黑龙江省商品粮的虚拟水输出研究

李 莹，李铁男

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

0 引 言

虚拟水是指商品或服务的生产过程中所使用的水资源的数量，一般伴随在商品贸易过程中来具体化[1]。商品贸易引起的虚拟水流动是指虚拟形态的水资源在地理空间上的再分配过程[2,3]。虚拟水贸易理论提倡出口高效益的水资源商品，同时进口本地没有充足水资源生产的粮食产品，水资源短缺和粮食安全问题通过贸易的形式最终得以解决。粮食生产作为高耗水低经济收益的产业，对水资源和区域经济具有重要影响[4,5]。作为一种水密集型商品，粮食的输入缓解了虚拟水输入区的水资源压力，但增加了输出区的水资源压力和生态压力[6,7]。

据国家统计局数据显示，2014年全国粮食总产量60 710万t，比2013年增加516 万t，增长0.9%。这是我国全年粮食产量连续11年实现稳定增长，其中，黑龙江省粮食产量占全国1/10，增量接近全国增量的一半。2014年黑龙江省粮食总产达到6 242 万t，比上年增加238 万t，增量占全国粮食增量的46.1%。自1990年开始我国从传统的南粮北运转变为北粮南运，且调运量呈不断上升的趋势[8]。农业部农村经济研究中心在2015年《中国粮食生产区域布局的演变特征及成因分析》报告中指出：粮食主产区逐渐向东北和中部地区集中和转移；南方稻谷优势区域继续稳固，东北稻谷重要性凸显；小麦主产区逐渐向中部地区集中；玉米产区逐渐向东北和中原地区集中。历史上的南粮北运，已变成了北粮南运、中粮西运。

黑龙江省农业增产为我国的粮食安全提供了保障，但黑龙江省的人均水资源量按照单位面积平均来看并不富裕。黑龙江省境内多年平均水资源总量810 亿m3，全省人均占有水资源量约2 113 m3；耕地单位面积占有水资源量约6 075 m3/hm2，仅为全国平均水平的26%。农业是国民经济体系中最大的用水部门，农业生产的水资源利用量占总用水量的80%左右。商品粮的输出实际上就是以虚拟的形式输出了水资源，伴随黑龙江省大量的商品粮贸易，随之流出的水资源量不容小觑。

1 研究区选择

本研究选取黑龙江省近年来水稻、玉米、大豆的产量居前的各三个县市作为研究区。九个研究区分布于黑龙江省辽阔的松嫩平原和三江平原上，龙江县、肇东市位于松嫩低平原区，嫩江县、讷河市、克山县位于松嫩平原北部高平原区，双城市、五常市位于松嫩平原南部高平原区，富锦市、虎林市位于三江平原区。松嫩平原和三江平原作为黑龙江省“北大仓”粮食主产区，有着优良的种植条件。

2 计算方法及数据来源

2.1 计算方法

本研究采用FAO推荐的计算方法，利用CropWat 8.0软件进行初步运算，再根据相应研究成果确定的参数来计算农作物的虚拟水含量。由水稻、玉米、大豆3种农作物的总产量及输出量计算虚拟水总量及虚拟水输出量，计算过程见图1。

图1 虚拟水输出量计算过程图Fig.1 The calculation process diagram of virtual water output

2.1.1 参考作物蒸发蒸腾量ET0

参考作物蒸发蒸腾量ET0，一种假想的参考作物的蒸发蒸腾量，这种参考作物高度为12 cm，固定的表面阻力系数γs=70 s/m，反射率α=0.23，相当于高度均一、生长良好完全覆盖地面的草地。标准彭曼公式计算参考作物蒸发蒸腾量ET0的公式为：

(1)

式中：ET0为参照作物的蒸发蒸腾量，mm/d；Δ为饱和水气压与温度相关曲线的斜率，kPa/℃；Rn为作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；T为平均空气温度，℃；U2为距离地面2 m高的风速，m/s；ea为饱和水气压，kPa；eb为实测水气压，kPa；γ为干湿度常数，kPa/℃。

