我国粮食主产区粮食虚拟水流动综合效益评价*

傅 沂，吴奕卓

（中南大学商学院，湖南 长沙 410083）

0 引言

我国是世界上公认的13个水资源匮乏的国家之一，同时水资源空间分布不均、水土资源配置错位等情况仍是我国的基本国情。只有提高水资源利用效率，才能从根本上解决我国水资源短缺与经济社会可持续发展之间的矛盾。由于我国的农业用水占总用水量的74%左右，节水政策的实施必先以农业为落脚点。而作为我国70%以上粮食产量来源的13个粮食主产区，目前仍面临着农业单位产值耗水量高的现状，是典型的以资源拉动农业产业发展的地区，优化水资源利用率，实施节水农业刻不容缓。

虚拟水概念的提出，为解决水资源利用问题提供了新的思路与战略。不同于传统意义上的水资源，虚拟水作为凝结在商品及服务中的无形的水资源，可通过商品贸易的过程实现具体化，从而缓解区域间水资源时空分布不均的问题并提高水资源经济效率。与此同时，产品贸易引起的虚拟水流动是水资源以虚拟水的形态在省际间的再分配过程。粮食生产作为高耗水低经济收益的生产活动，对区域经济、生态及社会方面都具有重要影响。文章将虚拟水流通所带来的影响量化，则可更加直观全面地了解到虚拟水进出口省区之间在经济、生态、社会不同方面所受影响，为构筑水资源安全、粮食安全战略提供新的思想与启发。

1 文献综述

目前，国外计量产品虚拟水含量的方法主要有3种，分别是A.K.Chapagain和A.Y.Hoekstra提出“生产树”法[1-3]、由D.Zimmer和D.Renault提出的基于不同产品类型区别计算的方法[4，5]以及由Taikan Oki等提出的将农作物生产过程中水资源蒸腾蒸发量考虑进去的“单位水资源需求”法[6]，后来的研究大多基于此种方法。目前国内通用的方法是以作物实际蒸散发量为基础，通过彭曼标准公式计算得到其虚拟水含量。该文参考孙才志[7]、马静[8]等的做法，亦使用此种计算方式。

国内外有关区域间虚拟水流动的研究大致分为两种，一种是对全球范围内虚拟水贸易的衡量[9，10]，另一种是衡量虚拟水贸易在特定国家或地区间的流入、流出量[11，12]。在后一种的研究中，王玉宝和吴普特[13]、马静[8]等应用社会公平法的研究较具有代表性，除此之外也有使用投入产出法[14]、线性规划法[15]的相关研究。基于数据的可获得性，该文将参考社会公平法的基本思路量化虚拟水贸易量。

目前对于虚拟水流动综合效益评价相关研究较少，且大多数是定性研究，多为分析虚拟水流动所带来的经济与生态效益，至于对社会效益方面的研究相对空缺。已有部分学者将同样的效益量化方法用于研究不同领域的经济效益，而由于各地区自然资源及社会发展状况不同，对于社会效益与生态效益方面的研究大都集中于个别省区。主要思路分为两种，一种是定性分析虚拟水流动造成的经济、生态、资源、就业等方面影响，此类研究为后续的综合效益定量研究奠定了坚实的理论基础[16，17]。另一种是通过列式来量化虚拟水流动对经济、资源、生态等方面的影响，通过计算具体数值进行时间或空间上的比较，此类方法针对具体影响方面的计算公式大多只有1个。具体的，虚拟水流动产生的经济效益方面，井璐等以替代效益理论为基础，量化了虚拟水进出口所带来经济效益[18]；景喆等以甘肃省张掖市为例估算了实施虚拟水战略节约水量产生的经济效益[19]；李莹等引入农产品的价格因素计算了黑龙江省主要农产品单位体积耗水量的虚拟水价值[20]；许长新等对虚拟水贸易在经济增长中的贡献份额进行了量化分析[21]。生态效益方面，多数学者选择测度水资源压力指数作为量化虚拟水流动对生态影响的方法[13，22-24]，另有部分学者关注于虚拟水流动对农业水资源[25]、农业用水[26]的影响。社会效益方面已有关于就业转移效应的探讨[27]。

