糧食虛擬水流動對水資源和區域經濟的影響研究*

張啟楠，張凡凡，李福奪，傅匯藝，楊興洪※

(1.中南林業科技大學經濟學院，長沙 410004； 2.貴州大學管理學院，貴陽 550025；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

0 引言

虛擬水最早由英國學者 Tony Allan于20世紀90年代提出，有效結合了農業科學與經濟科學的思想，突破了實體水的研究范疇，通過分析蘊含在商品貿易中的水資源隱形流動格局，旨在進一步協調人口、資源與環境之間的關系[1]。經過不斷完善，目前學術界較為公認的定義為：凝結在產品或服務中的虛擬水量。其中，糧食虛擬水主要是指在糧食生產過程中所消耗的水資源數量隨著糧食在各區域之間的流通進行轉移，其實質是水資源在地理空間上的再分配過程[2-4]。

目前，基于糧食虛擬水視角已有較多研究成果，鄒君等從省級和8個二級區域尺度分析了2007年我國糧食虛擬水含量的空間分布規律； 馬靜通過勾勒我國虛擬水貿易的基本格局，肯定了北方地區對于全國糧食安全的重要意義，并對未來我國虛擬水貿易格局進行了展望； 吳普特等的研究表明，我國糧食虛擬水從1990年開始由南向北流動轉換為由北向南流動，且藍水流動量逐年增加。大多數學者側重分析虛擬水戰略對于水資源和糧食安全的貢獻，而往往忽略了虛擬水流動對區域經濟的影響，實質上，虛擬水戰略的實施應同時兼顧經濟目標與水資源本身，為此，文章試圖突破原有理論研究的局限，在計算我國糧食虛擬水流動格局的基礎上，對虛擬水流動的生態效應和經濟價值進行實證分析。由于省級行政區之間糧食貿易數據的缺乏，傳統的做法是采用社會公平法計算虛擬水流動量[5-7]，即假定各糧食輸入區獲得輸出區糧食的機會是均等的，但作為經濟人，距離的遠近、運輸成本的高低對糧食流動具有顯著影響，因此，社會公平法容易導致結果的偏差，該文將通過萬有引力公式把糧食輸出和輸入區的球面距離引入模型，通過計算省際糧食調運系數，對糧食調運方向和調運量進行細化。

1 研究模型與數據來源

1.1 研究模型

1.1.1 區域糧食虛擬水流動量計算

設j省級行政區的糧食虛擬水流動量為VWFj，正負值分別代表虛擬水輸入和輸出[8]，則有

(1)

其中，ΔAj=Gj-PjGN/PN

(2)

式中，ΔAj為省級行政區j的糧食調運量，用區域內糧食總產量與總需求的差值表示(這里假定各省級行政區的人均糧食消費量相同，且當年生產的糧食全部用于當年消費)，Gj、Pj、GN、PN分別表示j省級行政區的糧食產量、人口數量以及全國糧食產量、人口數量。當ΔAj≥0時，j省級行政區為糧食輸出區，其糧食虛擬水輸出量為該區域糧食輸出量ΔAj與糧食虛擬水含量VWCj的乘積，(關于各省級行政區糧食虛擬水含量的計算國內學者已進行大量研究，該文不再贅述，主要參考王玉寶等的研究成果，如表1所示)； 當ΔAj<0時，j省級行政區為糧食輸入區，其糧食虛擬水輸入量為j省級行政區從各糧食輸出區輸入的糧食數量與該輸出區糧食虛擬水含量乘積之和，ΔAij、VWCi分別表示j省級行政區從糧食輸出區i輸入的糧食數量以及糧食輸出區i的糧食虛擬水含量，i=1， 2…n，其中，

ΔAij=ΔAiχ

(3)

(4)

表1 我國各省域糧食虛擬水含量

地區安徽廣西黑龍江江西山東天津北京貴州湖北遼寧山西虛擬水含量(m3/kg)1.282.091.401.360.751.091.001.591.271.371.06地區西藏福建海南湖南內蒙古陜西新疆甘肅河北吉林寧夏虛擬水含量(m3/kg)2.031.512.371.281.081.341.871.130.961.101.93地區上海云南廣東河南江蘇青海四川浙江重慶虛擬水含量(m3/kg)1.542.002.380.751.371.871.001.630.90

