粮食虚拟水流动对水资源和区域经济的影响研究*

张启楠，张凡凡，李福夺，傅汇艺，杨兴洪※

(1.中南林业科技大学经济学院，长沙 410004； 2.贵州大学管理学院，贵阳 550025；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

0 引言

虚拟水最早由英国学者 Tony Allan于20世纪90年代提出，有效结合了农业科学与经济科学的思想，突破了实体水的研究范畴，通过分析蕴含在商品贸易中的水资源隐形流动格局，旨在进一步协调人口、资源与环境之间的关系[1]。经过不断完善，目前学术界较为公认的定义为：凝结在产品或服务中的虚拟水量。其中，粮食虚拟水主要是指在粮食生产过程中所消耗的水资源数量随着粮食在各区域之间的流通进行转移，其实质是水资源在地理空间上的再分配过程[2-4]。

目前，基于粮食虚拟水视角已有较多研究成果，邹君等从省级和8个二级区域尺度分析了2007年我国粮食虚拟水含量的空间分布规律； 马静通过勾勒我国虚拟水贸易的基本格局，肯定了北方地区对于全国粮食安全的重要意义，并对未来我国虚拟水贸易格局进行了展望； 吴普特等的研究表明，我国粮食虚拟水从1990年开始由南向北流动转换为由北向南流动，且蓝水流动量逐年增加。大多数学者侧重分析虚拟水战略对于水资源和粮食安全的贡献，而往往忽略了虚拟水流动对区域经济的影响，实质上，虚拟水战略的实施应同时兼顾经济目标与水资源本身，为此，文章试图突破原有理论研究的局限，在计算我国粮食虚拟水流动格局的基础上，对虚拟水流动的生态效应和经济价值进行实证分析。由于省级行政区之间粮食贸易数据的缺乏，传统的做法是采用社会公平法计算虚拟水流动量[5-7]，即假定各粮食输入区获得输出区粮食的机会是均等的，但作为经济人，距离的远近、运输成本的高低对粮食流动具有显著影响，因此，社会公平法容易导致结果的偏差，该文将通过万有引力公式把粮食输出和输入区的球面距离引入模型，通过计算省际粮食调运系数，对粮食调运方向和调运量进行细化。

1 研究模型与数据来源

1.1 研究模型

1.1.1 区域粮食虚拟水流动量计算

设j省级行政区的粮食虚拟水流动量为VWFj，正负值分别代表虚拟水输入和输出[8]，则有

(1)

其中，ΔAj=Gj-PjGN/PN

(2)

式中，ΔAj为省级行政区j的粮食调运量，用区域内粮食总产量与总需求的差值表示(这里假定各省级行政区的人均粮食消费量相同，且当年生产的粮食全部用于当年消费)，Gj、Pj、GN、PN分别表示j省级行政区的粮食产量、人口数量以及全国粮食产量、人口数量。当ΔAj≥0时，j省级行政区为粮食输出区，其粮食虚拟水输出量为该区域粮食输出量ΔAj与粮食虚拟水含量VWCj的乘积，(关于各省级行政区粮食虚拟水含量的计算国内学者已进行大量研究，该文不再赘述，主要参考王玉宝等的研究成果，如表1所示)； 当ΔAj<0时，j省级行政区为粮食输入区，其粮食虚拟水输入量为j省级行政区从各粮食输出区输入的粮食数量与该输出区粮食虚拟水含量乘积之和，ΔAij、VWCi分别表示j省级行政区从粮食输出区i输入的粮食数量以及粮食输出区i的粮食虚拟水含量，i=1， 2…n，其中，

ΔAij=ΔAiχ

(3)

(4)

表1 我国各省域粮食虚拟水含量

地区安徽广西黑龙江江西山东天津北京贵州湖北辽宁山西虚拟水含量(m3/kg)1.282.091.401.360.751.091.001.591.271.371.06地区西藏福建海南湖南内蒙古陕西新疆甘肃河北吉林宁夏虚拟水含量(m3/kg)2.031.512.371.281.081.341.871.130.961.101.93地区上海云南广东河南江苏青海四川浙江重庆虚拟水含量(m3/kg)1.542.002.380.751.371.871.001.630.90

1.1.2 粮食虚拟水流动对水资源影响的评价指标

(1)国家层面节水量：当虚拟水从水资源利用效率高的区域流向水资源利用效率低的区域时，会在国家尺度上形成节水效应[9]，反之，则会造成水资源的浪费，具体计算公式如下：

QWj=ΔAjVWCj-VWC

(5)

