水-能源-粮食-生态纽带关系研究的发展动态及展望

Research progress and prospects of water-energy-food-ecology nexus relationship

摘要

目的 系统梳理水-能源-粮食-生态纽带关系（WEFEN）研究的发展动态，提出其未来研究的侧重点与展望，为生态系统可持续发展提供科学参考。 方法 基于广泛的文献调研与CiteSpace工具，在厘定纽带关系、水-能源-粮食纽带关系及其概念的基础上，系统梳理国内外研究进展，包括发文趋势、国家合作、热点主题与研究前沿，并从量化评估、模拟优化、关联分析与综合评估4类方法总结WEFEN模型研究，进一步从协同、安全、风险与优化4个视角归纳研究重点。 结果 ①近20 a来WEFEN领域发文量迅速增长，国际合作网络日益紧密，反映出该议题已发展为全球可持续性科学的研究热点。 ②当前WEFEN模型方法虽渐趋多元，却普遍缺乏对社会经济驱动与自然过程的有机整合，尤其在制度、行为等软系统维度表征不足。 ③从协同、安全、风险与优化4大视角来看，研究多侧重单一目标而生态要素常被简化处理，社会机制与目标冲突的解析仍较薄弱。 ④当前研究在不同区域的WEFEN耦合特征与风险差异显著。 结论 未来应重点关注复合极端气候事件对WEFEN稳定性的冲击机制，地球关键带WEFEN的动态耦合与权衡关系，以及地貌类型驱动的区域定制化特异性模型开发，以提升WEFEN系统协同治理能力与应用前景。

Abstract

Objective The research progress of the water-energy-food-ecosystem nexus （WEFEN） relationship was systematically reviewed in order to identify the key priorities and prospects for future research， and to provide a scientific reference for the sustainable development of ecosystems. Methods Based on an extensive literature review and the CiteSpace tool， domestic and international research progress is systematically reviewed after the concepts of the nexus relationships， water-energy-food nexus， and WEFEN are classified， including publication trends， national cooperation， research hotspots， and frontiers. WEFEN modeling studies are summarized from four methodological categories， including quantitative assessment， simulation optimization， correlation analysis， and comprehensive evaluation. Additionally， key research priorities are classified from four perspectives： synergy， security， risk and optimization. Results ① Over the past two decades， the number of publications in the WEFEN field has increased rapidly， and the international cooperation networks have become increasingly close， indicating that this topic has developed into a focal point in global sustainability science. ② Although WEFEN modeling approaches have become increasingly diversified， the organic integration of socioeconomic drivers and natural processes is generally insufficient， particularly in the representation of soft-system dimensions such as institutional and behavioral factors. ③ From the four key perspectives of synergy， security， risk， and optimization， research mainly focuses on single objectives， ecological elements are often simplified， and the analysis of social mechanisms and goal conflicts remains insufficient. ④ Significant regional differences are observed in the coupling characteristics and risks of WEFEN systems. Conclusion Future research should focus on the impact mechanisms of compound extreme climate events on WEFEN stability， the dynamic coupling and trade-off relationships within the earth’s critical zone WEFEN， and the development of regionally customized， specific models driven by geomorphological types， so as to enhance the synergistic governance capabilities and application prospects of the WEFEN systems.

Graphical abstract

关键词

水-能源-粮食-生态 / 纽带关系 / 发展动态 / 社会机制

Key words

water-energy-food-ecology / nexus relationship / research progress / social mechanism

文献参数： 刘雯， 傅维婷， 唐志雄， 等.水-能源-粮食-生态纽带关系研究的发展动态及展望［J］.水土保持通报，2026，46（3）：460-472. Citation:Liu Wen， Fu Weiting， Tang Zhixiong， et al. Research progress and prospects of water-energy-food-ecology nexus relationship ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2026，46（3）：460-472.