1.1.2 糧食虛擬水流動對水資源影響的評價指標

(1)國家層面節水量：當虛擬水從水資源利用效率高的區域流向水資源利用效率低的區域時，會在國家尺度上形成節水效應[9]，反之，則會造成水資源的浪費，具體計算公式如下：

QWj=ΔAjVWCj-VWC

(5)

其中，QWj代表因糧食調運j省級行政區所形成的節水量，正負值分別表示水資源節約和水資源浪費，ΔAj為j省級行政區的糧食調運量，VWCj、VWC分別為j省級行政區的糧食虛擬水含量和調運部分的糧食虛擬水含量(對于糧食輸出區而言VWCj=VWC)，各省級行政區節水量之和即為國家層面的節水總量。

(2)水資源壓力指數：即區域內需水量與區域可利用水資源總量的比值，計算公式如下：

(6)

WPj、WFj、WAj分別表示j省級行政區的水資源壓力指數、需水量和可利用水資源總量。WPj越大，表示區域內承受的水資源壓力越大，當WPj<1時，說明j省級行政區的水資源壓力在該區域可承受范圍內； 當WPj=1時，說明j省級行政區的水資源利用達到了最大值； 當WPj>1時，說明j省級行政區水資源利用已超過可利用水資源的上限[10-12]。

1.1.3 糧食虛擬水流動與經濟發展評價模型

借鑒許長新等的做法，基于擴展的C-D生產函數分析區域間糧食虛擬水流動對經濟發展的影響，具體模型設定如下：

GDP=A×Kα×Cβ×Wλ

(7)

式中，A為常數項，K、C、W分別表示固定資產投入、城鎮化率和用水量，α、β、γ分別為各投入要素的產出彈性，對公式兩邊同時取對數，得到多元線性回歸模型：

lnGDP=lnA+αlnK+βlnC+γlnW

(8)

根據式(8)分別測算農業、工業、服務業三大產業部門單位水資源的經濟效益，假設由虛擬水流動引起的國家尺度節水量以及糧食輸出區的輸出虛擬水全部用于工業和服務業發展，并按照當年工業與服務業用水比例進行分配，分別計算區域虛擬水流動所帶來的經濟貢獻份額以及無虛擬水調運情況下輸出區的生產總值，定量研究虛擬水輸出對經濟發展的影響。

1.2 數據來源

參考前人研究成果，立足指標量化的可行性、數據的可獲取性原則，搜集整理2006、2015年相關數據，其中，糧食數據、人口數據、地區生產總值、城鎮化率(城鎮人口占總人口的比例)、固定資產投資主要來源于中國統計年鑒(2006～ 2015)和中國農村統計年鑒(2006～2015)等國家正式發布的統計資料，水資源數據則主要引自中國水資源公報(2006～ 2015)和中國環境統計年鑒(2006～ 2015)，省際距離數據則是借鑒洪名勇等的做法，通過經緯度計算球面距離而得[13]。

2 區域虛擬水流動格局及驅動因素分析

2.1 區域虛擬水流動格局

以往研究大多假定糧食輸入區獲得來自各輸出區糧食的機會是均等的，并將輸出區糧食虛擬水含量的加權平均值作為輸入區的糧食虛擬水含量，顯然，該方法過于簡單籠統，無法真實反映省際糧食調運情況，因此，該文將糧食輸出區與輸入區的距離變量納入研究框架，分別計算各省級行政區之間的糧食調運系數(表2、表3)，并通過式(3)對各省級行政區之間的糧食調運方向和調運量進行細化(表4)。

