李 瑩，李鐵男

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

虛擬水是指商品或服務(wù)的生產(chǎn)過(guò)程中所使用的水資源的數(shù)量，一般伴隨在商品貿(mào)易過(guò)程中來(lái)具體化[1]。商品貿(mào)易引起的虛擬水流動(dòng)是指虛擬形態(tài)的水資源在地理空間上的再分配過(guò)程[2,3]。虛擬水貿(mào)易理論提倡出口高效益的水資源商品，同時(shí)進(jìn)口本地沒(méi)有充足水資源生產(chǎn)的糧食產(chǎn)品，水資源短缺和糧食安全問(wèn)題通過(guò)貿(mào)易的形式最終得以解決。糧食生產(chǎn)作為高耗水低經(jīng)濟(jì)收益的產(chǎn)業(yè)，對(duì)水資源和區(qū)域經(jīng)濟(jì)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?yún)^(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(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2014年全國(guó)糧食總產(chǎn)量60 710萬(wàn)t，比2013年增加516 萬(wàn)t，增長(zhǎng)0.9%。這是我國(guó)全年糧食產(chǎn)量連續(xù)11年實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)，其中，黑龍江省糧食產(chǎn)量占全國(guó)1/10，增量接近全國(guó)增量的一半。2014年黑龍江省糧食總產(chǎn)達(dá)到6 242 萬(wàn)t，比上年增加238 萬(wàn)t，增量占全國(guó)糧食增量的46.1%。自1990年開始我國(guó)從傳統(tǒng)的南糧北運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)楸奔Z南運(yùn)，且調(diào)運(yùn)量呈不斷上升的趨勢(shì)[8]。農(nóng)業(yè)部農(nóng)村經(jīng)濟(jì)研究中心在2015年《中國(guó)糧食生產(chǎn)區(qū)域布局的演變特征及成因分析》報(bào)告中指出：糧食主產(chǎn)區(qū)逐漸向東北和中部地區(qū)集中和轉(zhuǎn)移；南方稻谷優(yōu)勢(shì)區(qū)域繼續(xù)穩(wěn)固，東北稻谷重要性凸顯；小麥主產(chǎn)區(qū)逐漸向中部地區(qū)集中；玉米產(chǎn)區(qū)逐漸向東北和中原地區(qū)集中。歷史上的南糧北運(yùn)，已變成了北糧南運(yùn)、中糧西運(yùn)。

黑龍江省農(nóng)業(yè)增產(chǎn)為我國(guó)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(lái)看并不富裕。黑龍江省境內(nèi)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(guó)平均水平的26%。農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系中最大的用水部門，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源利用量占總用水量的80%左右。商品糧的輸出實(shí)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(mào)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(lái)水稻、玉米、大豆的產(chǎn)量居前的各三個(gè)縣市作為研究區(qū)。九個(gè)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(cāng)”糧食主產(chǎn)區(qū)，有著優(yōu)良的種植條件。

2 計(jì)算方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 計(jì)算方法

本研究采用FAO推薦的計(jì)算方法，利用CropWat 8.0軟件進(jìn)行初步運(yùn)算，再根據(jù)相應(yīng)研究成果確定的參數(shù)來(lái)計(jì)算農(nóng)作物的虛擬水含量。由水稻、玉米、大豆3種農(nóng)作物的總產(chǎn)量及輸出量計(jì)算虛擬水總量及虛擬水輸出量，計(jì)算過(guò)程見圖1。

圖1 虛擬水輸出量計(jì)算過(guò)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(shù)γs=70 s/m，反射率α=0.23，相當(dāng)于高度均一、生長(zhǎng)良好完全覆蓋地面的草地。標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式計(jì)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(guān)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(fēng)速，m/s；ea為飽和水氣壓，kPa；eb為實(shí)測(cè)水氣壓，kPa；γ為干濕度常數(shù)，kPa/℃。

2.1.2 作物蒸發(fā)蒸騰量ETc

計(jì)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(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，用作物系數(shù)予以修正，此參數(shù)的作用是可以將作物類型及作物生長(zhǎng)地的環(huán)境因素考慮進(jìn)去。作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算式為：

ETc=KcET0

(2)

式中：Kc為相應(yīng)的作物系數(shù)；ETc為相應(yīng)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(jì)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(shù)。

2.1.4 作物虛擬水含量VWC

作物虛擬水含量指的是單位質(zhì)量的農(nóng)產(chǎn)品消耗的虛擬水，計(jì)算公式為:

(4)

式中：VWC為虛擬水含量，m3/t；CY為單位面積農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，t/hm2。

2.1.5 作物虛擬水總量TWC

區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物的虛擬水總量的計(jì)算公式為：

TWC=VWC·TCY

(5)

