水-能源-糧食紐帶系統研究脈絡梳理與分析

鄭德鳳，王 明，安志英

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

水資源、能源和糧食之間存在緊密聯系[1]，能源開發利用與糧食生產過程都需要消耗大量的水資源，而糧食生產加工和水資源的輸配/處理等過程又需要消耗大量的能源物質[2]。水資源、能源、糧食任一要素的變化都會使其他要素發生一定程度的變化[3]，系統地將這3個要素關聯起來稱為“水-能源-糧食紐帶系統”(WEF nexus)[4]。“紐帶系統”是一個具有綜合性、系統性和多要素的復雜關聯系統[5]，涉及自然資源系統和社會決策系統兩個維度[6-7]。

當前，全球范圍內水資源、能源和糧食供需不平衡的矛盾日益嚴峻[8-10]，已嚴重影響人類社會的綠色可持續發展[11-12]。目前，各領域學者針對“紐帶系統”從多角度開展研究，取得了不少研究成果。在氣候變化方面，Phetheet等[13]分析了氣候變化對沒有農業適應能力的干旱地區WEF nexus的影響；Radini等[14]基于城市綜合系統，分析了污水處理過程中水-能源-糧食-氣候的關系；Cristiano等[15]將紐帶系統延伸至生態系統領域，分析了在水-能源-糧食-生態系統關聯的背景下城市安裝多層綠色屋頂的利弊；Yang等[16]評估了氣候和人類活動的變化對水-能源-糧食-生態系統的影響。此外，Núnez-López等[17]在宏觀層面上優化了WEF nexus的彈性；Gain等[18]研究了孟加拉國政治背景下的WEF nexus。

近年來WEF nexus研究內容比較廣泛，但對其研究脈絡和進展還未形成整體認知，因此有必要對WEF nexus的研究脈絡進行梳理和分析。價值空間分類是根據文獻的研究價值對其進行分類的梳理框架，其優點在于該框架中的研究價值本身就包含一個時間的先后順序，概念化、分析、設計和影響這一順序與研究發展的過程相一致，有助于定性分析WEF nexus的研究脈絡。CiteSpace可視化軟件是基于文獻信息對文獻特征進行計量與描述，可以更直觀地反映研究前沿的演變趨勢。因此，本文以定性與定量相結合的方式對WEF nexus的研究脈絡和研究前沿進行梳理與分析，采用價值空間分類框架對WEF nexus相關文獻進行脈絡梳理，運用文獻計量方法分析國內外的研究熱點和發展現狀，進而統計分析常用的指標和方法的關聯組合。研究成果有助于把握未來WEF nexus的最新動態，可為后續研究提供參考和導向。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文分別對國內外WEF nexus的研究文獻進行計量分析，英文文獻數據源于Web of Science(WoS)數據庫，檢索時間跨度為2011—2020年，檢索式為(TS：water)and(TS：energy)and(TS：food)and(TS：nexus)，經數據預處理剔除書評(Book Review)、會議記錄(Meeting Abstract)和編輯材料(Editorial Material)等，最終獲得1 014篇相關文獻。中文文獻數據源于中國知網(CNKI)，檢索式為(主題：水)and(主題：能源)and(主題：糧食)，刪除與主題無關的文獻后，最終獲得57篇相關文獻。

1.2 研究方法

價值空間分類框架是根據文獻的研究價值，將其分為概念化研究、分析研究、設計導向研究、影響導向研究4類，其優點在于該框架中的研究價值表現了層層遞進的探究過程，適用于定性梳理研究脈絡[19]。CiteSpace是基于JAVA程序的可視化軟件，可以通過節點大小、連線顏色與粗細等直觀反映數據分析結果，通過可視化方式展示研究的脈絡結構、熱點及時序演變特征[20]。Apriori算法是挖掘數據之間關聯規則的重要方法之一，其優點在于算法原理簡單，容易實現，能夠量化一個事件對另一事件依存度和關聯度，適用于探索兩者之間是否存在較強的關聯規則[21-25]。主要通過逐層搜索的方式迭代尋找數據集中所有項集的關系，進一步設置支持度與置信度的閾值篩選強關聯關系。支持度是數據集中某項集{α，β}出現的頻率，表示為S(α→β)；置信度是前項集出現的前提下，后項集也出現的頻率，表示為C(α→β)，公式如下：

(1)

(2)

式中：Count(α∩β)為項集{α，β}出現的數目；N為項集總數；P(α)為項集{α}的數目。

本文采用價值空間分類框架從定性角度將文獻分為概念化、分析、設計和影響4類，分析WEF nexus的研究脈絡。在此基礎上應用文獻計量方法和Apriori算法對WEF nexus相關文獻進行定量分析。基于CiteSpace軟件繪制國家和機構發文量圖譜，分析各個國家和機構對該領域的關注度和科研水平；通過發文量變化分析WEF nexus的研究熱度；繪制關鍵詞共現、時區圖和突現詞圖譜分析研究熱點和主要研究議題的脈絡演變；運用Apriori算法對文獻中應用的指標和方法進行關聯度分析。

2 WEF nexus研究脈絡梳理

根據Malhotra等[26]的研究，將文獻分為概念化、分析、設計和影響4類，有助于定性梳理研究脈絡。因此，本文選取了WoS數據庫中WEF nexus相關文獻發文量和影響因子均在前10的期刊，采用價值空間分類框架對期刊中WEF nexus相關文獻進行脈絡梳理，并根據文獻的研究類型，將其分為概念化研究、分析研究、設計導向研究、影響導向研究4類(圖1)。

圖1 基于價值空間分類的WEF nexus研究的脈絡梳理

2.1 概念化研究

WEF nexus的概念化研究主要包括概念框架與模型方法的綜述等。目前人們對WEF nexus的研究非常關注，分別從多個角度對WEF nexus進行了定義。M?rker等[27]分別從橫向和縱向政策整合兩個方向重新定義了WEF nexus框架；Zhang等[28]對比分析了兩種類型的紐帶系統定義，一種被解釋為紐帶系統中不同子系統之間的相互作用，另一種則是作為分析方法來量化三者之間的聯系。Pahl-Wostl等[29]從nexus的角度對水-能源-糧食安全進行了定義。在WEF nexus研究中被廣泛接受的是由水安全、能源安全和糧食安全三者構成的紐帶關系框架，學者們在此基礎上進行補充或整合提出新的概念框架。Zhang等[30]從資源相互依賴、資源供給和系統整合的角度提出了城市WEF nexus的三維概念框架；Newell等[31]分別從WEF nexus和城市WEF nexus兩個角度對已發表文章進行了綜述分析；Karabulut等[32]沿著生態系統-水-糧食-土地-能源關系的概念提出了綜合矩陣系統(EWFLE nexus)。

2.2 分析研究

WEF nexus的分析研究主要是對WEF nexus的協同效益進行評估，以及從定性和定量等角度探討三者之間的關聯關系。如Sherwood等[33-35]應用了投入-產出模型從不同角度對WEF nexus進行了評估；Uen等[36]通過多目標水庫優化方案探討了協同優化WEF nexus的效益；Si等[37]建立了黃河上游的WEF關系模型，分析了不同情景下的WEF nexus；Liang等[38]通過物質和能量流分析量化了城市WEF nexus；Schl?r等[39]改進了FEW nexus城市指數，將關聯指數與加權權益指數結合起來衡量城市彈性；Wang等[40]利用改進的物元可拓模型定量評價了中國WEF nexus的可持續性。

2.3 設計研究

WEF nexus的設計研究主要是構建新的綜合框架或模擬模型等。Nie等[41]提出了加強WEF nexus權衡與優化的系統框架；Li等[42]建立了用于農業系統中WEF資源可持續管理的綜合模型AWEFSM；Kan等[43]為解決WEF關聯問題，利用異構計算加速全局優化方法改進了水量模擬與預測；Karan等[44]設計模擬了一家四口的小規模可持續WEF nexus，使用定量模型計算了可持續的WEF nexus的總成本；Martinez-Hernandez等[45]提出了一個仿真分析框架以及相應的Nexus仿真系統(NexSym)，用于分析水資源、能源、糧食和生態系統之間的相互作用。

