个子系统处于何种协调程度，引入耦合协调度模型以更准确地表征水资源、能源、粮食子系统三者之间的耦合协调程度：

(2)

其中，式中，D代表耦合协调度，其值越大，表明子系统间越协调，取值范围为[0, 1]。

为清晰表达耦合协调度，结合各子系统的综合得分，将耦合协调度划分为5个等级，具体划分标准见表 3。

1.4 数据来源

本文数据来源于《榆林市统计年鉴》与榆阳区相关统计报告，经搜集整理，结合数据可得性，选定榆林市2010—2019年及榆阳区2016—2020年的数据作为研究样本。

2 榆林市水—能源—粮食纽带系统安全综合水平演化 2.1 榆林市水—能源—粮食纽带系统安全得分

根据TOPSIS模型测度2010—2019年榆林市各区县水—能粮—粮食纽带系统安全水平，具体测量结果如表 4所示。

如表 4所示，在时空维度上，榆林市水—能源—粮食纽带系统得分表现为“西北高—东北低”，北六县区^①水—能源—粮食纽带系统得分整体较高，南六县区^②水—能源—粮食纽带系统得分整体较低。近十年间，榆林市下属各区县中，水—能源—粮食纽带系统得分有所增加的区县主要集中在榆阳区、绥德县、佳县、清涧县、子洲县，水—能源—粮食纽带系统得分下降的区县主要集中在神木市、府谷县、靖边县等北六县中。这表明整体来看，榆林北部地区水—能源—粮食纽带系统整体发展水平较高，但近年来部分地区出现波动式下降；而榆林南部地区，水—能源—粮食纽带系统整体发展水平较低，近年来有上升趋势。

① 北六县区指榆阳区、横山区、神木市、府谷县、靖边县、定边县。

② 南六县区指绥德县、米脂县、佳县、吴堡县、清涧县、子洲县。

2.2 榆林市水—能源—粮食纽带系统耦合度评价

根据构建的榆林市水、能源、粮食子系统指标体系，计算得出各子系统得分，进而通过耦合协调度模型，分别测算出榆林下属各区县2010—2019年耦合度值如表 5。

由表 5可知，榆林市下属各区县水—能源—粮食纽带系统耦合度整体较高，表明榆林市大部分地区近十年来水资源、能源、粮食系统协同发展进程良好。而吴堡县因耕地短缺，农业生产产能较低，粮食系统发展滞后，农业系统成为制约其协调发展的关键短板，导致其水资源、能源、粮食系统协同可持续发展面临较大压力。

2.3 榆林市水—能源—粮食纽带系统耦合协调度评价

如表 6所示，榆林市下属各区县水—能源—粮食纽带系统耦合协调度同样大致分为北部高值区与南部低值区，以榆阳区耦合协调度最高，处于优质协调阶段，表明榆阳区在水—能源—粮食纽带系统协调发展上处于较高水平，吴堡县耦合协调度最低，表明其在水—能源—粮食纽带系统协调发展程度最弱，处于严重失调阶段，可持续发展能力较低。根据表 1设置的规则，本研究将调研得到的基础数据进行运算可知，榆阳区水、能源子系统得分平均为0.598和0.553，粮食子系统得分平均为0.820，处于较高水平，因此榆阳区整体耦合协调度处于优质协调阶段。吴堡县水、能源子系统得分平均为0.457和0.210，粮食子系统得分平均为0.004，处于极低水平，因此吴堡县整体耦合协调度严重失调阶段。从各区县耦合协调度十年间演变来看，榆阳区、绥德县、佳县等区县近十年间水—能源—粮食纽带系统耦合协调度表现出增加态势，年均增速分别为1.03%、0.76% 和0.60%，而府谷县、靖边县、吴堡县等区县近十年间水—能源—粮食纽带系统耦合协调度呈现出下降趋势，年均下降1.09%、1.00% 和11.88%。从指标数据来看，研究期内，榆阳区水、能源、粮食子系统得分稳步提升，相反吴堡县水、能源、粮食子系统得分没有明显增长，且由于第二产业增加值与GDP增长率下降，使得能源子系统得分明显下降，同时农业有效灌溉面积减少与农机总动力下降，使得粮食子系统得分明显下降，另外由于其万元GDP用水由43 m³减少至11.15 m³，使其水资源子系统得分呈缓慢增长态势，综合来看吴堡县粮食与能源子系统得分下降，使其耦合协调度持续降低。从榆林市水—能源—粮食纽带系统耦合协调度限制因素来看，耦合协调度较低的地区，受农业子系统机械化投入和有效灌溉率限制，能源子系统GDP能耗、产业转型升级动力不足等因素影响，导致该地区水—能源—粮食间协同发展程度下降，未来应该进一步进行可持续发展系统性风险防控，提升区县整体可持续发展能力。

