2035美丽黄河一-黄河流域绿色低碳转型目标下的水-能源-粮食-生态系统 (WEFE) 纽带关系协同管理.pdf

2035美丽黄河 黄河流域 绿色低碳转型目标下的 （WEFE）纽带关系协同管理 水- 能源 - 粮食-生态系统 07 08 10 12 16 18 20 24 27 33 37 39 41 45 49 目录 1 2 3 4 5 摘要 参考文献 WEFE 纽带关系的重要性 黄河流域 WEFE 的时空格局 WEFE 与安全保障 绿色低碳发展目标下的WEFE政策协同和权衡 如何加强 WEFE 协同治理 2.1 严重资源型缺水 2.2 重要的能源基地 2.3 中国重要的粮仓 2.4 脆弱的多样生态系统 3.1 WEFE 与水安全 3.2 WEFE 与能源安全 3.3 WEFE 与粮食安全 3.4 WEFE 与生态安全 4.1 WEFE 政策目标梳理与交叉影响分析 4.2 妥善处理与其他部门的协同和权衡作用有利于促进能源系 统绿色低碳转型 4.3 开源节流与统筹调度推动水资源管理向绿色低碳转型 4.4 提升农业生产效率和农田生态系统固碳能力可以有效助力 粮食系统的绿色低碳转型 4.5 生态碳汇在绿色低碳转型中的潜力巨大 5.1 促进政策协同的方法 5.2 加强纽带关系协同管理的重要政策建议 指导委员会： 高世楫 何建坤 韩文科 江 亿 李善同 王金南 王 毅 薛 澜 周大地 张建宇 执行团队： 姜鲁光 刘汝亮 姚 霖 黄少中 王永生 秦天玲 高 霁 裘 盈 甘奕维 赵 贝 薛珂洋 孙嘉宝 彭昀玥 合作单位： 国家能源局西北监管局 中国能源研究会碳中和产业合作中心 中国水利水电科学研究院 中国科学院地理科学与资源研究所 宁夏农林科学院农业资源与环境研究所 中国能源模型论坛 EDF 环保协会北京代表处 01 02 06 14 26 44 52 01 摘要 黄河流域的资源禀赋和发展状况决定了黄河流域是水- 能源 - 粮食- 生态系统矛盾突出且集 中的典型区域。保障黄河流域的水安全、能源安全、粮食安全和生态安全，不仅是对黄河流域的高质 量发展，甚至对实现中国社会经济发展远景目标都至关重要。在应对气候变化的背景下，为了实现绿 色低碳发展的目标，黄河流域的水- 能源 - 粮食- 生态系统纽带关系（WEFE Nexus）面临着新的机 遇和挑战。对于加速黄河流域的绿色低碳转型、帮助其持续承担能源基地和粮食基地的重要角色来说， 加强纽带关系的系统性管理、各部门政策的一致性、充分发挥政策的协同效应都是十分关键。黄河流 域纽带关系的协同管理也将为全球综合应对气候、能源、粮食与自然生态系统等多个议题提供中国 智慧。 本报告梳理了黄河流域水- 能源 - 粮食- 生态系统纽带关系，以及现行关系下的政策目标，发 现了这些政策目标之间的协同关系多于权衡关系。由此可见，这四大系统之间政策目标的实现有着协 同增效的坚实基础。因此，水安全、能源安全、粮食安全和生态安全的协同具备巨大的潜力，而如何 规避黄河流域绿色低碳转型目标下各系统间的权衡关系是纽带优化的重点和难点。 能源系统的绿色低碳转型是黄河流域绿色低碳发展的重中之。能源系统的政策目标与其他政 策目标之间存在许多协同和权衡作用。其中，煤炭的开采利用不利于水资源的节约集约和清洁利用， 还会给生态系统带来一系列的负担。相较于煤炭的开采利用，可再生能源的发展对水系统和生态系 统更加友好，但也可能因为选址和运营不当而对水系统和生态系统造成一定的负面影响。此外，能源、 生态和粮食系统在用地上的矛盾也较为明显。 水资源不仅是纽带关系中的灵魂，也是黄河流域最突出的矛盾点。黄河流域把水资源作为最大 的刚性约束，大力推进水资源的集约节约利用，有利于水系统的碳减排。但是，水资源的开采、运输、 处理和再利用过程中的碳减排空间还未受到足够的关注。一方面，在现有水系统的政策目标中，优化 水资源配置、提高水资源配置与利用效率有利于减少供水过程中的能源消耗，进而促进水系统的碳 减排。另一方面，增加非常规的水源利用可能会导致水系统的用能增加，加大水系统低碳转型的难度。 因此，需要额外关注水和能的纽带关系，大力发展低碳水处理技术，降低取水、水处理、水运输和污 水废水处理中的碳排放，全面推进水系统的低碳转型。 由于粮食系统极易受到气候变化的影响，COP27发起了促进粮食与农业可持续发展转型的倡 议（Food and Agriculture for Sustainable Transformation Initiative – FAST）。