2.1.2 作物蒸发蒸腾量ETc

计算不同作物的蒸发蒸腾量，需在参考作物蒸发蒸腾量基础上进行适当调整，用作物系数予以修正，此参数的作用是可以将作物类型及作物生长地的环境因素考虑进去。作物蒸发蒸腾量计算式为：

ETc=KcET0

(2)

式中：Kc为相应的作物系数；ETc为相应作物的蒸发蒸腾量，mm/d。

2.1.3 作物单位面积全生育期需水量CWR

作物单位面积全生育期需水量计算公式为：

(3)

式中：CWR为作物单位面积全生育期需水量，m3/hm2；n为作物生育期的总天数。

2.1.4 作物虚拟水含量VWC

作物虚拟水含量指的是单位质量的农产品消耗的虚拟水，计算公式为:

(4)

式中：VWC为虚拟水含量，m3/t；CY为单位面积农产品产量，t/hm2。

2.1.5 作物虚拟水总量TWC

区域内农作物的虚拟水总量的计算公式为：

TWC=VWC·TCY

(5)

式中：TWC为虚拟水总量，m3；TCY为该农产品总产量，t。

2.1.6 作物虚拟水输出量EWC

EWC=VWC·ECY

(6)

式中：EWC为虚拟水输出量，m3；ECY为该农产品的输出量，t。

2.2 数据来源

本研究使用的气象数据为黑龙江省气象信息中心在各个研究区设立观测站的实际观测数据，时间段为2010年1月到2014年12月，数据包括历年各月的月平均最低气温、月平均最高气温、月平均相对湿度、月平均风速、月日照时数、月降水量。作物系数采用的是水利部公益性行业科研专项《三江平原水资源潜力开发及对环境影响研究》中作物全生育期需水量计算所确定的作物系数Kc[10]，符合黑龙江省粮食作物的生长条件，作物生育期和作物系数均为多年平均值。农作物的播种面积及产量数据来源于《黑龙江县(市)农村经济社会统计概要》2011-2015年[11]。

3 结果分析

3.1 农作物虚拟水含量及虚拟水总量

分析九个研究区具有代表性的农作物虚拟水含量，水稻虚拟水含量740～800m3、玉米虚拟水含量490～600m3、大豆虚拟水含量1 850～2 600m3。大豆虚拟水含量最高，是水稻和玉米的3～4倍左右。黑龙江省2010-2014年农作物的虚拟水含量平均值见表1。农作物全生育期需水量和作物单位面积产量两个因素导致了农作物虚拟水含量的差异。大豆和玉米的作物全生育期需水量相接近，大豆每公顷平均需水量为4 200m3，玉米每公顷平均需水量为4 680m3，水稻每公顷平均需水量为6 024m3。但由于玉米的单位面积产量最高，使得其虚拟水含量值降为最小，而大豆的单位面积产量只有玉米的23.1%左右，所以使得大豆的虚拟水含量居于3种粮食作物首位。

表1 黑龙江省2010-2014年农作物的虚拟水含量平均值Tab.1 The average value of the virtual water content ofcrops in Heilongjiang province from 2010 to 2014

2010-2014年黑龙江省粮食总产量持续增长，2014年水稻、玉米产量比2010年产量增长幅度达到22%、44%。相反，大豆产量呈现下降趋势，2014年大豆产量比2010年产量减少幅度达到22%。农作物产量是虚拟水总量的正相关影响因素，在农作物虚拟水含量较为稳定的情况下，虚拟水总量随产量的增加而增加。2010-2014年，黑龙江省水稻、玉米产量呈稳定的增长趋势，大豆产量呈下降趋势。水稻2010年虚拟水总量为138.97 亿m3，2014年增长到179.98 亿m3；玉米2010年虚拟水总量为138.02 亿m3，2014年增长到162.15 亿m3；大豆2010年虚拟水总量为151.59 亿m3，2014年下降到92.21 亿m3。大豆虚拟水含量高于水稻和玉米，但由于产量低，加之逐年耕种的面积减少，产量下降导致该农作物的虚拟水总量最少。三种农作物逐年的产量、虚拟水总量、虚拟水输出量见图2～图4。