3 榆阳区水—能源—粮食纽带系统耦合发展现状评价

榆阳区在榆林市中具有典型的资源型城市和能源富集区特征，本研究针对榆阳区进行水—能源—粮食耦合协调评价有利于考察能源富集区水资源配置与能源、粮食系统之间的关联，以期为能源富集区水、能源、粮食的系统安全及其良性发展提供学术参考。从单要素来看，榆阳区人均用水量约400m³，属于严重缺水地区；榆阳区煤矿总产能1.35亿t，煤炭对财政的贡献超过90%，经济发展严重依赖资源，且资源开采对水资源需求较大；同时榆阳区农业用水占总用水量87%，农业水资源使用效率较低；生态环境方面，水资源约束趋紧，农田耗水量剧增，超采区水位下降，水生态破坏，土地荒漠化和沙漠化形势日益严峻^[20]。从系统关联视角来看，对单系统的研究难以解决多资源系统协同发展问题，因此探究榆阳区水—能源—粮食纽带系统间权衡关系对经济社会发展和生态系统安全具有重要意义，有必要针对能源富集区榆阳区构建水—能源—粮食纽带系统关联框架，展开具有针对性的研究。

3.1 榆阳区水—能源—粮食纽带系统现状得分评价

根据TOPSIS模型测度2016—2020年榆阳区水—能源—粮食纽带系统安全水平，具体测量结果如表 7所示。

如表 7所示，近五年，榆阳区水—能源—粮食纽带系统得分水平呈现快速增长态势，水—能源—粮食纽带系统得分由2016年的0.232增长至2020年的0.683，年均增长31.04%，增速最快阶段是2017—2018年，其增速为77.22%。在三个子系统中，水资源子系统得分较低，表明水资源仍是水—能源—粮食纽带系统协调发展的制约因素，水资源系统得分由2016年的0.174增长至2020年的0.789，年均增速45.90%，增速位列水能粮三个子系统中首位，表明近年来榆阳区关于水资源节约集约使用和优化配置取得了较好成效，如万元GDP用水由2016年的43.2 m³下降至2020年的33.8 m³，人均用水量也由411 m³下降至349.3 m^{3 [20]}，水资源节约型社会建设已见成效；另一方面水资源使用效率仍有进步空间，如单位面积耕地灌溉用水由2019年114.12 m³/ 亩增长至2020年162.74 m³/ 亩，有较大幅度增加，农业灌溉用水作为水资源消耗占比最高部分，节水的边际效益较大，未来应进一步提升农业用水灌溉效率，降低农业灌溉用水量，为居民用水、产业用水与生态用水留足空间。

三个子系统中，能源子系统方差较大，表明数据波动剧烈，2016—2020年，榆阳区发电总量波动最大，由16.66亿kW· h下降至11.77亿kW· h，随后又增长至14.74亿kW· h，发电总量受能源宏观调控与能源市场供需变动影响较大^[20]，产业发展中单位GDP能耗也呈现出先减少后增加的趋势，表明近年来榆阳区上马能源类项目使得全区单位GDP能耗有所增加，为应对“双碳”目标，未来应对上马高能耗项目有所警惕。榆阳区粮食子系统由2016年的0.243增长至2020年的0.766，年均增速33.27%，处于平稳增长态势，增速最快阶段为2019—2020年，年增速65.73%。粮食子系统中，粮食产量与粮食人均消费量增速分别为78.75% 和75.74%，可知粮食生产和消费端增速基本维持供需增长平衡。另外农业生产总值增长62.73%，农民人均纯收入增长39.39%，农业子系统取得了长足的发展。

3.2 榆阳区水—能源—粮食纽带系统耦合度评价

由表 8可知，榆阳区2016—2020年水—能源—粮食纽带系统耦合度得分呈现平稳发展态势，但2018年出现明显波动，由上文可知，2017—2018年榆阳区能源系统出现下降后出现较大幅度增长，使得三者耦合度产生较大偏离，可知能源系统平稳性是制约榆阳区水—能源—粮食纽带系统平稳发展的重要抓手，如何确保能源系统平稳发展是未来榆阳区发展重点。

3.3 榆阳区水—能源—粮食纽带系统耦合协调度评价

由表 9可知，榆阳区水—能源—粮食纽带系统耦合协调度得分呈现平稳增长态势，由2016年的0.477增长至2020年的0.818，年均增速14.43%，结果表明，榆阳区水—能源—粮食纽带系统呈现出从中度协调到优质协调的平稳发展态势。从限制因素来看，能源系统发展较慢且波动性较大是三者耦合协调发展的制约因素，未来榆阳区应重点强化能源产业结构布局，促进能源经济转型和可持续发展。通过发挥能源富集区资源优势，释放资源红利，提高能源利用效率，引进节能减排工艺体系，降低地区能源消费总量与单位GDP能耗，同时提升能源产业竞争优势，以能源高质量转型助推现代化发展。

