水資源-能源-糧食紐帶關系研究的文獻計量分析

孫 虹，于 杰，趙又霖

(河海大學商學院，江蘇 南京 211100)

20世紀以來，隨著人口膨脹與生產規模的迅速擴大，資源與環境的需求持續挑戰地球生態系統的供給能力，其中水、能源和糧食更是與人類社會息息相關的關鍵戰略資源。聯合國環境規劃署(UNEP)、聯合國糧食及農業組織(FAO)、世界經濟合作與發展組織(OECD)、國際能源署(JEA)等機構研究顯示，未來人類對水資源、能源和糧食的需求呈現持續增長的趨勢，預計2050年全球淡水、能源、糧食需求量將分別增長200%、60%和50%左右。2015年9月通過的聯合國2030可持續發展議程中，在17個可持續發展目標中與水資源、能源和糧食直接相關的就占據3個[1]。水資源、能源和糧食的可持續開發利用，關乎人類社會存續發展以及全人類福祉。

水資源、能源、糧食三者相互依存，牽一發而動全身。部門分割的孤立行為不僅得不到理想的可持續性結果，引起“次最優”問題的產生，甚至會致使其他資源系統的崩潰[2]。2011年，世界經濟論壇在《全球風險報告》中提出“水資源-能源-糧食”風險的概念，將其視為三大重要風險群之一。同年在德國波恩召開的水資源-能源-糧食安全聯盟會議上，首次使用“耦合”(nexus)一詞來表述三者的關聯關系，以深刻理解水、能源、糧食乃至氣候、生物多樣性等領域間的相互關系[3]。2013年，聯合國亞太經濟社會理事會發布《亞太地區水-糧食-能源紐帶關系報告》，提出“紐帶關系”在時間和空間上具有緊密聯系，認為外部因素會對“紐帶關系”產生影響。自此，對于水資源-能源-糧食紐帶關系的研究迅速增長，利用水資源-能源-糧食紐帶關系來解決全球資源環境挑戰成為研究者的共識[4]，紐帶關系也成為可持續發展領域的研究熱點。

水資源-能源-糧食紐帶關系(WEF-Nexus)是一種“新思維”，從系統的視角將水、能源、糧食3個獨立公共部門的資源關聯起來。隨著世界范圍內的水資源、能源以及糧食的供需不平衡導致區域沖突加重，故在復雜環境下研究“水資源-能源-糧食紐帶關系”的演化和趨勢有利于促進人類社會可持續發展。為增進科學理解，本文利用VOSviewer、Bibexcel和文獻計量在線分析等可視化軟件，從國別和機構分布、文獻產出量、作者影響力3個方面研究分析“WEF-Nexus”的基本特征和原因，進而通過關鍵詞共現和主題聚類探究萌芽、探索和快速發展3個時間階段熱點的變化，從而探析“WEF-Nexus”的熱點演化規律及趨勢特征。

1 數據來源、研究方法和工具

1.1 數據源

本研究使用的數據來源于Web of Science核心數據庫，以“water-energy-food”“food-energy-water”“FEWs”“water-food-energy”“energy-water-food”“energy-food-water”以及“food-water-energy”為主題，檢索時間為1985—2021年，最終獲得1188篇文獻。

1.2 研究方法和工具

運用VOSviewer、Bibexcel和文獻計量在線分析等可視化軟件進行基本特征以及共現分析。VOSviewer用于文獻的聚類視圖，評估文獻的研究方向和熱點。Bibexcel用于文獻的計量和共詞分析，展現數據可視化。文獻計量在線分析平臺以web形式存儲數據，實現數據的可視化。關鍵詞共現為內容分析工具，分析關鍵詞之間的關聯強度，用于分析研究領域、術語的發展趨勢[5]。

