基于虛擬水的廣西農業產業結構優化

張 杰，鄧曉軍,2，鄒婷婷，翟祿新,2

(1.廣西師范大學環境與資源學院，廣西 桂林 541004；2.巖溶生態與環境變化研究廣西高校重點實驗室，廣西 桂林 541004)

水資源是人類生產與生活不可或缺的寶貴資源，是經濟發展不可缺少的物質基礎，也是生態環境維持正常狀態的基礎條件[1]。作為農業生產的基本供給要素，水資源不僅與農業的發展息息相關，還對農業經濟發展具有不可替代的作用[2]。從區域農業產業結構來看，水資源的稟賦程度往往誘導生產者按照成本最小的經濟理性原則來組合各種生產要素，以實現利潤最大化目標[3]。因此，根據水資源稟賦、比較優勢和市場需求來優化農業產業結構以實現經濟效益最大化并兼顧生態效益，已成為區域農業產業結構優化的共同目標。

近幾十年來，國內外對農業產業結構的優化與調整進行了大量的研究。在國外，以印度和以色列等為代表的缺水發展中國家更為注重農業發展與環境保護、資源優化配置統籌協調，并大力發展灌溉、節水和污水處理技術。而以德國和美國等為代表的發達國家更加注重農業產品結構的合理化。國內的相關研究始于20世紀80年代，關于農業產業結構優化與調整主要有傳統與現代技術相結合、保持農產品結構的持續性、以市場為導向的調整以及種植結構的優化等做法[4]。盡管如此，很少有研究從水資源的稟賦條件出發，結合農產品的生態和經濟效益進行農業產業結構調整。同時，從區域的角度來看，國內學者對發達地區的研究較多、而對經濟落后的地區研究甚少，多集中于干旱少雨的西北地區、而對于水資源分配不均和利用困難的巖溶地區研究較少。此外，隨著近年來虛擬水相關研究的興起[5]，也有部分國內外學者通過計算各種農產品的虛擬水，對農作物的水資源利用效率和種植業的結構進行了初步分析[6]，并認為虛擬水戰略是解決農業水資源短缺和產業結構優化的有效途徑之一[7,8]。

為此，本研究把水資源作為限制條件、構建農業產業結構多目標優化模型，并以廣西為例，通過測算主要農作物的虛擬水含量，對不同農作物生產情景方案的生態經濟效益進行比較分析，最終提出產業結構優化調控對策，以期為該地區的農業產業結構調整和水資源合理配置提供科學依據與決策參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本研究所需水資源數據和農業基礎數據來源于《2000-2014年廣西水資源公報》和《廣西統計年鑒2001-2015》；研究區的氣象數據來自聯合國糧農組織(FAO)的氣象數據庫，并參考了部分國內外虛擬水含量相關研究的成果。

1.2 研究方法

1.2.1 農作物虛擬水含量測算

虛擬水是指生產產品的全過程中所消耗的水資源量，其形式并非真正意義上的實體水，而是以虛擬的形式包含在產品中的那部分水資源量[9]。例如，生產1 kg玉米大約需要消耗1 m3水資源，即其虛擬水含量約為1 kg/m3。農作物初級產品虛擬水含量的計算步驟如下[10]：

首先，基于聯合國糧農組織(FAO)的氣象數據庫，采用推薦的標準彭曼公式計算參考作物蒸發量ET0。

其次，用作物系數Kc對ET0進行調整，獲得具體農作物生長需水ETc：

ETc=KcET0

(1)

根據作物全育期生長天數研究地區該農作物的單位面積需水量CWR。

CWR=10 ∑ni=1ETc=10Kc∑ni=1ET0

(2)

最后，通過單位面積作物虛擬水含量除以單位面積農作物產量得該種農作物單位質量虛擬水含量SWDi。

SWDi=CWRi/CYi

(3)

式中：SWDi為作物i單位質量的虛擬水含量，m3/kg；CWRi為作物i的生長需水量，m3/hm2；CYi為單位面積作物i的產量，kg/hm2。

1.2.2 主要農作物多目標規劃[11]

(1)確定決策變量。根據廣西主要農作物生產現狀和發展的可能前景，本研究以廣西主要農作物的種植面積(hm2)作為決策變量，主要決策變量包括：糧食作物類(稻谷、小麥、玉米、豆類和薯類)，經濟作物類(油菜籽、花生、甘蔗、木薯和烤煙)，蔬果類(蔬菜和水果)。