式中：TWC為虛擬水總量，m3；TCY為該農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品的輸出量，t。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用的氣象數(shù)據(jù)為黑龍江省氣象信息中心在各個(gè)研究區(qū)設(shè)立觀測(cè)站的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間段為2010年1月到2014年12月，數(shù)據(jù)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(duì)濕度、月平均風(fēng)速、月日照時(shí)數(shù)、月降水量。作物系數(shù)采用的是水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)《三江平原水資源潛力開發(fā)及對(duì)環(huán)境影響研究》中作物全生育期需水量計(jì)算所確定的作物系數(shù)Kc[10]，符合黑龍江省糧食作物的生長(zhǎng)條件，作物生育期和作物系數(shù)均為多年平均值。農(nóng)作物的播種面積及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于《黑龍江縣(市)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)概要》2011-2015年[11]。

3 結(jié)果分析

3.1 農(nóng)作物虛擬水含量及虛擬水總量

分析九個(gè)研究區(qū)具有代表性的農(nóng)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(nóng)作物的虛擬水含量平均值見表1。農(nóng)作物全生育期需水量和作物單位面積產(chǎn)量?jī)蓚€(gè)因素導(dǎo)致了農(nóng)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(chǎn)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(chǎn)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(nóng)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(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，2014年水稻、玉米產(chǎn)量比2010年產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度達(dá)到22%、44%。相反，大豆產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2014年大豆產(chǎn)量比2010年產(chǎn)量減少幅度達(dá)到22%。農(nóng)作物產(chǎn)量是虛擬水總量的正相關(guān)影響因素，在農(nóng)作物虛擬水含量較為穩(wěn)定的情況下，虛擬水總量隨產(chǎn)量的增加而增加。2010-2014年，黑龍江省水稻、玉米產(chǎn)量呈穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，大豆產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。水稻2010年虛擬水總量為138.97 億m3，2014年增長(zhǎng)到179.98 億m3；玉米2010年虛擬水總量為138.02 億m3，2014年增長(zhǎng)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(chǎn)量低，加之逐年耕種的面積減少，產(chǎn)量下降導(dǎo)致該農(nóng)作物的虛擬水總量最少。三種農(nóng)作物逐年的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nóng)作物虛擬水輸出量

2010年我國(guó)省級(jí)行政區(qū)之間糧食調(diào)運(yùn)比例(糧食調(diào)運(yùn)量/糧食總產(chǎn)量)為17.6%，糧食調(diào)出量最多的省級(jí)行政區(qū)是黑龍江，約占所有調(diào)出省級(jí)行政區(qū)調(diào)出總量的35.7%，糧食調(diào)出比例(糧食凈調(diào)出量/糧食總產(chǎn)量)達(dá)到68.7%[12]。黑龍江省2010-2014年主要農(nóng)作物虛擬水輸出量見表2。水稻的虛擬水輸出量增長(zhǎng)最快，2014年比2010年增加30%；玉米虛擬水輸出量增長(zhǎng)比較平穩(wěn)，2014年比2010年增加17%；大豆虛擬水輸出量趨勢(shì)呈現(xiàn)下降后增長(zhǎng)的走勢(shì)。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(chǎn)量提高較快；玉米種植面積比較穩(wěn)定，總產(chǎn)量有小幅提高；大豆種植面積有所減少，2013年產(chǎn)量降到最低，2014年又小幅增加但總產(chǎn)量較2010年減少22%，因此虛擬水輸出量也相應(yīng)降低。

表2 黑龍江省2010-2014年農(nóng)作物虛擬水輸出量 億m3/t

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

針對(duì)黑龍江省產(chǎn)量居前的3種農(nóng)作物進(jìn)行虛擬水含量計(jì)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(nóng)作物全生育期需水量及單位面積產(chǎn)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(chǎn)量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)，大豆產(chǎn)量下降。由于產(chǎn)量的影響，農(nóng)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(nóng)作物虛擬水總量的增長(zhǎng)，商品糧虛擬水輸出量也隨之增長(zhǎng)。2010-2014年，商品糧虛擬水輸出總量持續(xù)增加，水稻增長(zhǎng)幅度較快，玉米相對(duì)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(zhì)量好，種植利潤(rùn)高，近幾年種植面積持續(xù)擴(kuò)大，而大豆經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)下降，加之進(jìn)口大豆量的增加，對(duì)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(diào)”增加了我國(guó)北方水資源壓力，給輸出區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的水資源壓力和生態(tài)壓力，也給我國(guó)糧食安全帶來(lái)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(nèi)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(diào)出導(dǎo)致的虛擬水輸出，加重了輸出地的水資源緊張，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了一定壓力。建國(guó)以來(lái)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的開發(fā)建設(shè)，黑龍江省水稻主產(chǎn)區(qū)三江平原由‘北大荒’變成‘北大倉(cāng)’的同時(shí)，由于人工截流排水開荒和井灌水稻的快速發(fā)展，導(dǎo)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(guó)糧食供應(yīng)與生態(tài)平衡問(wèn)題的出路只能是大力發(fā)展現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高糧食生產(chǎn)的綜合用水效率?？紤]到中國(guó)南北方經(jīng)濟(jì)狀況的現(xiàn)實(shí)差距，東北地區(qū)商品糧輸出帶來(lái)的長(zhǎng)期虛擬水南調(diào)問(wèn)題，建議研究實(shí)施商品糧虛擬水運(yùn)移補(bǔ)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(chǎn)區(qū)的水資源壓力。

□

[1] