灌溉虛擬水流動特征及其對氣候變化的響應

嚴 冬，桂東偉，薛 杰，孫懷衛，廖衛紅

(1.華中科技大學水電與數字化工程學院，武漢 430074；2.中國科學院新疆生態與地理研究所 新疆策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，烏魯木齊 830011；3.中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京 100038)

由于水資源稟賦以及水資源利用效率不同，國家或地區間生產相同產品的水資源成本具有較大差異。中國水資源分布和社會需求間存在巨大的矛盾，通過地區間虛擬水交易，利用各類商品貿易中蘊含的虛擬水量，可在一定程度上緩解這一矛盾。但由于自然水資源分布和社會生產耗水狀況之間的格局正在被氣候變化所改變，虛擬水流動這樣一種自然水資源間接配置方式所發揮的作用也在發生變化。評價這種變化，將有助于更全面地了解未來可能出現的水資源供需狀況。因此，針對我國的地區間虛擬水流動特征進行分析，并對氣候變化情景下虛擬水流動的響應進行評價，具有十分重要的理論與現實意義。

當前，已有眾多關于虛擬水含量[1-4]、虛擬水流動[5-9]、氣候變化對用水[10-13]及水資源影響[14-17]的研究，它們為計算虛擬水流向、流量、評估氣候變化下水資源供需狀況提供了堅實的理論和方法。但尚未見到分析氣候變化條件下虛擬水流動響應特征的研究。為此，本文以中國地區間農業灌溉虛擬水流量計算為基礎，運用虛擬水流動強度、輸入份額和不均衡程度等指標來評價虛擬水流動狀況，并通過分析各地區水資源和農業灌溉凈需水量在氣候變化情景下的波動，來評價虛擬水流動的響應特征。

1 評價方法

1.1 地區間虛擬水流動

結合可獲取的資料，定義和計算地區間虛擬水流動特征。地區間投入產出表給出了不同地區、不同部門(如農業、工業、建筑業等)間商品的流動情況，結合各商品的虛擬水含量，可計算各地區間的虛擬水流動量。區域間投入產出平衡關系可表示為：

(1)

以該式為基礎，計算各部門地區間虛擬水流量之和為：

(2)

(3)

(4)

1.2 虛擬水流動評價指標

為合理評估虛擬水流動特征，提出采用虛擬水流動強度、輸入份額和不均衡程度等3個評價指標對其進行評價，定義如下。

(5)

(3) 虛擬水流動不均衡程度。借鑒基尼系數的概念和計算公式[18]，整體評價地區間虛擬水流動格局相對水資源和經濟總量分布的不均衡程度。首先，分別計算各地區水資源量占全國水資源總量比例、各地區國內生產總值占全國國內生產總值比例、各地區虛擬水輸出量占全國虛擬水輸出總量比例以及各地區虛擬水輸入量占全國虛擬水輸入總量比例。然后，分別按各地區水資源量和國內生產總值的大小，從低到高對各地區進行排序。根據排序結果，從水資源數量最低地區開始，依次計算各地區水資源量和虛擬水輸出量的累積比例；從國內生產總值最低地區開始，依次計算各地區國內生產總值和虛擬水輸入量的累積比例。據此，虛擬水輸出格局相對水資源分布、虛擬水輸入相對經濟總量分布的不均衡程度GE、GF分別為：

(6)

(7)

式中：ELk、FLk分別為k地區的虛擬水輸出、輸入量；RLk、GLk分別為k地區水資源量和國內生產總值的累積比例。

與基尼系數一樣，不均衡程度也是一個介于0和1之間的小數。

1.3 氣候變化的影響

虛擬水流量和評價指標與地區耗水和水資源相關，而這兩者與氣候變化聯系緊密。因缺乏工業、建筑業、第三產業等部門耗水受氣候變化影響的資料，本文僅針對氣候變化通過農業耗水變化而對地區間虛擬水流動量及相關評價指標產生的影響。需要指出的是，氣候變化除了影響農產品耗水之外，還會影響農產品產量[19,20]和需求[21]，改變農產品供需格局，進而影響農產品流通狀況。因此，氣候變化對虛擬水流動的影響包括了農產品耗水和流通兩方面。由于農產品流通受到農產品價格、運輸費用、糧食購銷政策等多方面因素的影響，其變動機制十分復雜，因此本文僅從農產品耗水方面來進行分析。

