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摘要
粮食、能源与水三者之间由于相互需求与相互影响，已形成了密切而复杂的关联关系，同时还给生态环境、自然资源、公众健康带来了潜在风险。因此基于关联关系的视角，利用综合的手段来对粮食-能源-水系统的风险进行分析和调控，对我国目前环境风险管理具有重要意义。本文在查阅相关研究成果的基础上，分别从两两关联、三者关联、三者关联系统相关的风险研究等方面对粮食-能源-水关联系统及相关风险的研究进展进行系统梳理和归纳总结，总结发现：已有研究较多关注两两之间关联性的定量测算和相关治理措施，缺乏将三者看作一个整体系统的量化研究，且基于流域层面等较小尺度的研究方法还相对不够成熟。在三者关联的风险研究方面，已有部分从能源-水关联角度开展的风险研究，但从三者整体关联系统角度开展的风险研究还比较少，且所选用的风险表征指标较为单一。另外，已有针对粮食-能源-水关联系统的研究仅仅是单向的风险评估，还缺乏根据风险评估结果对三者关联系统进行动态反馈调控等内容。在此基础上，本文提出基于粮食-能源-水关联系统的风险管控研究框架及核心研究议题，主要包括构建粮食、能源、水三者之间的耦合模型；通过量化耦合系统产生的压力和污染，运用多指标表征耦合系统所带来的风险，进而建立粮食-能源-水关联系统与风险的关联传导机制；并基于风险评估结果和风险管理的关联关系建立动态调节与反馈机制，从而为基于粮食-能源-水关联的区域环境风险管控提供科学依据。
关键词粮食-能源-水关联；文献分析；风险管控
中图分类号X321
文献标识码A文章编号1002-2104（2018）07-0085-08DOI：10.12062/cpre.20180203
粮食、能源、水是维系人类生存，维持社会可持续发展的重要因素，三者之间存在紧密而复杂的关系。能源生产过程，如化石燃料开采加工、生物质燃料种植灌溉、发电冷却等都需要大量的水资源，同时，生物质能的发展也会对农业部门产生影响；对于农业部门，粮食生产与收获过程中离不开水资源与能源的支撑；对于水系统，海水淡化、淡水处理、分配传输、回收再生过程需要能源，水生态环境也会受到农业生产行为的影响。李桂君等[1]从可持续发展领域资源管理新视角出发，对三者关联关系从概念界定、背景与发展阶段、关联关系描述等角度进行了详细探讨，并对未来的研究视角、维度和工具等提出了建议。值得注意的是，三者间的关联关系不仅造成了三种资源使用过程中的权衡取舍与冲突协调，还会对社会经济与环境等外部系统产生影响。其中，关联关系对生态环境、自然资源、公众健康带来的潜在风险是值得关注的问题。而且，伴随着经济社会发展，人类对粮食、能源、水等资源需求的不断上升，相关的风险问题还会进一步放大。因此，为了深度剖析粮食-能源-水系统内部的风险，本文对国内外三者关联研究和从三者关联开展的风险研究现状进行了系统梳理，并提出了基于关联观的区域健康风险管控的理论研究框架，希望为未来的三者关联研究提供新的视角，为资源可持续利用与风险管理明确提供科学支撑。
1能源-水关联研究
能源-水关联方面的研究起步较早，2002年已有研究分别对印度各终端消费部门的能源与水资源供给和需求程度以及加利福尼亚地区能源和水资源在农业、工业和生活部门之间的竞争关系进行探究，从而探索促进能源与水资源节约的可持续发展路径[2-3]。之后，研究成果数量逐年递增，早期研究以对能源和水资源两者关系的梳理居多，并较多以国家尺度进行案例分析[4-6]。2011年以来，能源-水关联方面的研究成果大幅增加，越来越关注流域、城市等更小尺度[7-9]或全球尺度[10-11]的能源和水资源的定量化评估。截至2017年底，从全球范围来看中国学者的研究成果数量排名第二，仅次于美国。
对已有研究成果的引证关系梳理发现，本地引用量最高的文章为2011年Scott等[12]的研究，研究以美国为案例进行分析，梳理出当地的能水竞争关系，并探索相关管理者对能源与水资源的管理模式，同时识别出利益相关者的决策偏好，最终提出需要加强美国能源与水资源的协同管理，促进区域协作。该研究从政策制定和机构职能角度为国家和地方管理者协同管理能源和水资源提供了决策借鉴。之后，该学者又结合气候变化探讨能水系统受到的影响以及政府的适应性策略[13-14]。本地引用量次高的文章是2009年Sovacool等[15]从人口增长、发电产能扩张、夏季干旱加剧三个驱动因素出发，量化美国22个州的水资源短缺程度，并进行州际差异比较。该研究将能源作为影响因素之一，探讨其对地區水资源的单向影响，为之后能源-水关联的量化研究提供了思路。本地引用量第三、四的文章都是从生命周期（Life Cycle Assessment， LCA）的角度运用投入产出方法进行的量化研究，分别为对中国36个经济部门单位产值能耗、水耗的计算[5]，以及对中国能源部门全过程用水量的计算，并展现能源部门用水的省际差异，最后还构建了简单的指标表征能源用水对人群健康和生态系统的影响[16]。这两篇文章体现出在能源-水关联的量化研究中学者们比较常用的思路和方法。
