水资源、能源和粮食是人类生存和经济社会可持续发展的重要保障[1]。21世纪以来，随着气候变化加剧、人口迅速增长、城镇化快速推进，水资源、能源、粮食供给的稳定性、安全性、可持续性受到冲击，而经济社会发展对三者的需求持续增加，供需矛盾日益突出，人类社会可持续发展面临严峻挑战。自2011年波恩会议将“nexus”概念引入水—能源—粮食(WEF)研究以来，水资源、环境科学、绿色可持续技术、环境工程、地理学、生态学等领域的学者开展了大量研究，其中，水资源、环境、绿色可持续是研究较多的几个学科[2-3]。在水资源领域，分析了气候和人类活动因素对湄公河流域水电开发、作物种植、水资源消耗的影响[4]；在环境科学和气候变化领域，研究发现，为实现气候管理目标，未来很有可能增加直接空气捕获技术的应用，这将增加能源和水资源需求[5]；在绿色可持续科学领域，研究发现，光伏板可以提高干旱区农田水—能源—粮食之间的协同效应，提高粮食产量[6]。此外，对WEF nexus系统研究的学科集中度呈下降趋势，研究多学科化日益凸显，体现了WEF nexus系统研究中需要多学科交叉合作的特点[2-3]，但同时也表明该系统的界定和概念仍不明确。
目前，学术界借助各种模型和工具在不同空间尺度上对WEF nexus系统进行了定性和定量分析[7-8]。例如，在家庭尺度上，分析了用户行为、收入、家庭规模和气候变化等对WEF需求的影响[9]；在农田尺度，发现使用有机肥、降低不可再生能源使用比重，有利于保护水环境和保证小麦生产系统的可持续性[10]；将WEF nexus理念引入流域，分析了湄公河流域水、能源、粮食安全[11]；利用水文—经济优化的集成模型，开展了澜沧江—湄公河流域水库运行对水力发电、灌溉作物产量和渔业产量的影响分析[12]。国内有学者采用哈肯模型分析了中国西北地区水—能源—粮食的协同关系[13]；环渤海城市群土地利用变化、城镇化等因素与WEF压力关系的研究表明，WEF压力随着城镇化程度提高而增加[14]。在国家尺度上，有针对单一国家，分析不同农业活动情景下WEF nexus系统的变化[15]；也有针对特定地理区域内所有国家，进行WEF安全的对比分析[16]。国际贸易虽然可以提高发达国家的水资源、能源等可持续发展目标得分，但会降低发展中国家的可持续发展水平[17]。
已有的水—能源—粮食研究，加深了对WEF nexus系统的认识，推动了相关理论和技术的发展[2-3,18-19]。但是，目前仍存在研究零散化、碎片化的问题，缺少相对完整的研究架构与体系，不能实现对WEF nexus系统理论、方法、应用的全过程认识。因此，需要尽早确立“水—能源—粮食”系统可持续发展的理念，建立综合效益评价指标，探索低碳高效的水、能源、土地综合开发利用模式，开展跨学科、跨地区、跨部门的综合研究与管理，应对气候变化，保障人类福祉，实现人类社会可持续发展。鉴于此，本文通过对相关研究的梳理总结与综合分析，面向可持续发展目标，以“状态及关系评价—驱动机制识别—外部影响分析”为线索，从研究主题、理论、方法与应用方面，构建WEF nexus系统研究的理论体系框架，以期为全球与区域可持续发展目标的分析提供思路和方法借鉴。
1 水—能源—粮食纽带关系系统解析
1.1 系统的定义与组成
如表1所示，根据研究侧重点的不同，WEF nexus系统的时空边界随之变化，主要包括产品、家庭、农田、流域、城市、区域、国家、全球等空间界限，不同空间范围内的互馈关系各有特点，不同尺度之间可能具有包含或者交叉关系。WEF nexus系统包括水、能源、粮食、时间、空间五大要素，其基本范式如下：
表1 水—能源—粮食纽带关系系统的时空边界
Tab.1
式中：WEF指水—能源—粮食纽带关系系统；f指在一定时空范围内，系统内复杂的动态非线性关系；W、E、F分别指水、能源、粮食3个子系统；T指时间；S指空间。系统纽带关系的形式和状态随研究的时间序列长度和时间步长、空间范围和尺度而变。
目前，尚无统一的WEF nexus系统定义，本文以纽带关系为切入点，统筹五大要素，以物质、能量、信息为线索，将其定义为：一定时空范围内，在自然与人类的影响下，水、能源、粮食构成的统一整体。在这一统一整体内，水、能源、粮食相互影响、相互制约，存在着复杂的非线性互馈关系，构成一个动态平衡的系统。该系统在能量的驱动下，得以运转，水、能源、粮食之间进行着物质交换，系统纽带关系及状态以数据信息的形式呈现。
从系统论观点分析，WEF nexus系统由水资源子系统、能源子系统、粮食子系统组成，子系统的表现形式和子系统之间的关联方式随研究对象而变。例如，在流域尺度上，水系统主要包括“降水、蒸发、下渗、径流”的自然水循环过程和“供、用、耗、排、回”的社会水循环过程，能源系统主要指流域上游水能资源的开发与利用，粮食子系统主要指流域内农田生产过程对水资源和能源的消耗，三者关系以水循环为核心。在国家尺度上，水系统更多需要从水资源供给与需求的角度，分析国家整体水安全，能源系统涵盖化石能源、可再生能源、电力资源等，粮食子系统关注农业生产、再加工、运输、贸易、消费结构对水资源、能源的影响。由于不同国家资源天然禀赋和经济社会需求不同，水、能源、粮食均可能成为三者关系的核心。
1.2 系统内部的相互作用过程