全球粮食系统产生的温 室气体排放量约占全部温室气体排放量的 30%，其低碳化发展目标的实现迫在眉睫。现有的粮食系 统政策目标的重心是保障粮食安全，与粮食系统的低碳化发展最为相关的仅有提升农业生产效率和 增强农业的固碳能力，而这两个政策目标与其他系统之间均为协同关系。由此可见，充分发挥水系统 和生态系统政策目标的协同作用，建立韧性的粮食系统，推进粮食系统的低碳转型，将为黄河流域的 绿色低碳发展开拓新的空间。 生态碳汇对“中和”碳排放的贡献巨大 1 ，能为黄河流域的低碳发展提供有力支撑。生态碳汇与水 系统的政策目标之间互相加强的正向影响出现较多，这体现了水资源和生态系统政策目标的和谐与 协同的特点。生态碳汇与粮食系统中的政策目标可以同时服务于彼此，而两大系统间唯一需要权衡 的地方在于用地空间可能会相互挤占。 为了更好地发挥政策的协同效应，本报告提供了促进黄河流域协同治理的四大方向： ● 提升部门意识和行动能力： 鼓励各部门系统学习水- 能 - 粮 - 生态系统之间的纽带关系，全 面认识黄河水 - 能 - 粮 - 生态系统之间的协同和约束关系，提升问题同质化的能力，增强专业性和主 观能动性，进一步发展格局观和跨议题协调； ● 完善体制机制和管理制度： 抓紧开展顶层设计。要完善流域管理体系、跨区域管理协调机制、 河长制组织体系，加强流域内水生态环境保护修复的联合防治、联合执法，并加强黄河环境保护的统 一督察和监督执法机制； ● 提供经济 / 金融支持： 加强投资者与政府间的信息共享，撬动社会资本，探索如水基金、生态 补偿等创新项目筹资机制，大力发展绿色金融，为黄河流域 WEFE协同发展提供多层次多渠道的资 金支持，提高环保项目融资能力； ● 加强管理方法和工具应用： 建立健全黄河流域生态环境标准体系，实现生态环境监测网络全 覆盖，搭建黄河生态环境监测信息的统一集中展示、调度指挥与决策支持的平台，对数据进行综合分 析和深度挖掘与应用。 同时，在研究 WEFE 纽带关系、识别各系统政策目标之间的协同和权衡作用的基础上， 本报告提出了在黄河流域绿色低碳发展的目标下，优化纽带关系管理需要重点关注的地方： ● 协同水资源节约集约利用和污染防治，加快低碳转型。 通过“以水定产”和“水污染防治”，倒逼 能源系统向节水和清洁转型；推进循环经济和清洁生产，促进农业和工业园区资源的高效利用和低碳 转型的协同发展；抓紧开展水资源利用和水污染治理过程中的节能减排行动 ● 协同生态保护和修复，推进低碳转型和能源行业的高质量发展。 在生态系统保护和修复方面， 加强对生态安全、气候减缓和适应等多目标的协同。比如，提升尾矿的综合利用率以及推进废弃矿井 的生态修复；鼓励社会化市场化参与生态修复。同时，合理规划可再生能源的开发，有效发挥其与生 态保护和修复的协同作用； ● 通过黄河流域国土空间规划，加强水- 能 - 粮 - 生态纽带关系的统筹管理。 黄河流域国土空 间规划的重点在于统筹安排各类空间与产业，严格落实“三线一单”，加强生态环境保护和空间管制， 提升国土空间的利用效率，从而促进全流域实现高质量发展。因此，要注重黄河流域国土空间规划的 系统性、整体性、协同性、一致性，保证上下层规划的协调，加强各部门之间的衔接与地方规划方案的 落实。 02 03 1 WEFE纽带关系的 重要性 图1：2019 年全国分省二氧化碳排放总量及碳强度 （数据来源：中国碳核算数据库（CEADs）） 2019 年全国分省二氧化碳排放总量（Mt CO 2 ） 2019 年全国分省万元 GDP 二氧化碳排放（t/ 万元） 宁夏 内蒙 古 新疆 山西 河北 辽宁 黑龙 江 甘肃 青海 吉林 贵州 山东 广西 陕西 天津 安徽 江西 河南 海南 江苏 云南 湖南 河北 上海 四川 重庆 福建 浙江 广东 北京 2022 年 11月 20 日上午，联合国气候大会第二十七次缔约方会议（COP27）在埃及沙姆沙伊赫落幕。从上一届 《联合国气候变化框架公约》缔约方会议（COP26）到本次会议（COP27）之间的一年中，世界发生了巨大的变化—— 俄乌冲突导致通货膨胀急剧上升，能源、食品以及供应链安全成为政治议程中的头等大事。在这样的大背景下，“沙姆 沙伊赫实施计划”（Sharm el-Sheikh Implementation Plan）的决议在经过 40 个小时的“加时赛”后终于面世。