黄河几字弯水土流失区水-能-粮-生融合发展研究
摘要：水资源、能源、粮食和生态之间存在紧密的纽带关系。在黄河几字弯水土流失区，各要素互相制衡和协同，是制约区域经济社会可持续发展的关键。系统分析了黄河几字弯水土流失区市域尺度2000—2020年间水资源量、能源消费总量、粮食总产量和植被指数等要素的时空变化特征，结果表明：该区域水资源分布不均、能源消费总量显著增长、粮食产量逐年增加、生态环境状况持续向好，存在水-能-粮-生协同关系，并指出该区域目前还存在发展不均衡、低协同和不可持续等问题。建议未来进一步系统强化水-能-粮-生融合发展，破解水土流失区生态保护与生产发展矛盾，同时增强技术创新与数据支撑，以能源为杠杆、水粮为基底、生态为约束、高质量发展为目标，通过技术创新、制度设计和空间优化，推动水-能-粮-生四要素从低效协同向高效融合转变，实现黄河流域生态保护和高质量发展。
关键词：水-能-粮-生；融合发展；黄河几字弯；水土流失区；生态保护
水资源、能源和粮食是人类社会赖以生存的关键战略资源，三者之间的复杂耦合关系已成为21世纪全球可持续发展面临的核心挑战。随着世界人口持续增长和气候变化影响加剧，三者之间的相互依赖性日益凸显，形成了紧密关联的“水-能-粮”资源安全纽带关系。这种相互依存和制约的关系在发生水土流失的生态脆弱区表现得尤为突出，这些地区往往同时面临水资源短缺、能源供应不稳定、粮食生产不确定性高、生态脆弱等多重压力，形成了更加复杂的水-能-粮-生纽带关系。联合国2030年可持续发展目标（SDGs）中明确将水安全（SDG6）、能源安全（SDG7）、粮食安全（SDG2）和生态安全（SDG13～15）列为优先事项，反映了国际社会对其协同管理的高度重视。黄河几字弯水土流失区作为中华文明的重要发源地，位于连接我国南北部、东西部区域的枢纽地带，具有重要的战略地位，同时该区域还是黄河流域的核心区域，风光清洁能源和煤炭天然气资源丰富，但生态脆弱、水土流失严重、水资源短缺，区域可持续发展面临重大挑战。本研究以黄河几字弯水土流失区为研究对象，在收集大量地市统计数据和遥感数据的基础上，系统分析该区域长时期市域尺度水资源、能源、粮食和生态环境等要素的时空变化特征，揭示区域水-能-粮-生协同关系，指出区域目前发展中存在的问题，并进一步提供未来发展的策略和建议，为黄河流域生态保护和高质量发展提供科技支撑。
01、研究区概况与数据方法
1.黄河几字弯水土流失区概况
黄河几字弯水土流失区地处黄河流域中段的黄土高原地区（北纬33°—41°，东经103°—112°），该区域因严重的水土流失被列为国家生态治理重点区域，是我国最为典型的水土流失区之一。本研究采用赵勇等研究划分的几字弯区范围（见下图），地理范围涉及四个省级行政单元，包括内蒙古自治区的鄂尔多斯高原与河套平原过渡带、陕西省关中平原及陕北高原延伸区、甘肃省陇东黄土丘陵地带，以及宁夏回族自治区的沿黄灌区及山区，共包含21个地级行政单元，其中内蒙古涉及乌海等2市，陕西涵盖西安等7市，甘肃包括白银等7市（州），宁夏覆盖全境5市，总面积达372827km²。该区域西南部以洮河为界，南部毗邻渭河流域，北侧及东侧则由黄河干流环绕，形成典型的水系包围型地理单元。地貌呈现西南高、东北低的特征，海拔梯度由青藏高原边缘向河套平原逐渐递减。
▲研究区地理位置
该区域内降水较少，植被稀疏，水资源短缺，干旱频发，生态环境脆弱，已实施了大规模的退耕还林（草）等生态工程和淤地坝、梯田等水土流失治理措施。截至2018年区域内已累积建设4051座骨干淤地坝和75794km²梯田，成为当地重要的供水灌溉保障工程、生态保护工程和农业生产区，在当地经济社会可持续发展中具有不可替代的作用。此外，区域常住人口已突破5200万人，人口密度呈现东部高于西部的空间分异特征。综上可知，黄河几字弯水土流失区水资源-能源-粮食-生态系统纽带关系异常紧密，是制约该区域经济社会可持续发展的关键要素。
2.数据来源与方法
