南科大环境学院史海匀团队在粮食—能源—水纽带关系领域取得重要进展

近期，南方科技大学环境科学与工程学院史海匀研究员团队在粮食-能源-水纽带关系领域取得重要进展。团队构建了一个具有跨区域普适性的国家尺度的粮食-能源-水纽带关系模型，并基于该模型揭示了一带一路国家粮食—能源—水纽带关系系统特征与风险规律，为该区域资源综合治理与可持续发展提供科学参考，相关研究论文相继发表于The Innovation Geoscience、Communications Sustainability等高水平期刊。

工作一  国家尺度粮食—能源—水纽带关系模型构建与验证

粮食、能源与水是支撑经济社会可持续发展的基础性资源。面对气候变化与社会经济发展带来的压力，分部门管理模式难以应对资源系统间的复杂关联。在此背景下，粮食—能源—水纽带关系（Food-Energy-Water nexus, FEW）概念被提出，以推动跨部门综合管理。然而，现有FEW模型多依赖特定区域构建，对数据要求较高，制约了其推广与跨区域比较。

为解决这一难题，团队基于贝叶斯网络方法，构建了一个国家尺度的FEW模型，通过提升模型泛化能力，支持其在不同发展水平国家的推广应用，为大尺度综合治理提供支撑（图1）。该研究构建的模型具有以下突出优势：基于系统共性特征构建，弱化区域特异性，突破地理局限；指标均选自联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）、世界银行、国际能源署（International Energy Agency，IEA）等国际公开数据库，可保障数据可获取性；引入期望最大化算法（Expectation-Maximization，EM）处理数据缺失问题，在数据缺失率达10%时仍保持90%的预测准确率；将资源安全评价指标嵌入模型，实现系统分析与安全评估一体化；提出贝叶斯网络参数优化方法，根据变量分布特征动态调整离散区间，提升了模拟精度。相关成果以“资源战略解码：不同发展阶段下的粮食 — 能源 — 水纽带关系（Decoding resources strategies: Food-energy-water nexus across varied development stages）”为题发表在The Innovation Geoscience期刊上。

图1 基于贝叶斯网络的FEW模型构建及其优化验证过程

团队选取希腊、中国、塔吉克斯坦三个不同发展水平国家，对模型进行优化验证，证明了模型在不同发展水平国家的适用性（图2）。该研究构建的国家尺度模型具备良好的跨区域适应性与多场景分析能力，为资源系统评估、风险识别与情景预测提供了有效工具。未来，团队将继续推动模型在更多国家的应用，为全球可持续发展提供科学支撑。

图2 FEW子系统间的联系机制和系统安全影响因素

在构建出通用化国家尺度 FEW 模型的基础上，团队进一步将该方法应用于 “一带一路”沿线国家资源安全与可持续性研究。

工作二  “一带一路”国家粮食—能源—水纽带关系特征及可持续性策略

团队基于前期构建的国家尺度FEW贝叶斯网络泛化模型，系统分析了“一带一路”沿线39个不同地理、气候与发展水平国家FEW系统的内在机制、影响因素与资源风险，为其可持续发展提供政策建议。

研究团队首先分析了区域内各国粮食生产（FPT）、粮食消费（FC）、能源生产（EPT）、能源消费（EC）和总用水量（WUT）等关键变量的作用关系强度。结果显示，与FC相关的作用关系（如EC→FC、FC→WUT）在多数国家占据主导地位，69%的国家中FC是整体作用关系最强的变量，反映了FC在FEW系统中的关键作用（图3）。

在此基础上，团队通过互信息指标（MI）量化了不同因素对系统安全指标的影响强度（图4）。综合风险指数（CRI）的计算结果显示，资源子系统因素（能源进口、粮食进口、总用水量等）对其影响最大。外部影响因素中，社会经济因素（如GDP增长率（GDPGR）、人口增长率（PGR））的影响显著高于自然因素（降水（CP）、气温（CT））。此外，团队分析了各国的FEW系统安全状态，明确了不同国家综合风险指数（CRI）的取值不确定性（图5）。结果显示，欧洲高社会经济发展水平国家的资源风险整体较低且不确定性较小。相关成果以“欧亚大陆粮食、能源与水安全的可持续三部曲（Sustainable trio for food, energy, and water security in Eurasia.）”为题发表在Communications Sustainability期刊上。

该研究揭示了“一带一路”国家粮食子系统的高敏感性、社会经济的高影响作用以及国际贸易带来的资源补偿与风险。

图3 欧亚大陆国家粮食、能源和水资源子系统间的作用关系

图4 不同国家FEW综合风险指数（CRI）的影响因素

图5 CRI在不同国家的取值不确定性

研究团队建议，通过优化种植结构、加强能源基建、统筹社会经济与资源管理，依托“一带一路”平台推动跨境合作，促进该区域FEW系统可持续发展。

团队博士后石亚欣为两篇论文的第一作者，史海匀为两篇论文的共同通讯作者，南方科技大学为论文第一单位与通讯单位。相关成果得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目、高水平专项资金等资助，同时依托土壤污染防治与安全国家重点实验室、生态环境部流域地表水—地下水污染综合防治重点实验室、粤港土壤与地下水污染防控及修复联合实验室、深圳市城市环境健康风险精准测量与预警技术重点实验室等研究平台完成。

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论文一

https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2025.100172

论文二

https://doi.org/10.1038/s44458-025-00030-6