李 瑩，李鐵男

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

虛擬水是指商品或服務的生產過程中所使用的水資源的數量，一般伴隨在商品貿易過程中來具體化[1]。商品貿易引起的虛擬水流動是指虛擬形態(tài)的水資源在地理空間上的再分配過程[2,3]。虛擬水貿易理論提倡出口高效益的水資源商品，同時進口本地沒有充足水資源生產的糧食產品，水資源短缺和糧食安全問題通過貿易的形式最終得以解決。糧食生產作為高耗水低經濟收益的產業(yè)，對水資源和區(qū)域經濟具有重要影響[4,5]。作為一種水密集型商品，糧食的輸入緩解了虛擬水輸入區(qū)的水資源壓力，但增加了輸出區(qū)的水資源壓力和生態(tài)壓力[6,7]。

據國家統(tǒng)計局數據顯示，2014年全國糧食總產量60 710萬t，比2013年增加516 萬t，增長0.9%。這是我國全年糧食產量連續(xù)11年實現穩(wěn)定增長，其中，黑龍江省糧食產量占全國1/10，增量接近全國增量的一半。2014年黑龍江省糧食總產達到6 242 萬t，比上年增加238 萬t，增量占全國糧食增量的46.1%。自1990年開始我國從傳統(tǒng)的南糧北運轉變?yōu)楸奔Z南運，且調運量呈不斷上升的趨勢[8]。農業(yè)部農村經濟研究中心在2015年《中國糧食生產區(qū)域布局的演變特征及成因分析》報告中指出：糧食主產區(qū)逐漸向東北和中部地區(qū)集中和轉移；南方稻谷優(yōu)勢區(qū)域繼續(xù)穩(wěn)固，東北稻谷重要性凸顯；小麥主產區(qū)逐漸向中部地區(qū)集中；玉米產區(qū)逐漸向東北和中原地區(qū)集中。歷史上的南糧北運，已變成了北糧南運、中糧西運。

黑龍江省農業(yè)增產為我國的糧食安全提供了保障，但黑龍江省的人均水資源量按照單位面積平均來看并不富裕。黑龍江省境內多年平均水資源總量810 億m3，全省人均占有水資源量約2 113 m3；耕地單位面積占有水資源量約6 075 m3/hm2，僅為全國平均水平的26%。農業(yè)是國民經濟體系中最大的用水部門，農業(yè)生產的水資源利用量占總用水量的80%左右。商品糧的輸出實際上就是以虛擬的形式輸出了水資源，伴隨黑龍江省大量的商品糧貿易，隨之流出的水資源量不容小覷。

1 研究區(qū)選擇

本研究選取黑龍江省近年來水稻、玉米、大豆的產量居前的各三個縣市作為研究區(qū)。九個研究區(qū)分布于黑龍江省遼闊的松嫩平原和三江平原上，龍江縣、肇東市位于松嫩低平原區(qū)，嫩江縣、訥河市、克山縣位于松嫩平原北部高平原區(qū)，雙城市、五常市位于松嫩平原南部高平原區(qū)，富錦市、虎林市位于三江平原區(qū)。松嫩平原和三江平原作為黑龍江省“北大倉”糧食主產區(qū)，有著優(yōu)良的種植條件。

2 計算方法及數據來源

2.1 計算方法

本研究采用FAO推薦的計算方法，利用CropWat 8.0軟件進行初步運算，再根據相應研究成果確定的參數來計算農作物的虛擬水含量。由水稻、玉米、大豆3種農作物的總產量及輸出量計算虛擬水總量及虛擬水輸出量，計算過程見圖1。

圖1 虛擬水輸出量計算過程圖Fig.1 The calculation process diagram of virtual water output

2.1.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0

參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0，一種假想的參考作物的蒸發(fā)蒸騰量，這種參考作物高度為12 cm，固定的表面阻力系數γs=70 s/m，反射率α=0.23，相當于高度均一、生長良好完全覆蓋地面的草地。標準彭曼公式計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0的公式為：

(1)

式中：ET0為參照作物的蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Δ為飽和水氣壓與溫度相關曲線的斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均空氣溫度，℃；U2為距離地面2 m高的風速，m/s；ea為飽和水氣壓，kPa；eb為實測水氣壓，kPa；γ為干濕度常數，kPa/℃。