此决 议的主要条款包括：设立专门的基金，主要帮助脆弱国家应对气候灾难的损失和损害；重申将全球变暖幅度控制在比 工业化前水平高1.5 摄氏度的目标，以及全球需要在 20 年内减少温室气体排放，到 2030 年排放减半等。“沙姆沙伊 赫实施计划”在序言中还强调：在实现可持续发展目标的大背景下，迫切需要以全面和协同的方式应对相互关联的气 候变化和生物多样性丧失的全球危机；承认气候变化的影响加剧了全球能源和粮食危机；认识到保护、养护和恢复水 系统和与水有关的生态系统，能在提供气候适应效益和共同效益方面起到关键作用。 在这次大会上，中国向《联合国气候变化框架公约》秘书处正式提交《中国落实国家自主贡献目标进展报告（ 2022）》，该报告反映了从 020 年提出新的国家自主贡献目标以来，中国落实国家自主贡献目标的进展，体现了中国 推动绿色低碳发展，并积极应对全球气候变化的决心和努力。 黄河流域作为中国重要的能源基地，推动其绿色低碳发展，对于中国碳达峰碳中和目标的达成是至关重要的，同 时也是黄河流域生态保护和高质量发展的重要内容。 黄河九省区 2019 年的二氧化碳排放总量占全国二氧化碳排放 总 量 的 3 4 . 6 % ，其 中 ，山 东 、内 蒙 古 、山 西 、河 南 都 是 二 氧 化 碳 排 放 大 省 ，宁 夏 、内 蒙 古 、山 西 、甘 肃 和 青 海 万 元 G D P 二 氧化碳排放量在全国名列前十，都是碳排放强度较高的地区。此外，黄河流域整体低碳发展水平不高，面临的绿色低 碳发展的压力较大。 04 05 在联合国粮农组织（FAO）的“水-能源- 粮食”的纽带关系框架下，联合国欧洲经济委 员会（UNECE）提出了“水- 能源 - 粮食- 生态系统”（WEFE）纽带关系的研究方法。纽带 关系研究是一种整合不同领域自然资源和多部门协同治理的方法，其中的研究对象之间 的联系紧密而不可分割，对某一个领域采取的政策措施往往会影响其他几个领域。WEFE 纽带关系的多目标协同治理有助于实现可持续发展目标，主要包括 SDG6（清洁饮水和卫 生设施）、SDG2（零饥饿）、SDG7（经济适用的清洁能源）和 SDG15（陆地生物）。由于其 协同多目标的特点，WEFE 纽带关系可以适用于流域治理。纽带关系可用于评估自然资源、 社会经济效益和潜在的协同作用，进一步指导决策的制定过程。在纽带关系的研究方法提 出后，WEFE 纽带关系作为流域治理和实施可持续发展目标的有效工具，被广泛应用在世 界各国。 黄河流域不仅是中国的“能源流域”，同时也是中国重要的粮食基地。一直以来，生态脆弱、水资源短缺、 水土流失严重和资源环境承载能力弱等问题严重制约了黄河流域的高质量发展。人口变化、经济增长、农 业发展、城镇化等社会经济活动推动着人类对水、能源、粮食的需求增长，然而流域不合理的资源利用方式 将进一步导致冲突，威胁着高质量发展目标的实现。黄河流域的资源禀赋和发展状况，决定了黄河流域是 水-能源- 粮食-生态系统纽带关系（Water-Energy-Food-Ecosystem Nexus，WEFE Nexus）矛盾突出 且集中的典型区域。推动纽带关系的协同管理，保障黄河流域水安全、能源安全、粮食安全、生态安全，不 仅对实施黄河流域的生态保护和高质量发展有重大战略意义，甚至对实现中国社会经济发展的远景目标 都具有重要作用和深远影响。 应对气候变化和推动绿色低碳发展，给黄河流域水-能源-粮食-生态系统纽带关系的管理带来了新 的契机和要求，而加强纽带关系的协同管理也能有效助力黄河流域绿色低碳转型。 一 方 面 ，在 气 候 变 化 的 影响下，黄河流域水安全、能源安全、粮食安全、和生态安全都将面临更多的危机。另一方面，传统化石能 源向可再生能源的转变过程，为减轻水资源的压力带来了机遇。而新能源发展的用地需求与农业用地的保 障、保护生态环境的协调发展，是新能源大规模发展需要解决的新课题。社会全面绿色转型过程中的技术 进步，可能带来新的资源利用方式，从而带来更高的资源利用效率。水资源开采利用、污水处理、粮食生产 和化肥生产过程的低碳化，将成为绿色低碳发展的重要组成部分。农田生态系统的碳汇和自然生态系统的 碳汇可以为黄河流域的碳减排提供巨大的潜力。水- 能源 - 粮食 - 生态系统纽带关系的协同管理，将有利 于构建更具韧性的水资源系统、能源体系、农业生产系统和自然生态系统，为黄河流域的长治久安和高质 量发展夯实基础。 