2.4 影響研究

WEF nexus的影響研究主要分為兩個方面：外界對WEF nexus的影響和WEF nexus變化對外界的影響。外界對WEF nexus的影響主要聚焦于氣候變化和政策等方面。Hussien等[46]開發了WEF nexus模型以評估季節變化對WEF nexus的影響；Berardy等[47]在美國亞利桑那州構建了一個WEF nexus的動態模擬模型，以評估溫度上升、能源和水供應中斷對作物灌溉需求、農場能源使用和產量的潛在影響。Basheer等[48]評估了跨界河流流域合作對WEF nexus的影響。WEF nexus變化對外界的影響主要聚焦于對環境和產品供應的影響。Ramaswami等[49]量化了社區范圍的水、能源、糧食供應對城市的多種環境影響，并可視化分析了環境對城市造成的WEF供應鏈風險；Al-Ansari等[50]評估了一種假想糧食生產系統對環境的影響；Owen等[51]使用投入-產出分析技術分析了能源、水和糧食對產品供應鏈上不同點的影響。總體來看，產品貿易供應、氣候變化與WEF nexus之間存在較為直接的相互影響。

綜上所述，近年來學者們逐漸關注WEF nexus的安全問題，研究類型較為全面，但整體而言，諸多問題的研究還存在不足之處，亟待深入研究。①目前多數研究仍以原有單因素為核心的思想(如以水為核心因素)，違背了公平競爭與權衡協同的理念，水資源、能源和糧食中任一元素的變化都會使整個紐帶系統發生改變，在任何環境下均要將其視為一個整體。②當前研究仍集中于區域系統內部的紐帶關系，但隨著貿易流動，區域系統內部紐帶關系的變化可能會使區域外各資源要素受到影響，未來可開展跨區域尺度紐帶系統的綜合研究，促進區域內部與外部各資源要素的可持續發展。③當前學界研究開發的定量模擬模型多側重于刻畫自然過程，而忽視了社會經濟系統過程，對紐帶系統難以進行全面系統的量化評估，模擬模型結果僅用于學術理論探討，尚未應用于政府宏觀決策。

3 WEF nexus研究的文獻計量分析

3.1 WEF nexus發文量的變化趨勢

發文量能直接反映研究領域的發展趨勢及研究階段[52]。表1顯示在世界范圍內，2011—2014年為初期發展階段，總發文量31篇；2015—2020年發文量增長迅速，總發文量983篇，占比高達96.94%。中國WEF nexus的研究與世界研究情況基本一致，總體可分為兩個時期，2011—2015年為概念明晰階段，僅有1篇文獻提及水、能源、糧食三位一體，但未進行深入探討；2016—2020年為快速發展時期，發文量增長迅速，研究逐步深入。綜合分析2011—2020年WEF nexus發文量變化，2015年之前研究處于起步階段，2016年1月正式啟動《2030年可持續發展議程》，17個可持續發展目標中有3項與WEF nexus密切相關，自此掀起了WEF nexus的研究熱潮。

表1 2011—2020年WEF nexus發文量 單位：篇

3.2 國家和機構發文量分析

為了解各國對WEF nexus的研究現狀，基于WoS數據對2011—2020年世界各國發文量及合作關系進行了系統量化分析，結果如圖2所示。檢索結果顯示共有95個國家參與該系統的研究，由于關注度和科研能力差異，各國的發文量相差懸殊。發文量前5位的國家是美國、英國、中國、德國和荷蘭，共發表892篇論文，占總量的87.97%，是WEF nexus研究的主要國家。從發文機構來看，共有297個機構參與該系統的研究(圖3)，北京師范大學、德克薩斯農工大學、中國科學院、牛津大學和埃克塞特大學齊頭并進，共發文129篇，占總發文量的12.72%，機構間呈現相對均一的發文數量和較為分散的合作關系。