本文中農業部門年耗水量僅指各類作物年灌溉需水量之和(相應的，后文中的虛擬水及相關計算結果都是關于農業灌溉虛擬水的)。對某一類作物，其年灌溉需水量是作物面積和單位面積年灌溉需水量的乘積，而單位面積年灌溉需水量是各月單位面積需水量的和。對某一個月，其單位面積灌溉需水量C按下式近似估算：

C=ET-P

(8)

ET=kET0

(9)

式中：ET為該月作物騰蒸發量；E為該月有效降水；k為作物系數[22]；ET0為月參考作物騰發量。

本文采用彭曼公式的替代公式[23]計算求得ET0，采用USDA-SCS方法來計算求得P。年徑流深R計算公式[24]為：

R=Pyexp(-Ey/Py)

(10)

式中：Py為年降水量；Ey為當年各月潛在蒸發量的和。

(11)

(12)

2 數 據

采用了中國科學院地理科學與資源研究所區域可持續發展分析與模擬重點實驗室編制的中國2007年30省(區、市)(除了西藏、香港、澳門和臺灣)區域間6部門(農林牧漁業、工業、建筑業、交通運輸及倉儲業、批發零售業、其他服務業)投入產出表[25]。該表單列了各地區對進口品和出口品的使用情況，其中間投入反映了國內生產商品在各地區各部門的使用情況。各省份水資源量和工農業耗水數據來自2007年中國水資源公報；國內生產總值、農作物類型和相應種植面積數據來自2008年中國統計年鑒。

溫室氣體排放情景，是對未來氣候變化預估的基礎。最新的情景設計中，采用了“典型濃度目標”(Representative Concentration Pathways, RCPs)，其中：RCP8.5情景為最高的溫室氣體排放情景，主要指輻射強迫上升至8.5 W/m2；RCP4.5情景是2100年輻射強迫穩定在4.5 W/m2，考慮了與全球經濟框架相適應的、長期存在的全球溫室氣體和生存期短的物質排放；RCP2.6是把全球平均溫度上升限制在2 ℃之內的情景。采用北京氣候中心氣候系統模式(BCC-CSM1.1)[26]在CIMIP5試驗情景RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5[27]下模擬的2006-2099年降水量和氣溫數據；基準期設為2006-2010年，并假設基準期各省份水資源量和農業單位產值耗水量等于2007年數值。

3 結果分析

3.1 農業萬元產值耗水量

農業萬元產值耗水量基準期數值、非基準期相對基準期的變幅見表1。可見，各省市農業萬元產值耗水量彼此差異巨大，在氣候變化條件下的波動也很大，變幅最大值與最小值的差值，最大達225%(四川)，最小為28%(內蒙古)，平均為72%。此外，變幅最大值都大于最小值絕對值，并且僅有兩個省市(吉林、山東)的變幅中位數小于零，這表明在未來多數時期農業灌溉耗水量將增加，這一結果也與兩省都為農業大省的現狀比較相符。

表1 農業萬元產值灌溉耗水量Tab.1 Agricultural water consumption of ten thousand yuan output value

3.2 農業灌溉虛擬水流動量

如圖1所示，基準期虛擬水輸出量最大的10個省市(自治區)由高到低依次是新疆、黑龍江、河北、內蒙古、安徽、廣西、湖南、江蘇、江西和吉林，占全部省市虛擬水輸出總量的75.3%；基準期虛擬水輸入量最大的10個省市(由高到低)是山東、上海、廣東、江蘇、河北、天津、河南、浙江、北京和吉林，占全部省市虛擬水輸入總量的71.6%。這歸因于兩方面因素。一是這10個省市多為發達地區，對外省市產品需求量大；二是外省市生產耗水量大，產品虛擬水含量高。

圖1 基準期各省市虛擬水輸入、輸出量Fig.1 Virtual water imports and exports of all provinces in base period

3.3 農業灌溉虛擬水流動強度

匯總RCP26、RCP45和RCP85情景下未來各時期計算成果，統計得到各省份虛擬水流動強度的最大值、中位數、最小值和基準值，見圖2和圖3。虛擬水輸出強度較高的省市是天津、河北、寧夏和新疆，其數值遠遠高于其他省份，組成了虛擬水輸出第一梯隊；虛擬水凈輸入強度較高的省市是天津、北京和上海。其中，天津的虛擬水輸出和輸入強度都是全國最大，但因為虛擬水輸入強度太高，以致虛擬水凈輸入強度的各個統計值遠高于其他省市。