利用影響因子和作者H指數來衡量作者的影響力。H指數為至少h篇文章達到h次以上的文獻數量。影響因子是期刊前兩年發表的論文在該報告年份中被引用總次數除以這兩年內發表的論文總數。本文主要參考2020年公布的2019年期刊影響因子。

2 WEF-Nexus研究的特征分析

2.1 特征分析

縱觀1985—2021年的研究成果，年度發表的文獻從1997年的4篇增加到2015年的77篇，到2019年已達到244篇。共涉及59個學科，位列前10的是環境科學生態學、工程、水資源、科學技術、能源燃料、氣象大氣科學、化學、地質學、農業、計算機科學。

2.1.1國別和機構分布

從國別來看，共有81個國家在這一領域有所貢獻，美國、英國、中國、德國和荷蘭的發文量占83.2%。美國的發文量居于各國之首，占總發文量的40.0%；2018—2020年，中國的發文量較美國和英國有上升趨勢。從國家合作來看，中美之間的合作最為頻繁，合作53篇；其次為美國和英國，合作49篇。

全球共1 587個機構開展相關研究，前10大最具生產力的研究機構發文數量占18.9%。發文量最高的是德克薩斯A&M大學，牛津大學次之。此外，德克薩斯大學、美國地質調查局、康奈爾大學、密西根州立大學與牛津大學、曼徹斯特大學合作較為頻繁；曼徹斯特大學、德克薩斯A&M大學與中國科學院、北京師范大學合作較為頻繁。從機構合作來看，德克薩斯A&M大學與貝魯特大學合作最為頻繁，合作13篇；其次為中國科學院與中國科學技術大學，合作9篇；第三為美國地質調查局與圣塔芭芭拉加利福尼亞大學。

2.1.2文獻產出量

1985—2021年共458個期刊發表相關文章，發文量前10的期刊占27.91%。其中Water期刊發文量最多，被引240次；其次是ScienceoftheTotalEnvironment，發文48篇，被引185次；JournalofCleanerProduction期刊發文40篇，被引203次。此外，影響因子最高的期刊是AppliedEnergy。

分階段看，1985—2014年，ProceedingsofSpie、ProceedingsoftheSocietyofPhotoOpticalInstrumentationEngineersSpie以及SensorsandActuatorsBChemical的期刊發文較多；2015—2017年間Water以及InternationalJournalofWaterResourcesDevelopment期刊發文最多；2018—2021年，ScienceoftheTotalEnvironment期刊發文量最多。此外，最具影響力的前5篇文章的發文期刊均屬于發達國家。

2.1.3作者影響力

1985—2021年共4 311名學者參與相關研究，其中以色列特拉維夫大學的Katzir發文最多，其主要研究方向為光譜學、工程學和光學。其次是雷恩大學的Bureau和Boussard，其研究方向為工程學、儀器儀表及光學；第四是美國德克薩斯A&M大學的Mohtar，其研究方向為環境科學與生態、水資源；第五是阿里埃勒大學的Raichlin，其研究方向為光學、化學和光譜學。

2.2 特征緣由

針對“WEF-Nexus”中國家和機構分布、文獻產出量以及作者影響力的基本特征，筆者從科研環境、研究方向、期刊定位等方面分析其原因。

a.國家的經濟實力、科研環境、發展背景影響發文分布情況。發達國家的相關研究較早，發文量較多。美國在發達國家中占據領先的地位，發文量居于各國之首；中國起步時間較晚，《2017年國內外油氣行業發展報告》提出，中國全年天然氣消費量同比增長17%，出現了階段性、區域性的“氣荒”問題，故從2018年起中國的發文量有略微上升；發達國家之間的合作頻次較高，但隨著中國國家自然科學基金委員會與美國科學基金會關于“WEF-Nexus”的合作研究項目指南的發布，中美合作更為密切。