根据水-能-粮-生纽带关系的核心要素及市域统计数据的可获得性，本文从各省统计年鉴和水资源公报中收集了黄河几字湾水土流失区2000—2020年21个市（州）逐年的人口、水资源量和粮食总产量数据。同时，根据文献利用夜景灯光指数估算了21个市（州）的能源消费总量。此外，从中国科学院地理科学与资源研究所网站收集了1000m空间分辨率的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和2000—2020年间的归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）数据，并通过GIS软件统计了21个市（州）逐年的NDVI均值。通过分析水资源量、能源消费总量、粮食总产量和NDVI来反映研究区水-能-粮-生系统各要素及其纽带关系的变化情况。在此基础上，本文进一步采用Mann-Kendall趋势检验法识别时间序列变量的变化趋势，并通过洛伦茨曲线计算不同要素随人口变化的基尼系数，阐明各要素的空间均衡性变化，并通过归一化处理和回归模型，分析水-能-粮-生之间的关系。
02、黄河几字弯水土流失区水-能-粮-生时空演变
1.黄河几字弯水土流失区水资源量时空演变
水资源是黄河几字弯水土流失区经济社会可持续发展的关键制约因素之一。下图为黄河几字弯水土流失区2000—2020年21个市（州）的水资源量演变情况。
▲黄河几字弯水土流失区21个市（州）水资源量时空变化
由上图（a）可知，区域内21个市（州）水资源量呈现明显分布差异，其中宝鸡市水资源量最大，均值达到30.9亿m³，而乌海市水资源量最小，仅0.2亿m³。宝鸡市水资源量均值占整个研究区水资源量比重最大，其次是西安市，乌海市的占比最小，3市占比分别为16.4%、12.3%和0.1%。从各市（州）水资源年际变化来看，宝鸡市、中卫市、乌海市和平凉市4市水资源量呈现显著增加趋势（P<0.05），而渭南市、吴忠市和临夏回族自治州（以下简称临夏州）3市（州）水资源量具有不显著减少的趋势（P>0.05），其余各市（州）水资源量变化均为不显著增加（P>0.05）。同时，各市（州）水资源量年际变化波动幅度差异悬殊，其中宝鸡市水资源量年际波动幅度最大，而乌海市波动幅度最小，其标准差分别为10亿m³和0.1亿m³。从空间分布来看，21个市（州）水资源量和人口在多年平均情况下，基尼系数达到0.39，这表明水资源量和人口分布的空间均衡性较差，见上图（b），且水资源量和人口分布之间的基尼系数在2000—2020年间呈现不显著增加波动变化趋势（P>0.05），超过50%的年份基尼系数大于0.4，见上图（c），这进一步表明该区域水资源量和人口分布之间存在高度不均衡性，且不均衡性正在逐渐增大。
2.黄河几字弯水土流失区能源消费总量时空变化
黄河几字弯水土流失区矿产能源资源丰富，是我国重要的煤炭和天然气能源生产基地，同时也是黄河流域重要的经济发展枢纽，区域内有关中-天水城市群、呼和浩特-包头-鄂尔多斯-榆林城市群等，是推动国家中西部发展的重要战略区域。下图为黄河几字弯水土流失区2000—2020年21个市（州）的能源消费总量变化情况。
▲黄河几字弯水土流失区21个市（州）能源消费总量时空变化
由上图（a）可知，区域内21个市（州）能源消费总量呈现明显差异，其中榆林市能源消费总量最大，均值达到202149.3百万吨标准煤，而固原市能源消费总量最小，仅为19683.9百万吨标准煤。榆林市能源消费总量均值占整个研究区能源消费总量比重最大，其次是西安市、鄂尔多斯市、延安市，固原市的占比最小，其占比分别为12.0%、11.8%、10.9%、10.8%和1.2%。从各市（州）能源消费总量年际变化来看，各市（州）能源消费总量年际变化波动幅度差异悬殊，其中榆林市能源消费总量年际波动幅度最大，而铜川市波动幅度最小，其标准差分别为116718.9百万吨标准煤和6234.2百万吨标准煤，区域内21个市（州）能源消费总量均呈现显著增加趋势（P<0.05）。从空间分布来看，榆林市和鄂尔多斯市构成北部能源消费核心区，西安市、渭南市和咸阳市构成南部能源消费核心区，形成了两边高中间低的能源消费格局。同时，21个市（州）能源消费总量和人口在多年平均情况下，基尼系数达到0.36，表明能源消费总量和人口分布的空间均衡性较差，见上图（b），且能源消费总量和人口分布之间的基尼系数在2000—2020年间呈现显著增加趋势（P<0.05），个别年份基尼系数甚至超过0.4，见上图（c），这进一步表明该区域能源消费总量和人口分布之间的空间不均衡性在迅速增大。