在虛擬水凈輸入強度為負值的省份中，河北、寧夏和新疆由于虛擬水輸出強度大，其凈輸出強度顯著大于其他省市。結果表明，擁有高虛擬水流動強度的省市具有更大的變幅，同時，高強度省份存在明顯差異，表明這些省份的虛擬水輸出強度在未來多數時期內存在明顯的增加或下降等變化。這些情況說明，高虛擬水流動強度省市受氣候變化影響的程度更大。

圖2 虛擬水輸出強度Fig.2. The intensity of virtual water export

圖3 虛擬水凈輸入強度Fig.3 The intensity of virtual water net import

圖4 虛擬水輸入份額Fig.4. The scale of virtual water import

3.4 農業灌溉虛擬水輸入份額

各省市虛擬水輸入份額統計值見圖4。由圖4可見，具有極高輸入份額的北京、天津和上海這3個直轄市組成了第一梯隊，河北、吉林和山東組成了第二梯隊，浙江、廣東、河南、重慶和陜西則組成了第三梯隊；這些梯隊輸入份額都在40%以上。第一梯隊的中位數都高于基準值，說明未來大部分時期虛擬水輸入對這些地區的重要性還將進一步增加。同時，高虛擬水輸入強度屬于經濟發達、人均水資源量較少的地區，高虛擬水輸出強度省市多屬于經濟中等發達地區，輸入份額較大的省市多屬于經濟發達或中等發達地區。在氣候變化條件下這些省市受到的影響比其他地區要大得多。

3.5 農業灌溉虛擬水流動不均衡程度

綜合各個情景下的計算結果，在基準期年和氣候變化條件下，虛擬水流動不均衡程度見表2。可見，虛擬水輸出格局相對水資源分布的不均衡程度數值較高，但虛擬水輸入格局相對經濟總量分布的不均衡程度數值較低。

表2還列出了在基準期年和氣候變化條件下水資源分布相對經濟總量分布的不均衡程度。對比數值，發現農業灌溉虛擬水輸出格局不均衡程度(基準值為0.511)高于水資源分布(基準值為0.402)，表明農業灌溉虛擬水輸出加強了水資源分布的不均衡性。但虛擬水輸入格局不均衡程度(基準值為0.142)低于水資源分布，說明農業灌溉虛擬水輸入緩解了水資源分布不均的影響。以上虛擬水流動對水資源分布均衡性產生的正面和負面影響，說明我國經濟總量占全國比例較高的地區輸入的虛擬水量多來自水資源量占全國比例較低的地區；比較氣候變化條件下不均衡程度的變化，氣候變化對該情勢沒有顯著影響。

表2 虛擬水流動不均衡程度Tab.2 The extent of virtual water inflow

4 結 語

本文建立了農業灌溉虛擬水流動強度、輸入份額和不均衡程度等評價指標，基于中國地區間投入產出表給出的省市間貿易關系，結合氣候模式輸出結果計算得到的水資源量和農業單位產值耗水量變化情況，分析了中國30個省市間農業灌溉虛擬水的流動特征及其對氣候變化的響應。結果發現：

(1)農業灌溉虛擬水流動強度、輸入份額和不均衡程度等評價指標較好評價了我國地區間農業灌溉虛擬水流動特征及其對氣候變化的影響。本文所建立的假設及研究方法，能夠結合資料的可獲取性，所獲得的結果與實際情況相符。

(2)從農業灌溉虛擬水流動強度和輸入份額的結果可見，高虛擬水輸入強度屬于經濟發達、人均水資源量較少的地區，高虛擬水輸出強度省市多屬于經濟中等發達地區，輸入份額較大的省市多屬于經濟發達或中等發達地區。

(3)對30個省市整體農業灌溉虛擬水流動不均衡程度的分析表明，農業灌溉虛擬水輸出格局的不均衡程度較水資源分布為高，而農業灌溉虛擬水輸入格局的不均衡程度比水資源分布要低。氣候變化對農業灌溉虛擬水輸出格局有顯著影響，使得未來大部分時期農業灌溉虛擬水輸出格局變得更加不均衡。

需要指出的是，本文在不同氣候變化情景中都使用了同樣的地區間投入產出關系，這與實際情況有偏差。地區間農產品供需狀況是影響地區間投入產出關系的一個主要因素，而農產品的生產和消費都受到氣候變化的顯著影響。此外，市場和政策的波動也會影響地區間的產品流動。若能量化這些因素的變化對地區間投入產出關系的影響，則有望獲得對農業灌溉虛擬水流動狀況更精確的評價結果。

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