农产品水危机与虚拟水国内外研究综述

□杨 扬，闫秀敏

（河南科技学院 河南 新乡 453000）

我国水资源总量丰富，但人均水资源少且分布不均衡，因此我国被世界银行列为全球最缺水的13 个国家之一。在缺水背景下，我国在城镇化、工业化进程中还出现了水资源浪费、水资源污染、生态环境破坏等严重的水资源安全问题。现阶段，水资源危机制约我国农业经济发展、威胁我国粮食生产，成为我国亟待解决的问题。

虚拟水的概念于2002 年由中国科学院院士程国栋引入我国，为我国进行农业水资源的研究提供了新方向。为了优化我国水资源配置模式，应对粮食水资源危机，提高农业水资源管理水平，有必要对虚拟水的起源与发展有所认识，并对我国现阶段虚拟水研究进行分类梳理，识别出研究的关键与不足。

1 虚拟水国际研究历程

1.1 虚拟水的起源及初步发展时期

20 世纪80 年代，以色列学者指出当时以色列粮食出口消耗了其国内大量水资源，并提出通过增加粮食进口比例减少国内水资源压力的建议。Allan 教授对中东地区粮食进出口现状进行评价，并以嵌入水的概念形容农产品生产过程的耗水量。国外其他学者也曾分别提出过外来水以及水、粮食和贸易结合体的概念，来表达类似的含义[1]。这些都为虚拟水概念的提出奠定了良好的基础。

20 世纪90 年代，Allan 教授正式提出虚拟水的概念，之后相继界定了虚拟水贸易、虚拟水战略等概念的含义。虚拟水是指产品生产过程尤其指在农产品生产过程中所使用的全部水资源，包含实体水与间接水两种类型。虚拟水贸易是指水资源以商品为载体在国际间流动，以实现水资源的二次配置。虚拟水战略是指缺水国家或地区以虚拟水贸易的方式减缓国内水资源压力。

虚拟水相关概念及理论以资源替代、资源流动理论为前提，以比较优势理论为基础。水资源是一种稀缺的生产要素。在水资源危机严重的地区，增加劳动力等资源替代稀缺的水资源，生产低耗水产品，能够有效减少区域水资源的投入量。以产品为载体，水资源以虚拟水的形式在不同地区间流动，从而实现资源的优化配置。

与工程调水相比，虚拟水由于依托商品作为载体，不仅易于运输而且运输成本低廉[2]。基于比较优势理论，在水资源丰富的国家，应该出口高耗水的产品，进口低耗水产品；在水资源匮乏的地区，应该进口高耗水的产品，出口低耗水的产品，这有利于区域水资源安全。

虚拟水对缓解世界水资源危机具有重要意义。为此，其提出者Allan 教授于2008 年被授予“斯德哥尔摩水奖”。在虚拟水理论发展初期，其主要应用并局限于农业领域，研究区域主要集中在严重缺水的中东地区。经过近10 年的奠基研究，虚拟水理论对平衡与保护区域、国家及全球水资源的理论与现实意义渐渐受到国内外学者重视，虚拟水理论进入高速发展时期。

1.2 虚拟水的高速发展时期

21 世纪初至今是虚拟水理论及应用的高速发展时期。

1.2.1 水足迹概念提出

2002 年荷兰Hoekstra 教授在第一次虚拟水贸易国际专家会议上提出了水足迹的概念。水足迹的概念基于21 世纪前虚拟水理论的相关研究与生态足迹的概念，指的是日常生活中公众消费产品及服务过程所耗费的全部水资源，不仅包括消费者或者生产者的直接用水，也包括产品供应链上提供的间接用水。

水足迹概念主要包括蓝水足迹、绿水足迹与灰水足迹3 种。蓝水足迹指人类消费的地表水和地下水的水量，在一定前提下，蓝水足迹指实体水耗水量。绿水足迹一般用来测算农产品在生产过程中蒸腾的雨水资源量。灰水足迹为将一定的污染负荷吸收同化到相应标准所需的淡水体积。

农产品是人类必须的消费品，也是其他部门必要的生产原料。水足迹计算了生产部门、消费部门与供应链上的用水，这就将生产部门与消费部门联系起来，增强了虚拟式理论的实用性。

根据研究对象及范围的不同，水足迹又可细分为产品水足迹、个人水足迹、区域水足迹以及国家水足迹4 种。

水足迹核算方法分为自下而上与自上而下两种。考虑到计算的可行性与简易性，一般采用自上而下的计算方法。因为将供应链上耗水量计算在内，水足迹核算结果一般大于虚拟水含量核算结果。

