中国粮食省份间流通及对虚拟水土资源的影响

杨婷婷，张雪妮，高 翔，胡起源，王琦涵，伦 飞，陈晓琳

（1. 中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100193；2. 北京师范大学地理科学学部, 北京 100875；3. 中国人民大学公共管理学院, 北京 100872）

粮食安全是21 世纪影响全球可持续发展三大问题之一[1]。作为全球人口最多的国家，我国2016 年贫困人口高达4 335 万[2]，成人营养不良率达6.0%[3]，这表明我国仍面临着严峻的粮食安全问题。随着人口持续增加和社会经济不断发展，如何在有限的资源下更好地保障粮食安全，已成为影响我国可持续发展的关键问题之一。

水资源和土地资源是人类赖以生存的物质基础，也是保障国家粮食安全和社会经济发展的基础[4]。我国水土资源相对短缺，人均水资源和耕地资源量远低于世界平均水平，同时，我国水资源和耕地资源时空分布不均，环境污染严重[5-6]。2016年，我国农业用水量达3 768.0 亿m3，占用水总量的62.4%[7]，加之我国农业用水效率低、污染严重等问题，使得农业水资源的供需矛盾日益尖锐[8]。同时，我国工业化和城镇化的快速发展，使得耕地非农化趋势十分严重[9]，耕地数量和质量的下降必然威胁着国家的粮食安全。未来人口的持续增长，必然会导致粮食生产和社会经济发展对水土资源需求的矛盾进一步加剧。如何充分利用有限的水土资源，保障国家粮食安全和社会经济协调发展，已成为我国可持续发展研究的热点问题[10]。

然而，人口数量、资源禀赋、社会经济发展的空间差异性，使得区域粮食供需不匹配，而区域间的粮食流通则可以调节粮食供需，从而实现多区域的粮食安全，这必然会对区域的资源利用产生影响[11]。合理的粮食流通能够提高资源利用效率，缓解资源短缺的问题，利于社会经济的可持续发展；反之，则不利于资源的持续利用，影响社会经济的可持续发展[12]。因此，基于虚拟资源流动的视角下，开展我国省份间的粮食流通对水土资源影响研究，对于更好地实现国家粮食安全、资源有效利用和社会经济发展具有重要的意义。

国内外学者对粮食流通的水土资源影响研究已经取得了很好的成果，目前主要是基于虚拟资源流动的角度，利用“水足迹”和“土地足迹”的概念，探讨粮食流通的“虚拟水”和“虚拟土”流动情况。Hoekstra 和Hung[13]于2002 年首次提出了“水足迹”的概念，并将其定义为“任何已知人口一定时期内消费的产品和服务所需要淡水资源的数量”[14]，包括蓝水足迹和绿水足迹[15]，而“虚拟水”则是研究“流通商品所隐含的水资源流动量”[16]。基于上述方法，国内外学者研究了粮食流通对水资源的影响，例如，龚宇等[17]估算了我国进口粮食的虚拟水含量，而Zhuo 等[18]则利用投入产出的方法研究了我国省份间的粮食流通对水资源的影响，结果表明：适当地进口粮食可缓解我国水资源的压力，但我国北粮南运则在一定程度上加剧了我国水资源的不平衡；丁雪丽等[19]基于省份间粮食流通的虚拟水流动格局，分析了虚拟水流动对我国资源、环境和经济的影响。此外，国内外学者基于“虚拟水”的方法，提出了“虚拟土”的概念，并将其定义为“在商品和服务生产过程中所需要的土地资源数量”[20]。基于这一概念，国内外学者研究了粮食流通对土地资源的影响，例如，有学者估算了我国农产品进出口所导致的“虚拟土地”流通情况，并指出粮食进口有利于我国土地资源利用效率的提高，但不能完全解决我国耕地资源短缺的局面[21-22]；Chen 等[23]重点探讨了我国小麦(Triticum aestivum)流通对耕地资源的影响。尽管目前研究已经取得了很好的成果，但主要集中于国家之间的粮食贸易，而对于省份之间的研究相对较少；同时，目前研究往往仅考虑了口粮部分的流通，饲料粮、酿酒、播种等的流通研究相对较少；此外，粮食流通对水土资源影响综合研究相对较少，研究往往仅从单一角度开展研究。