表2 2006年引力法核算的省域糧食調運系數

省份黑龍江吉林河南內蒙古安徽山東湖南江西江蘇新疆遼寧河北寧夏湖北西藏0.000 60.000 50.000 30.000 40.000 10.000 20.000 20.000 20.000 10.006 30.000 40.000 10.000 80.000 3青海0.011 10.009 50.009 10.013 80.002 60.004 70.004 10.002 70.001 30.059 40.007 30.004 20.085 90.005 3海南0.006 40.005 50.004 60.002 90.003 20.002 60.011 20.006 60.001 70.012 10.004 30.001 50.004 50.007 4重慶0.012 00.010 60.017 60.009 60.006 90.007 10.025 10.010 60.003 20.029 70.008 50.004 80.022 40.021 3云南0.007 90.006 70.006 30.004 70.003 10.003 30.009 40.004 90.001 60.025 60.005 10.002 10.009 50.007 6甘肅0.016 20.014 10.017 50.023 30.004 50.008 10.007 10.004 60.002 20.061 20.011 10.007 50.197 00.009 6四川0.015 10.013 10.018 10.013 00.006 40.007 80.016 80.008 60.003 10.049 00.010 40.005 80.036 70.016 9山西0.048 00.047 40.148 50.207 50.016 30.086 20.012 10.010 40.008 30.044 00.045 40.329 80.093 80.024 5天津0.114 70.132 00.073 20.122 00.020 20.243 40.011 00.011 10.012 30.043 30.167 40.167 20.040 90.022 0貴州0.017 80.015 60.019 70.011 40.009 90.009 10.045 10.018 20.004 80.042 90.012 30.005 80.022 60.029 2陜西0.040 10.036 90.146 20.059 70.023 10.037 50.035 40.022 00.010 40.072 50.031 60.033 40.169 20.059 5廣西0.017 40.015 10.014 50.008 90.009 10.007 70.038 50.018 70.004 60.036 90.011 70.004 60.015 00.023 5北京0.221 80.249 80.119 40.337 50.031 00.268 80.018 90.018 30.018 50.087 70.298 80.307 50.086 60.036 4上海0.112 00.111 20.084 70.037 90.196 90.086 30.055 20.097 40.269 60.061 00.103 40.029 10.034 80.109 0福建0.062 60.057 30.049 00.023 50.073 60.033 40.101 60.190 10.045 10.056 40.047 40.015 00.027 50.108 3浙江0.156 30.151 80.152 40.060 10.492 80.127 10.133 30.295 60.561 70.102 40.137 50.045 70.059 80.268 8廣東0.139 60.122 90.118 90.063 80.100 40.066 60.474 80.280 00.051 60.209 40.097 40.035 80.093 00.250 5

表3 2015年引力法核算的省域糧食調運系數

省份黑龍江吉林 河南內蒙古安徽新疆山東江西寧夏湖北 遼寧河北甘肅0.000 3 0.000 20.000 30.000 4 0.000 10.001 1 0.000 1 0.000 1 0.004 10.000 2 0.000 20.000 1 江蘇0.004 7 0.004 60.007 40.002 1 0.059 50.003 2 0.006 2 0.006 9 0.002 60.010 2 0.004 40.001 8 西藏0.001 10.000 80.000 50.000 6 0.000 20.011 7 0.000 3 0.000 3 0.001 70.000 4 0.000 60.000 2 湖南0.003 5 0.003 20.006 30.002 10.005 40.005 1 0.002 5 0.026 4 0.004 00.033 2 0.002 60.001 3 青海0.008 90.007 50.007 30.010 7 0.002 00.051 9 0.003 6 0.002 2 0.087 90.004 3 0.005 70.003 1 重慶0.009 6 0.008 40.014 10.007 40.005 30.025 9 0.005 4 0.008 5 0.022 90.017 0 0.006 60.003 6海南0.006 6 0.005 60.004 70.002 9 0.003 10.013 5 0.002 5 0.006 8 0.005 90.007 6 0.004 20.001 4四川0.011 70.010 00.014 00.009 70.004 80.041 3 0.005 8 0.006 7 0.036 20.013 0 0.007 80.004 1 云南0.007 9 0.006 70.006 30.004 5 0.003 00.028 0 0.003 1 0.005 0 0.012 20.007 6 0.005 00.002 0 山西0.054 2 0.053 10.168 60.227 20.017 90.054 3 0.092 9 0.011 8 0.135 70.027 7 0.050 10.346 2 貴州0.015 8 0.013 60.017 50.009 8 0.008 50.041 4 0.007 7 0.016 2 0.025 50.025 9 0.010 60.004 7 陜西0.036 4 0.033 10.133 40.052 5 0.020 30.071 8 0.032 5 0.020 1 0.196 70.054 1 0.027 90.028 2 天津0.131 6 0.150 20.084 50.135 70.022 40.054 3 0.266 6 0.012 8 0.060 10.025 3 0.187 60.178 4 廣西0.020 20.017 30.016 90.010 0 0.010 20.046 7 0.008 5 0.021 9 0.022 30.027 3 0.013 20.004 9 北京0.239 70.267 50.129 60.353 3 0.032 50.103 5 0.277 2 0.020 0 0.119 90.039 4 0.315 10.308 7 上海0.101 4 0.099 80.077 10.033 3 0.172 80.060 3 0.074 6 0.089 0 0.040 40.099 0 0.091 40.024 4 福建0.059 90.054 30.047 10.021 8 0.068 30.058 9 0.030 5 0.183 5 0.033 70.103 9 0.044 30.013 4 浙江0.154 40.148 60.151 20.057 5 0.471 60.110 4 0.119 8 0.294 4 0.075 60.266 1 0.132 60.041 9 廣東0.132 30.115 40.113 20.058 5 0.092 10.216 6 0.060 2 0.267 5 0.112 80.237 9 0.090 00.031 5