1.2.2 国际影响扩大

虚拟水的概念及意义受到了与水资源相关的国际组织的高度重视。世界自然基金会（WWF）对水足迹的概念进行肯定，并曾在报告中引用国家水足迹这一概念。荷兰国际水文和环境工程研究所（ABB）为产品虚拟水含量定量计算作出了贡献。世界水资源委员会（WWC）等组织曾共同对虚拟水贸易流量进行了研究[3]。联合国粮农组织（FAO）研究确立了一套关于农作物产品计算的标准体系，设计出了专门用以农产品虚拟水含量的CROPWAT 软件，并在官网上开放数据库，方便各国学者调用国际数据。

2002 年，第一次虚拟水贸易国际专家会议在荷兰召开，这是国际上第一次与虚拟水相关的重大专家会议。水足迹概念的问世及虚拟水计量方法的交流与统一是该次大会突出的两项内容[4-5]。以此次会议为开端，各项与虚拟水、水足迹、虚拟水贸易等内容相关的重大国际会议在世界各地举行，其中最具国际影响力的会议是世界水论坛。

第三届世界水论坛大会上，虚拟水的创新得到认可和好评，我国水利部部长汪恕诚亦出席了会议并发表讲话。第四次世界水论坛会议上，虚拟水作为干旱与半干旱地区水资源管理的一种手段被提出，受到了广泛关注。第五届世界水论坛的主题为“架起沟通水资源问题的桥梁”，虚拟水作为水资源管理的一种方法受到重视。

随着国内水资源安全问题的加剧，我国对虚拟水理论实际应用的重视程度不断提升。2018 年11 月中国水论坛在安徽省黄山市举办。在这次论坛上，河海大学赵旭教授对虚拟水贸易作用下我国省际间以农产品为载体的水压力转移相关研究作学术汇报，西北农林科技大学刘艺琳教授发表了关于西部六省主要作物产品实体水消耗与虚拟水流动评价的演讲。

1.2.3 实证范围扩大

随着虚拟水理论在中东地区的成功应用，其学术价值逐渐得到国内外学者的广泛认可，大量与其相关的科研成果涌现。其实证范围由中东地区扩展到了世界各地，其研究区域包括但不限于沙特阿拉伯、埃及、日本、非洲、孟加拉国等人均水资源占有量少的国家或地区，以及美国等水资源丰富的国家或地区，但研究领域依旧以农业为主。

Wichelns 以沙特阿拉伯的小麦生产为例，提出在水资源严重短缺的地区，小麦自给自足政策不仅减少了虚拟水贸易总量，还增加了水资源的压力[6]。

El-SadekA 基于埃及农作物生产及农产品国际贸易指出，埃及现阶段虚拟水进口量占国内水资源总量比例较高，这虽然减少了国内水资源的消耗，但对国家粮食安全有负面影响[7]。

Lee S H 以日本稻米为例，指出在虚拟水理论指导下的跨界水管理中，不仅要考虑流域等水资源限制，还要考虑农产品生产与消费限制[8]。

Souissi A 计算了非洲突尼斯地区不同生物气候阶段小麦和橄榄的虚拟水含量，以外汇最大化、耗水量最小化为模糊目标进行配置，给出了鼓励湿润和半湿润地区进行小麦生产、干旱和半干旱地区进行橄榄生产的政策建议[9]。

P.Olivera Rodrigueza 利用卫星数据评估了南美阿根廷潘帕斯地区大豆作物的绿水足迹，并对其进行了评价[10]。

2 我国虚拟水研究现状

我国在虚拟水方面的研究至今不足20 年，但研究进展迅速。在中国知网搜索界面中，以虚拟水为搜索关键词，在来源中选择SCI、EI、核心期刊、CSSCI，得到文献近600 篇，且研究重点在农业领域。

将该领域相关文献按内容划分，大致可分为虚拟水含量的核算、虚拟水相关影响因素的研究以及虚拟水理论的实际应用3 方面，其中虚拟水理论的实际应用是研究重点。

2.1 虚拟水含量的核算

2.1.1 农作物产品虚拟水含量核算

农业部门虚拟水含量测算是虚拟水研究重点。目前我国学者普遍应用我国气象局和统计局公布的数据，并借助CROPWAT 软件进行农产品虚拟水含量测算。据崔红艳对白城市农作物水足迹的研究，白城市绿豆、葵花籽水足迹含量较高，甜菜、蔬菜和瓜果水足迹含量较低[11]。齐娅荣等通过测算得出，宁夏春小麦在虚拟水含量与经济效益上均占有优势，可作为该地区农业虚拟水战略作物[12]。