如表2所示，WEF nexus系统内部存在着物质、管理、技术等层面的关系。物质层面指在三者生产、运输、供给、使用等过程中的互相消耗关系，可为量化三者纽带关系提供数据支持；管理层面指某种资源对其他资源管理政策制定的支撑或制约作用，为实现三者的综合开发利用与保护、协同发展提供依据；技术层面指通过技术发展，调整三者在物质和管理层面的关系，为改进三者之间的互相消耗、协同与权衡关系指明技术发展的重点方向。
表2 不同层面WEF nexus系统内部相互作用过程
Tab.2
| 层面 | 水资源与能源 | 水资源与粮食 | 能源与粮食 |
|---|---|---|---|
| 物质层面 | 化石能源开采、加工与运输过程，发电过程消耗水资源；水资源提取、输送、处理与回用过程消耗能源 | 作物生长、牲畜生存、食品加工与运输耗水 | 农业机械、生产要素(化肥、农药等)消耗能源；作物可用作生物质能 |
| 管理层面 | 水电资源的开发利用规划与管理 | 根据水资源时空分布规律，确定耕种面积和类型 | 协调资源配置，如生物质能资源开发，有利于能源安全，但会损害粮食安全 |
| 技术层面 | 化石能源开采技术提高，火力发电技术升级可降低水耗 | 种植模式、灌溉技术、作物类型和品种影响粮食生产的水资源消耗 | 生物质能利用技术升级，提高单位生物资源的产能量 |
1.3 系统的输入与输出
WEF nexus系统的物质、能量和信息的输入输出关系如图1所示。物质输入包括自然资源和人类加工品两大类，指水、能源、粮食子系统开始运转所需的客观物质。能量输入指驱动系统运转的动力源头(太阳能)。输出包括有益的和有害的，有害的如物质消耗产生的废水废气等，有益的包括生产出的可供人类生产生活所需的加工品、各种形式的能源等。WEF nexus系统运转后，会输出系统纽带关系和总体状态信息，物质和能量流动的数据信息，及与系统相关的降水、气温、蒸散发、人口、GDP数据等。
图1
1.4 系统的影响因素
表3 气候变化对水—能源—粮食纽带关系系统的影响
Tab.3
| 影响对象 | 正面影响 | 负面影响 |
|---|---|---|
| 水资源 | • 部分地区降水量增加，提高水资源可供给量 | • 水温升高和溶解氧减少，降低水体自净能力，影响水质、水资源供给和水生生态系统 • 极端事件增加，洪水或干旱期间污染物的聚集，增加水污染和病原体污染风险 • 影响水资源可利用量及其分布[23]，增加全球干旱面积 |
| 能源 | • 北冰洋和西伯利亚及格陵兰等地区的冻土层解冻可能会增加可供开采的石油、天然气资源[24] • 气候变暖降低供暖能源需要 • 冰川融化提供新的能源贸易路线 | • 洪水和风暴等极端事件会破坏化石能源开采、发电厂等能源基础设施 • 寒区多年冻土层解冻会损坏石油和天然气管道 • 气候变暖增加降温的能源需要 |
| 粮食 | • 高纬度地区，气候变暖增加作物处于温度适宜范围的时间，玉米、小麦和甜菜等作物的产量可能增加 • 气温回暖，作物生长期延长，霜冻时间缩短，大气CO2浓度升高，提高作物产量[26] | • 种植业：低纬度地区，气温增加超过作物的温度适应范围，玉米和小麦等作物的产量降低；极端天气频发，增加农作物的气候变化脆弱性，降低农作物的产量和质量[25] • 畜牧业：温度、降水、大气CO2浓度等变化会提高越冬期间病原体的成活率，对动物健康、牧草和饲料作物产生不良影响[26] • 渔业和水产养殖业：深海海洋膨胀、高温和旋风等极端事件影响海洋生态系统，威胁捕捞渔业和水产养殖业 |
| 纽带关系 | • 水—能源：气温升高可能导致部分地区融雪径流增加，水电潜力增加 • 能源—粮食：部分地区，气候变暖会增加用来发电和其他可替代燃料生产的生物质材料数量 • 水—粮食：干旱地区的气候暖湿化、降水增加，可提高农业水资源供给量 | • 水—能源：部分地区，干旱加剧可能降低水电潜力 • 能源—粮食：部分地区，气候变暖会减少用于发电和其他可替代燃料生产的生物质材料数量 • 水—粮食：气温升高，作物和牲畜需水量增加 |
表4 不同类别人类活动对水—能源—粮食纽带关系系统的影响
Tab.4
| 人类活动类别 | 正面影响 | 负面影响 |
|---|---|---|
| 经济发展 | 提高贫困地区居民水资源、能源、粮食的供给水平 | 可能导致资源需求增加，供需矛盾加剧。如提高农业为主地区的经济发展，可能会进一步增加农业耗水量；不发达地区的经济发展增加人均水资源、能源、粮食需求 |
| 人口增多 | 增加劳动力、加快能源的开发和粮食的生产，促进WEF nexus向好发展 | 增加水、能源、粮食需求量 |
| 科技进步、管理水平提高 | 提高水资源和能源的单位使用效率；提高作物产量及其对环境的适应性；降低三者间的互相消耗量 | 科技进步提高生活水平，可能增加资源需求，造成资源浪费；科技进步和管理水平提高会降低某一领域的资源消耗，但总的消耗量可能不降反升，如灌溉效率悖论 |
| 土地利用变化 | 工业用地的增加会加快工业发展、提高能源利用水平，农业用地的增加会提高粮食生产能力，水域的增加会影响气候变化及水循环系统，有利于优化WEF nexus | 城镇化加快，工农业用地增加，水资源和能源需求增加 |
| 水资源调度、电力调度工程 | 优化三者可利用量的空间分布关系 | 不合理调度导致资源压力转移 |
| 国际贸易 | 提高全球综合效益 | 导致三者在发达地区集聚，加剧欠发达地区资源压力 |
2 面向可持续发展的水—能源—粮食纽带关系系统研究框架及内容
2.1 水—能源—粮食与可持续发展目标的关联性解析