其中，QWj代表因粮食调运j省级行政区所形成的节水量，正负值分别表示水资源节约和水资源浪费，ΔAj为j省级行政区的粮食调运量，VWCj、VWC分别为j省级行政区的粮食虚拟水含量和调运部分的粮食虚拟水含量(对于粮食输出区而言VWCj=VWC)，各省级行政区节水量之和即为国家层面的节水总量。

(2)水资源压力指数：即区域内需水量与区域可利用水资源总量的比值，计算公式如下：

(6)

WPj、WFj、WAj分别表示j省级行政区的水资源压力指数、需水量和可利用水资源总量。WPj越大，表示区域内承受的水资源压力越大，当WPj<1时，说明j省级行政区的水资源压力在该区域可承受范围内； 当WPj=1时，说明j省级行政区的水资源利用达到了最大值； 当WPj>1时，说明j省级行政区水资源利用已超过可利用水资源的上限[10-12]。

1.1.3 粮食虚拟水流动与经济发展评价模型

借鉴许长新等的做法，基于扩展的C-D生产函数分析区域间粮食虚拟水流动对经济发展的影响，具体模型设定如下：

GDP=A×Kα×Cβ×Wλ

(7)

式中，A为常数项，K、C、W分别表示固定资产投入、城镇化率和用水量，α、β、γ分别为各投入要素的产出弹性，对公式两边同时取对数，得到多元线性回归模型：

lnGDP=lnA+αlnK+βlnC+γlnW

(8)

根据式(8)分别测算农业、工业、服务业三大产业部门单位水资源的经济效益，假设由虚拟水流动引起的国家尺度节水量以及粮食输出区的输出虚拟水全部用于工业和服务业发展，并按照当年工业与服务业用水比例进行分配，分别计算区域虚拟水流动所带来的经济贡献份额以及无虚拟水调运情况下输出区的生产总值，定量研究虚拟水输出对经济发展的影响。

1.2 数据来源

参考前人研究成果，立足指标量化的可行性、数据的可获取性原则，搜集整理2006、2015年相关数据，其中，粮食数据、人口数据、地区生产总值、城镇化率(城镇人口占总人口的比例)、固定资产投资主要来源于中国统计年鉴(2006～ 2015)和中国农村统计年鉴(2006～2015)等国家正式发布的统计资料，水资源数据则主要引自中国水资源公报(2006～ 2015)和中国环境统计年鉴(2006～ 2015)，省际距离数据则是借鉴洪名勇等的做法，通过经纬度计算球面距离而得[13]。

2 区域虚拟水流动格局及驱动因素分析

2.1 区域虚拟水流动格局

以往研究大多假定粮食输入区获得来自各输出区粮食的机会是均等的，并将输出区粮食虚拟水含量的加权平均值作为输入区的粮食虚拟水含量，显然，该方法过于简单笼统，无法真实反映省际粮食调运情况，因此，该文将粮食输出区与输入区的距离变量纳入研究框架，分别计算各省级行政区之间的粮食调运系数(表2、表3)，并通过式(3)对各省级行政区之间的粮食调运方向和调运量进行细化(表4)。

表2 2006年引力法核算的省域粮食调运系数

省份黑龙江吉林河南内蒙古安徽山东湖南江西江苏新疆辽宁河北宁夏湖北西藏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重庆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甘肃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贵州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陕西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广西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广东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粮食调运系数

省份黑龙江吉林 河南内蒙古安徽新疆山东江西宁夏湖北 辽宁河北甘肃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 江苏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 重庆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 贵州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 陕西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 广西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 广东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年我国省际粮食贸易的虚拟水流量关系矩阵

由表4可以看出， 2015年我国省际粮食调运规模有所增大，调运比例达到19.6%，相应的虚拟水贸易量为1 462亿m3，与2006年(910亿m3)相比，省际粮食虚拟水流动更加频繁。其中，虚拟水输出区主要分布在我国的东北、华北以及长江中下游地区，以黑龙江为代表的虚拟水输出量为644.09亿m3，输出比例高达72.7%，对保障我国粮食安全和水安全具有重要意义，而虚拟水输入区则主要集中于我国东部沿海地区和西部欠发达地区，前者主要由于工业化、城镇化进程加速引起的，后者则与其农业资源利用方式粗放、水资源利用率极低有关，也就是说我国粮食虚拟水主要是由贫水的北方向富水的南方流动，这种相悖于虚拟水战略的水资源逆向流动必将导致北方水资源短缺形势更加严峻，特别是华北地区，仅仅30多年该地区已形成世界上最大的地下水漏斗，成为严重缺水地区之一。同时，需要注意的是，近年来我国虚拟水输出区的范围在不断缩小，从2006年的14个变为2015年的12个，江苏省和湖南省已经由虚拟水输出区转变为输入区，河南、山东、宁夏、江西、辽宁、河北等的虚拟水输出量也出现大幅度下降趋势，粮食虚拟水输出有进一步向黑龙江等输出大省集中的趋势，而这种虚拟水输出的过度集中势必加剧输出区的资源和生态环境压力[14]，也不利于分散生产风险，保障国家粮食安全。

2.2 区域虚拟水流动驱动因素分析

虚拟水流动是多种因素综合作用的结果，该文主要从以下几个方面对其进行成因分析。

(1)自然属性角度：耕地作为一种稳定性较好的自然资源，较大程度上限制了区域农业的发展，从目前我国耕地资源分布状况来看，西部和北部较为丰富，但西部地区由于生态环境脆弱同时随着退耕还林还草计划的实施，其粮食需求主要通过区际调运来实现，由此形成我国粮食增长极进一步“北上”的格局； (2)资源优化配置角度：考虑到耕地资源的束缚，目前我国虚拟水流动格局很难改变，但基于水资源具有流动性的特征，通过规划南水北调工程切实缓解了北方地区水资源短缺问题，换句话说，南水北调工程是虚拟水战略实施的必要条件和重要驱动力； (3)经济属性角度：从我国现行经济体系来看，耕地资源和水资源的经济价值存在较大差异，耕地资源的经济重要性远高于水资源，由此形成虚拟水流动更大程度上取决于耕地资源这一限制因子，基于南方地区工业化、城镇化发展较快，农业生产用地的机会成本较高，加之当前我国存在水资源定价偏低现象，在长期决策过程中水资源始终未被置于优先考虑地位，由此形成虚拟水北水南调格局。基于这种反常的资源掠夺性转移，同时考虑到近年来我国虚拟水输出区不断萎缩，有必要进一步考察虚拟水流动对输出区的影响，以期为保障我国粮食安全和水安全提供有益借鉴。

3 虚拟水流动的资源、经济效应初探

3.1 虚拟水流动的水资源效应分析

我国粮食输出区的虚拟水含量为1.27m3/kg，输入区的虚拟水含量为1.56m3/kg，输出区相对于输入区而言具有更高的水资源利用效率[15]，输出区每向输入区调运1kg粮食就会在国家层面上形成0.29m3的节水量， 2015年粮食虚拟水流动在国家层面上共形成276亿m3的节水量，其中，广东省的节水效应最大(图1)，达到160.57亿m3，一方面与广东省粮食输入量较大有关，另一方面，广东省自身的粮食虚拟水含量高达2.38m3/kg，相较于其他输入区而言每输入一单位粮食具有更大的节水空间。值得注意的是，对于北京、天津、四川、重庆等粮食输入区而言，虚拟水的输入反而会造成国家层面上的水资源浪费，这主要是由于这些地区本身水资源利用效率较高，平均粮食虚拟水含量仅为0.99m3/kg，而以新疆、宁夏等为代表的输出区虚拟水含量分别为1.87m3/kg和1.93m3/kg，相较于这些区域而言，虚拟水从水资源利用效率低的区域向水资源利用效率高的区域流动，从而在国家层面上造成了水资源的浪费，因此应重点提高新疆、宁夏等粮食输出区的水资源利用效率，从而提供更大的节水空间。

图1 国家层面上粮食虚拟水流动引起的节水量

此外，必须认识到粮食虚拟水的省际流动在国家尺度上形成节水效应的同时，也进一步加剧了输出区的水资源压力[16]，由式(6)计算可得， 2015年我国粮食输出区的水资源压力指数为1.2，也就是说，粮食输出区的水资源总需求已经超出该区域水资源总量，其中，水资源压力最大的是宁夏，压力指数高达7.6，属于水资源严重过度使用区。若假定粮食输出区仅生产供自己区域所需的粮食，即虚拟水输出量为0，则2015年输出区的水资源压力指数将下降到0.84，水资源使用属于区域可承受范围内。可见，粮食虚拟水输出是造成输出区水资源过度开采的主要原因。

3.2 虚拟水流动的经济效应分析

以农业部门为例，对式(8)进行多元线性回归，得到2006～2015年我国农业部门的水资源经济效益函数：

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

水资源的回归系数γ=0.549，说明2006～2015年水资源对农业经济的贡献率为0.549，以2015年为基准年，当农业用水量增加1%(38.52亿m3)时，我国农业当年产值将提高0.549%(334.18亿元)，由此可以得出， 2015年我国单方农业用水的经济效益为8.68元/m3，同理可以得到工业和服务业部门的用水经济效益，如表5所示。

