長江經濟帶“水-能-碳”系統適應性評價及空間關聯特征

摘要 為應對全球氣候變化和資源環境壓力，研究水資源、能源和碳排放（水-能-碳）系統間的復雜作用關系和適應性水平，對促進“自然-社會-經濟”協調發展和推動經濟社會高質量發展具有重要意義?；趶碗s適應系統理論，界定“水-能-碳”系統適應性內涵，建立“水-能-碳”系統交互適應性框架，從敏感性、穩定性、兼容性和可持續性4個子系統構建系統適應性評價指標體系，運用綜合協同進化模型評價2010—2021年長江經濟帶“水-能-碳”系統適應性水平，探究長江經濟帶“水-能-碳”系統適應性的時空演變規律。結果表明：①從系統適應性影響權重來看，子系統權重排序為：可持續性gt;穩定性gt;兼容性gt;敏感性。②從指標適應性來看，各指標絕對適應性大于相對適應性。從子系統適應性來看，敏感性水平呈穩定發展趨勢，兼容性和穩定性水平呈上升趨勢，可持續性水平呈下降趨勢；從省際適應性來看，各省系統適應性差距較大且呈“下游gt;中游gt;上游”的不均衡態勢；從整體適應性來看，長江經濟帶系統適應性處于中等水平且呈“U”型發展趨勢。③從子系統適應性協調水平來看，敏感性協調程度保持穩定，兼容性和可持續性協調程度不斷上升，穩定性協調程度有所減小。④從空間關聯特征來看，長江經濟帶系統適應性水平存在顯著的正向全局空間自相關，空間聚集由弱變強再變弱，區域差異逐漸縮?。徊⑶蚁到y適應性水平呈現出“東高西低”的梯度格局，省域差異顯著且表現出較強的路徑依賴。該研究據此從敏感性、兼容性、穩定性和可持續性等方面提出提高長江經濟帶“水-能-碳”系統適應性的政策建議。

關鍵詞 “水-能-碳”系統；適應性評價；空間特征；系統協調

中圖分類號 X24 文獻標志碼 A 文章編號 1002-2104（2024）06-0187-13 DOI：10. 12062/cpre. 20240510

隨著內外部環境的變化，水資源短缺、能源供應風險和溫室氣體排放不斷增加被列入21世紀全球面臨的十大風險，與之對應的清潔飲水與衛生（SDG6）、清潔能源（SDG7）和氣候行動（SDG13）成為聯合國可持續發展目標的主要關注點。水資源、能源、碳排放作為“自然-社會-經濟”復合系統中與人類生存和發展密切相關的關鍵因素，正逐步顯示出相互依賴、交互適應、彼此制約的新特征。因此，由傳統的單一資源與能源評價管理方式向與可持續發展相適應的資源、環境、生態綜合性研究視角轉變，評估“水-能-碳”系統適應性水平，對加快實現綠色低碳可持續發展具有重大的現實意義和社會價值［1-3］。

1 文獻綜述

水資源、能源、碳排放作為“自然-社會-經濟”復合系統的重要組成部分，三者在交互作用中彼此適應和發展，形成了復雜的“水-能-碳”系統。1997年，生態學家Leon?ard Aldrin和Timothy Bills首次提出了“水-能-碳”系統概念，認為“水-能-碳”系統是指在“自然-社會-經濟”系統中，水資源的利用、能源消耗和溫室氣體排放之間存在著密切的關系，這種復雜的作用關系被稱為“水-能-碳紐帶關系”（water-energy-carbon nexus，WECN）［4］。“水-能-碳紐帶關系”將水資源、能源、碳排放等多種要素納入一個有機、多層次、全方位的耦合系統，對于理解經濟社會發展、生態系統演化以及氣候變化影響具有重要意義［5-6］。近年來，國內外學者從多種復雜系統視角出發分別對家庭［7-8］、城市［9］、省域［10-11］、國家［12］以及全球層面［13］的“水-能-碳”系統進行了研究，并致力于探尋“水-能-碳”系統的復雜關系及其對經濟社會與生態環境的作用，主要集中在關聯特征、耦合協同、影響要素和空間特性等4 個方面。