表4 2006年和2015年我國省際糧食貿易的虛擬水流量關系矩陣

由表4可以看出， 2015年我國省際糧食調運規模有所增大，調運比例達到19.6%，相應的虛擬水貿易量為1 462億m3，與2006年(910億m3)相比，省際糧食虛擬水流動更加頻繁。其中，虛擬水輸出區主要分布在我國的東北、華北以及長江中下游地區，以黑龍江為代表的虛擬水輸出量為644.09億m3，輸出比例高達72.7%，對保障我國糧食安全和水安全具有重要意義，而虛擬水輸入區則主要集中于我國東部沿海地區和西部欠發達地區，前者主要由于工業化、城鎮化進程加速引起的，后者則與其農業資源利用方式粗放、水資源利用率極低有關，也就是說我國糧食虛擬水主要是由貧水的北方向富水的南方流動，這種相悖于虛擬水戰略的水資源逆向流動必將導致北方水資源短缺形勢更加嚴峻，特別是華北地區，僅僅30多年該地區已形成世界上最大的地下水漏斗，成為嚴重缺水地區之一。同時，需要注意的是，近年來我國虛擬水輸出區的范圍在不斷縮小，從2006年的14個變為2015年的12個，江蘇省和湖南省已經由虛擬水輸出區轉變為輸入區，河南、山東、寧夏、江西、遼寧、河北等的虛擬水輸出量也出現大幅度下降趨勢，糧食虛擬水輸出有進一步向黑龍江等輸出大省集中的趨勢，而這種虛擬水輸出的過度集中勢必加劇輸出區的資源和生態環境壓力[14]，也不利于分散生產風險，保障國家糧食安全。

2.2 區域虛擬水流動驅動因素分析

虛擬水流動是多種因素綜合作用的結果，該文主要從以下幾個方面對其進行成因分析。

(1)自然屬性角度：耕地作為一種穩定性較好的自然資源，較大程度上限制了區域農業的發展，從目前我國耕地資源分布狀況來看，西部和北部較為豐富，但西部地區由于生態環境脆弱同時隨著退耕還林還草計劃的實施，其糧食需求主要通過區際調運來實現，由此形成我國糧食增長極進一步“北上”的格局； (2)資源優化配置角度：考慮到耕地資源的束縛，目前我國虛擬水流動格局很難改變，但基于水資源具有流動性的特征，通過規劃南水北調工程切實緩解了北方地區水資源短缺問題，換句話說，南水北調工程是虛擬水戰略實施的必要條件和重要驅動力； (3)經濟屬性角度：從我國現行經濟體系來看，耕地資源和水資源的經濟價值存在較大差異，耕地資源的經濟重要性遠高于水資源，由此形成虛擬水流動更大程度上取決于耕地資源這一限制因子，基于南方地區工業化、城鎮化發展較快，農業生產用地的機會成本較高，加之當前我國存在水資源定價偏低現象，在長期決策過程中水資源始終未被置于優先考慮地位，由此形成虛擬水北水南調格局。基于這種反常的資源掠奪性轉移，同時考慮到近年來我國虛擬水輸出區不斷萎縮，有必要進一步考察虛擬水流動對輸出區的影響，以期為保障我國糧食安全和水安全提供有益借鑒。