水、能源、粮食和生态是人类可持续发展的4大基石，其复杂的纽带关系日益关键。全球发展压力下，水资源短缺，能源过度消耗，粮食生产不稳定及生态系统退化等问题相互交织，严重威胁人类生存发展的基础。2023年，中国国家领导人在重点生态工程建设座谈会上强调要坚持系统观念，扎实推进山水林田湖草沙一体化保护和系统治理^［1］。因此，深入探究水-能源-粮食-生态纽带（water-energy-food-ecology nexus， WEFEN）关系的发展动态与趋势，已成为全球各界关注的焦点议题。传统的线性管理模式往往将水资源、能源、粮食和生态视为相互独立的领域，然而现实中，这4大子系统通过物质循环、能量流动和信息传递等复杂过程相互影响，形成了动态且非线性的网络^［2］。因此，要摒弃单一视角，采用系统性、综合性的框架，深入剖析WEFEN的本质与演变规律。目前，“水-能源-粮食”纽带研究是3大子系统可持续发展研究的主要范式^［3-5］，而生态在该研究框架中主要被视为受3大系统影响的被动承载对象^［6］，这种外部变量的形式不能充分将生态系统的阈值效应^［7-8］和非线性反馈^［9］纳入分析。WEFEN框架通过内生化生态要素来重构可持续发展系统的拓扑结构，可构建更完备的人类生存支持系统分析范式^［10］。因此，研究WEFEN有利于弥补WEFN框架的关键系统边界缺陷，促进人类对生存支持系统的认知从资源消耗中心向人地耦合系统进行转型。基于此，本研究聚焦WEFEN来系统梳理其发展动态，首先界定核心概念，运用CiteSpace进行文献计量方法分析国内外研究进展，接着从模型方法以及协同、安全、风险及优化等多维视角总结当前研究进展，进而提出未来WEFEN研究的侧重点与展望，以期为今后可持续发展研究提供科学参考。

1 概念溯源：从二元关联到复合系统

1.1 纽带关系

“纽带关系”（nexus relationship）相关概念在资源与环境领域中兴起于20世纪80年代。1983年，由联合国大学发起的“能源-粮食纽带关系计划”首次提出纽带关系的概念，认为纽带关系是不同子系统之间的相互关联性^［11］。2013年，联合国亚太经社会发布的《亚太地区水-粮食-能源纽带关系报告》中提出纽带关系在时空上联系紧密，且气候变化等外部因素会对纽带关系产生影响^［12］。2014年，联合国粮农组织在从粮食安全视角出发对纽带关系予以阐释，并从保障粮食安全和推动农业可持续发展的角度剖析了如何运用纽带关系方法开展决策^［13］。本文界定的“纽带关系”是指在多资源系统交互中，通过物质循环、能量流动及政策干预构建的非线性动态网络。其区别于简单“关联”之处在于强调系统整体性与双向反馈，表现为要素流动构成的动态嵌套结构，单点变化触发链式响应，以及管理兼具资源竞争与协同的双重特性。

1.2 水-能源-粮食纽带关系

WEFN早期研究主要集中在水-能源、能源-粮食、水-粮食等两两子系统之间的关联分析上。2006年，印度Hyderabad举行的专题研究会上提出了对WEFN的初步认识^［14］。2011年，德国波恩会议首次系统性地总结了水、能源与粮食3者之间相互依存、紧密交织的作用关系，并将其概括为一种全新的纽带关系——水-能源-粮食纽带关系^［15］，由此开启了WEFN的研究热潮^［16-18］。综上所述，本文界定的WEFN是指由水资源、能源和粮食3个子系统组成，通过水资源用于能源开采与粮食灌溉、能源驱动水利设施与农业机械、粮食生产消耗水与能源等多重反馈机制相互作用，旨在实现资源高效利用、保障系统安全韧性的复合依存体系。