如图2所示，作为联合国2030可持续发展目标(SDGs)中的3个重要目标(水资源：SDG 6，能源：SDG 7，粮食：SDG 2)，不仅水、能源、粮食三者之间存在着相互作用，还直接或间接影响到其他可持续发展目标，反之，三者也受到其他目标的影响[27]。表3和表4分析了气候变化和人类活动对WEF nexus系统的影响，与二者相关的可持续发展目标(SDGs 9, 11, 12, 13)正是为了缓解可能的不利影响。在WEF nexus系统对SDGs的影响方面，不合理的水资源开发利用、能源和粮食生产活动会导致水资源短缺、水生态恶化、土壤污染、大气污染、加剧气候变化等不良后果。有研究表明，2015年粮食系统的温室气体排放量占总排放量的34%，其中71%来自农业活动和土地利用过程，29%来自食品供应链环节[28]；能源开采与使用过程会产生有毒有害物质，威胁生态环境和人体健康。此外，WEF nexus系统的不良运行还会对海洋和陆地生态系统(SDGs 14和15)产生破坏性影响，威胁人类生命健康(SDG 3)，制约经济社会发展，减少就业岗位(SDG 8)，加剧贫困问题(SDG 1)，增大区域不平等(SDG 10)。总体而言，气候变化和人类活动会改变水、能源、粮食子系统状态，叠加区域水循环的“自然—社会—贸易”三元属性[29]，使WEF nexus系统的内部关系与状态不断变化，对人类福祉、生态环境等可持续发展目标产生促进或制约作用。科学分析其状态与关联性，最大化有利的外部影响，最小化不利的影响，对于区域可持续发展极为重要。
图2
图2
水—能源—粮食纽带关系系统与可持续发展目标的关联性
Fig.2
Interactions between the WEF nexus system and the SDGs
2.2 水—能源—粮食纽带关系系统研究框架
基于文献调研及综合，本文提出了以“研究主题—学科理论—技术方法—实践应用”为主线的水—能源—粮食纽带关系系统研究框架，如图3所示。其中，研究主题是基于系统论的思想，通过解析WEF nexus系统整体与局部、局部与局部、整体与外部环境之间的联系所得出的；WEF nexus系统研究的是涉及多学科交叉的问题，框架中涉及的学科为与WEF nexus系统研究相关的较为成熟的基础学科，这些学科具有坚实的理论基础，也为跨学科探讨提供了有益的支撑；框架中提及的技术方法，是在其他领域应用比较广泛的成熟方法，这些方法适用于系统关系、系统驱动力与外部影响问题的分析，在WEF nexus系统领域的研究中，学者们先后对这些方法的合理性、适用性进行了分析、验证；所提出的实践应用方向紧密贴合联合国可持续发展目标，是基于物质、能量循环的基本定律，通过对系统的组成、内部相互作用过程、输入输出、影响因素的剖析所得出。研究框架具体内容如下：
图3
图3
面向可持续发展的水—能源—粮食纽带关系系统研究框架
Fig.3
A research framework of the WEF nexus system for sustainable development
(1) 从系统内部关系、系统与可持续发展目标交互作用的角度，将研究主题分为3大类：系统内部纽带关系与总体状态评估、外部因素对系统的影响分析、系统对外部的反馈作用研究。
(4) 基于对WEF nexus系统研究主题、理论与方法的分析，及其与可持续发展目标关系的解析，提出了研究的实践应用方向。首先，对WEF nexus系统内部作用机理及状态的定性定量分析，有助于实现对SDGs的现状评价(SDG 2：粮食，SDG 6：水资源，SDG 7：能源)；其次，对WEF nexus系统变化驱动因素及机制的模拟，可为制定与优化SDGs提供依据(SDG 9：气候变化，SDG 11：产业布局和基础设施建设，SDG 12：城市和社区发展，SDG 13：消费和生产模式)；最后，对WEF nexus系统外部性影响的研究，有利于消除可持续发展中存在的贫困(SDG 1)、不平等(SDG 10)和生态环境破坏(SDGs 14和15)问题，实现经济社会可持续发展(SDG 8)，保障民生福祉(SDG 3)。
总体而言，水、能源、粮食本身是SDGs的组成部分，又与17个SDGs中的其他目标紧密关联，水—能源—粮食纽带关系的良性协同发展，可促进SDGs的实现。本文所提出的WEF nexus系统研究框架考虑了其与SDGs的交互作用，据此开展的研究直接或间接将SDGs纳入分析过程。例如，水—能源—粮食综合安全评价中，所构建的评价指标体系可直接采用SDGs 2, 6, 7内的子目标；对水、能源、粮食供需关系、优化利用与保护的研究中，必然间接涉及对经济发展(SDG 8)、生态环境(SDGs 14和15)影响的分析。
2.3 水—能源—粮食纽带关系系统重点研究内容
根据3大研究主题，WEF nexus系统重点研究内容如下：① 系统内部纽带关系与总体状态评价。水资源、能源、粮食“两两”“三者”之间的输入与输出、协同与权衡关系；关系强度的定量分析，评估指标和标准的确定；关系类型的划分与界定、衡量标准的确定，以单一要素(水、能源、粮食)为主导，以某两种要素(水—能源、水—粮食、能源—粮食)为主导等；关系类型的演变规律与驱动因素分析；系统的综合安全、综合效益分析指标与方法等。② 外部因素对系统的影响分析。气候变化(降水、气温等)对WEF供给量、供给结构、供给稳定性(极端事件影响)、年际年内变化规律等的影响；经济社会发展(人口、GDP等)对水—能源—粮食需求量、需求结构、需求年际年内变化规律等的影响；管理政策、技术水平等对“水耗能、能耗水、粮耗水、粮耗能”的纽带关系影响。③ 系统对外部的作用研究。水资源开发利用导致的水资源短缺、水污染、生态系统退化等对人类安全用水、生物多样性、生态环境等影响的量化；能源开发与利用过程中排放的有毒有害气体，对大气和人体健康的影响分析；粮食生产活动导致的土地资源退化(盐化、碱化等)引发荒漠化、沙尘暴等，对生态和人类生活的影响分析；水—能源—粮食综合承载力的量化，及三者关系失衡引发地区冲突的可能性与应对措施研究。