总体看来，目前能源-水关联方面的研究主要关注以下三点：①以特定区域为研究对象，核算或预测能源生产、加工转换等过程中的用水量或水系统全过程中的能源消耗量[17-19]；②结合全球电力贸易或国内电力传输，研究能源贸易中虚拟水流动及造成的水资源压力转移[20-21]；③结合气候变化或污染防治背景，探究水资源约束下电力系统的长效规划，如发电装机规划和发电结构优化[22-23]。
2粮食-水耦合研究
农业作为全世界最大的水资源消耗部门，淡水使用量占到了全球淡水使用量的70%，同时，随着世界人口的持续增加，人类对食物的需求与日俱增。预测表明，2015年到2050年，人类对食物的需求将上升70%左右[17]。因此，一直以来粮食-水耦合研究都受到学界的重视，其中大量的研究关注于食物生产和消费过程中的水足迹问题，贸易中隐含的虚拟水问题以及未来粮食生产的需水量预测。 国外对食物水足迹的研究较早，2009年，Khan等[24]综合了发表在顶级学术期刊上的相关文献对全球粮食生产的水足迹进行了评估。Gheewala等[25]对泰国不同地区种植的10种主要作物的水足迹进行了研究，通过水分胁迫指数和水分匮乏潜力指标评估了不同地区/流域作物用水的影响，并提出了关于未来可持续作物生产的建议。此外还有许多国外学者专门针对国际食物援助活动和食物浪费过程中的水足迹开展研究，以及对不同水足迹计算方法进行比较[26-27]。国内在食物水足迹方面也开展了大量研究，吴燕等[28]在生态足迹和水足迹理论和模型的基础上，根据北京市的现状，重新计算了均衡因子和单位质量虚拟水含量等模型关键参数，计算和分析了北京市居民食物消耗的生态足迹和水足迹。田园宏等[29]基于彭曼公式对单种粮食作物绿水和蓝水水足迹值进行计算，介绍了省际范围、国内生产、国际贸易以及国内消费水足迹值的计算方法，测算了1978—2010年5种主要粮食作物的上述4种水足迹值。此外，水足迹方法在黑龙江、宁夏、云南等地区都得到了应用[30-32]。
随着经济全球化和世界贸易的发展，粮食贸易中隐含的虚拟水逐渐受到学界重视。柳长顺等[33]认为，虚拟水贸易可以为中国未来粮食缺口提供一种解决方案。粮食贸易中虚拟水问题的研究主要基于投入产出方法，目前，国内的研究主要集中在对缺水地区省际粮食贸易隐含的虚拟水贸易研究和虚拟水贸易影响因素的分析[34]。对于未来粮食生产需水量的预测研究，则主要采用相关的粮食生产与水资源预测耦合模型开展不同尺度（全球、国家、区域）研究。如Mu等[35]利用国家层级的粮食安全模型PODIUMSim预测了中国在2030年和2050年的粮食盈余/赤字情况及相关的水资源影响。Grafton等[36]采用自下而上的模型方法对不同情景下19个国家2010—2050年的灌溉用水及粮食产量进行了预测。
3粮食-能源关联研究
相对而言，粮食-能源关联方面的研究较少，该领域的研究可以被分为两大方向，食物生产消费过程中的能源消耗，以及农业部门提供的生物质能。
事实上，当代农业属于能源密集型产业。能源消耗活动分布在粮食生产的各个环节，包括农场、田地间的直接能源消耗以及在农业设备、化肥和农药等方面的间接能源消耗。据统计，粮食系统的能源消耗占到了世界可用能源的30%[37]。因此，如何通过创新的农业生产模式和技术来提高能源利用率逐步成为学者们的研究热点。如Nadal等[38]的研究对地中海环境下的全面整合式屋顶温室的能耗及环境影响进行了评估，Xydis等[39]研究了郊区小型水培农业与风电系统的耦合效果，提出了一个综合的粮食-能源关联途径。
在生物質能研究方面，学者们主要关注生物质能作物种植的经济分析及其与粮食生产的关系。Mantziaris等[40]分析了3种多年生能源作物芒草、芦竹和杨树的经济效应，识别出了其中利润最高的能源作物。Algieri[41]考察了生物燃料及其他经济金融因素对粮食价格的影响，结果认为生物能源市场对粮食市场具有显著影响，需要谨慎制定合理的生物燃料政策以避免引发燃料和粮食的冲突。Ozturk[42]利用12个国家2000—2013年的数据，使用索洛增长模型考察了生物燃料消费与生产之间的相互关系以及若干国家层面的社会经济和环境可持续性指标，结果表明环境指标随着生物燃料使用的增加而增加，也减少了森林枯竭的速度。除了传统的计量等经济方法外，还有一部分学者采用土地利用模型来模拟粮食需求、生物质能和森林保存之间的相互作用，从而试图预测在未来不同情境下区域和全球的粮食生产和土地利用变化。如Souty等[43]的研究将生物物理学和经济学结合起来，形成了一个统一的框架用于计算12个地区内作物产量，粮食价格以及由此产生的牧场和耕地面积，并通过国际贸易相互关联。