2021年10月，《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》发布之后，国家和黄河流域各省已经 出台了一系列政策文件，为黄河流域的生态保护、协同推进流域治理、坚定走高质量发展之路提供了保 障。因此，黄河流域的协同治理需要各部门之间更高效的统筹协调和管理。本报告基于 WEFE 系统框 架（图 2），从协同治理的角度评估黄河流域水- 能 - 粮 - 生态各系统政策响应的一致性，并提供相应的 优化措施和工具帮助促进各利益相关方、各部门、各层级间的交流与协作，改善政策响应的一致性，充分 发挥政策间的协同效应，同时平衡各部门间的目标，为黄河流域的生态保护和高质量发展政策的制定和 实施提供参考建议。 图 2: 2035 美丽黄河项目概念框架 WEFE Nexus Water Energy Food Ecological 专 栏 06 07 黄河流域 WEFE 的 时空格局 2 黄河全长 5464km，流经九省区，流域面积 79.5 万平方公里，多位于干旱和半干旱区。2019 年，黄河流域水资源总量为 5142 亿立方米，占全国水资源总量的 17.7%，流域多年平均径流量为 534.8 亿立方米，人均水资源占有量仅为全国平均水平 的 1/4，人均用水量不足全国平均水平的 1/5，属于严重资源型缺水地区 2 。而且黄河流域的水资源开发利用率为 80%，远超 一般流域 40% 的生态警戒线 3 。同时，根据水利部黄河水利委员会记录，黄河流域内水资源地域分布不均，兰州以上流域面 积占流域总面积的29.6%，水资源总量占全流域的47.3%，而兰州至河口镇地区的流域面积占流域总面积的21.7%，水资源总 量仅占全流域的 5%。黄河流域年内降水的季节差异极大，主要集中在 6-10月份，全流域夏季降水量占年降水量的 55.6% 4 。 黄河流域的水资源仅占全国的 2%，却需要承纳全国 6% 的废污水和 7% 的化学需氧量的排放，导致部分干支流受到严 重的污染 5 。2020 年中国生态环境公报中显示，黄河流域总体水质良好，I-III 类水质断面占 84.7%，无劣五类水质，在全国 七大流域中次于长江、珠江流域，但优于松花江、淮河、辽河及海河流域。黄河支流水质比干流差，主要支流 I-III 类水质断 面占比为 80.1%，干流水质均在 II 类及以上。 黄河流域的水资源短缺形势严峻，再加上水资源利用方式的不合理，难以持续保障社会经济发展的用水需求，水资源 与社会生活、产业发展供需矛盾突出 6 ，水资源短缺的问题在社会长期发展中将演变为严重的水安全问题。为了解决黄淮 海流域缺水的问题，缓解过度利用地表水、大量超采地下水的现象，中国规划了南水北调工程，设计了三条调水线路，最终 调水规模为每年 448 亿立方米，总长度达 4350 公里，其中仅东线一期就从长江至东平湖段设立了13 个梯级泵站，总装 机容量为 36.62 万千瓦 7 。 图 3：黄河流域水资源开发利用率 图 5：2020 黄河流域九省份行业用水比例 （数据来源：2020 年各省水资源公报） 图 4：2020 年流域供水区分省取水量 单 位 ：（ 亿 m 3 ） 图 6：2020 年流域断面水质比例 （数据来源：2020 年各省水资源公报） 2.1 严重资源型缺水 08 09 图 7：黄河九省区 2019 年一次能源生产量和消费量占比 图10：黄河流域 6000 千瓦及以上电厂分布图 （ 图 来 源 ：中 国 发 展 门 户 网 ） 图 9：2019 年黄河九省区能源消费结构占比 2019年一次能源生产量占比 2019 年能源消费总量占比 图 8：2020 年黄河九省区单位 GDP 能耗 图 11：2020 年各地区水电发电量占比 （ 数 据 来 源 ：中 国 水 电 网 ） 2.2 重要的能源基地 黄河流域的能源资源丰富、种类齐全、储量大、开采条件优越，是中国重要的能源富集区，拥有多个能源生产基地，形成 了“上游水电、中游煤炭、下游石油”的格局，被称为“能源流域” 8 。根据国家统计局和各省市统计年鉴数据显示，2019 年黄河 九省一次能源生产总量达 25.7亿吨，一次能源消费总量达16.1亿吨，分别占全国的 64.63% 和 33.03%，其中煤炭生产量占 比达 80.54%，消费占比约为64.1%。从能源结构上来看，黄河流域对煤炭的依赖度高，它仍是黄河流域的主要能源供应来源 和消费产品。同时，黄河流域人均能源消费高于全国平水平，万元 GDP 能耗达 0.95，约为全国的两倍 9 。从 能 耗 上 来 看 ，低 质低效的问题在黄河流域十分突出。