2.1.2 作物蒸發(fā)蒸騰量ETc

計算不同作物的蒸發(fā)蒸騰量，需在參考作物蒸發(fā)蒸騰量基礎上進行適當調整，用作物系數予以修正，此參數的作用是可以將作物類型及作物生長地的環(huán)境因素考慮進去。作物蒸發(fā)蒸騰量計算式為：

ETc=KcET0

(2)

式中：Kc為相應的作物系數；ETc為相應作物的蒸發(fā)蒸騰量，mm/d。

2.1.3 作物單位面積全生育期需水量CWR

作物單位面積全生育期需水量計算公式為：

(3)

式中：CWR為作物單位面積全生育期需水量，m3/hm2；n為作物生育期的總天數。

2.1.4 作物虛擬水含量VWC

作物虛擬水含量指的是單位質量的農產品消耗的虛擬水，計算公式為:

(4)

式中：VWC為虛擬水含量，m3/t；CY為單位面積農產品產量，t/hm2。

2.1.5 作物虛擬水總量TWC

區(qū)域內農作物的虛擬水總量的計算公式為：

TWC=VWC·TCY

(5)

式中：TWC為虛擬水總量，m3；TCY為該農產品總產量，t。

2.1.6 作物虛擬水輸出量EWC

EWC=VWC·ECY

(6)

式中：EWC為虛擬水輸出量，m3；ECY為該農產品的輸出量，t。

2.2 數據來源

本研究使用的氣象數據為黑龍江省氣象信息中心在各個研究區(qū)設立觀測站的實際觀測數據，時間段為2010年1月到2014年12月，數據包括歷年各月的月平均最低氣溫、月平均最高氣溫、月平均相對濕度、月平均風速、月日照時數、月降水量。作物系數采用的是水利部公益性行業(yè)科研專項《三江平原水資源潛力開發(fā)及對環(huán)境影響研究》中作物全生育期需水量計算所確定的作物系數Kc[10]，符合黑龍江省糧食作物的生長條件，作物生育期和作物系數均為多年平均值。農作物的播種面積及產量數據來源于《黑龍江縣(市)農村經濟社會統(tǒng)計概要》2011-2015年[11]。

3 結果分析

3.1 農作物虛擬水含量及虛擬水總量

分析九個研究區(qū)具有代表性的農作物虛擬水含量，水稻虛擬水含量740～800m3、玉米虛擬水含量490～600m3、大豆虛擬水含量1 850～2 600m3。大豆虛擬水含量最高，是水稻和玉米的3～4倍左右。黑龍江省2010-2014年農作物的虛擬水含量平均值見表1。農作物全生育期需水量和作物單位面積產量兩個因素導致了農作物虛擬水含量的差異。大豆和玉米的作物全生育期需水量相接近，大豆每公頃平均需水量為4 200m3，玉米每公頃平均需水量為4 680m3，水稻每公頃平均需水量為6 024m3。但由于玉米的單位面積產量最高，使得其虛擬水含量值降為最小，而大豆的單位面積產量只有玉米的23.1%左右，所以使得大豆的虛擬水含量居于3種糧食作物首位。

表1 黑龍江省2010-2014年農作物的虛擬水含量平均值Tab.1 The average value of the virtual water content ofcrops in Heilongjiang province from 2010 to 2014

2010-2014年黑龍江省糧食總產量持續(xù)增長，2014年水稻、玉米產量比2010年產量增長幅度達到22%、44%。相反，大豆產量呈現下降趨勢，2014年大豆產量比2010年產量減少幅度達到22%。農作物產量是虛擬水總量的正相關影響因素，在農作物虛擬水含量較為穩(wěn)定的情況下，虛擬水總量隨產量的增加而增加。2010-2014年，黑龍江省水稻、玉米產量呈穩(wěn)定的增長趨勢，大豆產量呈下降趨勢。水稻2010年虛擬水總量為138.97 億m3，2014年增長到179.98 億m3；玉米2010年虛擬水總量為138.02 億m3，2014年增長到162.15 億m3；大豆2010年虛擬水總量為151.59 億m3，2014年下降到92.21 億m3。大豆虛擬水含量高于水稻和玉米，但由于產量低，加之逐年耕種的面積減少，產量下降導致該農作物的虛擬水總量最少。三種農作物逐年的產量、虛擬水總量、虛擬水輸出量見圖2～圖4。