4粮食-能源-水关联研究
4.1粮食-能源-水关联研究
2011年11月，德国联邦政府在波恩召开了“水-能源-粮食安全纽带关系”会议，提出粮食、能源、水资源是一个复杂的关联系统，研究需要从耦合而非孤立的角度开展。此后粮食-能源-水关联的研究成果数量逐年增加，2015年起文献发表数量激增，目前该话题已成为当今研究热点之一。从全球范围来看，中国学者的研究成果数量排在全球第四位，次于美国、英国和德国。
2011年，Bazilian等[44]构建了粮食-能源-水关联研究框架CLEW模型，成为该领域的奠基成果。CLEW模型综合考虑了气候变化、土地利用等因素，并结合LEAP、WEAP、AEZ等能源、水文、农业模型进行系统研究。通过文献梳理发现，该领域绝大部分研究集中于粮食-能源-水关联研究方法学的探索，如Bassel等[45]在前人研究基础上构建了WEF Nexus Tool 2.0用于优化未来各发展情景下三种资源的分配；Lucia等[46]从水资源保护的角度出发提出跨流域粮食、能源、水资源的协同管理方法。此外，世界粮农组织（FAO）[47]基于粮食安全和农业可持续发展的角度于2014年提出粮食-能源-水耦合决策框架，促进资源节约和可持续发展。近两年该领域开始出现三者的定量化研究，如Vora等[48]量化了美国粮食州际贸易过程中的虚拟灌溉水量，并进一步计算虚拟灌溉水中的隐含能耗量。Sherwood等[49]核算了美国各城市的粮食产量以及三产部门各自的能耗、水耗量，并进行空间差异比较。
总体看来，粮食-能源-水关联研究主要关注以下三点：①大量研究集中于三者关联关系的定性探讨和研究框架的探索[50-51]；②从弹性的角度探究三者关联系统的内部平衡，以及关联系统的扰动对人类、生态、环境的影响[52-53]；③较少的定量化研究[54-55]。
4.2粮食-能源-水-气候变化关联研究
粮食-能源-水关联系统容易受到气候因素的影响，一般认为，气候变化可能会影响能源与粮食生产的效率，导致全球整体可获得的淡水资源量的下降。因此许多粮食-能源-水关联模型都会将气候相关因素考虑在内。总体来看，学者们较多从气候变化对降水、径流和水温等水文要素的影响出发，探讨由气候变化影响的水资源要素的相关变化对能源、农业部门生产活动的影响。在能源部门方面，目前的研究主要关注于气候变化引起的电厂冷却用水影响，能源提取和加工过程用水影响以及生物质能灌溉用水方面的影响。如Yang等[56]提出了一个新的流域水利经济水系模型，研究了可能的气候变化及其他因素对南亚布拉马普特拉河流域沿岸国家未来的能源和粮食生产供水的影响。Zeng等[57]分析气候变量对水电和农业灌溉关系的影响。另一方面，由于较高的潜在蒸发水平导致的水库蒸发损失增加和灌溉需求增加可能会加剧灌溉和水电之间的矛盾。而农业部门则更多探讨在气候变化背景下创新农业的节能节水措施，地区间农产品交易以及农产品空间和结构分布变化等的应对措施[58-60]。 然而更多的研究并没有深入分析气候变化对粮食-能源-水关联系统的直接影响机理，而是将其作为与粮食、能源或水资源管理相关的政策制定依据间接对三者的关联系统产生影响，如Damerau等[61]探讨了在气候变化等其他影响因素变化的背景下农业和能源部门一系列可能的消费模式变化趋势，及这种趋势对农业和能源部门的间接影响和对全球水资源的影响。
4.3粮食-能源-水-风险关联研究
本文发现粮食-能源-水三者关联关系会对生态环境、自然资源、公众健康带来潜在的风险，如图1所示。为了剖析三者关联系统所带来的风险，本文对国内外从三者关联角度开展的风险研究进行了梳理分析。文献分析的结果表明，目前关注粮食-能源-水关联系统潜在风险的研究非常少，已有的研究都集中在近三年间（2015—2017年），整个领域处于刚刚起步的初级阶段，并且相关的研究主要集中在欧美等发达国家，目前针对中国的研究成果还比较缺乏。
目前的研究主要分为理论研究和实证研究两类。在理论研究方面，主要关注粮食-能源-水关联系统与风险的定性关系。而其中大部分理论研究并没有提出系统完整的风险评估框架[52，62-63]，仅有少数研究初步构建了理论模型框架[64-65]，比如：Lal[64]系统梳理和构建了基于粮食-能源-水关联系统的水短缺风险产生的过程框架；Jarvie等[65]分析和构建了磷元素对粮食-能源-水关联系统安全的影响框架。但现有关于三者关联系统风险评估问题的理论研究都处于比较宏观的层次，缺乏切实可行的方法学支撑。
