中国城市水-能-食-碳系统适应性的区域差异、来源分解及形成机制

《Environmental Impact Assessment Review》：Regional disparities, source decomposition, and formation mechanisms of the water-energy-food-carbon system adaptability in urban China

　　- 丰富了对水-能-食-碳系统适应性（WEFCSA）概念的理解。- 采用纵横散射法确定指标权重。- 水-能-食-碳系统适应性差异的结构来源表现出显著的区域异质性。- 有助于识别城市发展与其内部资源之间矛盾的空间异质性。- 为实现"自然-社会-经济"复杂系统的协调发展提供了有益的见解。## 引言快速城镇化使城市成为资源消耗和社会经济活动的核心枢纽，从根本上改变了水-能-食-碳（WEFC）纽带系统内部各要素之间的关系（Yao等，2006）。这些由人口增长、工业化和消费模式转变所驱动的转型，加剧了各资源子系统之间的相互依赖性和日益升级的冲突（Xue等，2022；Gai，2024）。具体而言，不断上升的城市能源需求一方面通过过度开采使水资源承压，另一方面因化石燃料依赖而推高碳排放，进一步加重了城市生态负担（Yoon等，2022）。与此同时，城市空间扩张侵占耕地，迫使农业向边缘地带转移，而集约化耕作方式则加剧了土壤退化和水体污染的风险，从而对水资源和粮食安全构成双重威胁（Wang等，2024）。因此，随着城市资源系统应对这些发展压力的调整过程，系统内部出现了结构性失衡，其根源在于区域发展不均衡与纽带系统内部固有矛盾的共同作用（Li等，2016；Xu等，2023）。在这一转型过程中，水、能、食和碳排放各子系统（统称水-能-食-碳系统，WEFC）呈现出复杂的相互依赖与相互制约关系（Hou等，2025）。这一动态促使各国和地区不断重申并探索提升水-能-食-碳系统适应性（WEFCSA）的最佳路径。对这些系统性关联的认识现已嵌入全球治理框架之中。例如，联合国2030年可持续发展议程中的多项目标明确强调实现水资源、能源、粮食安全和气候行动之间的协同效应，包括SDG 2（零饥饿）、SDG 6（清洁饮水和卫生设施）、SDG 7（经济适用的清洁能源）和SDG 13（气候行动）（Colglazier，2015）。资源系统的结构性失衡证实了WEFCSA差异的存在。证据表明，区域发展差距和内部资源系统异质性均可能影响WEFCSA。这种影响可能表现为区域发展不均衡带来的空间差异，也可能表现为资源系统内部固有的结构性差异。因此，一个关键的科学命题是确定空间差异和结构性差异是否确实影响WEFCSA。这需要开展双重研究：首先，刻画这些空间差异的特征；其次，识别结构性差异的特征。此外，阐明结构性差异如何驱动区域差异形成的内在机制同样至关重要。对于正处于快速城镇化关键阶段的国家，如中国、印度和巴西，理解这些问题尤为重要，因为此类失衡对实现全球可持续发展目标构成了重大障碍。在众多面临WEFC系统协调发展挑战的国家中，中国由于从东部沿海到西部内陆城市发展梯度显著，加之快速城镇化和工业化进程引发了水资源短缺、能源约束、耕地承压和碳排放增长等关键问题，区域异质性极高，使其成为探索区域差异及其形成机制的理想样本（Zhou等，2023）。鉴于此，本研究从中国266个城市为研究对象，以"空间+结构"双重视角分析WEFCSA区域差异的来源及其形成机制。主要贡献有三：第一，刻画WEFCSA的时空演化格局，识别并量化了显著的区域异质性。第二，解构适应性差异的空间和结构性来源，揭示资源系统结构驱动适应性差异的内部机制。第三，研究引入了一个新颖的WEFC系统分析框架，为从资源系统视角解决结构性失衡和推进城市可持续发展提供了新途径。## 各章节摘要### 文献综述水、能、食和碳系统之间日益复杂的相互作用已成为实现区域可持续发展的关键焦点。在结构性失衡持续存在且外部冲击频繁的背景下，评估系统在做出适应性调整的同时维持运行稳定的能力已成为一个基础性概念。这一能力被称为"系统适应性"，对于理解各子系统之间的协同演化至关重要。### WEFCSA的理论框架WEFC系统是一个由水、能、食和碳排放组成的复杂系统，各要素在自然、社会和经济因素的作用下相互交织，影响着"自然-社会-经济"复杂系统（Ma等，2022）。WEFC系统内部既存在竞争也存在合作，其共同目标是使整个系统更加有序并更好地适应环境变化。### 指标体系科学地衡量WEFC系统有助于揭示其协同关系，并识别促进城市发展和资源合理配置的驱动因素。在这一分析框架内，WEFC系统的纽带关系被分解为两个层次进行评估。CO子系统专门用于量化各组成要素之间直接的、运行层面的效率与权衡关系。相比之下，SE、ST和SU子系统则……### 中国城市WEFCSA的时空异质性本研究首先测度并分析了2003至2023年间中国城市WEFCSA的总体差异，结果如图4所示。如图4所示，2003至2023年间，中国城市WEFCSA全国均值以年均0.526%的速率增长，表明城市适应能力总体呈上升趋势。观察到各地区之间存在显著差异，东部、中部、西部和……### 讨论中国城市WEFCSA的差异凸显了资源禀赋、产业结构、技术水平与政策实施强度之间的复杂交互作用。中国城市WEFCSA安全性的异质性需要多维度讨论。本分析首先探讨了支撑所观察到空间格局的区域特征。在此基础上，讨论进一步转向……### 基金资助作者感谢以下机构的资助：中国国家自然科学基金委员会（项目编号：42671245）；中科院-ANSO可持续发展研究项目（项目编号：CAS-ANSO-SDRP-2024-08）；中科山东东营地理科学研究所（项目编号：开放基金202501）；黄河三角洲学者计划（2024–2028）。### 利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知竞争经济利益或个人关系。**作者：** 徐伟 | 李滨 | 牛芳曲