為探尋“水-能-碳”系統的關聯特征，許多學者從水資源、能源和碳排放子系統及其組分變化角度出發進行了研究。王建華等［14］通過對社會水循環的不同環節、工藝能源消耗強度及碳排放水平的對比分析發現中國水循環耗能及碳排放強度存在較大差異；趙榮欽等［15］通過對鄭州市水系統碳排放的實證分析發現用水和取水系統能耗和碳排放強度增長態勢明顯，而給水與排水及污水處理系統則相對穩定；陸瑤等［16］采用排放因子法進一步解析了取水、給水、用水及排水的能源消耗與碳排放過程，結果發現用水系統中制冰項與供暖項耗能是產生碳排放的主要來源。為揭示“水-能-碳”系統的動態交互特征，學者們從耦合協同視角出發展開了研究。余錦如等［17］通過對福建“水-能-碳”系統耦合關聯研究發現水資源-能源-碳排放三者間主要表現為弱解耦和強解耦兩種狀態；Liu等［18］通過對“水-能-碳”系統耦合關聯研究發現該系統耦合強度從發達地區向欠發達地區遞減且呈極端無序狀態；王志強等［19］通過對新疆“水-能-碳”系統耦合研究發現水資源、能源、碳系統三者間未能形成良好的協同關系。為剖析“水-能-碳”系統的因果相關性，諸多學者對“水-能-碳”系統的影響要素進行了研究。Venkatesh等［20］通過對4個國際城市的案例研究發現氣候、技術和地理等在塑造不同地區的“水-能-碳”關系方面發揮著重要作用；楊屹等［21］基于灰色關聯模型發現城鎮化率、人口規模和經濟發展水平等是造成“水-能-碳”系統變化的關鍵因素；李可欣等［22］基于系統動力學模型發現清潔能源、產業調控和GDP增長率等對“水-能-碳”系統的影響程度依次增加。為識別“水-能-碳”系統的時空演變規律，研究者從空間特性角度出發進行了研究。Tian等［23］綜合考慮了中國區域內不同部門和省份間的“水-能-碳”關聯關系，結果發現“水-能-碳”系統一致性水平主要由欠發達地區向相對發達地區轉移，省份間的差距逐漸擴大；Zhu等［24］通過對中國不同地區“水-能-碳”關系進行分析，結果發現“水-能-碳”系統處于基本協調狀態且呈現出東南高西北低的不平衡空間分布格局；Cheng等［25］從時空維度對中國各省份的“水-能-碳”關系進行分析，結果發現“水-能-碳”系統發展的不平衡問題正在逐步加劇。

國內外學者的研究為完善“水-能-碳”系統管理奠定了基礎。但是，當前內外部環境變化產生的聯動效應已經極大影響了區域可持續性發展，亟須提高區域“水-能-碳”系統適應性能力以應對新挑戰。因此，從系統思維出發綜合考慮“水-能-碳”系統間的多重關聯關系，充分挖掘水循環、能量流、碳系統間的適應性關系，探究區域“水-能-碳”系統適應性水平，提出推動區域可持續發展的適應性管理策略就顯得尤為重要［26-27］。

現有研究還存在以下不足：①現有研究多聚焦于水資源、能源、碳系統之間存在的相互作用和紐帶關系，但鮮有研究從系統關聯角度分析“水-能-碳”系統適應性的概念與內涵。②部分研究將適應性作為組成部分來評價“水-能-碳”系統耦合，但是暫未構建出“水-能-碳”系統適應性評價框架，未能清晰刻畫多個子系統正面效益的疊加和負面影響的拮抗。③現有關水資源、能源和碳排放適應性評價的模型多以系統與環境間的外部適應性評價居多，還需要綜合開發利用新技術構建評價模型，兼顧“水-能-碳”系統內外部交互作用。④現有研究大多分析某一區域或產業的“水-能-碳”系統消耗情況和相互作用，缺乏對區域“水-能-碳”系統適應性空間結構和演變規律的分析，對區域“水-能-碳”系統適應性水平的空間關聯研究仍需進一步加強。