1.3 水-能源-粮食-生态纽带关系

WEFN框架着重探讨水、能源和粮食3者间的相互作用及其协同与权衡关系。然而，未能全面涵盖区域自然资源要素与社会经济发展间错综复杂的内在联系，存在一定局限性。随着WEFN的深入发展，科学家逐渐将“生态”加入WEFN研究中，提出“水-能源-粮食-生态”纽带（water-energy-food-ecology nexus， WEFEN）关系^［19-21］。WEFEN聚焦于生态系统所发挥的关键支撑与调节功能^［22］，对“生态”的定义呈现多元维度。在自然环境范畴，WEFEN是景观异质性、生物多样性和生态循环共同形成的网络基础^［23］；从生态系统角度，WEFEN是由生物、非生物及其相互作用组成，能提供一系列生态系统服务的可再生的自然资本^［24］；基于生态系统服务视角，WEFEN界定关键在于“自然组分-生态过程-生态功能-生态服务-获得利益”之间关系的阐释^［25］。综合研究进展，本文将WEFEN的复合系统界定为由水资源、能源、粮食及生态4大子系统构成的复杂动态体系（图1）。该体系通过多维交互机制实现要素联动：水资源是生态过程的介质和能源与粮食生产的关键投入，能源开发影响水生态质量与粮食安全，粮食种植模式改变能源消耗结构并重塑生态格局，生态系统则通过物质循环与反馈调节机制优化资源配置。此定义强调系统要素耦合、功能协同及可持续目标，为资源利用及系统演化提供理论支撑。

2 研究进展：多维视角下的发展动态

2.1 基于文献计量的研究脉络与热点演进

本文采用CiteSpace软件对国内外WEFEN进行图谱可视化分析。文献样本取自CNKI中国知网和Web of Science数据库，以水（water）、能源（energy）、粮食（food）和生态（ecology）为主题进行高级检索，检索时间范围设定为1977—2024年得到文献样本共1 113篇（中文文献为178篇；英文文献为935篇），并进一步从发文量、国家合作情况、研究热点、研究前沿与发展趋势4个方面对WEFEN研究进展进行阐述。

2.1.1 发文量

1977—2024年WEFEN领域的发文数量稳步增加（图2），且可划分为3个阶段。第1阶段（1977—1990年）为研究初始阶段，发文数量相对较低，主要发文国家为美国和加拿大，该阶段侧重研究单资源要素及双要素之间的关联关系。第2阶段（1990—2015年）为研究快速发展阶段，发文数量快速增长，中国、英国、西班牙和澳大利亚的发文数量显著增加。该时期全球对水、能源和粮食的协同发展等问题的关注度提高，研究重点逐步转向WEF三要素之间的耦合关系。第3阶段（2016—2024）为研究稳定发展阶段，发文量在2022年左右达到高峰，表明国际政府对该领域的重视程度进一步提高，美国、中国和澳大利亚等国对该领域的研究投入和产出得到稳定增长。该时期相关研究开始将生态要素耦合进WEFN进行整体研究。

2.1.2 国家合作情况

基于WEFEN领域相关文献绘制了国际合作弦图及其地理分布图，进一步对国家合作情况进行分析（图3）。由图3可知，该领域已形成以美国为核心的欧美传统合作圈与以中国为枢纽的亚洲新兴合作网络并存的格局。受地缘政治、文化同源性以及长期学术交流传统等因素的综合影响，美国与英国、德国等众多欧美国家合作紧密相连。而中国的中心地位源于其独特的双轨并行战略，在区域内，凭借地理邻近性与共存的资源环境挑战，主导构建了解决亚洲特异性问题的合作核心；在全球层面，则以其丰富的治理实践、持续的研究投入以及作为复杂系统研究典型范本的体量，主动对接并融入全球知识体系。这一结构深刻揭示WEFEN研究的未来发展已不能仅依赖于传统的科研互补，而必须转向基于共同挑战，由核心国家驱动的“协同攻关”新范式，以应对日益复杂的系统性风险。

