在多情景土地利用变化下，体现水-能源-碳关系的时空不平等及其协同效应与权衡

《Environmental Impact Assessment Review》：Spatiotemporal inequality and synergies/trade-offs of embodied water–energy–carbon under multi-scenario land use changes

本研究构建“土地利用-嵌入式水-能-碳”分析框架，基于黄河流域多区域投入产出模型，量化评估不同土地利用类型的嵌入式资源流动与空间不平等性。通过耦合PLUS土地利用模拟与约束型MRIO模型，揭示未来情景下资源消费与经济影响关联机制，发现流域呈现净嵌入式水资源流入和能源碳净流出特征，农业用地资源分配不均最显著，并提出基于土地类型差异的资源优化配置策略。

　　

薛春婉|桂亮天|肖东燕|陈天宇|班青青|赵秋雅|夏青

中国南京河海大学商学院，211100

摘要

水-能源-碳（WEC）的耦合相互作用和跨区域流动已成为区域资源与经济系统协同发展的关键制约因素。然而，不同土地利用类型中WEC的差异性特征尚未得到充分理解。本文提出了一个综合的“土地利用-嵌入WEC”框架，包括对各种土地利用变化下WEC的定量评估、不平等性分析以及情景建模。以中国黄河流域（YRB）为案例研究，构建了一个多区域投入产出（MRIO）模型，以量化不同土地利用类型之间的WEC流动。通过基尼系数和区域环境指数（REI）来表征WEC分布的空间差异。进一步将斑块生成土地利用模拟（PLUS）模型与供应受限的MRIO模型相结合，模拟未来土地利用情景下WEC消费的变化及其经济影响。主要发现包括：（i）YRB表现出净水资源流入和净能源及碳排放流出，主要流向发达的沿海地区；（ii）工业用地的WEC基尼系数相对较高，而农业用地的WEC不平等性最为显著；（iii）自然发展（ND）情景下经济增长与资源消耗之间的协调性更强，工业用地变化是资源消耗的主要驱动因素。这些结果为流域层面的土地利用优化、资源利用和环境可持续性提供了宝贵的参考。

引言

水、能源和碳对经济社会发展至关重要，与可持续发展目标6、7和13直接相关（Tagomori等人，2024年）。随着气候变化加剧和城市化进程加快，这些要素之间的权衡与协同作用变得更加复杂（Duan和Chen，2016年），成为区域可持续发展的关键制约因素。例如，灌溉农业减少了生态基流并扰乱了流域水文（Liu等人，2024年）；对化石燃料的依赖增加了碳强度，阻碍了减排（Luo和Liang，2023年）；传统产业的转型往往受到跨部门协调不足的制约。在依赖资源的流域中，土地利用变化加上环境和资源压力，进一步加剧了多种资源因素之间的冲突（Meng等人，2025年）。黄河流域（YRB）对中国生态安全和能源供应至关重要，但它仅拥有2%的水资源，却支撑着全国13%的粮食生产和12%的人口以及17%的耕地（YRCC，2019年）。此外，该流域的煤炭产量占全国总量的三分之一，但其碳强度比全国平均水平高出18%——这体现了典型的“高负荷、低效率”资源代谢模式（Xia等人，2023年）。这导致了水资源短缺、能源系统锁定和生态系统服务能力下降的 triple 危机（Sun等人，2014年）。在这种背景下，传统的单一因素管理策略已显得不足。与广泛讨论的水-能源-食物（WEF）关联相比，后者主要关注粮食安全和资源可获取性（Herrera-Franco等人，2023年），水-能源-碳（WEC）关联更适合YRB的工业化和城市化背景，强调资源效率、减排以及可持续性转型中各关键要素之间的协同作用和权衡。因此，迫切需要建立一个综合的WEC调控框架，以促进多因素协调并指导资源优化配置。

近年来，人们对WEC之间复杂的协同作用和权衡给予了越来越多的关注，相关研究在空间尺度上也更加精细。在微观层面上，研究集中在特定设施或行业，如发电厂（Malik等人，2020年）、污水处理厂（Ni等人，2023年）、居住区（Chhipi-Shrestha等人，2017年）、农业（Jin等人，2024年）和工业（Karamouz等人，2023年）。这些研究通常关注单个系统内的直接用水、能源消耗和碳排放，往往忽略了跨行业的资源流动。相比之下，城市（Ding等人，2022年）和省级（Zhu等人，2024年）的宏观层面研究仍然有限，倾向于将各区域视为孤立系统，忽略了与外部区域的交流（Wang等人，2020年）。随着经济一体化和区域贸易的增加，最近的研究转向了足迹视角（Wu等人，2025a），强调WEC流动，即生产某种商品或服务所需的直接和间接水、能源和碳排放（Allan，2003年；Machado等人，2001年）。这些流动及其带来的附加值利益分配不均，对区域协调和可持续性构成了重大挑战（Zhu等人，2022年）。因此，全面理解WEC关联需要整合直接和嵌入流动，以揭示区域间的转移和空间不平等（Xie等人，2024年）。