因此，從復雜適應系統理論出發，首先，基于水資源、能源和碳排放多要素間的互動關系提出區域“水-能-碳”系統適應性概念，構建“水-能-碳”系統交互適應性框架；其次，構建以敏感性、穩定性、兼容性和可持續性為子系統的“水-能-碳”系統適應性評價指標體系；再次，運用綜合協同進化模型評價2010—2021年長江經濟帶及各省份“水-能-碳”系統適應性水平，并根據協調指數探究各子系統與“水-能-碳”系統適應性的協調程度；最后，分析區域“水-能-碳”系統適應性的空間關聯特征，提出“水-能-碳”系統適應性管理的對策和建議。研究創新主要體現在以下4個方面：①從系統關聯角度出發，將水資源、能源、碳排放看作一個有機整體，提出了區域“水-能-碳”系統適應性概念，構建了包含絕對適應性和相對適應性的交互式適應性框架，拓寬了對“水-能-碳”系統關系的研究。②綜合考慮“水-能-碳”系統的獨立特征、交叉特征和整體特征等復雜特征，從敏感性、穩定性、兼容性和可持續性4個子系統構建“水-能-碳”系統適應性評價指標體系。③采用兼顧絕對適應性和相對適應性的綜合協同進化模型，分析“水-能-碳”系統的適應性水平，并通過協調指數揭示各子系統與系統適應性的協調程度。④考慮到區域之間的關聯性，綜合探索性空間數據分析（ESDA）和空間自相關數據分析法（GeoDa）對“水-能-碳”系統適應性水平的空間分布及關聯性進行測度，探究“水-能-碳”系統適應性水平的空間分布形態及空間關聯規律。

2 基于復雜適應系統的“水-能-碳”系統適應性

為系統客觀評價“水-能-碳”系統適應性，需要明晰“水-能-碳”系統適應性的概念與定義，構建“水-能-碳”系統適應性評價框架體系。因此，基于復雜適應系統理論闡述“水-能-碳”系統適應性內涵與外延，識別“水-能-碳”系統適應性特征，挖掘“水-能-碳”系統適應性內核將為適應性評價和空間關聯分析奠定理論基礎。

“水-能-碳”系統是一種以水資源、能源、碳排放為主體的復雜系統，三者間交互反饋作用于自然、社會和經濟等因素，進而對“自然-社會-經濟”復合系統產生影響。“水-能-碳”系統作為一個統一有機的整體，各主體間既相互競爭又相互合作，各主體對于有限的水資源和能源總量總是存在競爭的關系，而各主體間相互作用的共同目標是使整個系統達到更加有序的結構，更好地適應內外部環境的變化。具體而言，水資源系統的生態服務將增加區域碳匯，提高固碳能力，水循環中的給水、用水、排水和污水處理等過程又需要能源消耗，并且產生碳排放，而水資源高效利用又將增強能源供給。能源系統中的資料生產和消費等過程需要消耗水資源和產生碳排放。而碳排放作為產出系統，一方面，取決于水資源、能源等要素之間相互需求的作用類型、強度與結構等；另一方面，又通過循環反饋作用于區域能源和水資源的時空變化。在“自然-社會-經濟”系統內，“水-能-碳”系統適應性的本質就是水資源、能源、碳排放之間通過交互作用，不僅促進內部相互協調，而且保障外部平穩發展，實現資源優化配置、高效運作和生態友好的過程。在此過程中，“水-能-碳”系統既要平衡內外部供需矛盾，又要實現局部均衡與全局均衡，最終通過“水-能-碳”系統適應性的不斷提升，進而循環反饋作用于自然、社會和經濟，助力區域“自然-社會-經濟”系統可持續發展。

從系統宏觀層面來看，水資源、能源和碳排放與自然資源、經濟社會、生態環境高度交織，在“自然-社會-經濟”系統的牽引下，水資源、能源、碳排放系統構成的動態平衡體系，具有單系統獨立性、雙系統交互性以及多系統整體性。首先，“水-能-碳”系統具有獨立特征。作為3個獨立的主體，各主體在與其他主體進行聚集、交流和作用過程中，有限的水資源、能源和碳排放總量存在合作與競爭關系，引發“水-能-碳”系統對內外部環境變化的敏感性，影響“水-能-碳”系統的均衡狀態，導致“水-能-碳”系統穩定性水平的變化。其次，“水-能-碳”系統具有交互特征?！八?能”“水-碳”“能-碳”系統間交互作用的共同目標是使整個系統達到更加有序的結構，增強“水-能-碳”系統的兼容性水平。最后，“水-能-碳”系統具有整體特征，其目的是優化水資源利用、提高能源轉換和減少溫室氣體排放，同時保護和促進“自然-社會-經濟”系統的發展，提升“水-能-碳”系統可持續性水平。比如，各種能源在開發和利用過程中需要消耗大量的水資源，而水資源的開采、運輸和處理等過程，需要一定的能源作為動力支撐，同時產生一定的碳排放，一方面，影響了水、能、碳系統的敏感性和穩定性，調節了“水-能”“水-碳”“能-碳”系統的兼容性水平；另一方面，碳排放引發的氣候變化和能源開發帶來的經濟效益，改變了區域自然生態和社會經濟環境，反饋于“水-能-碳”系統的可持續性發展。