2.1.3 研究热点

基于网络分析图谱方法对WEFEN研究领域进行热点分析（图4）。研究发现，国际研究长期聚焦生态、食物网与气候变化（图4a），呈现出从微观物质循环到宏观系统模拟的多尺度整合特征，这一格局根植于其长期形成的以生态系统为研究对象、注重自然过程机理的学术传统，并深受如IPCC评估报告和生物多样性公约等全球性环境议程的推动。相较之下，国内研究则显著聚焦于区域研究、耦合协调及水资源等议题（图4b），这一取向深刻反映了中国以问题为导向的科研范式——研究议程紧密契合国家战略需求。如流域综合治理、粮食安全战略与生态文明建设等政策框架下的具体资源管理挑战。从演进路径来看，国际研究自1990年代起逐步从生态学描述转向模型驱动的机制解析，并在2005年后出现“系统”这一核心热点，标志着其研究范式实现了从二元关系向系统集成的理论跃升。这一转变与系统论、复杂性科学在环境研究中的深入应用密不可分。而国内研究的演进则更具政策响应性。2013年后“可持续性”成为热点，与国家生态文明建设战略的推进高度同步；2020年以来“耦合协调”研究的兴起，则直接呼应了国家在高质量发展阶段对多系统协同治理、特别是空间均衡与资源协调的迫切政策需求。未来研究需在吸收国际系统思维精华的同时，进一步立足本土复杂情境，构建兼具理论洞察力与政策适应性的WEFEN整合分析框架。

2.1.4 研究前沿与发展趋势

采用突现词来呈现WEFEN相关文献的最新演变动态（图5）。国际研究中“气候变化”的高强度突现（强度9.68）不仅体现其作为关键胁迫因子的共识，更标志着研究范式从要素解析向系统耦合的深化。通过“关联”构建多要素相互作用的理论框架，并借助“模型”实现复杂系统行为的模拟与预测，反映了应对全球性挑战的方法论自觉。反观国内研究，演进路径呈现出鲜明的政策响应特征。早期对系统“不确定性”的关注，源于国家生态安全与风险管控的战略需求。而近期“优化模型”的突现，则体现了在高质量发展目标驱动下，研究重心从机理解析向多目标协同调控的实践转向。这一对比不仅揭示了全球WEFEN研究理论驱动与问题牵引的双重演进逻辑，更彰显了学术前沿与国家战略需求的深度互构，预示着该领域正迈向机理探索与治理实践深度融合的新阶段。

此外，本文基于期刊双图叠加图谱来分析WEFEN领域的前沿发展，其可展示宏观结构上知识前沿与知识基础之间的引用关系。由图6可以看出，就该领域而言，Z值为8.53，被引频率为23 640的主要引用路径为集中型单线条，表示WEFEN领域期刊的研究主要集中在“生态学、地球、海洋（ecology， earth， marine）”这一核心期刊类群，而“植物、生态学、动物学（plant， ecology， zoology）”是其主要的来源期刊类群。这一高度集中的知识结构揭示了该领域当前仍处于生态学主导的学科范式阶段，即以生态过程和自然系统为核心视角来理解纽带关系，尚未实现与社会科学、工程科学及管理学的深度融合。这种知识结构的单一性在赋予研究坚实自然科学基础的同时，也可能限制了应对复杂人地系统挑战所需的跨学科整合能力，预示着未来WEFEN研究亟需打破学科壁垒，构建更加多元、均衡的知识基础，以推动从生态解析到系统治理的范式跃升。

总体而言，当前WEFEN研究呈现出显著的自然要素解析强而社会系统整合弱的局限性。这种学科壁垒导致研究成果难以转化为有效的治理实践，特别是在制度设计、行为机制和技术赋能的交叉领域表现出明显不足。未来的突破亟需构建一个融合自然核算、社会经济驱动与政策设计的整合框架，通过跨学科知识体系的再造，推动该领域从分散的机理认知向系统的综合治理范式跃迁。

2.2 模型方法的研究进展评述

本研究结合国内外大量文献，对WEFEN系统不同模型方法和案例进行了总结。由表1可知，WEFEN借助多种模型方法来进行耦合协同评估，主要可分为量化评估、模拟优化、关联分析和综合评估4种应用类别。量化评估类侧重于数据驱动的指标构建、概率分析、协调度计算等，旨在揭示系统状态、关系与问题。模拟优化类侧重于动态建模与策略优化，通过耦合模型、算法或情景模拟，解决资源分配、冲突权衡等问题。关联分析类侧重于解析要素间的交互作用与依赖关系，通过挖掘变量关联、识别影响路径，揭示WEFEN系统的内在耦合机制。综合评估类侧重于整合多维度信息与方法，通过构建综合框架或集成模型，实现对系统整体状态、风险韧性及可持续性的全面评判。