圖2 2011—2020年WEF nexus發文國家圖譜

圖3 2011—2020年WEF nexus發文機構圖譜

3.3 WEF nexus研究熱點與發展方向

3.3.1關鍵詞共現與聚類分析

關鍵詞是對文獻內容的簡要概括，其詞頻表示在整個研究時間區間關鍵詞出現的累計次數，可以直觀反映WEF nexus的研究熱點[53]。為確保數據的真實性和代表性，本文對相同含義的關鍵詞進行了合并處理，按詞頻排序的英文關鍵詞及其中文含義與出現頻次如下：water-energy-food(水-能源-糧食，289)、climate change(氣候變化，241)、nexus(紐帶系統，180)、food(糧食，162)、sustainability(可持續性，140)、energy(能源，140)、water(水，133)、management(管理，133)等(圖4)。中文高頻關鍵詞包括水-能源-糧食(34)、紐帶關系(13)、能源(11)、糧食(10)、耦合(7)、可持續發展(7)等(圖5)，其中水-能源-糧食、紐帶關系、可持續發展、糧食和耦合具有較高的中介中心性，在WEF nexus研究中發揮橋梁作用。基于詞頻、中心性和突現性等特征對關鍵詞進行聚類分析，進而直觀分析該領域的研究熱點，結果顯示英文關鍵詞形成17個聚類(圖6)，主要研究主題有trine(三位一體)、economy(經濟)和intersectionality(國際性)等；中文關鍵詞形成水資源、壓力指數和CiteSpace等6個聚類(圖7)。通過分析關鍵詞共現和聚類結果發現，主要側重于氣候變化、可持續發展、管理和耦合協調等角度的研究。

圖4 WEF nexus英文關鍵詞共現圖譜

圖5 WEF nexus中文關鍵詞共現圖譜

圖6 WEF nexus英文關鍵詞聚類圖譜

圖7 WEF nexus中文關鍵詞聚類圖譜

3.3.2關鍵詞時序特征分析

分析WEF nexus核心關鍵詞的時序特征(圖8)可知，自2011年將水資源、糧食和能源三者綜合為系統紐帶關系，掀起WEF nexus的研究熱潮；2011—2012年主要圍繞WEF nexus的概念框架、紐帶關系，結合土地利用、資源消耗、生命周期評估、可持續發展等角度進行分析研究，并將氣候變化、人口增長和城市化等因素納入量測范圍。2013年《亞太地區水-能源-糧食紐帶系統報告》強調了水安全、能源安全和糧食安全的重要性，研究熱點逐漸轉移至WEF nexus安全和管理層面。2015年受《2030年可持續發展議程》的影響，WEF nexus的研究出現新的變化，重點關注WEF nexus的可持續性、發展遠景和政策整合等。隨著科技水平的提高，WEF nexus研究逐步引入計算機技術創建評估模型或系統模擬模型等，推動WEF nexus量化研究的蓬勃發展。由于距今時間較短，2017—2020年高頻的核心關鍵詞較少，但并不能表明研究熱度下降。國內WEF nexus研究起步于2016年(圖9)，研究內容聚焦于文獻計量分析、耦合協調評價、安全評價和優化配置等方面。

圖8 2011—2020年WEF nexus英文關鍵詞時區圖

圖9 2011—2020年WEF nexus中文關鍵詞時區圖

3.3.3突現詞分析

突現關鍵詞能夠表示某一時段內研究領域的趨勢和新興熱點，由表2可知，16個突現詞中強度最大的是security(安全)、food security(糧食安全)和biodiversity(生物多樣性)。研究熱點大致分為兩個階段，2012—2014年突出顯示bioenergy(生物能)、agriculture(農業)、resource(資源)和climate(氣候)等屬于自然屬性的關鍵詞，由氣候變化導致的水資源短缺和能源高耗使災害風險增加，資源和氣候等自然要素與WEF nexus耦合研究逐漸成為熱點。2015—2018年突現詞分為地區和社會要素兩方面，研究熱點地區為Southeast Asia(東南亞)、United States(美國)和Central Asia(中亞)，社會要素有water footprint(水足跡)、security(安全)、resilience(恢復力)和IWRM(水資源綜合管理)等。WEF nexus的中文研究成果較少，無突現詞。綜合分析2011—2020年突現詞的演變發現，為促進人類可持續發展，研究熱點逐漸從自然領域過渡到社會領域。