b.研究方向和科研實力影響機構發文和合作。不同國家的學術機構研究方向和科研實力不同，跨國合作難度較大。德克薩斯A&M大學、牛津大學、曼徹斯特大學等知名學術機構的研究內容大多為環境科學、水資源、生態學，研究方向較為前沿，更容易合作發文；不同國家經濟發展階段和起步研究時間具有差異性，使各國研究者的關注點不同，故學術機構之間的合作仍以國內合作為主。

c.期刊的定位[6]、經濟發展變化以及研究者關注點影響文獻產出量。發文量前3的期刊定位與“WEF-Nexus”的研究方向相吻合，多接收環境科學與發展、生態環境以及環境與人類關系的文章；AppliedEnergy期刊定位在能源方面，接收能源轉化與節約、能源資源優化利用、污染物減排等內容的文章，對文章質量要求較高，故發文量較少；1985—2014年世界發展的重心是提高經濟實力，故從光學、應用化學、工程學等方面研究替代能源的期刊發文較多；2015—2017年，隨著經濟的發展，水資源、能源的供需不平衡使研究者探索新的方式彌補資源的短缺，故與水資源科學技術、水生態緊密相關的期刊開始活躍；2018—2021年，城市化進程、環境污染、氣候變化等復雜環境使三者關聯關系的矛盾日益凸顯，故研究環境與人類可持續發展的文章較多。

d.研究關注度、研究方向和發文期刊影響作者影響力。前3位學者的發文集中在1985—2014年，屬于早期研究階段，研究方向為工程學、儀器儀表、應用化學以及光學等方面。早期研究者的研究內容對后續研究有導向作用，故作者影響力較高。另外兩位學者的發文集中在2018—2020年，研究方向為環境科學與生態、水資源，在影響因子較高的ScienceoftheTotalEnvironment期刊上發文較多。

3 WEF-Nexus研究的熱點演化趨勢

通過分析“WEF-Nexus”基本特征發現，不同階段作者關注點不同，可能會影響熱點的變化，故筆者將分階段研究其熱點的演化趨勢。1985—2014年，發文量從無到有，可視為萌芽階段；2015—2017年，發文量緩慢上升，可視為探索發展階段；2018—2021年，發文量快速上升，可視為快速發展階段。為凸顯不同階段熱點的變化，篩選出頻次前10且均出現于3個階段的關鍵詞(表1)。

表1 不同階段關鍵詞頻次

3.1 水資源研究受到關注

1985—2014年萌芽期間，發達國家的研究者率先對“WEF-Nexus”開展相關研究，發文207篇，占全部發文量的17.72%。在該階段，農業是全球用水大戶，占世界總用水量的70%，其次為能源生產，占總用水量的15%[7]。隨著工業的發展，農業和能源生產對水資源的需求變大，水資源匱乏，因此，在萌芽階段的研究熱點與水資源相關(圖1)。

圖1 1985—2014年關鍵詞共現

由于水資源的需求增多，緩解水資源的匱乏成為當時研究重點。研究者開始從化學和制造技術、光學、應用化學等方面探索替代能源，故該階段發文較多的期刊為“ProceedingsofSpie”“ProceedingsoftheSocietyofPhotoOpticalInstrumentationEngineersSpie”以及“SensorsandActuatorsBChemical”。在農業生產生活中，淡水使用量占全球淡水使用量的70%[8]，水資源的總量、質量和空間分布格局直接關系著地區的糧食生產和安全[9]，故水資源研究方面，水質和水量成為研究者關注重點，其主要受人類生產生活產生的化學元素、氣候變化以及降雨量等因素的影響(表2)。

表2 萌芽階段聚類結果

3.2 WEF-Nexus的逐步探索

2011年11月，德國聯邦政府在波恩召開了“水資源-能源-糧食安全紐帶關系”會議，首次將這3種資源作為一個整體提出[7]。2011—2015年大約300個來自學術界、商業和政府的相關組織機構參與到紐帶關系研究中[10]。故2015年后，文獻數量有緩慢上升趨勢。因此，本文將2015—2017年視為探索發展階段。