根据3大研究主题，针对不同空间尺度，研究重点各有不同，概括如下：① 产品尺度，从全生命周期角度，分析产品加工、运输、使用等阶段的资源消耗规律，识别主要消耗阶段及其原因，研究降低资源消耗量的技术；② 家庭尺度，分析不同地区、收入水平、教育水平、家庭人员结构下的水、能源、粮食消耗量、消耗结构、年内日内使用量曲线等规律，研究如何实现对家庭WEF nexus系统的监测、管理与优化；③ 农田尺度，以农业生产为核心，分析不同灌溉水源、灌溉方式、水价制度、电价制度、新能源使用等情况下的水—能源消耗与农业产出的关系，以期以最低的水—能源投入，实现最大的农业产量和产值；④ 流域尺度，考虑合理的补偿机制，以全流域水资源优化利用为核心，通过对能源和粮食部门内水资源的分配，实现系统综合效益最大；⑤ 城市尺度，摸清城市WEF时空特征及关系，分析3种资源的供需关系，以支撑城市经济社会发展；⑥ 国家尺度，摸清国家WEF时空特征及关系，研究如何通过提高管理和技术水平，采用适当的调控措施，实现国家层面的资源最优化利用和WEF安全；⑦ 区域/全球尺度，分析区域/全球WEF天然分布特征、开发利用水平差异，确定不同国家的比较优势，研究国际贸易在全球WEF nexus系统中的作用，避免因水、能源、粮食危机引发区域冲突，推动与WEF相关的可持续发展目标的实现。
3 水—能源—粮食纽带关系系统研究与应用展望
前述回顾可知，WEF nexus系统作为受内外共同影响的复杂动态系统，需要系统性的研究思想与方法支撑，未来应加强系统分析思想的应用。本文提出了多学科融合的研究思想，针对WEF nexus系统3大研究主题，开展了基于纽带关系的描述指标及计算方法研究。同时，针对WEF nexus系统多尺度的特点，提出了多尺度理论与技术成果耦合应用的思路。
3.1 基于多学科融合的WEF nexus系统研究思路
WEF纽带关系极其复杂，涉及多种时空尺度，根据研究需求不同，需要采用不同的学科融合思路。学科交叉与融合可分为学科理论和技术方法2个层面。理论融合指不同学科基本假设、基本原理、基本概念的相互借鉴、补充和结合。例如，比较优势理论(经济学)可用于分析2个地区能源和农产品生产的水资源成本(水资源学)及其贸易的可能性；借鉴生态系统的生物多样性概念，分析水—能源—粮食供给多样性对WEF nexus系统稳定性的影响；借鉴投入产出模型，根据互相消耗关系，构建水、能源、粮食投入产出数据库。技术方法融合指在理论融合的基础上，将某一学科的技术方法嵌入另一学科的方法中。例如，在流域水文模型中，以能源部门的耗水为连接，加入能源的生产与消费模型，在农业模块中，加入作物需水动态估算模型；在跨界流域的WEF优化利用与管理中，由于地区间的不信任、不合作，使其成为一个抗解问题(wicked problem)，理论上的全局最优方案在现实中很难实施，可以引入博弈论或社会学中的文本情感分析等方法，对优化方案进行现实的可行性分析。
根据研究内容的不同，具有不同的融合思路，对于WEF需求的研究，需要经济学、管理学等的交叉，分析不同管理政策、经济发展水平下居民对水、能源、粮食的需求变化规律；对于水资源的供给研究，需要水文学、气象学、水资源学、地理学等的交叉，研究不同气象和地理条件对水循环过程、水资源利用等的影响；对于农业需水的研究，需要气象学、农学等的交叉，研究气象与作物品种等对作物需水量的影响。
图4
图4
基于多学科融合的“自然—社会—贸易”三元水循环下的“水—能源—粮食”纽带关系研究思路
Fig.4
A multidisciplinary approach to study the WEF nexus from the perspective of "nature-society-trade" water cycle
3.2 基于纽带关系的综合性分析指标与计算方法研究
3.2.1 系统纽带关系与总体状态的综合性评估与量化
系统内部纽带关系是研究的重点，也是难点。目前主要方法有统计学方法[21]、足迹理论[33]、社会网络分析[16]、系统动力学模型[34]等。这些方法提供了解析nexus的思路，但关键在于基于内部纽带关系，提出综合性评估与量化方法。如能值分析方法可以实现对自然系统与经济社会系统的综合分析，解决不同类别要素之间难以比较、计算的问题，统一衡量自然与人文系统的产品与服务价值，已经在可持续发展评价领域得到了成功应用[35]，可考虑用于WEF效益的综合评估。根据三者的相互消耗关系，可求得WEF关系强度的综合性指标，在消耗关系的计算中，可以进一步分为考虑贸易因素和不考虑贸易因素2种情况。本文提出可采用如下综合性研究计算公式：
式中：GDP为研究区内的生产总值。该公式可用于评估WEF nexus系统状态，对比不同地区WEF效益差异。
式中：水耗能等参数为研究对象的实际利用数据(强度或总量)，使用前需对原始数据进行归一化处理；w1、w2、w3、w4、w5指相应参数的权重。该公式可用于量化系统的纽带关系。