因此，为了更好地研究我国省份间粮食流通对水土资源的影响，综合考虑我国31 个省份(不含香港、台湾和澳门)粮食供需情况(口粮、饲料粮、酿酒和播种)，通过运费最优的线性优化模型，估算我国省份间粮食流通情况，并利用“虚拟水”和“虚拟土”的方法，得到省份间粮食流通所隐含的水土资源流动情况，进而基于虚拟资源流动的角度，探讨粮食流通对我国水土资源的影响，从而为更好地保障我国粮食安全和水土资源可持续利用提供参考。

1 研究方法及数据来源

1.1 粮食流通研究

目前粮食流通主要针对国际贸易研究，而省份间的研究则相对较少，这主要是由于省份间的粮食流通数据难以直接获取[19]。粮食流通是由粮食供需情况、粮食价格、运输费用等因素所决定的[24-25]。中国农业可持续发展决策支持模型(CHINAGRO 模型)是中国农业空间均衡模型，是消费者效用最大化的数学优化模型[26]，故综合考虑生产、贸易、资源等约束条件，CHINAGRO 模型可用于模拟区域间粮食流通[27]。因此，本研究基于CHINAGRO 模型中消费者效用最高为优化目标的思想，不考虑省份间粮食品种、质量、价格等差异，以运输费用最低作为消费者效用最高，将其作为优化目标，并综合考虑我国不同省份粮食供需情况，根据粮食结余量或亏空量，综合前人的研究结果[27-28]，采取线性优化的方法，模拟得到不同省份间的粮食流通情况；同时，本研究将粮食的进出口及库存作为第32 个省份纳入模型进行考虑，以弥补前人未对粮食结余或不足的考虑。在本模型中，各省份生产的粮食优先满足本省的消费，若存在结余则运往其他省份，反之则需要从其他省份调入粮食；同时，全国生产的粮食优先满足本国的需要，多余或不足部分则与第32 个省份发生流通，且第32 个省份与其他省份间的运费远高于其他省份间的运费。基于上述假设，本研究利用MATLAB，基于linprog (f, A, b, Aeq, beq, lb)线性优化函数，得到我国不同省份之间的粮食流通量，具体的计算公式如下：

式中：Si为各省粮食产量；Dj为各省粮食消费总量，包括口粮、饲料粮、酒类和播种；Cij为从省份i运往省份j的单位粮食运输成本；Zij为从省份i运往省份j的粮食流通量。

选取统计年鉴中的粮食作为研究对象，且利用高守杰等[29]综合分析水运、路运和铁路运输等不同运输方式研究得到的各省份之间的最低运费成本；粮食生产主要考虑小麦、玉米 (Zea mays) 和水稻(Oryza sativa) 的生产，数据来源为《中国统计年鉴2017》[30]。粮食消费包括口粮、饲料粮、酿酒和播种，其中，口粮消费是基于《中国住户调查年鉴2017》[31]中家庭消费的结果，并利用FAO 的数据(www.fao.org)进行校正得到的；饲料粮消费是根据不同动物性产品产量及其料肉比得到的，其中，动物性产品的数据来源于《中国统计年鉴2017》[30]，包括猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、蛋类及水产品，而料肉比是利用辛良杰等[32]对各省份的估算结果；酿酒的粮食消费量是根据各省份酒类(白酒和啤酒)的产量及其单位用粮数得到的，其中白酒和啤酒的单位用粮量分别为1 ∶ 2.3 和1 ∶ 0.172[19]，白酒和啤酒的产量来自《中国食品工业年鉴2017》[33]；播种用粮是根据粮食播种面积及其单位播种量得到的，其中水稻、玉米和小麦的单位播种面积的用粮量分别为75、75 和150 kg·hm-2[19]，数据来自于《中国统计年鉴2017》[30]。

1.2 粮食流通隐含的水土资源流动情况

基于“虚拟水”和“虚拟土”的概念，研究了我国省份间粮食流通所产生的水土资源流通情况，具体计算方法如下：

1.2.1 粮食流通的水资源流动情况

基于粮食流通生产端和消费端的水足迹结果，结合粮食流通量，得到了我国省份间粮食流通所隐含的水资源流动情况，其中各省份粮食生产的水足迹是利用吴普特等[34]通过CROPWAT 模型计算得到的结果，而进出口或库存部分粮食的水足迹则为中国粮食平均生产水足迹[34]和全球粮食平均生产水足迹[35]的平均值，分别为蓝水0.348 m3·kg-1，绿水0.942 m3·kg-1。

1.2.2 粮食流通的土地资源流动情况

借鉴前人[24]的研究方法，通过估算粮食流通量、粮食产量、粮食播种面积等相关数据，得到全国各省份粮食生产的“土地足迹”，结合粮食流通情况，便可以得到粮食流通的土地资源流动情况，具体的计算公式如下：