3 虛擬水流動的資源、經濟效應初探

3.1 虛擬水流動的水資源效應分析

我國糧食輸出區的虛擬水含量為1.27m3/kg，輸入區的虛擬水含量為1.56m3/kg，輸出區相對于輸入區而言具有更高的水資源利用效率[15]，輸出區每向輸入區調運1kg糧食就會在國家層面上形成0.29m3的節水量， 2015年糧食虛擬水流動在國家層面上共形成276億m3的節水量，其中，廣東省的節水效應最大(圖1)，達到160.57億m3，一方面與廣東省糧食輸入量較大有關，另一方面，廣東省自身的糧食虛擬水含量高達2.38m3/kg，相較于其他輸入區而言每輸入一單位糧食具有更大的節水空間。值得注意的是，對于北京、天津、四川、重慶等糧食輸入區而言，虛擬水的輸入反而會造成國家層面上的水資源浪費，這主要是由于這些地區本身水資源利用效率較高，平均糧食虛擬水含量僅為0.99m3/kg，而以新疆、寧夏等為代表的輸出區虛擬水含量分別為1.87m3/kg和1.93m3/kg，相較于這些區域而言，虛擬水從水資源利用效率低的區域向水資源利用效率高的區域流動，從而在國家層面上造成了水資源的浪費，因此應重點提高新疆、寧夏等糧食輸出區的水資源利用效率，從而提供更大的節水空間。

圖1 國家層面上糧食虛擬水流動引起的節水量

此外，必須認識到糧食虛擬水的省際流動在國家尺度上形成節水效應的同時，也進一步加劇了輸出區的水資源壓力[16]，由式(6)計算可得， 2015年我國糧食輸出區的水資源壓力指數為1.2，也就是說，糧食輸出區的水資源總需求已經超出該區域水資源總量，其中，水資源壓力最大的是寧夏，壓力指數高達7.6，屬于水資源嚴重過度使用區。若假定糧食輸出區僅生產供自己區域所需的糧食，即虛擬水輸出量為0，則2015年輸出區的水資源壓力指數將下降到0.84，水資源使用屬于區域可承受范圍內。可見，糧食虛擬水輸出是造成輸出區水資源過度開采的主要原因。

3.2 虛擬水流動的經濟效應分析

以農業部門為例，對式(8)進行多元線性回歸，得到2006～2015年我國農業部門的水資源經濟效益函數：

lnGDP=4.913+0.183lnK+2.238lnC+0.549lnW

水資源的回歸系數γ=0.549，說明2006～2015年水資源對農業經濟的貢獻率為0.549，以2015年為基準年，當農業用水量增加1%(38.52億m3)時，我國農業當年產值將提高0.549%(334.18億元)，由此可以得出， 2015年我國單方農業用水的經濟效益為8.68元/m3，同理可以得到工業和服務業部門的用水經濟效益，如表5所示。

表5 2015年我國三大產業部門單方水資源經濟效益 (元/m3)