另有一部分学者针对粮食-能源-水耦合系统中的风险问题开展了实证研究。但其中大部分研究仅使用单一指标来表征环境风险，比如：MillerRobbie等[66]采用生命周期评价的方法核算了粮食-能源-水关联系统的温室气体排放量；Moore等[67]将粮食-能源-水关联系统中的各个要素、部门分解到网格，并按照其耗水量和对应地区的水资源径流量核算了地区的水短缺风险等。也有考虑多种风险指标的研究，比如：HatfieldDodds等[68]根据粮食-能源-水耦合框架，在不同的情景下采用九个相互链接的区域模型，分析了澳大利亚自然生境的损失、水资源的压力和温室气体的排放；Ramaswami等[55]采用环境足迹的方法从城市系统的角度分析了粮食-能源-水关联系统的温室气体排放和水短缺风险等。
總体上考虑，现有研究关注的环境风险主要为温室气体排放[55，66，68]和水资源短缺[55，67-68]两类。然而，除了温室气体排放和水资源短缺以外，针对粮食-能源-水关联系统中单一要素的研究已经证明，它们还会产生如大气污染[69]、水污染[70]、热污染[71]等多重环境影响，并且三种资源的短缺也会对社会、人群、生态系统等多维度产生压力[72-74]。但目前对粮食-能源-水耦合系统风险研究的指标设计较为单一，还远远无法体现风险的多维性和特异性，并且更多考虑的是对生态系统的影响，对健康风险的研究还比较欠缺。
5研究总结与展望
对已有研究成果的总结发现粮食-能源-水关联研究方面还存在一些不足：如针对三者关联系统的定量化研究还非常少，已有研究较多集中于两两关联性的测算与相关管理措施由于关联关系导致的“溢出”效应，缺乏将三者看作一个整体系统的量化研究。另外，已有研究较多集中在洲际层面或国家层面，近期已经出现了基于流域层面等更小尺度的研究，但方法相对还不够成熟。同时，已有部分研究从能源-水关联的角度进行风险研究，但从三者关联的角度开展的风险研究还较少，且所选用风险表征指标较为单一。此外，现有针对粮食-能源-水关联系统的研究仅仅是单向的风险评估，还未包含根据风险评估结果对系统进行动态反馈调控等内容。因此，在对研究现状总结的基础上，本文提出新的研究思路：从粮食-能源-水关联的角度量化关联系统对区域生态系统带来的压力及其引致的人群健康和生态系统的风险，并基于风险评估结果对关联系统进行科学、合理地反馈与调控，缓解潜在冲突，实现整体收益最优。而为了实现这一研究目标，几个系统之间耦合的模型框架还需要进一步完善，压力与风险评估指标与方法需要识别与构建。同时，考虑到粮食、水资源、能源等在区域层面的显著特征，以及相关研究数据的可得性，应该基于区域层面开展大量的实证研究工作。
首先，在三者关联定量化研究方面，应该构建粮食-能源-水关联系统耦合模型。现有研究在两两关联的定量化表征工具方面取得了一些进展。将能源模型、水资源模型以及粮食模型分别进行耦合，对相关关联关系进行表征的同时还可以对外部社会经济系统（如贸易）及相关资源管理政策的扰动进行模拟。但是想要表征完整的三者之间的动态关联系统及其与外部社会经济系统的反馈机制，现有的研究工具还需要进一步完善。因此，将能源模型、水资源模型、粮食模型以及气候变化等模型进行耦合，理清不同模型之间的输入与输出关系，明确不同模型之间的链接模块，如图2所示，可以水资源为核心，选取受到气候变化影响而发生扰动的指标（如气温、光照、降水、径流等）作为与粮食模型和能源模型之间的链接，再结合农业政策和能源政策分析粮食模型和能源模型的输出（如粮食生产过程中的化肥施用量、灌溉用水量以及能源生产过程中的大气污染物排放量、取水量）与污控目标、减排目标和水资源总量控制目标的可达性。并确定不同类型调控手段的传导机制与影响评估方法，有效支撑相关研究的开展。
其次，建立粮食-能源-水关联系统与风险的关联传导机制。如图3所示，系统识别关联系统对于生态环境和人群健康产生的环境污染及环境资源压力及风险传导机制；选取相应的大气污染、水污染、热污染、温室气体等环境污染指标，以及能源压力、粮食压力和水资源压力等环境资源压力指标，结合区域自然特征，建立扩散模型模拟大气污染物和水污染物等在时空上的分配。最后，识别出包括生理健康风险和心理健康风险等在内的人群健康风险指标以及生态系统风险指标，构建基于人群健康风险指标和生态系统风险指标的风险指标体系及多元风险评估框架与方法，并与污染扩散模型进行耦合，将污染模拟的结果作为输入进行区域压力与风险的定量评估。 最后，構建基于风险管理的关联关系的动态调节与反馈机制。在将多元风险评估与污染扩散耦合的基础上进一步与粮食-能源-水关联系统进行耦合，并根据风险的大小、属性、偏好、时空分布等特性，结合不同区域与部门的管理需求，以优先管理和全过程管控的思想对粮食-能源-水关联系统的管理目标进行动态调整优化，为区域风险管控提供新的视角，为实现跨部门的风险治理提供技术支持。
（编辑：李琪）