2.1.2 畜牧产品虚拟水含量核算

畜牧产品虚拟水含量核算包括活体动物虚拟水含量、活体动物各部位虚拟水含量以及加工后畜牧产品虚拟水含量3 种。畜牧产品虚拟水含量核算方法，如图1 所示。

活体动物虚拟水含量除了要计算其饮用水量、服务水量外，还应计算生产活体动物饲料所需的水资源数量。活体动物各部位虚拟水含量计算值等于活体动物虚拟水含量与其相应部位的虚拟水含量系数的乘积。加工后畜牧产品虚拟水含量为投入加工领域的活体动物虚拟水含量或活体动物各部位虚拟水含量再加上加工畜牧产品用水数量。测算可得，我国禽类猪肉等畜产品虚拟水含量不断增加，且虚拟水含量北多南少、分布不均[13]。

2.1.3 其他产品虚拟水含量核算

在一些工业产品的生产中，农产品充当着生产原料的作用。工业产品虚拟水含量的核算一直以来都是虚拟水含量测算研究难点，已知的方法大概有投入产出表、生产树以及用水定额法3 种。构造投入产出表，可核算工业和服务业虚拟水量。按照工业生产过程，将各类用水进行加和来核算工业品虚拟水含量。3 种方法中，最简易的是用水定额法，该方法利用万元工业产值耗水量与工业总产值的乘积计算区域工业虚拟水含量。

虚拟水进出口量等于进出口产品数量乘以产品单位虚拟水含量，虚拟水的总进口量减去总出口量，即为虚拟水的净进口量。现阶段，我国农产品在国际市场处于贸易逆差状态。减少的农业生产用水转移到工业等其他行业，不仅保护了我国水资源安全，还提高了我国经济收益[14]。

2.2 虚拟水相关影响因素的研究

第一，农产品虚拟水含量影响因素。与农作物产品虚拟水含量相关的影响因素差别不大，主要影响因素为土壤、气候、降雨等因素[15]。依据区域特有经济地理条件选择农产品种类，对区域经济与环境可持续发展具有重要意义。

第二，虚拟水格局的影响因素。虚拟水消费格局整体表现为城镇居民高于农村居民[16]，其差异的影响因素为人口规模、人均食物消费量、食物消费结构[17]。虚拟水理论对消费结构的指导主要体现在鼓励人民多消费粮食等虚拟水含量低的产品、少消费肉制品等虚拟水含量高的产品，从全新的角度节省水资源。袁国丽采用结构分解模型得出，对虚拟水贸易进口格局影响程度最大的是规模效应，其次是结构效应与强度效应[18]。熊航等采用逐步回归法得出粮食产量等变量对虚拟水进口量与出口量具有显著正向影响，农产品贸易对虚拟水国际贸易格局具有重要影响[19-20]。

第三，虚拟水流动产生的影响。虚拟水以粮食为主体在区域间进行流动，会对水资源[21]、区域经济以及生态环境[22]等因素产生正向或负向的影响。

2.3 虚拟水理论的实际应用

2.3.1 在利用效率及可持续性等方面的评价

在虚拟水理论视角下，比较常用的评价方法包括主观评价法、客观评价法、综合赋权法、不确定性评判法、协调度法以及多变量分析法6 种。

融合主客观因素的综合赋权法，结合了主观评价法中专家打分评判的与客观评价法利用数学原理为变量赋值的特点，更具科学性。雷宏军等采用综合赋值法对郑州市农业用水安全进行评价，得出制约水安全的主要因素排序为满足程度、生产效率、粮食安全指数以及地下水位[23]。

不确定性评判法中，以灰色预测应用最为普遍。李健根据虚拟水理论对农业虚拟水含量进行测算，结合数据对未来灾变情况进行预测[24]。

协调度法中，目前以耦合分析、协调分析以及耦合协调分析应用最为普遍。吴普特等以我国丝绸之路沿岸六省为研究对象，构造主要农作物实体水-虚拟水耦合评价模型，得出资源消耗与经济增长之间处于失调状态的结论[25]。