总体来看，当前WEFEN模型方法虽呈现多元化发展，却在系统整合上存在局限。各类模型多聚焦特定要素的量化评估或局部优化，缺乏对社会经济驱动与自然过程的有机耦合，尤其在制度安排、行为决策等软系统维度表征不足。未来突破亟需深化多学科方法的实质性融合，通过增强模型对复杂人文因素的解析能力，构建能够同时处理自然约束与社会选择的集成评估框架，以推动研究从技术优化向系统治理的范式转型。

2.3 多维视角下的研究议题聚焦

2.3.1 协同视角

基于协同视角，WEFEN领域研究逐步走向多元化、区域化。从多元化的角度，WEFEN领域研究更为注重跨系统与跨学科协同。学者们从探究WEFEN系统下水-能源^［26］、水-粮食^［27］、粮食-生态等^［28］两两之间的协同，到水-能源-粮食、水-粮食-生态等3者之间的协同，再逐步转换为探究WEFE4要素的协同发展，更全面揭示子系统间相互作用机制。且在分析方法上多采用GIS^［29］、经济学^［30］、数学等多领域学科交叉方法进行WEFEN协同研究。从区域化的角度，WEFEN领域研究从行政尺度^［31］转移到地理尺度^［32］，利于更精准地识别跨部门资源流动与生态关联，提升系统协同管理的科学性。然而，现有研究缺乏对WEFEN协同关系随时间动态演化的长期追踪和机制解析，且“生态”的角色常被简化或工具化，作为WEFEN韧性核心基础的生态系统服务缺乏深入整合。

2.3.2 安全视角

基于安全视角，WEFEN领域研究侧重于安全理论与韧性研究。安全理论的WEFEN研究涉及资源供需平衡以及灾害风险防控，旨在构建稳健的资源保障体系。同时，韧性研究强调系统应对如极端气候等突发扰动的适应与恢复能力，通过优化资源管理策略，增强跨部门协同和提升技术创新来降低系统脆弱性。该视角下的WEFEN研究在关注短期风险缓解更致力于构建长期可持续的韧性框架。然而，现有研究重资源供给，轻系统韧性，对生物多样性、生态连通性等深层韧性要素的关注度不足。

2.3.3 风险视角

基于风险视角，WEFEN领域研究侧重于污染物、要素间风险与环境脆弱性问题。工业化和城市化的快速发展使得重金属等污染物通过水循环、能源生产和食物链在WEFEN系统中不断迁移和累积^［33］，形成跨介质、跨部门的复合型环境风险。这些风险在气候变化和人类活动的双重压力下被进一步放大，导致生态系统服务功能退化，加剧区域环境脆弱性^［34］。该视角下WEFEN研究致力于构建多要素耦合的风险评估模型，以降低系统性环境风险和增强生态系统的可持续韧性。然而，现有研究聚焦单一风险类型而忽视多风险因子的协同放大效应，偏重自然驱动风险而弱化社会制度的作用。

2.3.4 优化视角

基于优化视角，WEFEN领域研究侧重于多要素协同优化及技术集成优化（表1）。当前研究聚焦于开发多要素耦合优化模型，通过量化水、能源、食物和生态系统之间的复杂互馈关系，构建跨部门协同决策框架^［35］。而在技术集成层面，研究聚焦CBFP， DEA， PPM等多技术的集成应用，其为多要素系统的动态模拟与协同调控提供了强有力的工具支撑。该视角下的WEFEN研究着力开发多要素协同的优化决策模型，以实现跨部门协同管理和优化系统运行效能。然而，现有研究普遍追求技术效率最大化或经济效益最优而忽视多元目标的本质冲突，动态适应性优化的方法不足，且技术集成优化注重技术叠加而非系统重构。总体而言，当前WEFEN研究在4大视角下均面临深层整合不足的局限。各视角虽有所侧重，却普遍存在生态要素被工具化处理、社会制度维度弱化、多元目标冲突回避等共性问题，暴露出当前研究在解析“自然-社会”复杂互馈机制上的系统性缺失。未来突破亟需构建跨视角的整合分析框架，在方法上融合多维度要素的动态模拟与适应性优化，推动研究从各自为政的分散探索转向能够协调多元目标、平衡短期效益与长期韧性的系统治理范式。