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粮食、能源与水三者之间由于相互需求与相互影响，已形成了密切而复杂的关联关系，同时还给生态环境、自然资源、公众健康带来了潜在风险。因此基于关联关系的视角，利用综合的手段来对粮食-能源-水系统的风险进行分析和调控，对我国目前环境风险管理具有重要意义。本文在查阅相关研究成果的基础上，分别从两两关联、三者关联、三者关联系统相关的风险研究等方面对粮食-能源-水关联系统及相关风险的研究进展进行系统梳理和归纳总结，总结发现：已有研究较多关注两两之间关联性的定量测算和相关治理措施，缺乏将三者看作一个整体系统的量化研究，且基于流域层面等较小尺度的研究方法还相对不够成熟。在三者关联的风险研究方面，已有部分从能源-水关联角度开展的风险研究，但从三者整体关联系统角度开展的风险研究还比较少，且所选用的风险表征指标较为单一。另外，已有针对粮食-能源-水关联系统的研究仅仅是单向的风险评估，还缺乏根据风险评估结果对三者关联系统进行动态反馈调控等内容。在此基础上，本文提出基于粮食-能源-水关联系统的风险管控研究框架及核心研究议题，主要包括构建粮食、能源、水三者之间的耦合模型；通过量化耦合系统产生的压力和污染，运用多指标表征耦合系统所带来的风险，进而建立粮食-能源-水关联系统与风险的关联传导机制；并基于风险评估结果和风险管理的关联关系建立动态调节与反馈机制，从而为基于粮食-能源-水关联的区域环境风险管控提供科学依据。
关键词粮食-能源-水关联；文献分析；风险管控
中图分类号X321
文献标识码A文章编号1002-2104（2018）07-0085-08DOI：10.12062/cpre.20180203
粮食、能源、水是维系人类生存，维持社会可持续发展的重要因素，三者之间存在紧密而复杂的关系。能源生产过程，如化石燃料开采加工、生物质燃料种植灌溉、发电冷却等都需要大量的水资源，同时，生物质能的发展也会对农业部门产生影响；对于农业部门，粮食生产与收获过程中离不开水资源与能源的支撑；对于水系统，海水淡化、淡水处理、分配传输、回收再生过程需要能源，水生态环境也会受到农业生产行为的影响。李桂君等[1]从可持续发展领域资源管理新视角出发，对三者关联关系从概念界定、背景与发展阶段、关联关系描述等角度进行了详细探讨，并对未来的研究视角、维度和工具等提出了建议。值得注意的是，三者间的关联关系不仅造成了三种资源使用过程中的权衡取舍与冲突协调，还会对社会经济与环境等外部系统产生影响。其中，关联关系对生态环境、自然资源、公众健康带来的潜在风险是值得关注的问题。而且，伴随着经济社会发展，人类对粮食、能源、水等资源需求的不断上升，相关的风险问题还会进一步放大。因此，为了深度剖析粮食-能源-水系统内部的风险，本文对国内外三者关联研究和从三者关联开展的风险研究现状进行了系统梳理，并提出了基于关联观的区域健康风险管控的理论研究框架，希望为未来的三者关联研究提供新的视角，为资源可持续利用与风险管理明确提供科学支撑。
1能源-水关联研究
能源-水关联方面的研究起步较早，2002年已有研究分别对印度各终端消费部门的能源与水资源供给和需求程度以及加利福尼亚地区能源和水资源在农业、工业和生活部门之间的竞争关系进行探究，从而探索促进能源与水资源节约的可持续发展路径[2-3]。之后，研究成果数量逐年递增，早期研究以对能源和水资源两者关系的梳理居多，并较多以国家尺度进行案例分析[4-6]。2011年以来，能源-水关联方面的研究成果大幅增加，越来越关注流域、城市等更小尺度[7-9]或全球尺度[10-11]的能源和水资源的定量化评估。截至2017年底，从全球范围来看中国学者的研究成果数量排名第二，仅次于美国。
对已有研究成果的引证关系梳理发现，本地引用量最高的文章为2011年Scott等[12]的研究，研究以美国为案例进行分析，梳理出当地的能水竞争关系，并探索相关管理者对能源与水资源的管理模式，同时识别出利益相关者的决策偏好，最终提出需要加强美国能源与水资源的协同管理，促进区域协作。该研究从政策制定和机构职能角度为国家和地方管理者协同管理能源和水资源提供了决策借鉴。之后，该学者又结合气候变化探讨能水系统受到的影响以及政府的适应性策略[13-14]。本地引用量次高的文章是2009年Sovacool等[15]从人口增长、发电产能扩张、夏季干旱加剧三个驱动因素出发，量化美国22个州的水资源短缺程度，并进行州际差异比较。该研究将能源作为影响因素之一，探讨其对地區水资源的单向影响，为之后能源-水关联的量化研究提供了思路。本地引用量第三、四的文章都是从生命周期（Life Cycle Assessment， LCA）的角度运用投入产出方法进行的量化研究，分别为对中国36个经济部门单位产值能耗、水耗的计算[5]，以及对中国能源部门全过程用水量的计算，并展现能源部门用水的省际差异，最后还构建了简单的指标表征能源用水对人群健康和生态系统的影响[16]。这两篇文章体现出在能源-水关联的量化研究中学者们比较常用的思路和方法。