相对于全国 0.49 吨标准煤 / 万元的平均单位 GDP 能耗，除四川和河南以外，黄河流域 其他各省能耗明显过高，其中宁夏以 2.18 吨标准煤 / 万元成为黄河流域能耗最高省份。整体来看，这意味着黄河流域仍处 于高能源消耗且低经济回报的发展模式。 黄河流域因拥有丰富的风、光资源，发展风能、太阳能等可再生能源的潜力巨大。在风力发电方面，内蒙古西部是中国 9 个大型现代风电基地之一；在光伏发电方面，中国的 19 个光伏发电领跑基地，有一半以上位于或紧邻黄河流域。虽然风电、 光电装机呈分散式分布，装机总量不高，但其发展规模和速度在全国处于领先。2017年，流域内风电装机总量占全国风电的 比重的 20.1%，太阳能发电装机总量占全国的比重达 24.8% 10 。2020 年，流域九省风能发电量占全国的 44.87%，太阳能发电 量占全国的 47.76%。在水力发电方面，黄河上游水量丰富，地势陡峭险峻，形成了较大的落差，蕴藏着丰富的水能资源，上游 水电发量约占全流域的 93%。 黄河流域中上游的煤炭资源富集，不仅持续保障了国 家能源安全，还促进了产煤省区的区域社会经济发展。黄 河流域已探明煤产地 ( 或井田 )685 处，保有储量 4492 亿 吨，占全国煤炭储量 46.5%，有 12 个探明储量超过 100 亿 吨的大煤田，其中包含九个国家大型煤炭基地。在现有的煤 化工产业中，100% 的煤制油、85% 的煤制烯烃、50% 的甲 醇 制 烯 烃 项 目 ，均 位 于 黄 河 流 域 。除 了 中 上 游 开 发 利 用 煤 炭 资 源 外 ，黄 河 下 游 地 区 还 是 煤 炭 利 用 的 集 中 区 域 ，黄 河 流 域 九省每年共约 21亿吨的煤炭生产量中有近一半的煤炭和 部分煤炭电力还供给流域外的省份。黄河流域中下游的石 油和天然气资源丰富，在全国占有重要地位，“十三五”以来 累计探明储量达到 1.93 亿吨，原油产量占全国同期陆上的 五分之一。其中，中原油田东濮凹陷地处豫鲁两省，天然气 储量大，已累计探明天然气地质储量 1382 亿立方米。 黄河 流域 九省 全国 其他 省份 青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东 1.43 0.45 0.41 0.44 0.52 0.58 0.65 1.03 0.90 1.47 2.18 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 全国平均0.49 单位地区生产总值能源消耗（吨标准煤/万元） 10 11 2.3 中国重要的粮仓 黄河流域大部分地区光热资源充足，农业生产潜力大，九省区共有耕地面积为6.67亿亩，属于中国粮食生产的核心区， 也是实现粮食安全的重点区域 11 。黄河流域耕地面积约为 2.3 亿亩，汾渭平原、河套灌区和黄淮海平原是《国家主体功能区 规划》划定的全国重要粮食主产区，而且黄淮海平原是《全国农业可持续发展规划（2015—2030 年）》划定的优化发展区。 下游流域外引黄灌区的有效灌溉面积约为 3700万亩，主要分布在内蒙古、山西、河南、山东等粮食主产省份，但流域外引 黄用水加剧了流域水资源的分配矛盾。 图 12：黄河九省区 2020 年粮食产量占比 图 15：黄河九省区耕地资源分布图 图 13：黄河九省区 2020 年粮食播种面积 内蒙古 耕地 水田 旱地 山东 甘肃 四川 山西 陕西 宁夏 青海河南 黄河流域农业生产以小麦、玉米、棉花、油料、苹果为主，主要分布在平原和河谷盆地 12 。2020 年，九省区粮食产量占 全国的 35.63%。根据国家统计局 2021年的数据，四川、内蒙古、河南、山东为国家粮食主产省区，粮食产量为黄河九 区的 81.6%，占全国粮食总产量的 29.07%。下游的黄淮海平原是小麦和玉米的重要生产功能区、大豆的补充生产保护区， 同时汾河和渭河流域也是重要的玉米生产功能区 13 。 图 14：黄河九省区 2020 年农田灌溉水利系数 12 13 2.4 脆弱的多样生态系统 黄河流域不同地区的气候差异显著，中上游地区属于半干旱与干旱，下游地区为半湿润气候。同时，黄河流域的 土地资源相对丰富，生态系统类型广泛，包含森林、荒漠、湿地、农田等生态系统。此外，黄河流域地跨中国五大生态脆弱 区——青藏高原、黄土高原、北方农牧交错带、西北干旱荒漠区和西南喀斯特地区。