式中：LSi、LDj分别表示生产端和消费端省份i、j单位耕地的粮食生产量；Pi、Pj表示省份i、j的粮食生产量；Si、Sj表示省份i、j的粮食播种面积；Ti,j表示省份i与j之间的粮食流通量；VLTSi,j、VLTDi,j分别表示从生产端和消费端估算的粮食流通所引起的土地资源流动情况。

1.3 粮食流通对水土资源影响的研究

通过比较粮食流通在其生产端和消费端的水土资源需求情况来研究粮食流通对水土资源影响，其中，如果生产端所需要水资源或土地资源量小于其消费端所需的资源量，省份间的粮食流通能够有效地提高全国的水资源或土地资源的利用效率，有利于我国水土资源的节约；反之，则表明省份间的粮食流通在一定程度上降低了我国水资源或土地资源的利用效率。具体公式如下：

式中：TWB、TLB分别表示粮食生产端和消费端所需水资源和土地资源的差值。WFTSi,j和WFTDi,j分别表示从生产端和消费端估算的粮食流通所引起的水资源流动情况。

2 研究结果

2.1 粮食供需情况

2016 年，我国粮食生产基本可以满足本国消费，且略有结余，结余量为7.91 × 107t。随着我国社会经济的发展，动物性产品在食物消费中的比例不断提高，而口粮消费量不断减少，使得饲料粮已成为我国粮食消费最重要的部分(57%)，是影响我国粮食安全的首要因素[32,36]。我国口粮消费的比重为34%，而酿酒消费的粮食量达到了3.67 × 107t，占粮食消费总需求的7%。

我国各省份的粮食生产和消费情况存在较大的差异(图1)。山东的粮食消费量最大，达4.81 × 107t，占全国粮食总消费量的9%；其次为河南和四川；西藏和青海粮食消费量最低，仅为山东的3.4%左右。我国大部分省份的饲料粮消费高于其口粮消费，但北京、天津、上海和西北地区的部分省份则不同，这主要是因为北京、天津和上海等地的经济发达，养殖业相对较少，粮食消费主要以口粮消费为主，而西北地区由于当地传统饮食习惯和粗放的牲畜饲养方式，使得饲料粮消费相对较少。四川是我国重要的粮食酿酒生产基地，2016 年酿酒消费的粮食达到了8.45 × 106t，占其粮食总消费的21%；山东和河南酿酒粮食的消费量也相对较高，均超过了3 × 106t；北京地区酿酒消耗的粮食比重也相对较高，达到24%。

图1 2016 年我国各省份粮食消费情况Figure 1 Grain consumption in different provinces in China in 2016

我国13 个粮食主产区主要位于东北、华北、华中等地区，其粮食产量占全国粮食总产量的75.9%，2016 年的粮食结余量达1.12 × 108t (图2)。尽管我国大部分省份粮食生产大于其消费，但仍有近1/2 的省份(如广东等)存在粮食缺口。黑龙江耕地资源相对丰富，粮食单产相对较高，且消费量相对较少，故其粮食结余量最大，达到4.37 × 107t。尽管山东、河南、四川、辽宁等地区粮食产量相对较高，但消费量也相对较高，使得结余量相对较小，甚至四川和辽宁在2016 年存在一定的粮食缺口。广东的粮食消费量远高于其粮食生产量，其粮食缺口达1.93 × 107t，占其粮食消费总量的59%；福建、浙江和广西也存在较大的粮食缺口。北京、上海、天津等地区耕地资源有限，粮食产量远小于其消费量，需要调入大量的粮食，粮食对外依赖度相对较高。尽管青海和西藏粮食产量相对较低，但由于人口相对较少，养殖业和酿酒业也相对落后，粮食消费量相对较低，使得这些地方的粮食缺口并不明显。