总体看来，目前能源-水关联方面的研究主要关注以下三点：①以特定区域为研究对象，核算或预测能源生产、加工转换等过程中的用水量或水系统全过程中的能源消耗量[17-19]；②结合全球电力贸易或国内电力传输，研究能源贸易中虚拟水流动及造成的水资源压力转移[20-21]；③结合气候变化或污染防治背景，探究水资源约束下电力系统的长效规划，如发电装机规划和发电结构优化[22-23]。
2粮食-水耦合研究
农业作为全世界最大的水资源消耗部门，淡水使用量占到了全球淡水使用量的70%，同时，随着世界人口的持续增加，人类对食物的需求与日俱增。预测表明，2015年到2050年，人类对食物的需求将上升70%左右[17]。因此，一直以来粮食-水耦合研究都受到学界的重视，其中大量的研究关注于食物生产和消费过程中的水足迹问题，贸易中隐含的虚拟水问题以及未来粮食生产的需水量预测。 国外对食物水足迹的研究较早，2009年，Khan等[24]综合了发表在顶级学术期刊上的相关文献对全球粮食生产的水足迹进行了评估。Gheewala等[25]对泰国不同地区种植的10种主要作物的水足迹进行了研究，通过水分胁迫指数和水分匮乏潜力指标评估了不同地区/流域作物用水的影响，并提出了关于未来可持续作物生产的建议。此外还有许多国外学者专门针对国际食物援助活动和食物浪费过程中的水足迹开展研究，以及对不同水足迹计算方法进行比较[26-27]。国内在食物水足迹方面也开展了大量研究，吴燕等[28]在生态足迹和水足迹理论和模型的基础上，根据北京市的现状，重新计算了均衡因子和单位质量虚拟水含量等模型关键参数，计算和分析了北京市居民食物消耗的生态足迹和水足迹。田园宏等[29]基于彭曼公式对单种粮食作物绿水和蓝水水足迹值进行计算，介绍了省际范围、国内生产、国际贸易以及国内消费水足迹值的计算方法，测算了1978—2010年5种主要粮食作物的上述4种水足迹值。此外，水足迹方法在黑龙江、宁夏、云南等地区都得到了应用[30-32]。
随着经济全球化和世界贸易的发展，粮食贸易中隐含的虚拟水逐渐受到学界重视。柳长顺等[33]认为，虚拟水贸易可以为中国未来粮食缺口提供一种解决方案。粮食贸易中虚拟水问题的研究主要基于投入产出方法，目前，国内的研究主要集中在对缺水地区省际粮食贸易隐含的虚拟水贸易研究和虚拟水贸易影响因素的分析[34]。对于未来粮食生产需水量的预测研究，则主要采用相关的粮食生产与水资源预测耦合模型开展不同尺度（全球、国家、区域）研究。如Mu等[35]利用国家层级的粮食安全模型PODIUMSim预测了中国在2030年和2050年的粮食盈余/赤字情况及相关的水资源影响。Grafton等[36]采用自下而上的模型方法对不同情景下19个国家2010—2050年的灌溉用水及粮食产量进行了预测。
3粮食-能源关联研究
相对而言，粮食-能源关联方面的研究较少，该领域的研究可以被分为两大方向，食物生产消费过程中的能源消耗，以及农业部门提供的生物质能。
事实上，当代农业属于能源密集型产业。能源消耗活动分布在粮食生产的各个环节，包括农场、田地间的直接能源消耗以及在农业设备、化肥和农药等方面的间接能源消耗。据统计，粮食系统的能源消耗占到了世界可用能源的30%[37]。因此，如何通过创新的农业生产模式和技术来提高能源利用率逐步成为学者们的研究热点。如Nadal等[38]的研究对地中海环境下的全面整合式屋顶温室的能耗及环境影响进行了评估，Xydis等[39]研究了郊区小型水培农业与风电系统的耦合效果，提出了一个综合的粮食-能源关联途径。
在生物質能研究方面，学者们主要关注生物质能作物种植的经济分析及其与粮食生产的关系。Mantziaris等[40]分析了3种多年生能源作物芒草、芦竹和杨树的经济效应，识别出了其中利润最高的能源作物。Algieri[41]考察了生物燃料及其他经济金融因素对粮食价格的影响，结果认为生物能源市场对粮食市场具有显著影响，需要谨慎制定合理的生物燃料政策以避免引发燃料和粮食的冲突。Ozturk[42]利用12个国家2000—2013年的数据，使用索洛增长模型考察了生物燃料消费与生产之间的相互关系以及若干国家层面的社会经济和环境可持续性指标，结果表明环境指标随着生物燃料使用的增加而增加，也减少了森林枯竭的速度。除了传统的计量等经济方法外，还有一部分学者采用土地利用模型来模拟粮食需求、生物质能和森林保存之间的相互作用，从而试图预测在未来不同情境下区域和全球的粮食生产和土地利用变化。如Souty等[43]的研究将生物物理学和经济学结合起来，形成了一个统一的框架用于计算12个地区内作物产量，粮食价格以及由此产生的牧场和耕地面积，并通过国际贸易相互关联。