目前，黄河九省区共有自然保护区 5525 万公顷，占九省国土总面积的 15.4%，其中近 93% 的自然保护区面积分布在上游，中游和下游仅各占 4% 和 3%。黄河九省 区共有国家级自然保护区152 个，有 98 个分布在上游地区。其中，青海省自然保护区面积最大，共计 2177 万公顷，占全省 国土面积的 30%，划定生态红线面积占全省的 40.7%。内蒙古自然保护区面积为 1295 万公顷，占全区面积的 11%，划定生 态红线面积占全区的 50.5%。从生态红线面积来看，上游五省共划定 1.15 亿公顷，约占五省国土面积的 40%。 黄河流域的生态系统存在极大的地域差异。首先，上中游地区的生态系统敏感脆弱，受地形、降水等自然因素和砍伐开 垦、过度放牧等人为干扰的影响，上游冰川、冻土及草原生态系统出现了严重的退化现象，导致其水源涵养功能下降，并且 由于农牧交错区的生态脆弱和土地退化，荒漠化、沙漠化等问题非常突出。其次，中上游地区水土流失严重，荒漠化扩张风 险依然较大 14 。而下游土壤的盐碱化严重，且受中上游地区水沙量减少的影响，下游黄河三角洲地区的生态系统发生严重 退化，河口湿地呈现萎缩态势、生物多样性降低，恢复难度极大。目前，黄河流域已建立水生生物和内陆湿地自然保护区 58 处，其中 18 处是国家级自然保护区，48 处是国家级水产种质资源保护区 10 。 图 17: 2019 年土地利用类型占比 图 16：黄河流域湖泊湿地空间分布图 园地 耕地 草地 林地 湿地 城镇村及工矿用地 交通运输用地 水域及水利设施用地 图 18：黄河流域土壤侵蚀空间分布图 黄河流域多样的生态系统支撑着大量生物的栖息生存，但由于生存环境的破坏和破碎化，黄河流域的生物多样 性也面临着威胁。《黄河流域国家级自然保护区管理评估研究报告》显示，黄河流域省区（不含四川）的 82 个国 家级自然保护区占评估区域国土面积的 3%，覆盖了全国陆地 26% 的国家重点保护野生动物物种、14% 的重点保护 植物物种，涵盖了区域 32% 的自然生态系统类型，以及青海湖、黄河三角洲等 6 处国际重要湿地。据不完全统计， 黄河流域在水生生物方面有鱼类 130 种、底栖动物 38 种（属）、水生植物 40 余种、浮游生物 333 种（属），流域 内分布有秦岭细鳞鲑、水獭、大鲵等国家重点保护野生动物（《重点流域水生生物多样性保护方案》）。根据 2016 年发布的《中国脊椎动物红色名录》中黄河流域 143 种鱼类中有 4 种极危物种、10 种濒危物种、10 种易危物种， 受威胁等级的物种占评估鱼类总数的 16.78%。 3% 26% 14% 32% 6 82 占评估区域国土面积 覆盖全国陆地国家重点 保护野生动物物种 覆盖全国陆地国家重 点保护植物物种 涵盖区域自然生态系 统类型 国际重要湿地 黄河流域省区（不含四川） 国家自然保护区 个 处 黄河流域的土地利用效率低，城市土地利用现状强度高。据统计，黄河流域单位GDP 建设用地大约为全国平均水平的 1.6 倍，受地形、水资源等限制，中上游多数可利用的土地无法承载规模性的开发建设活动，流域内城市的国土开发强度高， 尤其是下游地区的国土开发强度为全国平均水平的两倍多，部分地区已严重超过生态环境的承载能力 15 。研究表明，1980- 2015 年黄河流域的城乡居民点用地面积增加最为显著，35 年间增加了1.1万平方千米 16 ，这进一步加剧了用地紧张的态势。 1514 黄河流域的水- 能源 - 粮食 - 生态系统之间存在复杂的纽带关系，因此加强四个系统之间的协同治理，需要先厘清 和梳理这些具体的关系。图19列举了两两之间可能存在的相互关系。本章在深入分析黄河流域水- 能源 - 粮食- 生态系 统之间的纽带关系的基础上，进一步阐述了这些如何影响水安全、能源安全、粮食安全和生态安全的协同保障。 图19：黄河流域水- 能源 - 粮食- 生态系统的纽带关系 WEFE与安全保障 3 16 17 从WEFE 纽带关系的水系统图中可以看出（图 20），生态系统的状态影响着整个水文过程，而保障生用水是维持健 康 水 生 态 系 统 的 重 要 条 件 。在 开 采 、运 输 、利 用 和 处 理 水 资 源 等 过 程 中 都 需 要 消 耗 能 源 。反 之 ，能 源 的 生 产 和 消 费 也 需 要 消 耗水资源。此外，粮食的生产、加工和消费也对水资源有很大的需求。