3.黄河几字弯水土流失区粮食总产量时空变化
黄河几字弯水土流失区作为我国西北地区重要的粮食产区，区域内分布有宝鸡峡灌区、泾惠渠灌区、洛惠渠灌区、宁夏引黄灌区和黄河南岸灌区等多个灌区，在保障西北粮食安全中发挥着不可替代的作用。下图为黄河几字弯水土流失区2000—2020年21个市（州）的粮食总产量变化情况。
▲黄河几字弯水土流失区21个市（州）粮食总产量时空变化
由上图（a）可知，区域内21个市（州）粮食总产量呈现明显差异，其中渭南市粮食总产量最大，均值达到208.1万t，而乌海市粮食总产量最小，仅3.3万t。渭南市粮食总产量均值占整个研究区粮食总产量比重最大，其次是咸阳市、西安市、榆林市，乌海市的占比最小，其占比分别为10.2%、9.2%、9.1%、7.2%和0.2%。从各市（州）粮食总产量年际变化来看，各市（州）粮食总产量年际变化波动幅度差异悬殊，其中榆林市粮食总产量年际波动幅度最大，而乌海市波动幅度最小，其标准差分别为56.9万t和0.6万t。西安市粮食总产量在2000—2020年间呈现显著减少趋势（P<0.05），咸阳市呈现不显著减少趋势（P>0.05），其余19个市（州）粮食总产量均呈现增加趋势，其中延安市、宝鸡市、银川市和兰州市4个市粮食总产量增加趋势不显著（P>0.05），而其余15个市（州）均呈现显著增加趋势（P<0.05），研究区粮食产量整体逐年增加。从空间分布来看，以西安市、咸阳市、渭南市为核心的关中平原是黄河几字弯水土流失区的核心产粮区。多年平均情况下，21个市（州）粮食总产量和人口基尼系数为0.19，表明粮食总产量和人口分布关系比较均衡，见上图（b）。但是在2000—2020年间，粮食总产量和人口分布之间的基尼系数呈现显著增加趋势（P<0.05），到2020年已经超过0.3，见上图（c），这表明该区域粮食总产量和人口分布之间的空间不均衡性正在迅速增大。
4.黄河几字弯水土流失区生态状况时空演变
干旱缺水、植被稀疏、水土流失严重和生态环境脆弱是黄河几字弯水土流失区最为世人所知的生态环境特征。作为中华文明的重要发源地，其生态环境经历了长期的演变过程，在不同历史时期具有不同的特征。为了实现区域经济社会可持续发展，经过几十年的水土流失治理和生态建设，该区域生态环境明显改善。下图为黄河几字弯水土流失区2000—2020年21个市（州）的NDVI变化情况。
▲黄河几字弯水土流失区21个市（州）NDVI时空变化
由上图（a）可知，区域内21个市（州）NDVI存在明显差异，其中宝鸡市NDVI最大，而乌海市NDVI最小，均值分别为0.82和0.22。宝鸡市NDVI均值占整个研究区NDVI比重最大，其次是西安市、铜川市，乌海市的占比最小，其占比分别为7.2%、6.8%、6.7%和2.0%。从各市（州）NDVI年际变化来看，各市（州）NDVI年际变化波动幅度较小，其中固原市NDVI年际波动幅度最大，而西安市波动幅度最小，其标准差分别为0.08和0.01。在2000—2020年间，除西安市NDVI呈现不显著增加趋势（P>0.05），其余20个市（州）NDVI均呈现显著增加趋势（P<0.05）。从空间分布来看，以西安市、咸阳市、渭南市、宝鸡市和铜川市为核心的关中平原是黄河几字弯水土流失区的生态质量高值区。多年平均情况下，21个市（州）NDVI和人口基尼系数为0.28，表明NDVI和人口分布关系相对均衡，见上图（b）。但是在2000—2020年间，NDVI和人口分布之间的基尼系数呈现显著增加趋势（P<0.05），到2020年已经接近0.35，见上图（c），这表明该区域NDVI和人口分布之间的空间不均衡性也正在迅速增大。