4粮食-能源-水关联研究
4.1粮食-能源-水关联研究
2011年11月，德国联邦政府在波恩召开了“水-能源-粮食安全纽带关系”会议，提出粮食、能源、水资源是一个复杂的关联系统，研究需要从耦合而非孤立的角度开展。此后粮食-能源-水关联的研究成果数量逐年增加，2015年起文献发表数量激增，目前该话题已成为当今研究热点之一。从全球范围来看，中国学者的研究成果数量排在全球第四位，次于美国、英国和德国。
2011年，Bazilian等[44]构建了粮食-能源-水关联研究框架CLEW模型，成为该领域的奠基成果。CLEW模型综合考虑了气候变化、土地利用等因素，并结合LEAP、WEAP、AEZ等能源、水文、农业模型进行系统研究。通过文献梳理发现，该领域绝大部分研究集中于粮食-能源-水关联研究方法学的探索，如Bassel等[45]在前人研究基础上构建了WEF Nexus Tool 2.0用于优化未来各发展情景下三种资源的分配；Lucia等[46]从水资源保护的角度出发提出跨流域粮食、能源、水资源的协同管理方法。此外，世界粮农组织（FAO）[47]基于粮食安全和农业可持续发展的角度于2014年提出粮食-能源-水耦合决策框架，促进资源节约和可持续发展。近两年该领域开始出现三者的定量化研究，如Vora等[48]量化了美国粮食州际贸易过程中的虚拟灌溉水量，并进一步计算虚拟灌溉水中的隐含能耗量。Sherwood等[49]核算了美国各城市的粮食产量以及三产部门各自的能耗、水耗量，并进行空间差异比较。
总体看来，粮食-能源-水关联研究主要关注以下三点：①大量研究集中于三者关联关系的定性探讨和研究框架的探索[50-51]；②从弹性的角度探究三者关联系统的内部平衡，以及关联系统的扰动对人类、生态、环境的影响[52-53]；③较少的定量化研究[54-55]。
4.2粮食-能源-水-气候变化关联研究
粮食-能源-水关联系统容易受到气候因素的影响，一般认为，气候变化可能会影响能源与粮食生产的效率，导致全球整体可获得的淡水资源量的下降。因此许多粮食-能源-水关联模型都会将气候相关因素考虑在内。总体来看，学者们较多从气候变化对降水、径流和水温等水文要素的影响出发，探讨由气候变化影响的水资源要素的相关变化对能源、农业部门生产活动的影响。在能源部门方面，目前的研究主要关注于气候变化引起的电厂冷却用水影响，能源提取和加工过程用水影响以及生物质能灌溉用水方面的影响。如Yang等[56]提出了一个新的流域水利经济水系模型，研究了可能的气候变化及其他因素对南亚布拉马普特拉河流域沿岸国家未来的能源和粮食生产供水的影响。Zeng等[57]分析气候变量对水电和农业灌溉关系的影响。另一方面，由于较高的潜在蒸发水平导致的水库蒸发损失增加和灌溉需求增加可能会加剧灌溉和水电之间的矛盾。而农业部门则更多探讨在气候变化背景下创新农业的节能节水措施，地区间农产品交易以及农产品空间和结构分布变化等的应对措施[58-60]。 然而更多的研究并没有深入分析气候变化对粮食-能源-水关联系统的直接影响机理，而是将其作为与粮食、能源或水资源管理相关的政策制定依据间接对三者的关联系统产生影响，如Damerau等[61]探讨了在气候变化等其他影响因素变化的背景下农业和能源部门一系列可能的消费模式变化趋势，及这种趋势对农业和能源部门的间接影响和对全球水资源的影响。
4.3粮食-能源-水-风险关联研究
本文发现粮食-能源-水三者关联关系会对生态环境、自然资源、公众健康带来潜在的风险，如图1所示。为了剖析三者关联系统所带来的风险，本文对国内外从三者关联角度开展的风险研究进行了梳理分析。文献分析的结果表明，目前关注粮食-能源-水关联系统潜在风险的研究非常少，已有的研究都集中在近三年间（2015—2017年），整个领域处于刚刚起步的初级阶段，并且相关的研究主要集中在欧美等发达国家，目前针对中国的研究成果还比较缺乏。
目前的研究主要分为理论研究和实证研究两类。在理论研究方面，主要关注粮食-能源-水关联系统与风险的定性关系。而其中大部分理论研究并没有提出系统完整的风险评估框架[52，62-63]，仅有少数研究初步构建了理论模型框架[64-65]，比如：Lal[64]系统梳理和构建了基于粮食-能源-水关联系统的水短缺风险产生的过程框架；Jarvie等[65]分析和构建了磷元素对粮食-能源-水关联系统安全的影响框架。但现有关于三者关联系统风险评估问题的理论研究都处于比较宏观的层次，缺乏切实可行的方法学支撑。