综上，目前综合经济、生态、社会三方面分析虚拟水流动所产生的影响的研究较少，其中大多数方法是在已有数据的基础上列式计算出经济效益或生态效益，缺点是无法从权重等角度综合评价粮食虚拟水流动的总效益，对未来政策的指导性不足。在选用指标进行评价的研究中，大部分研究方向为分析虚拟水流动对第二、三产业效益以及水资源的影响，目前只有尚海洋[27]的研究涉及了虚拟水流动产生的就业转移效应，且仅针对民勤县地区，对我国粮食主产区粮食虚拟水贸易流动社会效益的研究目前处于空白状态。不同于尚海洋的研究，在社会效益的指标选取方面，为使社会效益指标与粮食虚拟水流动结合得更为紧密，该文尝试加入粮食生产就业响应强度这一指标，并将粮食生产劳动力的计算方法应用于虚拟水效益评价。基于此，该文将针对我国13个粮食主产区的粮食虚拟水流动所带来的经济、生态、社会三方面影响进行定量分析，通过选取8个指标争取全面、精确的量化虚拟水出口地区及进口地区的综合影响，为各区域政府根据自身发展实际制定出有效的虚拟水贸易政策提供了借鉴。

2 方法与数据

2.1 我国粮食主产区粮食虚拟水流动量核算

一般而言，虚拟水净流出量的基本计算方法是用实物净流出量乘以其相应的单位质量产品虚拟水含量，计算公式为:

式（1）中，Svw为粮食虚拟水净流出总量，VWi为第i种农产品单位质量产品虚拟水含量，INi为第i种农产品的净流出总量。

单位作物所含的虚拟水量计算公式为:

式（2）中，Dn，c表示n区域c单位质量产品虚拟水含量，m3∕kg。Wn,c为该区域c作物的需水量，m3∕hm2；Yn，c为该区域c作物的产量，kg∕hm2。

假设农作物本身所包含的水分可以忽略不计，作物需水量(Wn,c)即是作物在生长发育期间的累积蒸发蒸腾水量(ETc)，其数值为:

式（3）中，ET0是参考作物蒸发蒸腾水量；Kc是作物系数。在计算ET0时，忽略了作物类型、作物发育和管理措施等因素对作物需水的影响，可根据粮农组织(FAO)推荐并修正的标准彭曼公式计算。

该研究借鉴吴普特虚拟水流动的计算模型，同时由统计数据可估算出中国农产品自供率近60年来基本维持在95%以上，将全国农作物总产量除以0.95记为全国农作物总供给量。该文我国粮食主产区各地农产品净流出量计算模型为:

式（4）中，G’t[i]是指各省第t年i作物净流出量，单位为t；Gt[i]表示各省第t年i农作物生产量，单位为吨；GN,t[i]是全国第t年i农作物总产量，单位为吨；PN,t为全国第t年人口，单位人；Pt为各地第t年人口。

2.2 综合效益评价体系

2.2.1 经济效益指标选取

虚拟水贸易价值。不同于传统的水资源，虚拟水是一种隐含在商品或服务中看不见的水，具有非真实性、社会交易性、便捷性、价值隐含性等特点[20]。根据其特点，可以将虚拟水理念同商品价格进行关联，从经济价值角度探讨虚拟水价值理论体系。虚拟水贸易价值是指，省际间通过粮食贸易流通的单位体积虚拟水量在其贸易过程中所隐含的价值。可表示为单位体积的粮食虚拟水净流出量所体现的粮食净流出额（单位：元∕m3），是水资源在商品交易过程中的经济利用效益指标。

计算过程为:

虚拟水贸易价值越大，说明该地直接获得的经济利益越高，反之，表明该地粮食贸易所直接产生的经济效益越低。

第一产业替代效益。根据比较优势理论(Comparative Advantage)，结合虚拟水流动角度可知，各地区自然资源与资源利用情况的不同导致了不同地区单位质量粮食虚拟水含量的不同，进而使得区域间通过粮食贸易获得经济利益成为可能。

对于第一产业来说，贸易中的粮食虚拟水净流出地因选择生产输出的部分粮食，将水资源过多的消耗在了粮食产业，而牺牲了发展第一产业其他部门的机会，因此其第一产业替代效益为负；反之，粮食虚拟水净流入地因选择以进口代替生产这部分粮食，节省了一部分可用于发展第一产业其他部门的水资源，其第一产业替代效益为正。具体虚拟水流动第一产业替代效益估算方法为:

式（8）中，粮食虚拟水净流出量单位为t，粮食净流出额单位为元；水资源使用效率单位为元∕m3，第一产业全年生产总值单位为亿元，第一产业生产用水量单位为m3。

第二、三产业替代效益。对于第二、第三产业来说，各产业间水资源利用效率不同，由于粮食虚拟水输出地区生产了部分余粮，挤占了第二、三产业生产用水，若将这部分水资源利用于工业、服务业，因此其第二、三产业替代效益为负值；对于粮食虚拟水净流入地，该值为正值。虚拟水流动第二、三产业替代效益估算方法为:

式（9）中，粮食虚拟水净流出量单位为t，万元工业增加值用水量为元∕m3，粮食净流出额单位为元。

2.2.2 生态效益指标选取

水资源压力影响度。水资源压力是指为了满足人类的生存发展需求以及维持整个社会经济活动的正常运行而对水资源产生的数量上的压力[28]。由于省际间粮食贸易往往伴随着虚拟水的流动，各地间的水资源压力也会因此受到影响。水资源压力影响度指的是粮食虚拟水流动对区域水资源的影响程度。已有研究表明区域真实可用的水资源量即可用蓝水（地下水及地表水）量占可用水资源总量的20%左右，因此该指标可表示为区域粮食虚拟蓝水净流出量在区域可用水资源量中的占比。其中，影响度为负值表示虚拟水流入对水资源的有利影响，反之为不利影响。水资源压力影响度估算方法为:

式（10）中，粮食虚拟蓝水净流出量单位为t，可用水资源量单位为t。

有效灌溉面积增长比例及林草覆盖增长比例。粮食贸易附带的虚拟水流动会对区域土地结构产生重要影响。不同地区可能会增加粮食用地以获取虚拟水贸易价值，也有可能通过进口水资源密集型产品，调整土地结构，导致闲置土地的产生。如果该区域决定将闲置土地用于第二、三产业的发展，会使得城市建筑用地增加，林草植被覆盖比例减少。因此选取有效灌溉面积增长比例与林草覆盖增长比例这两个指标。式（11）表示了单位粮食虚拟水流出量的变化量导致的有效灌溉面积的变动；式（12）表示了该变化量对林草覆盖面积的影响。

式（11）（12）中，有效灌溉面积及林草覆盖面积的单位为千hm2，粮食虚拟水净流出量单位为t。

2.2.3 社会效益指标选取

种植业经营收入增长比例。粮食虚拟水流动本质上是不同地区的交易行为，根据比较优势论、资源禀赋论以及规模经济理论可知，地区之间的贸易可以通过就业数量效应、就业质量效应等途径来影响农村劳动力的就业和工资水平。种植业经营收入增长比例这一指标描述了单位粮食虚拟水流出量的变化量对农村居民种植业经营收入的影响程度。具体计算方法为:

式（13）中，农村居民种植业经营收入单位为元，粮食虚拟水净流出量单位为t。

粮食生产就业响应强度。农村劳动力转移响应强度是指由于区域产业结构升级、就业结构发生改变等因素，使得农村劳动力流向城镇区域，或脱离第一产业，流向第二、三产业的反馈响应程度[29]。该文根据已有研究中的劳动力响应强度构造了粮食生产就业响应强度这一指标，以揭示粮食虚拟水贸易进程中粮食生产就业人员转移的响应强度，可表示为单位粮食虚拟水流出量的变化量对粮食生产就业人员数的影响程度。其中为进一步精确数据，借鉴了王跃梅等[30]对于粮食生产人员的计算方法。具体计算方法为:

式（14）（15）中，粮食生产就业人员数单位为人，粮食虚拟水净流出量单位为t。

综上所述，该文的粮食虚拟水流动综合效益评价指标构建如表1所示。

表1 我国粮食主产区粮食虚拟水流动综合效益评价指标

2.3 综合效益评价过程

综合对比了各种指标权重的确定方法后，该文将使用熵权法计算指标权重并结合TOPSIS法进行综合效益评价。熵权法能够有效避免主观性，提高指标的分辨率，避免因指标差异过小导致的选择偏差，全方位地反映指标信息。另有研究表明TOPSIS综合评价模型中数据的无量纲化方法会影响其稳健性，而在5种常用的无量纲化方法中，极差法对模型影响最小，模型的稳健性最好[31]，因此该文选择使用极差法对指标进行处理，能够有效提高评价结果的可靠性。

在评价过程中，按照以下步骤进行:

第一步，对指标层各指标数据用极差法进行处理。

对于正指标，处理方法为:

对于逆指标，处理方法为:

第二步，求各指标的信息熵为:

其中，pij值计算公式为:

如果pij=0，则定义为:

第三步，确定各指标权重。通过已求得的信息熵值计算各指标的权重Wj，设指标数为m，计算公式为:

第四步，构建加权规范化决策矩阵并确定正、负理想解。将经熵权法求取的各指标权重与标准化规范矩阵（标准化后的数据矩阵）相乘得出加权规范化决策矩阵V，并由式（22）、（23）确定正理想解V+和负理想解V-:

第五步，计算各评价对象到正、负理想解的欧式距离。各评价对象到正理想解的欧式空间距离D+和到负理想解的欧式距离D-，计算公式为:

第六步，求相对贴近度Ci为：

2.4 数据来源

该文考察的是我国粮食主产区各地虚拟水的贸易量，计算农作物产品虚拟水含量的过程中，各地相应气象站的数据由联合国粮农组织网站提供的CLIMWAT软件中关于粮食主产区各地气象站数据作为代表导出计算。各农作物的蒸腾系数FAO提供的CROPWAT软件中内置的主要农作物蒸腾系数文件导出，由此利用CORPWAT软件可以计算出我国157个气象站点参考作物蒸腾量（ET0）以及主要作物需水量CWR。各评价指标计算过程中各地区总人口、各产业生产总值、各产业就业人员数、各产业生产用水量、地区有效灌溉面积、地区林草覆盖面积等数据来源于《2019年中国统计年鉴》以及各地2019年统计年鉴，万元工业增加值用水量、地区可用水资源总量等数据来源于《2019年中国水利年鉴》、2019年中国水资源公报以及各地2019年度水资源公报，单位质量农产品价格、农村居民种植业经营收入、农作物播种面积等数据来源于《2019年中国农村统计年鉴》。

3 结果与分析

3.1 我国粮食主产区粮食虚拟水流动量

运用CLIMWAT软件结合式（1），可计算出2018年我国粮食主产区各农作物单位质量产品虚拟水含量，计算结果如表2所示；我国粮食主产区各地农产品净流入流出量计算结果如表3所示，其中数据为正表示粮食净流出量，数据为负表示净流入量；2018年我国粮食主产区各地粮食虚拟水净流入流出量计算结果如表4所示。可知，2018年粮食虚拟水净流出量最高的是黑龙江，净流出量为5 072m3；净流入量最高的为四川省，为721m3。

表2 2018年我国13个粮食主产区各农作物单位质量产品虚拟水含量 m3∕kg

表3 2018年我国13个粮食主产区粮食净流出量 万t

表4 2018年我国13个粮食主产区粮食虚拟水净流出量亿m3

3.2 综合效益评价结果

我国粮食主产区粮食虚拟水流动综合效益的一级指标及二级指标权重计算结果如表5所示。可知，权重最高的一级指标为生态效益（0.470 9），其次是经济效益（0.313 9），权重最低的一级指标为社会效益（0.215 3）。经济效益指标中虚拟水贸易价值权重最高（0.151 7），但不可忽视第一产业替代效益以及第二、三产业替代效益的作用，后两者权重之和为0.162 2，高于虚拟水贸易价值的权重，说明由于劳动力密集型产品具有的高水耗、低价格的特点，短时间内虽然可以带来贸易收益，但同时造成的产业替代效益是不可忽视的。除此之外，社会效益中的粮食生产劳动力转移响应程度指标权重为0.136 9，说明粮食虚拟水贸易带来的劳动力转移也会在一定程度上影响综合效益评价。

表5 我国13个粮食主产区粮食虚拟水流动综合效益评价指标权重

我国粮食主产区的粮食虚拟水流动综合效益评价结果如表6所示。可知，2018年我国粮食主产区粮食虚拟水流动综合效益最高的省区是湖南（0.675 2），最低的省区为安徽（0.425 2）。另外值得注意的是黑龙江，作为粮食虚拟水流出省其经济效益（0.140 6）及生态效益（0.087 0）都处于主产区的较低水平，这说明其长年的粮食虚拟水净流出贸易结构已经很大程度上影响了黑龙江的综合发展。

表6 2018年我国13个粮食主产区粮食虚拟水流动综合效益评价

4 结论及建议

4.1 主要结论

该文在对量化粮食虚拟水净流出量以及虚拟水流动综合效益评价相关研究综述的基础上，对我国粮食主产区粮食虚拟水流动对区域经济、生态、社会的三方面影响进行了量化分析，主要结论如下。