“水-能-碳”系統的獨立特征、交互特征和整體特征強調了水資源、能源、碳排放三者間的單元屬性、動態演化和空間結構，分別與“水-能-碳”系統中的4個子系統相對應，呈現復雜系統演化過程的多層次性（圖1）。其中，敏感性（S）是“水-能-碳”系統面臨的內外部潛在或明顯的壓力；穩定性（F）是“水-能-碳”系統受到的內外部沖擊以及抵御外界干擾并維持其原有狀態的能力；兼容性（C）蘊含于“水-能-碳”系統運行機制之中；最為關鍵的便是水、能、碳各子系統之間的相互耦合、相互關聯，否則，系統便會處于癱瘓狀況。此外，具有經濟行為和社會特征的人類活動將水、能、碳和“自然-社會-經濟”系統緊密地聯系在一起，其目標是實現系統的可持續性（E）。

從系統微觀層面來看，水資源、能源、碳排放在適應復雜環境變化過程中展現出對內包容性和對外協調性等一系列相互作用與調節機制（圖2）。一方面，水資源、能源和碳排放在聚集、交流、相互作用中不斷彼此適應，調節自身形態，目的是使各主體間經由復雜的適應過程而相互兼容，這一過程稱之為“相對適應”。關注系統的內部適應，主要取決于各系統間相互作用的情況。另一方面，各主體與周圍環境不斷進行著物質、能量和信息的學習與交換，形成反饋信號，目的是保證各主體在協調發展的同時，實現“自然-社會-經濟”的穩定可持續發展，稱之為“絕對適應”。聚焦系統的外部適應，主要取決于各系統自身適應環境變化的情況?？梢姡八?能-碳”系統的演化過程不僅依賴于系統自身的調整，更依賴于其周圍系統作用的發揮，進而形成適應環境變化的復雜良性循環系統。

3 研究方法

3. 1 系統適應性評價指標體系構建

“水-能-碳”系統適應性可以分解為敏感性（S）、穩定性（F）、兼容性（C）和可持續性（E）4個方面。其中，敏感性（S）和穩定性（F）從“水-能-碳”系統獨立性特征出發，反映水資源、能源和碳排放3個獨立主體面臨的風險和恢復能力；兼容性（C）從“水-能-碳”系統交互性特征出發，強調“水-能-碳”系統適應性正由“單一資源”管理向“多資源”綜合管理轉變，反映系統各要素間的適配程度；可持續性（E）從“水-能-碳”系統整體性特征出發，強調“水-能-碳”系統適應性的發展目標，反映系統時空演變與空間落位、保障人民生活水平、促進經濟發展的作用能力。

遵循體系層級性、指標科學性和數據可得性原則，以敏感性（S）、穩定性（F）、兼容性（C）和可持續性（E）4個屬性維度為子系統對“水-能-碳”系統適應性進行深入分析，并在此基礎上選取各子系統的代表性指標，探討區域“水-能-碳”系統適應性水平的演化規律。在敏感性方面，以水、能源和碳系統作為要素層，主要選擇氣候環境變化、人類活動、產業結構以及資源能源消耗等9個指標。在兼容性方面，以水-能、水-碳、能-碳作為要素層，主要選擇水能間的相互依賴、人水關系協調、水系統碳排放以及能源消耗等11個指標。在穩定性方面，以水系統、能源系統和碳系統為要素層，主要選擇水能資源承載性、安全性和合理性以及碳系統的循環能力等14個指標。在可持續性方面，以經濟系統、社會系統、自然系統為要素層，主要選擇經濟發展水平、社會人口壓力、人類活動以及自然生態系統等15個指標。其中，水資源要素主要從供水、用水以及污水處理等方面進行分析研究，變量選取不僅反映水資源自身發展，而且通過能源耗水量和水資源開發與利用過程中的碳匯和碳排放反映水系統與能源要素和碳排放要素的反饋關系；能源要素主要從能源消耗以及能源結構等方面進行分析研究，變量的選取不僅反映能源自身發展，而且通過能源耗水量和能源消費碳排放反映能源系統與水資源要素和碳排放要素的反饋關系；碳排放要素主要從直接和間接兩方面考慮，碳排放的直接來源包括煤炭、石油、天然氣等化石能源的燃燒，間接來源包括用水、供水以及污水處理過程中電能等的消耗，變量的選取不僅反映碳排放現狀和未來發展趨勢，而且反映碳排放要素與水資源要素和能源要素的反饋關系。綜上，選取49個指標構成“水-能-碳”系統的適應性評價指標體系（表1）。