2.2 我国省份间的粮食流通情况

我国省份间的粮食流通优先满足其周边省份的需求，且存在明显的“北粮南运”的特征(图3)。2016 年，我国省份间的粮食流通量达1.45 × 108t，其中55%用于进出口或库存(黑龙江用于进出口或库存的粮食量最大)；就省份间粮食流通而言，河南输入到广东的粮食量最多。华北和东北地区耕地资源相对丰富，是我国重要的粮食生产基地，这两个地区不仅能够满足当地的消费，还有部分粮食供给其他地区(如广东、福建、海南等)或用于进出口/库存；华北和东北地区的北京、天津、辽宁是粮食净流入省份，而其他省份均有粮食结余，其中黑龙江结余比例高达72%。尽管华东地区的山东、江苏、安徽是我国粮食主产区，但由于该地区的人口多，养殖业和酿酒业也相对发达，使得该地区的粮食生产主要满足当地的消费，很少流入其他地区，其中江苏和安徽结余的粮食主要流入福建、上海和浙江等省份。华中地区的河南是我国粮食生产大省，其生产的粮食除能满足湖北和湖南需求外，还有部分流入到广东和广西等地。华南地区是我国粮食净流入地区，其中广东的粮食主要来自于河南(达1.78 × 107t)，同时来自于河北、吉林、江西的粮食也超过1 × 107t。除四川和西藏外，西南地区其他省份的粮食基本可以自足，而调入四川的粮食主要来自陕西、甘肃、宁夏等周边省份。青海的粮食生产不能自足，需要从甘肃调入部分的粮食，而西北地区其他省份粮食均可自足，且粮食节约量在19%左右。

图3 2016 年我国省份间粮食流通情况Figure 3 Grain trade among different provinces in China in 2016

2.3 我国省份间粮食流通的水土资源流动情况

2016 年我国粮食生产需要9.11 × 107hm2的土地面积，且消耗了6.88 × 1011m3的水资源量，其中蓝水和绿水消耗量分别占42%和58%。生产省份间流通的粮食(不含进出口或库存)需要消费6.32 ×1010m3的水资源(占水资源消耗总量的9%)和1.01 ×107hm2的土地资源(占土地资源消耗总量的11%)。黑龙江的粮食生产量最大，使得其粮食生产消耗的水资源量和土地资源量均相对较高，分别达到了7.86 × 1010m3和8.50 × 106hm2；此外，黑龙江省流出的粮食最大，生产这部分粮食分别需要6.14 ×106hm2的土地资源和5.67 × 1010m3的水资源。作为主要的粮食主产区，吉林、内蒙古和河南调出粮食所隐含的水资源量均超过了1.20 × 1010m3，土地资源量则均高于2.10 × 106hm2。广东的粮食调入量最大，故其流入的水资源和土地资源量最大，分别达到了1.39 × 1010m3和3.07 × 106hm2。福建和浙江的水土资源流入量也相对较高，均超过了省份间粮食流通的总水土资源流动量的10%。

图4 展示了我国主要省份间的粮食流通情况，粮食流通量均超过了2 × 106t，占全国粮食流通量(不含进出口或库存)的84%，其所引起的水土资源流动量分别达到了5.32 × 1010m3和8.40 × 106hm2。河南流入广东的粮食量最多，其所隐含的水资源流动量为1.28 × 1010m3，相当于广东省生产粮食所需水资源的45%；所隐含的土地资源流动量为2.82 ×106hm2，相当于广东省生产粮食所需土地资源的136%。尽管江苏流入福建和安徽流入浙江的粮食量远低于河南流入广东的量，但由于江苏和安徽水资源利用效率低于河南，使得前两者的粮食水资源流动量相对较高，分别达到了9.62 × 109和8.91 ×109m3。此外，安徽省的土地利用效率相对较低，使得安徽流入浙江的土地资源需求量(1.14 × 106hm2)高于江苏流入福建的土地资源需求量(1.06 ×106hm2)。

图4 2016 年我国主要省份间的粮食流通及其水土资源流动情况Figure 4 Grain trade and flow of water and land resources among major provinces in China in 2016

2.4 我国省份间的粮食流动对水土资源影响

从消费端考虑，我国2016 年粮食消费所需要的水资源量和土地资源量分别为7.24 × 1011m3和 9.30 ×107hm2，这使得我国省份间的粮食流通(不含进出口或库存) 节约了4.14 × 1010m3的水资源(相当于我国粮食生产水资源消耗总量的6%)，但却浪费了6.68 × 105hm2的土地资源(相当于我国粮食生产土地资源消耗总量的1%)，这主要是因为我国水土资源空间不匹配及其利用效率不同所导致的。从消费端来看，山东省消耗的粮食最多，使得其水资源和土地资源消耗量分别达到了3.29 × 1010m3(占全国消费端水资源需求量的4%)和7.31 × 106hm2(占全国消费端水资源需求量的8%)。

