黄河流域城乡-耕地-人口-产业-生态复合系统间水资源纽带的演化及其驱动机制

《Sustainable Cities and Society》：Evolution and Its Driving Mechanisms of Water Resource Nexus among Urban-Cropland-Population-Industry-Ecology Compound Systems in the Yellow River Basin

　　

- 在用水约束条件下为黄河流域构建了一个UCPIE水 Nexus 框架。- 2015年后的协同关系受溢出效应和区位特定驱动因素的影响。- 城市-产业集聚与溢出效应呈现出明显的上下游梯度。

**引言**

水资源是人类福祉、经济活动和生态系统稳定的基石，也是区域高质量发展的关键约束条件（Liu et al., 2026）。《联合国2025年世界水资源发展报告》指出，全球近半数人口面临季节性水资源短缺，而约22亿人仍然缺乏安全管理的饮用水（United Nations, 2025）。水资源短缺与污染的双重压力已成为可持续发展的主要瓶颈。在中国，黄河流域正是水资源禀赋有限与资源密集利用之间张力的典型代表。黄河流域人均水资源量仅为全国平均水平的25%，但该流域却贡献了全国35%以上的电力生产和粮食产量（Zhang and Chen, 2025）。在气候变化与人类活动的共同影响下，流域水资源表现出显著的年际变率和时空不平衡特征。丰枯年份的交替加剧了供需不确定性，而快速城镇化、产业升级和消费增长则进一步将水资源约束从简单的数量限制转变为以结构性失衡和系统性风险为特征的复合约束（Chen et al., 2024），给区域发展路径带来日益严峻的挑战。

在此背景下，高质量发展已超越单纯的经济扩张，强调在资源和环境约束下经济效率、社会公平与生态安全的协同发展（Wang et al., 2025; Yang et al., 2025; Zhang et al., 2022）。在黄河流域，这取决于多个子系统——城市发展、耕地、人口承载力、产业结构和生态保护——能否在水资源承载力的限制内实现动态协调与协同优化（Su et al., 2026）。UCPIE体系的五个维度既是区域高质量发展的关键组成部分，也是受水资源配置影响的主要领域。它们共同构成了社会-生态系统耦合的关键子系统，而水资源既是各子系统的共同投入要素，也是连接这些子系统的关键纽带。一方面，水资源通过跨部门配置、循环和政策反馈过程影响城市扩张、农业生产、人口集聚、工业运行和生态恢复。另一方面，多要素的配置与交互反过来也能通过改变利用效率和生态承载力重塑水资源系统，从而产生复杂的跨部门耦合与反馈机制。从水资源纽带视角出发，本研究将该纽带定义为一个多维网络，其中水资源作为核心约束与耦合媒介，通过供水、需求、配置、用水效率和政策反馈将城市、耕地、人口、产业和生态五个子系统联系起来。不同于传统的多系统耦合，UCPIE水纽带中的水资源不仅是共享投入要素，还界定发展边界并调节子系统间的资源配置。在"以水定城、以水定地、以水定人、以水定产"的政策框架下，UCPIE水纽带内部的协调程度在某种程度上可以反映区域协调与发展的质量水平，而权衡关系则表明潜在的冲突与资源配置风险。因此，从水资源纽带视角识别UCPIE各维度之间的权衡与协同关系，能够捕捉一种以水资源为中介、具有双向交互与反馈的系统特征，为理解黄河流域的区域协调与可持续发展提供了有益的视角。

为应对水资源约束，中国政府提出了"以水定城、以水定地、以水定人、以水定产"原则（Zuo et al., 2024; Zuo et al., 2025），将水资源承载力嵌入区域发展决策之中。该框架推动UCPIE体系跨部门的协同优化，使发展从被动适应资源转向主动的约束型调控。在制度层面，它建立了以水资源可用性为边界的跨部门治理体系。在此语境下，部门间关联不仅包括直接的资源配置，还包括由水文循环、人文过程与生态过程介导的间接反馈。这些关联的方向和强度随水文变率和政策干预动态演变，为实现水资源约束下的高质量发展提供了务实的框架。需要指出的是，本研究提出的UCPIE框架是专门为分析水资源约束下区域复合系统而开发的概念框架，而非直接沿用已有的UCPIE框架。其构建基于两方面考量：第一，"以水定城、以水定地、以水定人、以水定产"原则明确将城市、耕地、人口、产业和生态纳入水资源约束下的区域治理范畴，为五维结构提供了制度基础；第二，水资源纽带强调通过资源流动、配置与反馈实现部门间相互依赖，为刻画五维之间的水介导交互提供了理论依据。在此基础上，五个要素被整合为水资源约束下的相互依赖复合系统，而非各自独立的发展子系统。它们的交互进一步被概念化为三条路径：直接资源耦合、间接结构传递和政策反馈调控。据此，本研究整合两种视角，构建了以水为核心的UCPIE纽带框架，并通过指标量化与空间分析进行检验。该框架并非简单汇总五个子系统，而是聚焦于它们在水资源约束下的相互依赖与反馈。其概念结构可迁移至其他水资源受限的河流流域、城市群和区域。然而，水资源禀赋、发展阶段和治理优先级的差异要求具体指标及其权重需根据当地水资源约束和管理需求进行调整。因此，UCPIE框架被提出作为一个可迁移的概念框架，而非固定的指标体系。