5.黄河几字弯水土流失区水-能-粮-生协同关系分析
综上可知，在2000—2020年间黄河几字弯水土流失区水资源、能源消费、粮食产量和生态状况变化情况存在一定差异，但能源消费整体明显增加，生态状况整体明显改善，各市（州）水资源量、能源消费总量、粮食总产量和NDVI与人口分布之间的不均衡性持续增加，区域可持续发展面临重要挑战。因此，本文进一步分析了整个黄河几字弯水土流失区水资源量-能源消费总量-粮食总产量-NDVI之间的纽带关系，以阐明区域水-能-粮-生之间的协同关系。
▲黄河几字弯水土流失区整体水-能-粮-生协同关系回归曲线
由上图黄河几字弯水土流失区整体水-能-粮-生协同关系回归曲线可知，在整个黄河几字弯水土流失区，水资源量与NDVI之间存在显著的正相关关系，两者的线性回归方程确定性系数R²为0.30（P=0.01），而水资源量与粮食总产量和能源消费总量之间的正向回归关系并不显著（P>0.05），R²分别只达到了0.07和0.12，协同关系较弱。能源消费总量分别与NDVI和粮食总产量之间存在显著的正相关关系，两者的线性回归方程R²分别为0.80和0.94（P<0.001）。同时粮食总产量与NDVI之间也存在显著的正相关关系，两者的线性回归方程R²为0.77（P<0.001），其协同关系较强。由以上分析可知，黄河几字弯水土流失区整体存在水-能-粮-生协同关系，特别是在能源消费和生态、能源消费和粮食产量、生态和粮食产量等方面，这表明能源消费可能驱动了农业现代化（如灌溉设施、化肥生产）和生态治理（如植被恢复工程）。而较弱的协同关系反映出水资源利用效率不足，可能受限于输水损耗、灌溉技术落后或人口与资源分配不均等原因。总体而言，区域水-能-粮-生协同发展依然面临重大障碍，发展不均衡问题突出。
03、黄河几字弯水土流失区水-能-粮-生融合发展策略
本文以黄河几字弯水土流失区为研究对象，系统分析了2000—2020年间黄河几字弯水土流失区水-能-粮-生各要素的时空演变特征及协同关系，指出了目前发展中还存在不均衡、低协同和不可持续等问题。未来，黄河几字弯水土流失区的可持续发展需以能源为杠杆、水粮为基底、生态为约束、高质量发展为目标，通过技术创新、制度设计和空间优化，推动水-能-粮-生四要素从低效协同向高效融合转变，实现黄河流域生态保护和高质量发展。建议该区域在未来的发展中从以下几方面进行优化。
1.强化水-能-粮-生融合发展
在黄河几字弯水土流失区充分利用当地已建成的大规模淤地坝工程和梯田，同时建设高质量淤地坝，进一步控制泥沙，防止水土流失，减少入黄泥沙，稳固现有生态保护成效。根据区域天然存在的沟壑高差地形特征，科学发展风光清洁能源提水补灌技术，平衡丰水区与缺水区的水资源配置，实现梯田-淤地坝-窖池联合运用，结合节水灌溉技术（如滴灌、水肥一体化），减少农业耗水，缓解农业“卡脖子旱”，提升农业粮食产量，减少从黄河干流取水量和生态冲沙用水，实现当地水-能-粮-生融合发展；同时进一步利用能源消费对生态的正向驱动（如光伏电站辅助植被恢复），推广保护性耕作、等高种植等水土保持型农业，通过生态补偿机制（如退耕还林补贴和光伏发电交易）激励农户积极参与，形成可持续的正向循环机制。
2.破解区域不均衡难题
能源富集区（如鄂尔多斯）应侧重产业升级与碳排放控制；水土流失核心区（如陕北黄土高原）应强化梯田整治、高质量淤地坝建设，提升资源承载力和空间均衡调控能力。引导人口向资源承载力较高的城镇集聚，减少生态脆弱区的人类活动压力。
3.增强技术创新与数据支撑
构建水-能-粮-生融合模式大数据平台，实时监测资源流动与生态响应，支持动态调控；开发高精度水土流失预报技术，研发低成本节水技术、梯田-淤地坝-窖池水资源联合调控技术和耐旱作物品种，缓解水资源短缺问题，促进可持续发展。