能源开采与利用、粮食生产与消费等过程都会产生废 水和污水，若处理不当，则会进入水系统和生态系统，参与系统循环，从而导致结构失调、功能紊乱等系统退化的问题。 依据 UNWater 水机制提出的水安全定义，水安全的关键要素包括四个部分： ①有足够符合水质要求的水，满足经济活动和发展的用水需求； ②饮用水得到保障，水污染得到控制； ③人类和自然依赖的淡水生态系统得到保护，可以为人类的福祉持续提供服务； ④人类抵御水旱灾害的能力得到提升 17 。 图 21显示了能源、粮食和生态三个系统对水系统的影响，以及它们和水安全的关系（水生态系统相关的第三个安全要 素归纳入生态安全），由此可以看出，纽带关系的有效管理是保障黄河流域水安全的重要支撑。 3.1 WEFE 与水安全 图 2 0 ：W E F E 纽 带 关 系 下 的 水 系 统 图 图 21：WEFE 纽带关系与水安全 18 19 WEFE 纽带关系中的生态系统和水资源为黄河流域的能源安全提供了必要的资源保障，同时也承纳了能源生产和消 费过程中产生的环境影响保障。粮食的生产和供应需要消费能源，而生物质能作为重要的可再生能源之一，有利于能源的 多样化发展，但是，生物质能产业的发展与保障粮食安全之间存在一定的矛盾（图 22） 自 20 世纪 70 年代“能源安全“这一概念 18 提出后，其内涵随着时间的变迁和发展得到不断的丰富和完善，从以供应和价格 为核心逐渐发展成多维度的安全内涵。各种区域的能源安全评价也采用了综合性和多维度的指标体系。世界能源理事会以能源 的三维指数（能源安全、能源公平和环境可持续性）来评估各国能源系统绩效 19 ；美国商会全球能源研究所提出的美国能源安全 风险指数，从地缘政治、经济性、可靠性和环境四个维度，综合考虑了9 大类 37个指标 20 。2030 可持续发展目标（SDGs）的目标 7“确保人人获得负担得起的、可靠的和可持续的现代能源”，提出了在能源供应、可再生能源占比和能效方面的三个具体目标： ● 7.1 到 2030 年，确保人人都能获得负担得起的、可靠的现代能源服务。 ●7.2 到 2030 年，大幅增加可再生能源在全球能源结构中的比例。 ●7.3 到 2030 年，全球能效改善率提高一倍。 2020 年 4月10 日，中国家能源局发布的《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》（以下简称《能源法》）首次提出将能 源安全纳入国家安全战略。作为中国重要的能源基地之一，黄河流域的能源发展对于保障中国能源安全有着举足轻重的作用。 图23解析了水系统、粮食系统和生态系统对能源系统的影响，以及它们与能源安全的关系。此处能源安全包含三部分重要含义： 3.2 WEFE 与能源安全 图 22：WEFE 纽带关系下的能源系统图 图 23：WEFE 纽带关系与能源安全 ①有足够的能源供应，保障社会发展需求；②可再生能源在流域能源结构中的比例大幅提高；③能源利用效率显著提升。 20 21 3.3 WEFE 与粮食安全 1996 年，FAO 将粮食安全定义为“所有人在任何时候都能在社会物质上和经济上获得足够、安全和富有营养的食物， 以满足其健康而积极生活的膳食需要”，具体包括了充足的粮食供应、获得粮食的机会、粮食的稳定性及利用。新时代的粮 食安全概念已经在传统的供给、需求、市场和储备等基础上，被赋予了新的内涵和目标。2030 可持续发展目标的第二个目 标是“消除饥饿，实现粮食安全，改善营养状况和促进可持续农业”，这个具体目标覆盖了粮食的供应充足、粮食的安全和营 养、农业生产力、平等和可持续的生产体系、基因多样性管理、国际合作和国际贸易、市场措施等多个方面。2020 年，经济 学人智库（EIU）发布的《2020 年全球粮食安全指数》从粮食负担能力、可获得性、品质与安全以及粮食自然资源 / 复原力 等四个维度对 113 个国家进行了粮食安全的评估。结合新时代粮食安全观的新内涵和新目标，崔明明等人从数量安全、质 量安全、生态环境安全、经济安全和资源安全这 5 个维度对中国粮食安全进行了评价。图 25 解析了能源系统、水系统和 生态系统对粮食系统的影响，以及这些关系与粮食安全（主要指保障高质量耕地和草地、建立高效率低污染的可持续农业 模 式 ）之 间 的 关 系 。 图 24：纽带关系下的粮食系统图及气候变化带来的影响 图 25：Nexus 纽带系统与粮食安全 黄河流域对于保障中国粮食安全具有举足轻重的作用。在纽带关系（图 24）中，粮食生产受到各方面资源的限制和影 响。