表5 2015年我国三大产业部门单方水资源经济效益 (元/m3)

产业部门农业工业服务业单方水资源经济效益8.6845.61198.85

图2 2006年和2015年虚拟水输出区农业用水比重变化规律

在不考虑各产业部门用水技术效率的改变以及规模报酬递减规律的情况下，假定通过虚拟水贸易节约下来的水资源全部用于工业和服务业部门，并按照当年工业与服务业用水比例进行分配，则这部分水资源将产生2.836 6万亿元的经济效益，约占当年国内生产总值的4.13%。同样，若将输出区的粮食虚拟水输出量全部用于其自身的工业和服务业发展，则输出区的地区生产总值将由28.597 4万亿元增加到42.675 9万亿元，增长幅度达到49.2%，可见，虚拟水的输出对输出区经济发展形成了巨大的阻碍作用。通过虚拟水贸易输出区虽获得了一定的收益，但却付出了更大的经济代价，粮食产品相对于工业及服务业收益来说存在明显的价格劣势，输出区放弃了水资源用于非农生产所获得的机会成本，从而在经济上与输入区形成落差，某种程度上可以说输出区在用水土资源支持了输入区的工业化和城市化进程，而其自身的经济发展却受到了抑制。粮食作为一种高耗水低收益产品，在区域可利用水资源有限的情况下，输出区存在将粮食生产用水转变为其他高收益产业用水的可能，图2进一步验证了这一结论，可以看到，除黑龙江、吉林、新疆农业用水比重保持上升趋势外，其余省份均存在农业用水转移现象，其中，山东、河南、辽宁、宁夏等产粮大省的农业用水比重下降最为严重，可能与其受虚拟水输出影响程度较大有关。显然，区域粮食虚拟水流动虽然在国家尺度上形成了可观的经济效益，但却严重阻碍了输出区的经济发展，这将可能成为未来虚拟水战略的巨大隐患。

4 结论与讨论

4.1 结论

通过引入距离分量细化各省级行政区粮食调运的来源与去路，探讨了2006、2015年我国省际粮食虚拟水空间流动格局及其生态效应和经济价值，从而修正了因省际粮食贸易数据缺乏引起的偏误，研究结论如下。

(1)与2006年相比，我国省际粮食虚拟水流动更加频繁，其中，输出区主要分布在我国的东北、华北以及长江中下游地区，输入区则主要集中于东部沿海地区和西部欠发达地区，整体表现出由北向南的逆向流动格局，但近年来输出省份的范围不断缩小，部分输出区已转变为输入区，有近50%的输出省份虚拟水输出量大幅下降，虚拟水输出有进一步向黑龙江等产粮大省集中的趋势。

(2)水资源并非是影响虚拟水贸易最关键的因素，耕地资源禀赋、资源优化配置以及经济发展水平对虚拟水的影响作用也是不容忽视的。

(3)相对于输入区而言，输出区具有更高的水资源利用效率， 2015年粮食虚拟水省际流动在国家层面上共形成276亿m3的节水量，对国内经济增长的贡献份额达到2.836 6万亿元，但虚拟水的输出使输出区水资源压力指数由0.84(假设输出区粮食虚拟水输出为0)上升到1.20，地区生产总值由42.675 9万亿元(假设用于输出的粮食虚拟水全部转变为工业用水和服务业用水)减少到28.597 4万亿元，输出区承受了巨大的资源、生态和经济压力。

4.2 讨论

为了扭转这一不利态势，需要同时兼顾水资源节约与区域经济发展的双重目标，可以考虑在提高水价的同时辅之以适当的财政补贴，一方面可以促使农户自觉采用节水技术或者通过调整种植结构等手段进行节水，同时能够保证农户的收益得到一定的帕累托改进。此外，应重点抓好虚拟水输出区的农业节水工程建设，加大节水技术开发，改造落后灌排工程，缓解因虚拟水输出造成的水资源压力和生态破坏； 最后，应尽快实施区际农业生态补偿的横向转移支付，包含对输出区农业生态环境保护、占用农业资源使其牺牲发展机会成本、农业产业化建设投入成本及农业基础设施建设扶持成本，从而提高输出区的经济收益。

需要说明的是，虚拟水理论的主要依据是水资源禀赋和水资源利用效率，并假设富水地区在粮食生产方面具有经济上的比较优势，但就我国北水南运的虚拟水流动格局而言，水资源并非是影响虚拟水贸易最关键的因素，因此，“虚拟水战略”在解决我国粮食安全和水安全问题方面具有特殊性和局限性，对其作用的客观评价及其适用性是作者今后研究的重点。