在我国省份间粮食贸易流中，10 个省份间的粮食流通在一定程度上提高了全国土地资源效率(共节约3.39 × 105hm2的土地面积) (图5)，但全国62%的粮食流通(不含进出口或库存)使得全国土地资源效率有所下降，且需要1.01 × 106hm2的土地来满足粮食消费需求；与土地资源流通不同，我国85%的省份间粮食流通提高了水资源利用效率，能够节约4.23 × 1010m3的水资源量，而其余省份间的粮食流通却造成了9.06 × 108m3的水资源浪费。河南流入到广东的粮食共节约了2.42 × 1010m3的水资源，但却浪费了1.16 × 105hm2的土地资源，这主要是因为广东的水资源相对丰富，而河南省的土地资源相对丰富，相对丰富的自然禀赋使得其资源利用效率相对较低，由此导致了两个省份间粮食生产的水土资源利用率差异。四川省的耕地撂荒现象相对较多[37]，粮食需要从山西和甘肃调入，而这两个省份的水资源不足且单产相对较低，使得两省流入四川的粮食生产的水土资源利用率低，因此，在资源相对丰富的地区，提高水资源利用效率、减少土地撂荒现象，对于更好地实现我国资源可持续利用具有重要意义。吉林与辽宁、福建和海南等地区的粮食流通，在一定程度上提高了我国水土资源的利用效率，有利于我国粮食安全和水土资源的可持续利用。综上可见，合理的粮食流通、提高资源利用效率、减少适宜地区的耕地撂荒等，对于我国更好地实现粮食安全与资源可持续利用具有重要的意义。

图5 2016 年我国主要省份间的粮食流通对水土资源的影响Figure 5 Impact of grain trade on water and land resources among major provinces in China in 2016

3 讨论与结论

基于“虚拟水”和“虚拟土”的概念，本文报道了我国2016 年省份间粮食流通对水土资源影响情况，主要结论如下：

我国粮食生产基本可以满足本国需求，但仍有近一半的省份存在粮食缺口；饲料粮消费已经成为我国粮食消费最重要的因素，但不同省份的粮食供需情况存在较大的差异。我国省级粮食流通量(不含进出口或库存) 占全国粮食生产的11%，且粮食流通存在明显的“北粮南运”的趋势；华北和东北地区是我国粮食净流出的地区，而华南地区则是粮食净流入的地区；黑龙江的粮食流出量最大，广东则是流入粮食量最大的省份；河南运往广东的粮食量最大。我国粮食流通所隐含的水资源量占全国粮食生产所需水资源总量的9%，土地资源量占全国粮食生产所需土地资源量的11%；省份间的粮食流通在一定程度上缓解了区域资源不匹配的问题，但部分省份间的粮食流通却造成了我国水土资源利用率的降低；合理的粮食流通、提高资源利用效率、减少适宜地区的耕地撂荒等，对于我国更好地实现粮食安全与资源可持续利用具有重要的意义。

随着我国居民饮食结构的改变，饲料粮的消费超过了口粮，已经成为影响我国粮食安全的重要因素，且随着未来动物性产品消费的进一步增加，我国未来的饲料粮需求量可能会达到5 × 108t[34,38]，这远超过我国土地的承载能力，饲料粮的不断增加势必会危及粮食安全，也会对资源环境带来巨大的压力。因此，合理的饮食结构调整，提高牲畜生产效率，将会有利于减轻我国粮食生产压力，保障粮食安全。此外，推进生态型、循环型的草地农业发展，将缓解我国饲料粮对粮食安全造成的巨大压力。草地农业是指将牧草或其他饲料作物的生产和利用引入农业生产体系中，通过粮、草、畜有机结合，建立起“土地-植物产品-动物产品”生产链条，最大限度地生产植物产品和动物产品的农业生产形式[39]。草地农业改变了以单一种植业为主的传统种植模式，通过实行粮草轮作、间作和套种，充分发挥沃土增粮、草畜节粮和畜产品替粮作用，保障食物安全，推进农业可持续发展[40]。

西北地区等区域，其自身水资源相当贫乏，但仍存在较大的水资源输出，这对当地的生态安全造成了严重的威胁，如何保障当地的粮食生产和生态安全之间的关系也是未来需要解决问题。部分省份的土地撂荒问题，不仅对我国粮食安全产生威胁，还会对我国的资源可持续利用产生影响，如何更好地解决这一问题，将有利于我国粮食安全和资源合理利用。此外，本研究也存在一些不足，如粮食生产仅考虑了小麦、玉米和水稻三大主粮作物，而对其他粮食考虑较少，需要对此进行进一步的研究。