圖2 2010-2014年水稻產量、虛擬水總量及虛擬水輸出量Fig.2 Rice yield, total virtual water and virtual water output from 2010 to 2014

圖3 2010-2014年玉米產量、虛擬水總量及虛擬水輸出量Fig.3 Corn yield, total virtual water and virtual water output from 2010 to 2014

圖4 2010-2014年大豆產量、虛擬水總量及虛擬水輸出量Fig.4 Soybean yield, total virtual water and virtual water output from 2010 to 2014

3.2 農作物虛擬水輸出量

2010年我國省級行政區(qū)之間糧食調運比例(糧食調運量/糧食總產量)為17.6%，糧食調出量最多的省級行政區(qū)是黑龍江，約占所有調出省級行政區(qū)調出總量的35.7%，糧食調出比例(糧食凈調出量/糧食總產量)達到68.7%[12]。黑龍江省2010-2014年主要農作物虛擬水輸出量見表2。水稻的虛擬水輸出量增長最快，2014年比2010年增加30%；玉米虛擬水輸出量增長比較平穩(wěn)，2014年比2010年增加17%；大豆虛擬水輸出量趨勢呈現下降后增長的走勢。虛擬水輸出量主要由商品糧的輸出量決定，黑龍江省水稻種植面積有所增加，總產量提高較快；玉米種植面積比較穩(wěn)定，總產量有小幅提高；大豆種植面積有所減少，2013年產量降到最低，2014年又小幅增加但總產量較2010年減少22%，因此虛擬水輸出量也相應降低。

表2 黑龍江省2010-2014年農作物虛擬水輸出量 億m3/t

4 結論與討論

4.1 結 論

針對黑龍江省產量居前的3種農作物進行虛擬水含量計算：大豆虛擬水含量最高，水稻次之，玉米最低，虛擬水含量差異影響因素是農作物全生育期需水量及單位面積產量。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，為大豆、玉米的1.5倍左右。2010-2014年，黑龍江省水稻、玉米產量呈現持續(xù)增長，大豆產量下降。由于產量的影響，農作物虛擬水總量隨之變化。2014年，水稻年虛擬水總量最高為179.98 億m3；玉米年虛擬水總量次之為162.15 億m3，大豆年虛擬水總量最低為92.21 億m3。

隨著主要農作物虛擬水總量的增長，商品糧虛擬水輸出量也隨之增長。2010-2014年，商品糧虛擬水輸出總量持續(xù)增加，水稻增長幅度較快，玉米相對穩(wěn)定，大豆的虛擬水輸出量逐步減少。主要原因是黑龍江省粳米質量好，種植利潤高，近幾年種植面積持續(xù)擴大，而大豆經濟利潤下降，加之進口大豆量的增加，對黑龍江省大豆種植有一定沖擊，因此大豆輸出量有一定程度的下滑。

4.2 討 論

糧食虛擬水“北水南調”增加了我國北方水資源壓力，給輸出區(qū)帶來了嚴重的水資源壓力和生態(tài)壓力，也給我國糧食安全帶來隱患[12]。以2014年為例，黑龍江省主要糧食作物水稻、玉米、大豆虛擬水輸出量為262.55 億m3，已占黑龍江省境內多年平均水資源總量810 億m3的32.4%。黑龍江省大量商品糧調出導致的虛擬水輸出，加重了輸出地的水資源緊張，對生態(tài)系統(tǒng)造成了一定壓力。建國以來經過半個多世紀的開發(fā)建設，黑龍江省水稻主產區(qū)三江平原由‘北大荒’變成‘北大倉’的同時，由于人工截流排水開荒和井灌水稻的快速發(fā)展，導致區(qū)域地下水超采、濕地萎縮、生態(tài)環(huán)境日趨惡化。因此，解決我國糧食供應與生態(tài)平衡問題的出路只能是大力發(fā)展現代節(jié)水農業(yè)，提高糧食生產的綜合用水效率?？紤]到中國南北方經濟狀況的現實差距，東北地區(qū)商品糧輸出帶來的長期虛擬水南調問題，建議研究實施商品糧虛擬水運移補償政策，保證虛擬水輸出區(qū)的其他行業(yè)用水和生態(tài)用水，緩解東北糧食主產區(qū)的水資源壓力。

□

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