3 结论与展望：迈向系统治理的范式转变

本研究系统梳理了水-能源-粮食-生态纽带关系（WEFEN）研究的知识结构、模型方法与多维视角下议题聚焦的动态进展。综上所述，WEFEN领域已呈现出从理论构建向机理深化与协同调控纵深发展的脉络。然而，面对全球气候变化加剧与区域人地系统差异化发展的双重挑战，现有研究在应对复合性扰动、解析特殊地貌区耦合机制、以及提升模型区域适配性等方面仍存在一定局限（图7）。为推动研究进一步从机制解析迈向系统治理，面向未来，WEFEN领域亟需推动以下3大范式转变。

3.1 复合极端气候事件对纽带关系稳定性的冲击机制

近年来复合极端事件频发，1961—2020年中国95%的观测站点发生过高温—暴雨复合事件^［70］。其对水、能源、粮食、生态均产生影响，如中国鄱阳湖盆地复合时空极端降水事件对当地农业生产和生态系统构成重大威胁^［71］，长江中下游平原的高温干旱复合型极端事件对当地居民生活用水、能源开发使用带来严重危害^［72］。目前，探究复合极端气候事件对单一的或者两两要素之间的研究较多，但是对整个WEFEN系统的研究仍有空缺，因此，亟需探究从单要素影响分析转向复合扰动系统的响应研究，重点解析复合极端气候事件对WEFEN系统稳定性的多维冲击机制与韧性构建路径。

3.2 地球关键带WEFEN的动态耦合与权衡关系

地球关键带是地球表层系统研究的实体操作框架^［73］，是人类赖以生存和环境可持续发展的核心地带。作为连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的连续体域，地球关键带从地下水底部或土壤-岩石交界面向上延伸至植被冠层顶部^［74］。就国内关键带特点而言，黄土关键带的形成是亚洲季风-干旱环境系统长期演变的结果，其以深厚疏松的黄土层为特征，具有显著的垂向渗透性和水土流失敏感性，水-土-气-生相互作用强烈^［75］。滨海湿地关键带是陆地-海洋-大气相互作用的区域，其是受潮汐和淡水输入双重调控的、具有高生产力的盐沼生态系统，在容纳沉积物、储水消洪等方面有重要生态作用^［76］。喀斯特关键带以可溶性基岩为主导，发育地下溶蚀网络，生态系统脆弱但生物多样性独特^［77］，但由于其地表-地下二元水文结构突出，土壤薄且分布不均，对水资源变化响应敏感，加之方法论限制，目前相关研究仍处于初步探索阶段，系统性成果较为有限。总之，地球关键带其独特的物质迁移与能量转化过程深刻影响着WEFEN系统的稳定性与可持续性。因此，亟需深入探究由单圈层分析转向地球关键带研究，尤其是喀斯特关键带的WEFEN的动态耦合与多尺度权衡关系。

3.3 区域特异性模型开发

不同区域的地理特征存在显著差异，而当前多数WEFEN研究依赖于普适性框架模型^［78］，其局限性在于过度依赖均质化假设，未能充分捕捉特定区域的独特属性。以黄土高原为例，该地貌土壤层深厚，沟壑地貌发育，水土流失严重，传统的统计模型与物理机制模型难以高精度地模拟黄土高原重力侵蚀过程。喀斯特地区则因岩溶孔隙-裂隙双重渗流系统、地表-地下水文过程耦合等复杂特性，常规水文模型难以刻画其快速径流响应与非饱和带动态储水过程。这种区域适配性缺失导致模型难以精准解析复合极端事件下特定区域如黄土、喀斯特等典型关键带的级联失效路径，亟需从普适性模型转向地理情境化模型，开发地貌类型驱动的区域定制化特异模型。

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基金资助

国家自然科学基金项目“喀斯特关键带浅层地下水循环及其生态调蓄与开发利用研究”(U24A20574)

国家重点研发计划项目“极端环境条件高速公路网生态保护与修复技术研究及示范”(2024YFF1307700)

湖南创新型省份建设专项(2024JJ3028)

湖南省科技创新计划项目(2024RC1068)