图2 2010-2014年水稻产量、虚拟水总量及虚拟水输出量Fig.2 Rice yield, total virtual water and virtual water output from 2010 to 2014

图3 2010-2014年玉米产量、虚拟水总量及虚拟水输出量Fig.3 Corn yield, total virtual water and virtual water output from 2010 to 2014

图4 2010-2014年大豆产量、虚拟水总量及虚拟水输出量Fig.4 Soybean yield, total virtual water and virtual water output from 2010 to 2014

3.2 农作物虚拟水输出量

2010年我国省级行政区之间粮食调运比例(粮食调运量/粮食总产量)为17.6%，粮食调出量最多的省级行政区是黑龙江，约占所有调出省级行政区调出总量的35.7%，粮食调出比例(粮食净调出量/粮食总产量)达到68.7%[12]。黑龙江省2010-2014年主要农作物虚拟水输出量见表2。水稻的虚拟水输出量增长最快，2014年比2010年增加30%；玉米虚拟水输出量增长比较平稳，2014年比2010年增加17%；大豆虚拟水输出量趋势呈现下降后增长的走势。虚拟水输出量主要由商品粮的输出量决定，黑龙江省水稻种植面积有所增加，总产量提高较快；玉米种植面积比较稳定，总产量有小幅提高；大豆种植面积有所减少，2013年产量降到最低，2014年又小幅增加但总产量较2010年减少22%，因此虚拟水输出量也相应降低。

表2 黑龙江省2010-2014年农作物虚拟水输出量 亿m3/t

4 结论与讨论

4.1 结 论

针对黑龙江省产量居前的3种农作物进行虚拟水含量计算：大豆虚拟水含量最高，水稻次之，玉米最低，虚拟水含量差异影响因素是农作物全生育期需水量及单位面积产量。大豆和玉米的全生育期需水量相接近，水稻的全生育期需水量最高，为大豆、玉米的1.5倍左右。2010-2014年，黑龙江省水稻、玉米产量呈现持续增长，大豆产量下降。由于产量的影响，农作物虚拟水总量随之变化。2014年，水稻年虚拟水总量最高为179.98 亿m3；玉米年虚拟水总量次之为162.15 亿m3，大豆年虚拟水总量最低为92.21 亿m3。

随着主要农作物虚拟水总量的增长，商品粮虚拟水输出量也随之增长。2010-2014年，商品粮虚拟水输出总量持续增加，水稻增长幅度较快，玉米相对稳定，大豆的虚拟水输出量逐步减少。主要原因是黑龙江省粳米质量好，种植利润高，近几年种植面积持续扩大，而大豆经济利润下降，加之进口大豆量的增加，对黑龙江省大豆种植有一定冲击，因此大豆输出量有一定程度的下滑。

4.2 讨 论

粮食虚拟水“北水南调”增加了我国北方水资源压力，给输出区带来了严重的水资源压力和生态压力，也给我国粮食安全带来隐患[12]。以2014年为例，黑龙江省主要粮食作物水稻、玉米、大豆虚拟水输出量为262.55 亿m3，已占黑龙江省境内多年平均水资源总量810 亿m3的32.4%。黑龙江省大量商品粮调出导致的虚拟水输出，加重了输出地的水资源紧张，对生态系统造成了一定压力。建国以来经过半个多世纪的开发建设，黑龙江省水稻主产区三江平原由‘北大荒’变成‘北大仓’的同时，由于人工截流排水开荒和井灌水稻的快速发展，导致区域地下水超采、湿地萎缩、生态环境日趋恶化。因此，解决我国粮食供应与生态平衡问题的出路只能是大力发展现代节水农业，提高粮食生产的综合用水效率。考虑到中国南北方经济状况的现实差距，东北地区商品粮输出带来的长期虚拟水南调问题，建议研究实施商品粮虚拟水运移补偿政策，保证虚拟水输出区的其他行业用水和生态用水，缓解东北粮食主产区的水资源压力。

□

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