3.2.2 气候变化和人类活动对纽带关系和综合状态影响的分析思路
目前，有关外部因素对WEF nexus系统影响研究的方法主要是模型模拟，如可计算一般均衡模型[36]、全球生物圈管理模型(GLOBIOM)[37]、全球变化分析模型(GCAM)[38]等。由于对WEF纽带关系认识不足，这些方法在模拟、评估过程中，未能较好地体现出外部因素对纽带关系及其变化的作用。在气候变化和人类活动对水、能源、粮食单一系统的影响方面，可以借鉴经典成熟的理论与方法，如使用弹性系数法定量解析气候变化和人类活动对水资源供给的影响，使用径流时间变异性分析水电资源开发利用潜力的变化，通过分析极端气候事件、气候变化和技术进步对作物生长发育过程的影响，分析其对粮食供给的影响。在气候变化和人类活动对WEF nexus系统的影响方面，可在二者对单一系统影响分析的基础上，进一步分析二者对关联性指标的影响，如降水、气温、蒸散发条件、灌溉方式和技术变化对作物需水量的影响，能源开采、发电技术转变对能源部门耗水量的影响，并结合WEF nexus系统关系和状态的综合评价指标，开展驱动机制分析。
3.2.3 WEF nexus系统外部性影响分析思路
WEF nexus系统对外部环境的影响研究方法有贝叶斯网络[39]、WEF Nexus Tool 2.0模型[40]、生命周期评价[41]等。目前，WEF nexus系统对外部环境的影响研究相对缺乏，研究对象不够具体，且未能充分考虑纽带关系的作用，应结合已有的单一水资源、能源、粮食系统对外部影响的研究成果，加强WEF nexus系统对人体健康、淡水与陆地生态系统、大气、土壤等可持续发展目标的影响研究。例如，分析不同的WEF综合开发利用方式下，水量和水质的变化规律、能源和粮食的安全状况，及其对生态系统、土地资源、区域稳定等的影响。资源冲突的起因一般是资源不足或分配不合理，资源缺口在一定程度上可以反映冲突的可能性与严重程度，针对跨界河流WEF的综合利用与管理，本文提出量化区域冲突可能性的公式：
式中：缺口为研究对象的实际利用数据与理论数据(国际先进水平、理论需求等)的差值，使用前需对原始数据进行归一化处理；w1、w2、w3、w4指相应参数的权重。该公式可用于量化不同纽带关系下区域冲突的可能性。
3.3 推动不同尺度研究成果的耦合应用
总体而言，中微观尺度WEF nexus系统研究可为宏观尺度WEF nexus系统研究提供基础，小尺度和大尺度WEF的管理决策可以互相提供依据，小尺度WEF目标的集合决定大尺度WEF的状态，大尺度WEF目标的分解决定小尺度应该实现何种目标。如，城市是由家庭、社区等社会单元构成的，城市发展的重要目标在于保障居民水、能源、粮食使用权益，而居民的饮食、消费、用水、出行等习惯会对城市WEF供给提出不同的要求，二者必须结合起来，统筹家庭、社区WEF需求的优化研究和城市WEF供给的管理研究。大型流域会涉及多个行政区，甚至多个国家，流域WEF nexus系统状态会影响沿线区域WEF安全，反之，沿线区域对WEF需求差异，会影响流域WEF管理与利用政策。在跨国界河流尤为明显，如中亚咸海流域，上游国家位于山区产流区，水资源、水能资源极其丰富，土地资源和化石能源缺乏，而下游国家耕地资源、化石能源相对丰富，水资源极其缺乏，且受上游国家水资源利用方式影响大。咸海流域又占据了沿线国家大部分国土面积。因此，对流域水、能源、耕地资源的开发利用，涉及国家安全、区域稳定和可持续发展问题，必须将流域和国家尺度WEF研究与管理综合起来，最大程度发挥流域对保障沿岸国家WEF安全的作用。
4 结语
本文通过对水—能源—粮食相关研究成果的综合分析，考虑三者与可持续发展目标的关系，分析了WEF nexus系统的内部相互作用过程、输入输出关系，梳理了气候变化和人类活动两大驱动因素对WEF nexus系统的积极和消极影响。本文取得的主要认识如下：
(1) WEF nexus系统时间和空间边界、纽带关系、涉及要素随研究对象不同而变化，但均需要解析三者的互相支撑、投入产出关系，才能真正将WEF作为整体进行分析。为此，必须尽快提出不同时空尺度下，考虑纽带关系的综合性评估指标。
(2) 对于纽带关系的研究，将其他要素加入WEF nexus系统构成更加复合的系统，如水—能源—粮食—生态系统、水—能源—粮食—碳循环系统等，虽然有助于拓宽WEF nexus系统研究内涵，但扎实的WEF纽带关系的理论和方法是开展此类研究、实现WEF综合管理的基础。当前，首先，应更多聚焦于揭示WEF nexus系统自身变化机理，其次，再将其他因素视为WEF nexus系统的驱动或反馈因素，开展其与可持续发展相关目标的研究工作。
(3) WEF nexus系统是在水、能源、粮食交互作用日益凸显的背景下提出的，目标是实现WEF综合安全。在围绕不同对象、开展跨学科研究的基础上，迫切需要探索不同时空尺度研究成果的集成方式，为实现WEF综合管理与利用提供理论和决策依据。
参考文献
The nexus approach to water-energy-food security: An option for adaptation to climate change
[J].DOI:10.1080/14693062.2015.1029865 URL [本文引用: 1]
水—粮食—能源纽带关系研究进展与展望
[J].