作为社会经济活动的空间载体，土地利用不仅影响WEC元素的代谢路径（Hou等人，2025年），还通过重构资源分配模式深刻影响资源分配的空间不平等（Zhao等人，2018年）。近年来，人们对土地利用与WEC元素之间的关系给予了更多关注。尽管兴趣日益增加，但大多数现有研究仍集中在土地利用变化对个别资源的影响上，例如耕地扩张对水资源分配的制约作用（Yin等人，2023年），以及建设用地增长对能源消耗的促进作用（Chuai等人，2021年）。一些研究人员试图扩大研究范围。例如，Xie等人（2024年）研究了基于城市规模土地利用变化的城市化对WEC系统的级联影响。然而，关于不同土地利用类型下WEC特征的变化关注较少，留下了重要的研究空白。此外，区域贸易网络的复杂性增加加剧了资源生产与消费之间的空间不匹配，人口增长和供需不平衡加剧了土地资源负担（Guo等人，2020年）。研究表明，由嵌入贸易引起的土地资源转移约占中国总土地利用的40%（Chen和Han，2015年）。然而，土地利用变化对WEC流动及其相关空间不平等的跨区域影响仍大多未得到量化，亟需进一步研究。

已采用多种方法论框架来研究WEC关系，包括综合评估模型（IAMs）（Moreno等人，2023年）、生命周期分析（LCA）（Liao等人，2020年）、系统动态（SD）建模（Yu等人，2025年）、投入产出分析（Wang等人，2024c）和基于代理的建模（ABM）（Zhang等人，2022年）。IAMs通过整合气候、能源和经济模块有效分析全球或国家层面的资源协同作用（Zhao等人，2024c），但缺乏捕捉区域尺度WEC流动所需的空间和行业分辨率（Pauliuk等人，2017年）。LCA和SD模型关注过程层面的互动和动态反馈，但忽略了供应链联系和区域差异性（Xie等人，2024年），而ABM强调微观层面的行为而非系统范围内的流动。相比之下，基于消费平衡原则的自上而下核算框架——环境扩展的多区域投入产出（EEMRIO）方法（Wiedmann，2009年）可以有效捕捉经济系统各行业的资源依赖性（Wang等人，2023年）。尽管这种方法本质上是静态的，依赖于线性假设和行业聚合，并未考虑价格效应（Miller和Blair，2009年），但MRIO提供了直接和间接WEC转移的全面核算，为识别跨行业和跨省份的协同作用和权衡提供了坚实的基础（Fang和Chen，2018年）。

总之，尽管当前WEC研究取得了显著进展，但仍存在几个关键缺口。首先，许多研究集中在微观系统内的资源代谢上，或将城市和省份视为封闭系统，这限制了捕捉上下游WEC流动和空间联系的能力。其次，现有分析主要强调直接资源消耗，而忽略了由区域贸易驱动的嵌入资源转移及其在WEC代谢中的协同作用。更关键的是，现有研究往往关注个别土地利用类型与单一资源元素之间的关系，但缺乏对不同土地利用类型下WEC耦合机制的系统性识别和定量分析。此外，大多数现有研究依赖于历史WEC模式的回顾性分析，而对未来情景下资源协同作用的前瞻性评估仍然不足。探索不同发展路径下的未来WEC耦合动态对于优化资源配置和制定可持续发展策略至关重要。

为了解决这些研究缺口，本研究利用最新的公开可用MRIO数据（2017年）构建了一个EEMRIO模型，追踪了2007年至2017年WEC流动的时空演变。该模型详细映射了土地利用类别与经济部门之间的关系，以识别不同土地利用类型下的WEC代谢变化。通过基尼系数和区域环境指数（REI）量化了WEC分布的空间不平等。然后应用斑块生成土地利用模拟（PLUS）模型来模拟各种发展情景下的土地利用模式，并将其与供应受限的MRIO模型相结合，预测未来的WEC消费并评估相关经济影响。最后，分析提出了针对土地利用差异的优化资源配置策略，有助于实现流域层面的综合资源管理和迈向碳达峰及中和目标的进展。

研究框架

从概念上讲，水、能源和碳是紧密耦合的要素，形成了一个反馈循环：水资源的可用性制约能源生产，能源使用驱动碳排放，而碳排放又通过气候变化重塑水和能源的动态。这些相互依赖关系突显了WEC关联作为分析资源代谢的系统框架的重要性。土地利用变化通过重构资源供需的空间配置来调节这些关系，

黄河流域与外部区域之间的跨区域流动

图2显示了2017年WEC的流动模式。从2007年到2017年，YRB持续表现出净水资源流入，2017年达到80.1亿立方米。相比之下，能源和碳排放处于净流出状态，分别为92.10百万吨碳当量和529.05百万吨二氧化碳。

在农业用地中，2017年水资源净流出总量为450亿立方米。能源的净流入量从2007年的0.75百万吨碳当量转变为

所提出研究框架的创新性和适用性

本研究通过建立一个综合的“土地利用-嵌入WEC”分析框架，将土地利用动态与嵌入资源流动和不平等性评估联系起来，推进了现有的WEC研究。虽然之前的研究使用MRIO模型量化了WEC关联（Zhu等人，2024年；Wang等人，2020年），但大多数研究仅关注单一资源评估或忽略了空间异质性和跨区域转移。所提出的框架创新地将PLUS模型与

结论

本文建立了一个“土地利用-嵌入WEC”的综合研究框架，利用MRIO模型研究了YRB中WEC的时空动态。通过整合基尼系数和REI，评估了嵌入资源的空间不平等和附加值。此外，通过将供应受限的MRIO模型与PLUS模型相结合，本研究系统地探讨了未来土地利用变化如何影响WEC消费

资助

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42371312）的支持，研究了变化环境下黄河流域物理-虚拟水的二维循环机制和多级空间流动模式优化。

利益冲突声明

本手稿尚未在其他地方部分或全部发表，也未被其他期刊考虑。我们已阅读并理解了您期刊的政策，认为本手稿和研究均不违反任何规定。不存在需要声明的利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42371312）的支持。