(2)構建多目標體系。

①經濟目標：以農作物產值為目標函數。由經濟效益最大化的原則確定模型，目標是使農作物的產值達到最大。目標函數如下：

F農=∑ni=1aixi

(4)

式中：ai為農作物i的單位面積收益，萬元/hm2；xi為農作物i的種植規模，hm2；F農為各種農作物目標總產值，萬元。

②生態目標：遵循自然規律，協調人與自然的關系，只有將生態環境建設放在優先位置，才能保證廣西農業的可持續發展。

ω農=∑ni=1bixi

(5)

式中：ω農為各種農作物的目標虛擬水總量，m3；bi為農作物i的單位面積虛擬水含量，m3/hm2。

(3)約束條件。

①經濟條件約束：農作物的生產必須以追求經濟效益最佳為目標。因此，其規劃目標的經濟收益應不小于當年的產值。

F農≥F農0

(6)

式中：F農0為當年各種農作物的總產值，萬元。

②土地面積約束：農作物的可持續發展不能以犧牲生態用地而擴展耕地面積為代價，即不能在現有面積基礎上增加種植面積，所以農作物耕地面積是其約束條件之一。

∑ni=1xi≤U0

(7)

式中：U0為區域主要農作物現有的種植面積，hm2。

③農作物安全約束：糧食和油料作物必須滿足當地的消費需求；在保證居民溫飽的同時，還應滿足居民對蔬菜水果的需求；甘蔗和木薯是當地的主要產業原料，故必須提供充足的原料，滿足其產業運行。因此，農作物安全約束條件如下。

xi≥xi0

(8)

式中：xi0為作物i的安全種植面積，hm2。

④水資源約束：萬物生長離不開水，農業生產同樣如此。因此，農業的發展必須受到水資源的約束。

W農≤W農0

(9)

式中：W農0為區域當前農業用水總量，m3。

⑤各變量非負約束：由于所設變量為農作物種植面積，不存在種植面積為負數的情況，所以還需約束條件。

xi≥0

(10)

2 結果與討論

2.1 廣西主要農作物虛擬水含量計算分析

根據《廣西統計年鑒2001-2015》資料獲得歷年各類農作物種植面積和產量，基于FAO推薦的CROPWAT軟件，對廣西12種主要農作物虛擬水進行計算，并由初級產品最終產品率將不同作物初級產品換算成最終產品[11-13]，計算其單位質量最終產品虛擬水含量，結果如表1所示。

表1 2000-2014年廣西主要農作物虛擬水含量 m3/kg

根據表1的計算結果可進行廣西主要農作物虛擬水含量的對比。以2014年為例，制作各農作物的虛擬水含量比較圖(見圖1)。可以看出，廣西主要農作物的虛擬水含量差異性較大。其中，油菜籽的虛擬水含量最高(8.733 m3/kg)，是虛擬水含量最小的蔬菜的54倍。同時，盡管甘蔗的生長需水量是所有農作物中最高的(1 173.88 m3/hm2)，但其單位面積產量遠遠高于其他農作物(7.353 3 萬kg/hm2)，故其虛擬水含量僅為0.228 m3/kg。由于不同農作物對水資源的需求具有差異性，故在可利用水資源有限的情況下，應根據各地氣候條件和水資源的狀況，合理調整區域農產品生產結構，使農作物布局更加優化，進一步達到節約農業水資源的目的。

為了更直觀地顯示廣西主要農作物虛擬水含量的變化趨勢，可分別繪制出2000-2014年糧食作物、經濟作物和蔬果類作物的虛擬水含量變化趨勢圖，具體如圖2所示。

圖1 2014年廣西主要農作物虛擬水含量對比

可以看出，稻谷、甘蔗、木薯和蔬菜等主要糧食作物、經濟作物和蔬果類農作物的虛擬水含量變化較為平穩。小麥的虛擬水含量變動于4～5 m3/kg之間，油菜籽在8～10 m3/kg之間波動，烤煙波動于4.5～5.3 m3/kg。主要是這三類農作物的單位面積產量均處于全國較低值，在廣西適宜種植的地區不多，其種植面積變動較大，導致其虛擬水含量長期處于波動狀態。豆類、薯類和玉米的虛擬水含量雖有微弱波動，但總體呈下降趨勢。玉米的虛擬水含量大體上由1.650 m3/kg降至1.091 m3/kg，薯類大致由2.610 m3/kg降為1.909 m3/kg。水果的虛擬水含量下降幅度最為明顯，由2000年的1.008 m3/kg降至2014年的0.323 m3/kg，主要原因是其種植面積逐年增加的同時產量也日益提高。具體而言，廣西的水果種植面積從2000年78.50 萬hm2增長為2014年的108.85 萬hm2，增幅為38.9%；但其產量由36.01 億kg增長為156.06 億kg，增幅達到了333.4%。