（1）2018年我国粮食主产区间粮食虚拟水流动整体呈现出由北向南的逆向流动格局。粮食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，输入区则主要集中于东部沿海地区。

（2）生态效益是影响粮食虚拟水流动综合效益中最关键的因素。从熵权法的计算结果来看，生态效益在综合评价中所占权重达到了0.470 9，经济效益次之，权重为0.313 9，社会效益权重最低为0.215 3。这表明，我国粮食主产区在虚拟水流动综合效益方面受生态效益的影响最大。

（3）粮食虚拟水净流出区域的经济效益普遍低于虚拟水净流入区域。2018年我国粮食主产区中共有7个省区为粮食虚拟水净流出省区，6个省区为净流入省区。通过分别计算净流出省区以及净流入省区的效益平均值，可得净流出省区经济效益平均值0.166 7明显低于净流入省区的0.218 2。其中经济效益最高的省区为江苏省的0.282 0，最低的则为河北省的0.124 1。可见我国粮食主产区虚拟水流动区域间经济效益差距较大。

（4）粮食虚拟水净流出区域的生态效益总体低于虚拟水净流入区域。河南、安徽、吉林、内蒙古、黑龙江这5个粮食虚拟水净流出区域的2018年生态效益都在平均值0.15以下。其中生态效益最高的省区为湖南的0.220 7，最低的则为黑龙江的0.087。可知比之虚拟水净流入省区，净流出省区的水资源压力、有效灌溉面积、林草覆盖面积都受到了粮食虚拟水流出的负面影响。

（5）我国粮食主产区整体粮食虚拟水流动综合效益总体情况中等，净流入区与净流出区差距明显。我国13个粮食主产区的粮食虚拟水流动综合效益可以分为高（0.60～0.70）、中等（0.50～0.59）和低（0.40～0.49）3类。粮食虚拟水流动综合效益高的省有4个，是湖南、湖北、江西和辽宁；粮食虚拟水流动综合效益中等的省共3个，分别是江苏、河北和河南；粮食虚拟水流动综合效益低的省区有6个，是吉林、四川、安徽、黑龙江、内蒙古和山东。在低效益的6个省区中，共有5个省区为粮食虚拟水净流出省区。此外，粮食虚拟水净流入省区的流动综合效益均值为0.595 9，明显高于粮食虚拟水净流出省区的0.488 8。我国13个粮食主产区粮食虚拟水流动综合效益的平均值为0.538 2，河北综合得分最接近平均值，可以作为现阶段我国粮食主产区整体粮食虚拟水流动综合效益的代表。

4.2 政策建议

（1）就生态效益而言，合理调整粮食主产区有效灌溉面积并保护林草植被及森林资源可以有效提升粮食虚拟水流动的生态效益。应合理调整土地利用结构，严格控制建设用地，加大对森林资源以及荒草植被的保护和恢复力度。同时建立并完善对粮食主产区的补贴机制、粮食产销关系层面上的横向利益补偿机制以及区域间粮食虚拟水补偿制度，通过量化省区间经济替代效益以及生态效益，按照“谁受益，谁补偿”的原则，使得粮食虚拟水输入输出区间达到合作博弈的纳什均衡状态。

（2）就经济效益而言，粮食贸易相比第二、三产业收益存在明显的高耗水低收益的特征，造成了粮食虚拟水净流出区与净流入省区的经济差距。水资源的可持续利用要求粮食虚拟水净流出量较高的省区在长期内逐渐调整贸易结构，扭转长期大量净出口趋势。其次，要充分利用国际农产品贸易的节水作用，适度增加粮食作物与畜产品等农产品在国际贸易中的进口，在长期内逐渐调整区域农产品贸易结构，恢复生态环境，促进省际间经济社会的平衡发展。

（3）就社会效益而言，粮食虚拟水流动对净流入、流出区的粮食生产就业人员以及收入水平均会产生影响。对于粮食虚拟水净流出省区，由于我国劳动密集型产品的价格效益低，对经营者收入的拉动作用较小，应采取相应措施增加粮食产业的技术含量，提高其附加价值并建立适当的补偿机制和协调机制，改善粮食生产者“越种粮越穷”的困境。对于粮食虚拟水净流入省区，应关注粮食生产就业人员的转移情况，同时加快完善农村养老、医疗等社会保障体制，扶持剩余劳动力的合理流出。