生态系统为粮食生产提供必要的土地资源和水资源，而农牧业的发展会挤占态空间、加重水土流失、引发面源污染等 问题。种植业对于水资源的依赖度非常高，农业用水在黄河流域整体用水中占比高达 60% 以上，匮乏的水资源成为黄河 流域粮食生产的主要限制。此外，农牧业从生产、加工到消费的过程都会耗能，导致能源开采与消费间接影响到黄河流域的 生态环境。 22 23 3.4 WEFE 与生态安全 生态安全的内涵可分为狭义和广两方面：狭义上，指从生态系统自身安全出发，维持生物多样性和发挥生态系统功 能所需结构的整体性、综合性和健康程度 21 。根据生态系统的结构 - 过程 - 功能的相互作用原理 22 ，生态安全体现在结构 和功能两方面，包含了生态系统作为栖息地的保护、生物多样性保护以及重要生态系统功能保护。结构上主要关注保护地 体系的建立，涉及国家公园、自然保护区、自然公园，功能上侧重保护如水土保持、土壤发育和养分平衡的功能。广义上，生 态安全是在讨论生态系统对于人类是否安全，即生态系统的服务能否满足人类生存发展的需要从而提供人类在健康、经济 发展和社会安定方面的福祉 23 。此外，生态安全还应重点关注典型生态脆弱区和外来入侵物种的防治，尤其是荒漠地区。 联合国在可持续发展议程中，提出了到 2030 年荒漠化土地和山地生态系统的目标： ●15.3 到 2030 年，防治荒漠化，恢复退化的土地和土壤，包括受荒漠化、干旱和洪涝影响的土地，努力建立一个不再 出现土地退化的世界。 ●15.4 到 2030 年，保护山地生态系统，包括其生物多样性，以便加强山地生态系统的能力，使其能够带来对可持续发 展不可或缺的益处。 生态环境部关于《区域生态质量评价办法（试行）》中规定了区域生态质量评价的指标体系，包括生态格局、生态功 能、生物多样性和生态胁迫 4 个一级指标，下设 11 个二级指标、18 个三级指标 24 。耶鲁大学、哥伦比亚大学和世界经济论 坛联合发布的“环境绩效指数”，从环境健康和生态系统活力的 10 个类别中的 24 个绩效指标对国家和地区进行评估，其中 与生态安全相关的绩效指标包括保护区面积、物种保护、栖息地、森林面积减少、湿地面积减少、草地面积减少等。图 27 解 析了黄河流域纽带关系与生态安全（以自然保护地体系建立和系统功能保持两大因素为重点）之间的联系。 图 2 6 ：纽 带 关 系 下 的 生 态 系 统 图 图 27：Nexus 纽带关系与生态安全 水资源与生态系统联系密切，生态系统影响水文过程，还能提供水源涵养与生态系统、净化水质等服务功能，反之，水 资源为水域湿地生态系统包括湖泊、湿地、河流等供给生态用水。生态系统为能生产提供矿产资源、作物和土， 而传统化石能源如煤炭、原油的开采占用大面积土地，严重破坏生态环境，造成土壤退化、环境污染等问题。可再生能源对 生态也有一定的影响，水电开发会破坏河流生态系统的连通性。粮食生产对生态系统的影响在于生产过程中的灌溉，这会 提取大量水资源导致生态水文平衡的变化，化肥、农药的过量使用会造成面源污染，高强度农业生产会引起土地退化和 土壤侵蚀。 实际上，针对生态安全评价有不同的指标体系，在美丽中国建设的评估指标体系中，生态良好的目标选取了5个指标： 森林覆盖率、湿地保护率、水土保持率、自然保护地面积占陆域国土面积比例、重点生物物种种数保护率。 25 专 栏 黄河流域水-能源-粮食关联系统时空格局及耦合 协调研究 中国科学院地理科学与资源研究所基于气象观测、土地利用和统计年鉴等多源数据，阐明黄河流 域水- 能源 - 粮食关联系统的时空格局演化特征，基于压力 - 状态 - 响应和耦合协调度模型，从流域 和典型区域尺度，揭示水- 能源 - 粮食关联系统的安全度及耦合协调特征，主要结论如下： （1）基于压力 - 状态 - 响应（PSR）模型，构建水- 能源 - 粮食关联系统安全度评价指标体系，评 价黄河流域压力、状态和响应各子系统和综合系统的协同安全度。结果表明，2000-2019 年，子系统 协同安全度均呈上升趋势，压力子系统呈“南高北低”的空间格局，状态和响应子系统呈“东高西低”的 空间格局；水 - 能源 - 粮食关联系统综合协同安全度不断上升，整体呈现为下游 中游 下游，其中， 2000-2010 年为“南高北低”格局，2011-2019 年为“东高西低”格局。从分省情况来看，宁夏、内蒙古受 水资源制约，导致压力子系统协调安全度较低；甘肃、青海受粮食制约，状态子系统协同安全度较低；