DOI:10.11821/dlxb202107002
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水—粮食—能源纽带关系是实现社会经济可持续发展的重要支撑与关键途径。本文系统梳理了纽带关系的概念内涵,回顾了纽带关系的近今进展,发现当前学界对纽带关系的概念内涵和研究框架尚未达成较为一致的认识。在评估方法上,可归纳为基于关键过程视角的评估、基于系统整体视角的评估以及耦合纽带系统内外部要素的综合评估,呈现出由传统部门研究范式到自然科学和社会科学交叉的人地系统耦合研究范式的转变。文献计量分析表明,2000—2019年纽带关系研究发文量呈指数增长,且2015年之后增加尤为显著。在学科分布上,环境科学、食品科学和营养学是研究纽带关系的主要学科,未来应加强地理学的综合性和系统性思维在纽带关系研究中的应用。通过文献回顾发现,当前研究对纽带系统的互馈关系及其演化特征缺乏定量化理解,建议未来应重点关注以下五个前沿议题,即建立纽带关系多源信息数据库、揭示纽带关系耦合系统互馈机理、发展纽带关系耦合系统过程模型、搭建纽带关系耦合系统决策平台以及促进纽带关系多部门协同合作,旨在通过系统治理和科学管控,实现纽带关系系统协同可持续发展。
Water-food-energy nexus: Progress, challenges and prospect
DOI:10.11821/dlxb202107002
[本文引用: 4]
The water-food-energy nexus (WFE) plays a key role in achieving sustainable development. In this study, we systematically analyzed the concept of the WFE nexus and review its recent progress. We found that the academic communities have not reached a unanimous understanding of the concept of the WFE nexus and research framework. The evaluation methodology of the WFE nexus presents a transition from the traditional sectoral research paradigm to the human-environment system paradigm that considers the intersection of natural science and social science. These methods can also be grouped into three categories: an evaluation based on a critical process, an evaluation based on the whole system, and a comprehensive evaluation that involves coupling the internal and external elements of the WFE nexus. A bibliometric analysis shows that the number of research papers concerning the WFE nexus increased exponentially during 2000 to 2019, and the increase was particularly significant after 2015. Environmental science, food science, and nutrition science are the three main disciplines in WFE nexus research. More important, we need to strengthen the application of geography thinking, that is, comprehensive and systematic thinking, to study the WFE nexus in the future. Based on the literature review, we found that existing research lacked a quantitative understanding of the mutual feedback among the WFE nexus and its evolution. Therefore, we suggest the following five priority areas for future research: establishing a multi-source database of the WFE nexus, revealing the mutual feedback mechanism of the WFE nexus, developing a coupling model of the WFE nexus, establishing a decision-making platform for the WFE nexus, and promoting the collaboration of multiple sectors related to the WFE nexus. This will help to achieve a synergetic sustainable development of the WFE nexus through system governance and scientific management.
水—粮食—能源关联系统述评: 文献计量及解析
[J].
A review and discussion on the water-food-energy nexus: Bibliometric analysis
Understanding the impacts of climate change and socio-economic development through food-energy-water nexus: A case study of Mekong River Delta
[J].
Food-energy-water implications of negative emissions technologies in a +1.5 ℃ future
[J].DOI:10.1038/s41558-020-0876-z URL [本文引用: 1]
Agrivoltaics provide mutual benefits across the food-energy-water nexus in drylands
[J].
DOI:10.1038/s41893-019-0364-5
[本文引用: 1]
The vulnerabilities of our food, energy and water systems to projected climatic change make building resilience in renewable energy and food production a fundamental challenge. We investigate a novel approach to solve this problem by creating a hybrid of colocated agriculture and solar photovoltaic (PV) infrastructure. We take an integrative approach-monitoring micro-climatic conditions, PV panel temperature, soil moisture and irrigation water use, plant ecophysiological function and plant biomass production within this 'agrivoltaics' ecosystem and in traditional PV installations and agricultural settings to quantify trade-offs. We find that shading by the PV panels provides multiple additive and synergistic benefits, including reduced plant drought stress, greater food production and reduced PV panel heat stress. The results presented here provide a foundation and motivation for future explorations towards the resilience of food and energy systems under the future projected increased environmental stress involving heat and drought.
Managing the water-energy-food nexus on an integrated geographical scale
[J].
Water-energy-food nexus: Concepts, questions and methodologies
[J].DOI:10.1016/j.jclepro.2018.05.194 URL [本文引用: 1]
An integrated model to evaluate water-energy-food nexus at a household scale
[J].
Water energy food nexus approach for sustainability assessment at farm level: An experience from an intensive agricultural area in central Italy
[J].
The water-food-energy nexus: Realising a new paradigm
[J].DOI:10.1016/j.jhydrol.2015.12.033 URL [本文引用: 1]
Exploring synergies in the water-food-energy nexus by using an integrated hydro-economic optimization model for the Lancang-Mekong River Basin
[J].
干旱区水—能源—粮食纽带系统协同演化: 以中国西北地区为例
[J].
Co-evolution of water-energy-food nexus in arid areas: Take Northwest China as an example
DOI:10.31497/zrzyxb.20220204 URL [本文引用: 1]
Effects of urbanization on food-energy-water systems in mega-urban regions: A case study of the Bohai MUR, China
[J].
Water-food-energy nexus with changing agricultural scenarios in India during recent decades
[J].DOI:10.5194/hess-21-3041-2017 URL [本文引用: 1]
A systematic analysis of water-energy-food security nexus: A South Asian case study
[J].
Impacts of international trade on global sustainable development
[J].DOI:10.1038/s41893-020-0572-z URL [本文引用: 2]
水—能源—粮食纽带关系若干问题解析
[J].
Analysis on issues of water-energy-food nexus
DOI:10.31497/zrzyxb.20220203 URL [本文引用: 2]
水—粮食—能源—生态系统关联研究进展
[J].
DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.073
[本文引用: 1]
传统的水—粮食—能源关联对生态系统的支持与反馈能力考虑不足，增加了协同保障区域水—粮食—能源安全的难度。综述了近年来国际上水—粮食—能源—生态系统关联框架的搭建，发现有必要从生态系统服务的角度统筹水、粮食、能源等资源部门的社会治理过程。基于生态系统类型，可分为农业、河流、森林、草地和城市生态系统的5种常见关联结构，但目前针对森林和草原生态系统的研究相对不足。量化评估中子系统边界的确定，关联预测中多主体对关联的影响，整合优化中结合资源管理和生态修复是难点所在。未来可以从把握区域特征、扩充指标体系、整合模型需求和优化国土空间4个方向入手优化水—粮食—能源—生态系统关联结构，为区域可持续发展提供整体决策依据。
Research progress of the water-food-energy-ecosystem nexus
DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.073
[本文引用: 1]
Traditional Water-Food-Energy （WFE） nexus lacks consideration of the support and feedback capacity of ecosystems， which makes it difficult to guarantee a coordinated regional water-food-energy security. Based on a review of recent international frameworks for Water-Food-Energy-Ecosystem （WFEE） nexus construction， we found that there was a need to integrate the social governance processes of water， food and energy resource sectors from the perspective of ecosystem services. On the basis of different ecosystem types， the common WFEE nexus can be classified into five ecosystems： agriculture， river， forest， grassland， and urban. There is a relative lack of research on forest and grassland ecosystems. In terms of research methods， the research difficulties are the determination of subsystem boundaries in quantitative assessment， the influence of multiple subjects on the nexus in prediction， and the combination of resource management and ecological restoration in integration and optimization. With the goal of optimizing the WFEE nexus structure and providing an overall decision basis for regional sustainable development， future research can focus on four aspects： grasping the regional characteristics， expanding the index system， integrating the model requirements， and optimizing the national space.
Evaluating the environmental impacts of the water-energy-food nexus with a life-cycle approach
[J].
An integrative analytical framework of water-energy-food security for sustainable development at the country scale: A case study of five Central Asian countries
[J].
Water, energy, and food security in the Asia Pacific region
[J].DOI:10.1016/j.ejrh.2015.11.005 URL [本文引用: 1]
IPCC AR6报告解读: 气候变化与水安全
[J].
Interpretation of IPCC AR6: Climate change and water security
全球气候变化对农业生态系统的影响研究进展
[J].
Impact of global climate change on agro-ecosystem: A review
In global climate change, the most important ecological factors influencing agricultural production and agro-ecosystem are elevated atmospheric CO2 concentration, enhanced air temperature, and changed precipitation, which mainly exert on crop output, crop growth, diseases and pests, agricultural water resources, and structure and function of agro-ecosystem. In past decades, global climate change already made great influences on our agriculture and agro-ecosystem, especially the agricultural production in arid regions of North China, and many of the influences were negative or adverse. This paper summarized the impact of global climate change on agricultural water resources, soil nutrients, crop growth and development, diseases and pests, weeds, food safety, and structure and function of agro-ecosystem. Aiming at the challenges brought about by the global climate change to the agricultural production and agro-ecosystem in China in 21st century, the key points and difficulties in future research were put forward.
面向可持续发展的资源关联研究: 现状与展望
[J].
Resource nexus for sustainable development: Status quo and prospect
Food systems are responsible for a third of global anthropogenic GHG emissions
[J].DOI:10.1038/s43016-021-00225-9 URL [本文引用: 1]
西北内陆河流域“自然—社会—贸易”三元水循环模式解析
[J].
DOI:10.11821/dlxb202007001
[本文引用: 2]
持续的强人类活动大大改变了流域水循环演变的结构、路径和驱动力,后者又反过来影响着人类生存发展的水安全。日益深入的市场经济使人类活动对水循环的影响从一个流域扩展到流域之外更宽广的区域范围,以产品贸易为纽带的水“流动”已成为驱动区域水循环演变与影响区域水安全的重要内在因素。以流域为单元的传统水循环研究,难以揭示不同区域之间的水循环联系、双向回馈机制与协同进化机理。本文从西北内陆河流域长期大量输出高耗水农产品这一现象分析入手,采用理论解析与案例相结合方法,阐述分析内陆河流域自然水循环、“自然—社会”二元水循环、区域间贸易水循环的基本过程、显著特征及其驱动机制,继而首次明确提出内陆河流域“自然—社会—贸易”三元水循环模式,并就其通量计量模型、影响因素与生态环境效应、科学前沿进行了探索分析,以便未来西北内陆河水循环、水文水资源等研究能更多重视对驱动内陆河流域水循环的外部力量及其双向互馈、协同进化的分析,更新内陆河流域水安全、生态安全的思考范式。
Theoretical analysis of "natural-social-trading" ternary water cycle mode in the inland river basin of Northwest China
DOI:10.11821/dlxb202007001
[本文引用: 2]
The continuous and intense human activities have greatly changed the structure, path and driving force of the natural water cycle evolution, which conversely influences the water security of human being. With the process of globalization and market economy, human activities not only affect the artificial development of water and soil resources, but also extend to the economic field. The "flow" of water trade contained in product has become an important internal factor that drives the evolution of the regional water cycle and affects regional water security. Traditional water cycle research, which focused on the watershed scale, is difficult to reveal the linkage, two-way feedback mechanism and co-evolution dynamic mechanism in water cycle among different regions. Starting from the phenomenon of continuous and water-intensive agricultural products export in Northwest China, this research elaborates the phenomenon, the process, the structure and their driving forces of the unitary natural water circular, nature-human society binary circular, and trading water circular within multi-regional social economic complex systems by theoretical analysis. We explicated the theoretical framework for constructing the "natural-social-trading" ternary water cycle in the inland river basin, including mode of process, driving force of water cycle, conceptual model, influencing factors and ecological environment effects. Furthermore, we discussed the frontier of water cycle research in inland river basin based on ternary water cycle model-social hydrology. We advocated that the future study on water cycle and water resources should focus more on the external forces driving the water cycle of the inland river basin and its two-way mutual feedback and co-evolution, providing theoretical references for the decision-making of water security, ecological environment security and ecological civilization construction in inland river basins.
区域水平衡基本原理及理论体系
[J].
The basic principle and theoretical system of regional water balance
生态水文学兴起: 学科理论与实践问题的评述
[J].
Ecohydrology on the upsurge: History and prospect of its theory and application
水—能源—粮食纽带关系定量研究方法综述
[J].
Review of quantitative research methods for water-energy-food nexus
中国能源—粮食生产对水资源竞争的关系: 基于水足迹的视角
[J].