关于水资源约束与多因子协调的研究在理论、方法和实证领域取得了显著进展。在理论方面，"以水定城、以水定地、以水定人、以水定产"框架已在概念基础、关键挑战和实施路径方面得到系统阐述（Zuo et al., 2025），并扩展至人水和谐范式，为实证分析奠定了坚实基础。在方法方面，该领域已从单一方法评价演进为综合方法，通常采用综合指标体系（Deng et al., 2024; Zhang et al., 2025）和耦合协调度模型（Li et al., 2020）来量化水资源约束下系统间的交互与动态。此外，情景模拟（Cui et al., 2024）和多模型集成（Lu et al., 2024）也被应用于检验供需平衡、风险和系统稳定性，增强了解释深度和预测能力。在实证方面，研究越来越多地纳入区域背景，并构建了多层次、多风险分析框架（Qu et al., 2024; Zhou et al., 2023），整合稳定性、协调性和韧性（Xu et al., 2025），为治理和政策设计提供了有价值的见解。尽管取得了这些进展，仍存在若干局限性。第一，多维子系统间的权衡与协同机制尚未得到充分捕捉，尤其是缺乏跨部门交互的统一框架。第二，空间依赖性和溢出效应仍被研究不足，限制了对区域互联的理解。第三，驱动因素的识别仍主要依赖传统模型，对非线性关系和时间动态关注不够。综合来看，以往研究已逐步从考察单一水资源约束拓展至探索水资源约束下多部门协调。然而，尚缺乏一个以水资源为核心纽带连接UCPIE子系统的整合性UCPIE概念框架。因此，有必要整合权衡与协同分析、空间计量方法和可解释模型，从时空视角更系统地识别黄河流域多部门水纽带的形成机制与区域异质性。

在此背景下，本研究聚焦于"以水定城、以水定地、以水定人、以水定产"框架下的黄河流域九省区。UCPIE体系被概念化为区域高质量发展的一组关键且相互依赖的维度，并据此构建了综合指标体系。本研究采用SMI-P方法评价各维度的发展水平，利用Spearman秩相关系数量化权衡与协同关系，通过Moran's I和空间计量模型考察空间自相关与溢出效应。此外，引入GeoSHAP识别关键驱动因素并捕捉其非线性效应。通过整合多维权衡与协同分析和时空视角，本研究旨在从多维权衡、协同和时空演化的角度揭示UCPIE水纽带的动态特征与驱动机制，从而为黄河流域水资源约束下的区域协调与可持续发展提供理论与实证支持。研究框架如图1所示。

**UCPIE水纽带概念框架**

在日益严峻的水资源约束和生态优先发展范式的背景下，黄河流域的高质量发展已不能再由单一因素驱动，而是依赖于多个子系统——城市发展、耕地、人口分布、产业结构和生态保护——在水资源承载力限制内的协调配置与动态平衡。然而，现有研究大多将水纽带关系概念化为……

**结果**

基于定量框架，我们从四个视角考察UCPIE子系统间的水资源纽带：关系演化、空间格局、空间效应和驱动机制。这一序列识别了权衡与协同的演化、空间关联与溢出效应，以及支撑这些格局的关键因素。

**丰水年、平水年和枯水年水文条件下的纽带变化**

在水资源年际波动显著的情况下，多部门水纽带在枯水年、平水年和丰水年之间表现出明显差异。水文变率动态改变了部门间水资源配置与协调格局，从而影响区域协调和水系统稳定性（图9）。在2008年枯水年，城市发展仍与耕地利用和生态保护保持强耦合关系，而人口承载力……

**结论**

本研究考察了黄河流域九省区，在"以水定城、以水定地、以水定人、以水定产"原则下将UCPIE体系概念化为一个相互依赖的复合系统，并构建了关联关系演化、空间关联、空间效应和驱动机制的框架。主要结论如下：

（1）水资源是连接UCPIE五个子系统之间的核心约束纽带。水资源不应被视为一个独立的评价维度，而是……

**致谢**

本研究由国家重点研发计划（编号：2024YFC3211304）资助。作者感谢编辑和匿名审稿人提供的宝贵意见和建议。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**数据可用性**

数据和代码可根据要求提供。

**未引用参考文献**

Ekmekcio?lu et al., 2022; Feng et al., 2021; Garcia et al., 2023; Jabow et al., 2026; Viezzer and Biondi, 2021; Wang et al., 2026; Wang et al., 2025; Xu et al., 2025; Yu et al., 2025; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2025

**CRediT作者贡献声明**

张亚飞：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，软件，方法论，形式化分析，数据整理。臧超：撰写–审阅与编辑，可视化，验证，监督，软件，方法论，基金获取，数据整理。左启庭：撰写–审阅与编辑，验证，监督。李贺：撰写–审阅与编辑，验证，监督。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

张亚飞 | 臧超 | 左启庭 | 李贺