在2015—2017年探索發展期間，WEF-Nexus的發文量增加緩慢，占全部發文量的24.5%。該階段研究者意識到生態環境的變化可能會影響三者的耦合機制，故各國開始重視生態環境的保護。其中，氣候變化不僅會影響能源與糧食生產的效率，還使得全球整體可獲得的淡水資源量下降。例如，Yang等[11]提出了一種新型流域水利經濟水系模型，主要研究氣候變化及其他因素對南亞布拉馬普特拉河流域沿岸國家未來的能源和糧食生產供水的影響。因此，氣候變化成為探索發展階段的研究熱點(圖2)。

圖2 2015—2017年關鍵詞共現

隨著生態環境的變化，研究者們開展環境科學、水生態相關研究，該階段Water及InternationalJournalofWaterResourcesDevelopment期刊的發文量明顯上升。水、能源、糧食的沖突，導致資源利用效率低，對社會經濟、生態產生不良影響，故在生態服務系統中，為提高資源的利用率，“WEF-Nexus”會成為可持續發展的必要工具。此外，全球氣候環境多變，局部研究不能解釋其交互關系，“WEF-Nexus”需要跨界整合，故跨界流域水生態也受到關注(表3)。

表3 探索發展階段聚類結果

3.3 WEF-Nexus的快速發展

2018—2021年間“WEF-Nexus”的發文量快速增加，占全部發文量的58.08%。該階段中“WEF-Nexus”出現頻率最高，共124次(圖3)。

圖3 2018—2021年關鍵詞共現

隨著人口快速增長、城市化進程加快、全球變暖等環境問題愈發突出，在復合環境下探索“WEF-Nexus”成為當下研究重點，ScienceoftheTotalEnvironment期刊發文量增多。在這一階段，有4個研究方向備受學術界關注(表4)。

表4 快速發展階段聚類結果

3.3.1氣候風險下的水資源-能源-糧食關聯關系

快速發展階段中“WEF-Nexus”的風險問題主要集中在氣候變化以及資源短缺。Miller-Robbie等[12]采用生命周期評價方法核算“WEF-Nexus”下溫室氣體排放量；Moore等[13]將“WEF-Nexus”各個要素部門分解到網格，按照其耗水量和對應地區的水資源徑流量核算地區的水短缺風險。隨著人口的不斷增多，人類活動帶來的氣候變化和資源短缺影響3種資源的平衡。因此需要降低氣候風險，提高資源利用率，實現3種資源可持續發展。①利用高新技術解決水資源安全問題。可以利用污水處理與污水、雨水的再利用相結合的辦法，以分散化一體化的水管理設施代替集中的水處理與分配，從而減少運輸能耗，改善供水彈性[14]；②在“極端高溫事件”頻發和強度不斷提高的情況下，城市蔓延和郊區化會影響城市能源體系的彈性，增加城市能源直接消耗與碳排放量，從而影響系統的復原力[15]，因此，可以改變土地利用方式，提高三者耦合系統的整體效能。

3.3.2城市化進程與城市治理

城市化是人類生存發展的必然趨勢，城市化進程的加快使得城市人口聚集，給環境帶來巨大壓力，致使水資源、能源供應不足，糧食安全也受到一定影響。因此在不斷增強的環境壓力下，平衡三者的關聯關系是必要的。

城鎮化背景下，廢水處理成為城市治理的研究重點。城市化進程加快，大量廢水會在未處理的狀態下排放到地表水中。水在滿足全世界人民用水和糧食需求方面有著關鍵作用，故需要加大技術投資進行廢水處理[16]。除此以外，城鎮作為未來資源消耗中心以及人們的“非正式定居點”，不同城鎮的水、糧食、能源管理水平及實踐需求不同，也形成了不同的治理結構[17]。因此，需因地制宜地開展城市治理，緩解水資源、能源、糧食之間的沖突。