2.2 廣西主要農作物多目標優化結果分析

基于線性規劃Lindo軟件，利用上述線性規劃的模型[公式(4)～(10)]針對兩個目標函數分別進行求解，得到結果如表2所示。

由表2結果計算廣西主要農作物規劃前后的農作物產值和單位虛擬水產值，具體如表3所示。

圖2 2000-2014年廣西糧食農作物、經濟農作物和蔬果類虛擬水含量變化趨勢圖

類別現有種植模式經濟效益模式生態效益模式稻谷2026.202122.391045.33小麥1.4000玉米584.00922.66301.26豆類162.8001698.45薯類273.8021.6221.62油菜籽24.2000花生204.30200.00200.00甘蔗1081.501066.671066.67木薯224.10200.00200.00煙葉21.006.116.11蔬菜1162.501477.981424.37水果1088.50839.16839.16

表3 各類種植模式的效益對比

在經濟效益模式中，各主要農作物的種植面積都有了不同程度的調整。其中，稻谷、玉米和蔬菜在現有種植面積的基礎上分別增加了9.619、33.866和31.548 萬hm2。蔬菜的單位面積產量2.245 2 萬kg/hm2，僅次于甘蔗，從產量來說是比較理想的農作物。同時，蔬菜的單位面積產值9.834 萬元/hm2，是這些主要作物中的最大值，對產值貢獻最大。因此，從經濟方面考慮，加大對蔬菜種植是合理的。此外，其余農作物種植面積均在現有種植面積的基礎上減少了。其中，小麥、豆類和油菜籽經規劃后其種植面積減為0。由于小麥和油菜籽在廣西種植面積較少，故取消種植該類作物其種植面積變化不大。豆類的單位面積產量是除小麥和油菜籽之后最小的，僅為1 511 kg/hm2，其單位面積產值也較小，其經濟效益較低，因而對經濟的貢獻較小。變動幅度較大的有水果、薯類和豆類，分別減少了24.934、25.216和16.28 萬hm2。雖然水果的單位面積產量為1.433 7 萬kg/hm2，僅次于甘蔗和蔬菜，但由于其單位面積產值與薯類一樣均較低，對經濟的貢獻較小，所以從經濟效益來看，應選擇種植對經濟貢獻較大的農作物。農作物的種植結構經優化后，經濟效益有明顯增加，農作物產值從3 217.94 億元增加到3 392.94 億元，增幅達5.43%，而用水量在現有的基礎上減少了5.4 億m3。可以看出，相對于現有種植模式，經濟效益模式中農業產業結構已經有所優化，但水資源總體消耗量依舊很大。

在生態效益模型中，種植面積增加的僅有豆類和蔬菜，分別增加了153.565和26.187 萬hm2。原因是這兩類作物的虛擬水含量均較小，僅高于木薯。從生態方面考慮，增加該類作物可有效減少農業水資源的利用量。與經濟效益模式一樣，小麥和油菜籽經規劃后種植面積減為0，原因是除單位面積產值較低外，其虛擬水含量也比較高。與經濟模式相反，糧食作物中稻谷的種植面積減少了98.087 萬hm2，而豆類的虛擬水含量最小，在滿足糧食安全的前提下考慮生態效益，豆類是最合適的選擇。薯類、花生、甘蔗、木薯、煙草和水果的種植面積變化幅度與經濟效益模式一樣，在保證本地區基本需求外，對經濟和生態的貢獻均較小。從優化結果可以看出，生態效益模型與現有種植模式相比較，其農業產值基本持平，但其虛擬水總量卻減少了24.46 億m3，降幅達5.47%，實現了在維持經濟效益的同時，降低了用水量。在保證農民糧食需求的狀況下，降低了糧食種植面積，增加經濟作物的面積，提高了農民的收入。