DOI:10.11821/dlyj020200525
[本文引用: 1]
通过对水-能源-粮食系统的定量分析,能更好的探究三者之间的协同作用,对提高区域资源综合利用效率、促进区域可持续发展具有重要意义。本文基于水足迹视角探讨了1990—2017年中国31个地区能源-粮食生产对水资源的竞争关系,并借助ESTDA模型框架对其时空动态特征进行分析。结果表明：① 中国化石能源水足迹的时间演变特征可分为缓慢下降-快速上升-平稳下降3个阶段,其中化石能源灰水足迹平均占化石能源水足迹的70%以上;电力水足迹呈持续上升态势,其中电力蓝水足迹平均占电力水足迹的70%以上;粮食蓝水足迹上升幅度明显,平均占农业用水总量的70%以上。② 能源-粮食水足迹总量空间分布格局受区域资源禀赋差异影响较大。③ 时间序列上,中国能源-粮食生产对水资源竞争指数呈逐年上升态势;空间分布上,同时兼顾能源生产与粮食生产的黄河中下游区、东北地区为竞争指数高值集聚区,其余地区竞争指数相对较小。④ LISA时间路径分析显示,中国南方地区能源-粮食水资源竞争指数的空间格局的稳定性比北方更强;各地区在不同程度上均受局部结构的时空依赖效应影响;竞争指数空间格局变化具有较强的整合性且空间凝聚性较强。⑤ 能源-粮食生产对水资源的竞争在短期内难以得到有效缓解。
Study on the competitive relationship between energy and food production for water resources in China: From a perspective of water footprint
DOI:10.11821/dlyj020200525
[本文引用: 1]
Water, energy and food (WEF) are key elements of economic and social sustainable development. In China, water security is the most prominent problem in the WEF-nexus, which is manifested in the competitive relationship between food and energy production for water. Therefore, the matter of alleviating water resources stress and pressure has become a hot issue. In this paper, we measured the water footprint of major energy (coal, oil, natural gas), power(thermal power, hydropower nuclear power, wind power and solar power) generation, and food blue water footprint in 31 provincial-level regions of China from 1990 to 2017. Energy-food for water resources model and ESTDA model were used to analyze the competition state of energy-food for water resources and the dynamic characteristics of spatio-temporal pattern in the study period. The results showed that: (1) The temporal evolution of fossil water footprint in China can be divided into three stages: slow decline, rapid rise and steady decline. The water footprint of electricity showed a continuous upward trend, and the average blue water footprint of electricity contributed more than 70%. Blue water footprint of food increased significantly, accounting for more than 70% of the total agricultural water used. (2) On the spatial distribution, high values of fossil energy water footprint are mainly observed in the areas with abundant coal, oil and gas resources; the power water footprint is roughly in the thermal power and hydropower gathering area bounded by the “Bo-Tai line” (Bole city-Taipei city), and other electricity water footprint accounts for less than 2%. The high value areas of blue water footprint of grain are mainly concentrated on the east side of the Heihe-Tengchong Line. (3) On time series, China's energy -food water resources competition index has increased year by year, from 0.22 in the early stage to 0.53 in the late stage. On the spatial distribution, the middle and lower reaches of the Yellow River and Northeast China, considering energy production and grain production, are the gathering areas with a relatively high competition index, while the remaining regions have a relatively small competition index. (4) LISA time path analysis showed that the spatial pattern of energy-food water resources competition index in southern China is more stable than that in northern China. All regions are affected by spatio-temporal dependence of local structure to varying degrees.The LISA spatial and temporal transition showed that the energy-food water resources competition index in various regions has strong spatial cohesion, and there are certain path dependence and locking characteristics. The results can provide reference for the coordinated development of regional energy, food production and water resources, and will help the government to make some effective policies. (5) The competition between energy and food production for water resources is difficult to be effectively alleviated in the short term.
System dynamics simulation of regional water supply and demand using a food-energy-water nexus approach: Application to Qazvin Plain, Iran
[J].
基于能值的哈萨克斯坦可持续发展评价
[J].
Evaluation of Kazakhstan's sustainability based on energy theory
DOI:10.31497/zrzyxb.20200914 URL [本文引用: 1]
The global nexus of food-trade-water sustaining environmental flows by 2050
[J].
DOI:10.1038/s41893-019-0287-1
[本文引用: 1]
In the face of meeting Sustainable Development Goals for the water-food-energy-ecosystems nexus, integrated assessments are a great means to measure the impact of global change on natural resources. In this study, we evaluate the impact of climate change with the representative concentration pathway 8.5 scenario and the impact of socioeconomics with the shared socioeconomic pathway 2 scenario on land use, water consumption and food trade under four water regulation policy scenarios (invest, exploit, environment and environment+). We used the Global Biosphere Management Model and constrained it with water availability, environmental flow requirements, and water use from agriculture, industry and households (simulated using the Lund-Potsdam-Jena managed Land model, Environmental Policy Integrated Climate model and WaterGap model). Here, we show that an increase in land use by 100 Mha would be required to double food production by 2050, to meet projected food demands. International trade would need to nearly triple to meet future crop demands, with an additional 10-20% trade flow from water-abundant regions to water-scarce regions to sustain environmental flow requirements on a global scale.
The implications of global change for the co-evolution of Argentina's integrated energy-water-land systems
[J].
Coupling the water-energy-food-ecology nexus into a bayesian network for water resources analysis and management in the Syr Darya River basin
[J].
Water-energy-food (WEF) Nexus tool 2.0: Guiding integrative resource planning and decision-making
[J].DOI:10.1080/02508060.2015.1074148 URL [本文引用: 1]
Food-energy-water nexus: A life cycle analysis on virtual water and embodied energy in food consumption in the Tamar Catchment, UK
[J].DOI:10.1016/j.resconrec.2018.01.018 URL [本文引用: 1]