多变量分析法的核心在于分类和降维，与之相关的分析方法有多维标度法、因子分析与聚类分析。吴普特等采用多维标度方法将选取的多重变量降维分类后，对农业用水水质进行评价[26]。降维方法使得与水质相关的信息易于观察和挖掘。

2.3.2 对生产结构的指导

虚拟水理论对生产结构的指导主要在农业生产领域。一般在虚拟水视角下测算相关研究对象的虚拟水含量，再以研究目标为指引，对农业生产提出相应要求。按照调整目标分类，分为单目标决策、多目标决策以及全目标决策3 种。

单目标大致有根据需求确定供给、农业经济效益最大化[27]、水资源消耗最小[28]3 种。单目标决策模型针对迫切需要解决的问题，提出的结论简单且直观，但是对于整个水资源系统而言，仅仅针对一个子系统的结论与建议略显片面。

现今我国研究的重点为兼顾包括经济、生态等多重目标在内的模型，并求出满足目标和约束条件的结果，例如以水资源消耗量最小、农业经济效益最大等为约束的多目标优化模型[29]。该模型的缺点是模型结果对研究区域整个系统及系统中其他子系统的影响一般不可预测。

全目标决策模型即综合模型。综合模型一般考虑研究区域内与研究问题相关的所有大的方面，通过模拟仿真考虑其对整个系统的影响。由于水资源的开放性、联动性以及复杂性的特征，综合类模型对于处理与其相关的问题具有天然优势，但是目前我国相关研究较少。

2.3.3 虚拟水战略

杨雅雪指出，农业水足迹是虚拟水贸易的最主要影响因素[30]。据水资源公报数据，在仅考虑农产品蓝水足迹的前提下，生产农产品用水量占我国全年总用水量的6 成左右。从农产品生产、消费、贸易等角度，实施虚拟水战略对我国水资源安全具有重要意义。

2003 年以来，我国农产品在国际市场处于逆差状态，进口来的粮食不仅满足了我国人民生存需要，还节省了我国水资源的消耗[31]。虚拟水战略不仅适用于国际间，也适用于区域之间。我国北京市属于水资源严重短缺城市，其中农业用水最高的年份农业用水量占全市总用水量的70%左右。降低农产品生产比例，调节农产品产业结构，致力于发展观光、绿色农业，是实现北京地区水资源可续发展的必由之路[32]。

3 虚拟水研究不足及展望

3.1 增加对虚拟水领域的各方面研究

中国知网全库收录的以“水资源”为关键词的文献数量约为28.35 万篇，而以“虚拟水”为主题的文献数量约1 400 篇，占比不足0.5%。选用代表性文献分析可知，我国在农业生产方面的相关研究，研究对象主要是蓝水，对绿水及灰水的关注度不高。在除农业外其他行业的研究中，以投入生产的实体水为主，没有考虑到供应链耗水等的虚拟水效应。由此可知，现阶段我国对水资源的研究仍属于狭义的水资源研究，我国在虚拟水含量的测算、虚拟水的影响因素、虚拟水理论的实际应用等方面需加强研究。

3.2 考虑农产品虚拟水贸易的多重影响

现阶段，我国农产品虚拟水贸易的研究主要放在了水资源安全上，对生产和消费方面提出的相关政策建议是生产且出口虚拟水含量少的农产品消费、进口虚拟水含量多的农产品，以减少因农业生产导致的区域水资源压力。孙才志研究指出，水资源、土地资源以及经济等因素对农产品虚拟水地区差异均有影响[33]。在制定虚拟水战略时，应将区域特有的政治、经济、文化、地理等实际情况与虚拟水战略的具体内容相结合，而不是将虚拟水贸易与虚拟水战略独立出来[34]。

3.3 提高人们对虚拟水效应的认知

基于虚拟水理论，人不仅在饮用和洗漱时会消耗水资源，在消费农产品等产品时也会消耗大量的水资源。因此，从微观层面研究消费者消费意愿的形成与改变，以及虚拟水理论的普及与推广机制，对我国水资源可持续发展具有重大意义。

3.4 加强与水资源空间分布一致的农业产业结构调整研究

水资源分布不均衡是威胁我国粮食生产安全的一大问题。我国水资源分布呈现夏多冬少、东多西少、南多北少的特点，但我国现阶段虚拟水视角下关于农业产业结构调整的研究，小范围以一县[35-36]、一市[37]、一省[38-39]为研究对象，中范围以一流域[40-41]为研究对象，大范围以一国[42-43]为研究对象，与水资源空间分布一致的研究较少，需要进一步加强。