另有一部分学者针对粮食-能源-水耦合系统中的风险问题开展了实证研究。但其中大部分研究仅使用单一指标来表征环境风险，比如：MillerRobbie等[66]采用生命周期评价的方法核算了粮食-能源-水关联系统的温室气体排放量；Moore等[67]将粮食-能源-水关联系统中的各个要素、部门分解到网格，并按照其耗水量和对应地区的水资源径流量核算了地区的水短缺风险等。也有考虑多种风险指标的研究，比如：HatfieldDodds等[68]根据粮食-能源-水耦合框架，在不同的情景下采用九个相互链接的区域模型，分析了澳大利亚自然生境的损失、水资源的压力和温室气体的排放；Ramaswami等[55]采用环境足迹的方法从城市系统的角度分析了粮食-能源-水关联系统的温室气体排放和水短缺风险等。
總体上考虑，现有研究关注的环境风险主要为温室气体排放[55，66，68]和水资源短缺[55，67-68]两类。然而，除了温室气体排放和水资源短缺以外，针对粮食-能源-水关联系统中单一要素的研究已经证明，它们还会产生如大气污染[69]、水污染[70]、热污染[71]等多重环境影响，并且三种资源的短缺也会对社会、人群、生态系统等多维度产生压力[72-74]。但目前对粮食-能源-水耦合系统风险研究的指标设计较为单一，还远远无法体现风险的多维性和特异性，并且更多考虑的是对生态系统的影响，对健康风险的研究还比较欠缺。
5研究总结与展望
对已有研究成果的总结发现粮食-能源-水关联研究方面还存在一些不足：如针对三者关联系统的定量化研究还非常少，已有研究较多集中于两两关联性的测算与相关管理措施由于关联关系导致的“溢出”效应，缺乏将三者看作一个整体系统的量化研究。另外，已有研究较多集中在洲际层面或国家层面，近期已经出现了基于流域层面等更小尺度的研究，但方法相对还不够成熟。同时，已有部分研究从能源-水关联的角度进行风险研究，但从三者关联的角度开展的风险研究还较少，且所选用风险表征指标较为单一。此外，现有针对粮食-能源-水关联系统的研究仅仅是单向的风险评估，还未包含根据风险评估结果对系统进行动态反馈调控等内容。因此，在对研究现状总结的基础上，本文提出新的研究思路：从粮食-能源-水关联的角度量化关联系统对区域生态系统带来的压力及其引致的人群健康和生态系统的风险，并基于风险评估结果对关联系统进行科学、合理地反馈与调控，缓解潜在冲突，实现整体收益最优。而为了实现这一研究目标，几个系统之间耦合的模型框架还需要进一步完善，压力与风险评估指标与方法需要识别与构建。同时，考虑到粮食、水资源、能源等在区域层面的显著特征，以及相关研究数据的可得性，应该基于区域层面开展大量的实证研究工作。
首先，在三者关联定量化研究方面，应该构建粮食-能源-水关联系统耦合模型。现有研究在两两关联的定量化表征工具方面取得了一些进展。将能源模型、水资源模型以及粮食模型分别进行耦合，对相关关联关系进行表征的同时还可以对外部社会经济系统（如贸易）及相关资源管理政策的扰动进行模拟。但是想要表征完整的三者之间的动态关联系统及其与外部社会经济系统的反馈机制，现有的研究工具还需要进一步完善。因此，将能源模型、水资源模型、粮食模型以及气候变化等模型进行耦合，理清不同模型之间的输入与输出关系，明确不同模型之间的链接模块，如图2所示，可以水资源为核心，选取受到气候变化影响而发生扰动的指标（如气温、光照、降水、径流等）作为与粮食模型和能源模型之间的链接，再结合农业政策和能源政策分析粮食模型和能源模型的输出（如粮食生产过程中的化肥施用量、灌溉用水量以及能源生产过程中的大气污染物排放量、取水量）与污控目标、减排目标和水资源总量控制目标的可达性。并确定不同类型调控手段的传导机制与影响评估方法，有效支撑相关研究的开展。
其次，建立粮食-能源-水关联系统与风险的关联传导机制。如图3所示，系统识别关联系统对于生态环境和人群健康产生的环境污染及环境资源压力及风险传导机制；选取相应的大气污染、水污染、热污染、温室气体等环境污染指标，以及能源压力、粮食压力和水资源压力等环境资源压力指标，结合区域自然特征，建立扩散模型模拟大气污染物和水污染物等在时空上的分配。最后，识别出包括生理健康风险和心理健康风险等在内的人群健康风险指标以及生态系统风险指标，构建基于人群健康风险指标和生态系统风险指标的风险指标体系及多元风险评估框架与方法，并与污染扩散模型进行耦合，将污染模拟的结果作为输入进行区域压力与风险的定量评估。 最后，構建基于风险管理的关联关系的动态调节与反馈机制。在将多元风险评估与污染扩散耦合的基础上进一步与粮食-能源-水关联系统进行耦合，并根据风险的大小、属性、偏好、时空分布等特性，结合不同区域与部门的管理需求，以优先管理和全过程管控的思想对粮食-能源-水关联系统的管理目标进行动态调整优化，为区域风险管控提供新的视角，为实现跨部门的风险治理提供技术支持。
（编辑：李琪）
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