3.3.3生物多樣性

隨著能源供需矛盾日益尖銳，開發新能源是人類存續發展的必由之路。自然界中存在豐富的生物質資源，通過燃燒、熱化學法、生化法等技術將生物質資源、工業廢水及城市固體廢棄物轉化為二次能源，從而形成生物質能[18]。開發生物質能不僅需要水資源，也需要大量的能源消耗，而任一種資源的消耗可能會影響三者的紐帶關系。

適度開發生物質資源可以保護生物多樣性，構建水資源、能源、糧食命運共同體式的紐帶關系。Stoy等[19]以草原鳥類種群為例，發現能源轉換對生物多樣性具有影響。由此可見，生物多樣性是建立可持續水資源-能源-糧食系統的重要組成部分，但現階段的綠色革命技術一定程度上忽視了生態多樣性的作用，使糧食和營養缺乏保障[20]。因此，在開發新能源時應重視生物多樣性，促進水資源、能源、糧食的可持續發展。

3.3.4循環經濟

隨著經濟的發展，水資源、能源、糧食供需關系緊張，任何一個資源的枯竭會影響其他資源的發展。循環經濟能夠高效利用資源，緩解環境與發展之間的矛盾，故在循環經濟發展背景下研究水資源-能源-糧食紐帶關系是必要的。例如，適度使用生物質能可以減緩森林枯竭速度[21]。

世界人口的增長，給糧食、能源和水帶來了各種緊迫的挑戰。利用循環經濟可以平衡經濟增長、保護環境，實現資源可持續性。在雨水密集的地區，可以收集雨水，將雨水輸入水處理系統，用于家庭生產生活，不僅可以節約能源，還能緩解水資源短缺問題。在倡導循環經濟的環境下，平衡水資源、能源、糧食三者的關聯關系，可以實現世界經濟的可持續發展。

4 結 語

本文基于文獻計量的方法對1985—2021年“WEF-Nexus”的文獻進行特征分析，進而通過關鍵詞共現及聚類分析，探究其研究熱點和演化趨勢。根據其特征和關鍵詞的變化，最終得出以下幾點結論：

a.發達國家是主要的科研力量。從發文量來看，發達國家發文數量較多，其中美國德克薩斯A&M大學是主要的科研機構；最具影響力期刊和作者均來自于發達國家，其中發文最多的期刊是Water，最有影響力作者是以色列的Katzir。

b.中國將成為“WEF-Nexus”研究的重要力量。中國經濟的快速發展影響城市化進程、氣候以及能源開發等環境變化，資源的供需不平衡威脅著人類的生存和發展，隨著中國科研投入的增多，未來中國將成為“WEF-Nexus”研究的重要力量。

c.“WEF-Nexus”研究的熱點演化趨勢呈階段性變化。從萌芽階段開始，水資源相關的研究開始活躍，重點關注水質水量；在探索發展階段，隨著氣候變化等環境因素的不利影響，研究者們開始對環境科學、水生態開展相關研究，該階段Water以及InternationalJournalofWaterResourcesDevelopment期刊的發文量明顯上升，水生態的相關研究增多；在快速發展階段中，經濟的快速發展導致城市化進程加快、能源匱乏、氣候異常，環境的變化對平衡三者紐帶關系提出了更高的要求，故該階段研究重點是在復雜環境下探索三者命運共同體式的紐帶關系。

d.未來“WEF-Nexus”研究重點將是選擇合適的邊界，提高資源利用率，從而探索水資源、能源、糧食的協同機制，實現可持續發展。水資源、能源、糧食相互制約、相互依存，任何元素的變化往往會引發整個系統的變化，在城市進程、氣候變化、資源短缺等環境下，仍要將三者視為一個整體。但不同地理位置的水、糧食和能源資源差異顯著。因此，未來研究仍然需要進一步劃分具體而明確的范疇，選擇合適的邊界，達到提升資源利用率的目標。