表2 2011—2020年WEF nexus英文突現詞

3.4 應用指標和方法分析

本文利用Apriori算法探索WEF nexus相關文獻中所應用指標和方法的關聯規則，發現人均水資源量與能源消費量、糧食播種面積、用水占比以及人均糧食產量等指標之間有較強的關聯關系，人均用水量與萬元GDP能耗、萬元GDP用水量、人均糧食產量和人均糧食消費量有較強的關聯關系(圖10)，表明水資源量是WEF nexus的核心要素，該結果與斯德哥爾摩國際環境研究院(SEI)結果基本一致[54]。耦合協調模型、綜合指數法、空間分析法和灰色預測模型之間存在強關聯關系(圖11)，主要用于水-能源-糧食耦合系統評價。此外系統動力學與壓力-狀態-響應模型，熵值法與投入產出模型之間都存在較強的關聯關系。

圖10 WEF nexus研究指標關聯規則圖譜

圖11 WEF nexus研究方法關聯規則圖譜

4 結論與展望

4.1 研究結論

a.對比黃雅麗等的研究[55-56]，本文不僅采用文獻計量的方法量化分析了WEF nexus的文獻特征，而且應用定性與定量相結合的方式對WEF nexus的研究脈絡和研究前沿進行梳理與分析，通過價值分類框架梳理研究脈絡發現WEF nexus的研究目前處于初級階段，概念框架研究不斷完善，但多數研究仍以原有單因素為核心的思想，違背了公平競爭與權衡協同的理念。研究多從定性和定量等多角度分析了三者之間的關聯關系，除對WEF nexus內部聯系進行研究外，還與土地、生態系統、氣候和環境等外部系統進行關聯構建新框架，但仍集中于區域系統內部紐帶關系的研究，忽視了與區域外各資源要素之間的相互影響。在設計導向研究中，當前構建量化模擬模型為重點研發對象。在影響導向研究中，研究議題聚焦于氣候變化、政策、產品貿易供應和環境等要素與WEF nexus之間的相互影響。

b.目前WEF nexus的研究正處于熱潮，2015—2020年發文量迅速增長，總發文量983篇，發展前景廣闊；美國、英國、中國、德國和荷蘭對WEF nexus的研究起主導作用，發文量前5的機構為北京師范大學、德克薩斯農工大學、中國科學院、牛津大學和埃克塞特大學，其中來自中國的機構有兩個，且與全球其他機構合作較多。

c.WEF nexus的概念框架、紐帶關系、土地利用、資源消耗、生命周期評估、可持續發展、安全、管理、氣候變化和政策整合等分別是不同時期的主要研究熱點。在國內應用耦合協調模型、綜合指數法、空間分析法和灰色預測模型等方法研究WEF nexus是研究時期最活躍的研究議題。

4.2 展望

水資源、能源和糧食是推動經濟、社會和環境發展的重要資源。深入研究WEF nexus對社會經濟增長和人類可持續發展有積極的促進作用，也是保證資源安全、協同發展的重要手段。未來該領域還需要從以下幾個方面進行深入探索：

a.水資源、能源和糧食之間已形成跨越部門與地域交互影響的紐帶系統，但目前對WEF nexus的研究普遍涉及空間和時間兩個維度，未來可以依據“耦合魔方”理論，從空間(近遠程)、時間(近遠期)、表象(顯隱性)和組織(組內外)四個維度進行系統邊界的確定，形成內外協調“三位一體”的良性耦合關系，從而更全面地研究WEF nexus。

b.大量的碳排放已危及全球生態環境和經濟社會的發展，氣候變化可能對全球造成災害性影響。我國受氣候變化影響顯著，尤其是2021年7月河南省特大暴雨洪災，造成水體污染，電力、天然氣與石油等能源供應中斷和糧食減產等危害，從而影響地區WEF nexus的平衡。應對氣候變化、控制碳排放、實現碳中和已成為人類發展過程中的重大挑戰，未來可以從WEF nexus角度分析碳轉移或控制碳排放，為實現“雙碳”目標做出貢獻。

c.水資源、能源和糧食供需矛盾日益突出，實現3種資源的權衡發展、提高資源利用效率是亟待解決的重要問題。循環經濟能夠更高效地利用資源和保護環境，實現以最小的發展成本獲取較大的經濟、社會和環境效益，因此，在循環經濟和綠色發展背景下實現水資源、能源和糧食的均衡發展，將對經濟社會可持續發展具有重大的促進作用。