產業部門農業工業服務業單方水資源經濟效益8.6845.61198.85

圖2 2006年和2015年虛擬水輸出區農業用水比重變化規律

在不考慮各產業部門用水技術效率的改變以及規模報酬遞減規律的情況下，假定通過虛擬水貿易節約下來的水資源全部用于工業和服務業部門，并按照當年工業與服務業用水比例進行分配，則這部分水資源將產生2.836 6萬億元的經濟效益，約占當年國內生產總值的4.13%。同樣，若將輸出區的糧食虛擬水輸出量全部用于其自身的工業和服務業發展，則輸出區的地區生產總值將由28.597 4萬億元增加到42.675 9萬億元，增長幅度達到49.2%，可見，虛擬水的輸出對輸出區經濟發展形成了巨大的阻礙作用。通過虛擬水貿易輸出區雖獲得了一定的收益，但卻付出了更大的經濟代價，糧食產品相對于工業及服務業收益來說存在明顯的價格劣勢，輸出區放棄了水資源用于非農生產所獲得的機會成本，從而在經濟上與輸入區形成落差，某種程度上可以說輸出區在用水土資源支持了輸入區的工業化和城市化進程，而其自身的經濟發展卻受到了抑制。糧食作為一種高耗水低收益產品，在區域可利用水資源有限的情況下，輸出區存在將糧食生產用水轉變為其他高收益產業用水的可能，圖2進一步驗證了這一結論，可以看到，除黑龍江、吉林、新疆農業用水比重保持上升趨勢外，其余省份均存在農業用水轉移現象，其中，山東、河南、遼寧、寧夏等產糧大省的農業用水比重下降最為嚴重，可能與其受虛擬水輸出影響程度較大有關。顯然，區域糧食虛擬水流動雖然在國家尺度上形成了可觀的經濟效益，但卻嚴重阻礙了輸出區的經濟發展，這將可能成為未來虛擬水戰略的巨大隱患。

4 結論與討論

4.1 結論

通過引入距離分量細化各省級行政區糧食調運的來源與去路，探討了2006、2015年我國省際糧食虛擬水空間流動格局及其生態效應和經濟價值，從而修正了因省際糧食貿易數據缺乏引起的偏誤，研究結論如下。

(1)與2006年相比，我國省際糧食虛擬水流動更加頻繁，其中，輸出區主要分布在我國的東北、華北以及長江中下游地區，輸入區則主要集中于東部沿海地區和西部欠發達地區，整體表現出由北向南的逆向流動格局，但近年來輸出省份的范圍不斷縮小，部分輸出區已轉變為輸入區，有近50%的輸出省份虛擬水輸出量大幅下降，虛擬水輸出有進一步向黑龍江等產糧大省集中的趨勢。

(2)水資源并非是影響虛擬水貿易最關鍵的因素，耕地資源稟賦、資源優化配置以及經濟發展水平對虛擬水的影響作用也是不容忽視的。

(3)相對于輸入區而言，輸出區具有更高的水資源利用效率， 2015年糧食虛擬水省際流動在國家層面上共形成276億m3的節水量，對國內經濟增長的貢獻份額達到2.836 6萬億元，但虛擬水的輸出使輸出區水資源壓力指數由0.84(假設輸出區糧食虛擬水輸出為0)上升到1.20，地區生產總值由42.675 9萬億元(假設用于輸出的糧食虛擬水全部轉變為工業用水和服務業用水)減少到28.597 4萬億元，輸出區承受了巨大的資源、生態和經濟壓力。

4.2 討論

為了扭轉這一不利態勢，需要同時兼顧水資源節約與區域經濟發展的雙重目標，可以考慮在提高水價的同時輔之以適當的財政補貼，一方面可以促使農戶自覺采用節水技術或者通過調整種植結構等手段進行節水，同時能夠保證農戶的收益得到一定的帕累托改進。此外，應重點抓好虛擬水輸出區的農業節水工程建設，加大節水技術開發，改造落后灌排工程，緩解因虛擬水輸出造成的水資源壓力和生態破壞； 最后，應盡快實施區際農業生態補償的橫向轉移支付，包含對輸出區農業生態環境保護、占用農業資源使其犧牲發展機會成本、農業產業化建設投入成本及農業基礎設施建設扶持成本，從而提高輸出區的經濟收益。

需要說明的是，虛擬水理論的主要依據是水資源稟賦和水資源利用效率，并假設富水地區在糧食生產方面具有經濟上的比較優勢，但就我國北水南運的虛擬水流動格局而言，水資源并非是影響虛擬水貿易最關鍵的因素，因此，“虛擬水戰略”在解決我國糧食安全和水安全問題方面具有特殊性和局限性，對其作用的客觀評價及其適用性是作者今后研究的重點。