在現有種植模式中，其單位虛擬水的產值為7.19 元/m3。為了增加經濟效益，規劃經濟效益模式，調整農作物種植結構后，其單位虛擬水的產值提高為7.67 元/m3。以減少虛擬水總量，節約生態用水為目標，規劃生態效益模式，調整后的農作物種植結構其單位虛擬水的產值提高為7.61元/m3。由此可以看出，廣西現有的種植模式還存在著不合理，沒有實現經濟效益和生態效益綜合目標的最大化。

3 結 論

對廣西主要農作物虛擬水含量的測算結果表明，不同農作物的虛擬水含量差別較大。從時間變化來看，稻谷、甘蔗、木薯和蔬菜的虛擬水含量較為平穩，小麥、油菜籽和煙草這三類農作物的虛擬水含量長期處于波動狀態，豆類、薯類和玉米的虛擬水含量總體呈下降趨勢，而水果的虛擬水含量下降幅度最為明顯。同時，2000-2014年廣西主要農作物的虛擬水總量大體呈上升趨勢。利用多目標規劃方法對現有種植模式進行優化，結果表明：在經濟效益模式中，農作物產值從3 217.94 億元增加到3 392.94 億元，增幅達5.43%，且其用水量在現有的基礎上減少了5.4 億m3。相對于現有種植模式，經濟效益模式中的農業產業結構已經有所優化，但水資源總體消耗量依舊很大。在生態效益模式中，其農業產值與現有種植模式基本持平，但其虛擬水總量卻減少了24.46 億m3，降幅達5.47%，實現了在維持經濟效益的同時，降低了用水量。

廣西目前的農業產業結構依舊是以糧食產業為主，但糧食作物的用水量相對較高且經濟效益一般。因此，在滿足糧食需求的情況下，應適當減少糧食作物的種植面積，特別是小麥和玉米的種植面積，并適當增加經濟作物的種植面積。同時，應發揮廣西農產品的比較優勢，特別是低耗水農作物的種植優勢，加強與其他省區間的虛擬水貿易，逐步應用虛擬水戰略緩解廣西水資源時空不均的不足。此外，還應遵循市場經濟規律開發利用水資源，建立科學合理的農業用水價格制度，創新區域水資源管理體制，減少虛擬水含量較高的農作物種植，抑制農業水資源的開發速度和規模。最后，應提倡多種飲食選擇模式，通過多種途徑加強宣傳綠色產品消費，增加居民的消費結構多樣性。在此基礎上，倡導健康節水消費模式發展、形成全民參與珍惜和保護水資源的良好社會氛圍，并嚴格實行水資源管理制度、提高水資源利用效率，構建節水型社會。

[1] 左其亭, 陳 曦. 面向可持續發展的水資源規劃與管理[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2003.

[2] 李素娟. 虛擬水與山東省農業產業結構優化[D]. 山東泰安：山東農業大學, 2007.

[3] 葉 慧, 李海鵬, 王雅鵬. 區域水資源稟賦差異與農村產業結構調整[J]. 中國農村經濟, 2004,(6):33-39.

[4] 金 蓮, 王永平, 劉希磊. 國內外關于現代農業的研究進展[J]. 世界農業, 2012,(7):22-26.

[5] 徐中民, 龍愛華, 張志強. 虛擬水的理論方法及在甘肅省的應用[J]. 地理學報, 2003,58(6):861-869.

[6] 楊志峰, 支 援, 尹心安. 虛擬水研究進展[J]. 水利水電科技進展, 2015,35(5):181-190.

[7] 程國棟. 虛擬水——中國水資源安全戰略的新思路[J]. 中國科學院院刊, 2003,18(4):260-265.

[8] 柯 兵, 柳文華, 段光明,等. 虛擬水在解決農業生產和糧食安全問題中的作用研究[J]. 環境科學, 2004,25(2):32-36.

[9] Allan J A. Virtual water: a strategic resource global solutions to regional deficits[J]. Groundwater, 1998,36(4):545-546.

[10] 王建云. 山西省農產品虛擬水含量計算與分析[J]. 海河水利, 2015,(1):37-40.

[11] 王鐘書. 農產品虛擬水及云南種植業結構優化[D]. 昆明：云南大學, 2010.

[12] 羅貞禮, 龍愛華, 黃 璜. 紅三角區域農產品虛擬水的比較研究[J]. 中國農學通報, 2005,21(6):352-354.

[13] 鄭厚貴, 關意昭, 張耀華,等. 不同灌水量對木薯需水量及產量的影響研究[J]. 廣東農業科學, 2011,38(1):1-3.