水—能源—粮食纽带系统是一个相互依赖的复合系统，能源富集区资源优势、能源经济与水—能源—粮食纽带系统协同发展存在密不可分的关系。从榆林市层面来看，水—能源—粮食纽带系统得分和耦合协调度得分较高的区域都集中在煤炭、油气资源富集的北六区县，可看出资源禀赋优势对区县经济发展以及水—能源—粮食纽带系统安全水平带来显著提升。需要进一步讨论的是，由于能源富集区经济结构过于依赖能源产业，能源市场供需波动影响能源需求，对能源富集区能源产业和工业经济平稳发展带来较强扰动；同时，水资源系统中，总水资源量主要受降雨和上游来水影响，具有一定周期波动特征，水资源使用效率则多与经济发展水平和产业结构相关；农业系统在给定自然资源禀赋条件下，随着现代化生产要素的投入，农业全要素生产率将带来显著提升。综合来看，能源富集区核心特征表现为资源优势支撑能源经济对经济增长起着重要促进作用，同时随着经济水平快速提升，对整体产业技术水平和资源利用效率带来显著促进，因此能源富集区水—能源—粮食纽带系统处于资源支撑下的高水平协调阶段，但这种高水平的协调可能存在过于依赖能源经济的典型特征，应注意化解能源富集区在水—能源—粮食纽带系统协同发展中可能面临重大风险。

4 结论与讨论

本研究通过选取黄土高原能源富集区榆林市及榆阳区作为研究案例区，利用TOPSIS模型和耦合协调度模型对其水—能源—粮食纽带系统安全水平进行测度，从时空演化视角实证分析其水—能源—粮食纽带系统协调可持续发展特征，结果表明：榆林市各区县水—能源—粮食纽带系统呈现“北高南低”发展态势，资源富集的北部地区水—能源—粮食纽带系统整体得分较高，其中榆阳区和神木市得分最高，南部地区水—能源—粮食纽带系统整体得分较低，从子系统间耦合协调度来看，榆林市各区县耦合度处于较高水平，从耦合协调度来看呈现“北高南低”格局且近年来表现出轻微下降趋势，表明北部地区资源间协调可持续发展程度相对较高。从榆阳区层面水—能源—粮食纽带系统时空演化来看，榆阳区水—能源—粮食纽带系统耦合度较高，耦合协调度呈现由初级协调向优质协调发展态势，榆阳区水资源系统是水—能源—粮食纽带系统优化提升的短板，能源子系统波动较大，表明能源系统稳定性是水—能源—粮食纽带系统稳定发展的基础。

针对以上问题，本研究结合黄土高原能源富集区水、能源、粮食系统发展现状与问题，从水—能源—粮食纽带系统协调和可持续发展角度出发，提出以下政策建议：①以科技创新为抓手，提升水资源利用效率。能源富集区水、能源、粮食三者系统之间相互依存，相互制约关系日益紧密，其中水资源利用处于核心关键环节。破解能源富集区水—能源—粮食纽带系统安全的核心环节在于提升水资源要素的使用效率。应鼓励企业以工艺、技术创新提升水资源使用效率，构建高标准、高效率的能源体系、农业生产体系和水资源配置管理体系，通过淘汰高耗水生产模式，提升水资源利用效率，确保能源富集区经济社会生态高质量发展。②因地制宜、合理规划能源产业布局。黄土高原能源富集区能源系统得分波动较大，表明能源化工产业发展易受宏观政策与市场影响具有脆弱性特点，在国家能源安全和“双碳”目标约束下，政府应充分考虑地区资源禀赋与社会经济发展周期，合理优化产业布局，最大限度发挥能源富集区能源化工产业优势，延长产业链，提升价值链，合理调整产业结构，推动低耗水、清洁、低碳能源建设，推动能源产业绿色转型发展，促进能源富集区资源优势持久转化为地方经济发展新动能。③加大农业先进生产要素投入，大力提升农业全要素生产率。政府应加大工业反哺农业，提升先进农业生产要素投入，大力推进节水灌溉技术，提升农业绿色全要素生产率。同时，保护耕地是实现粮食安全的前提和基础，持续统筹经济发展和土地利用、生态保护和农业发展及城镇建设和耕地保护之间的关系，加强耕地保护，筑牢粮食安全防线，促进农业绿色高质量发展。④建立健全跨部门、跨区域综合协商机制。健全多部门间沟通协商机制，加强自然资源、能源和农业等主管部门之间的交流合作，使各部门相关管理和规划有效衔接，同时加强跨区域资源协调与合作，推动资源跨区域流动，促进区域协调可持续发展。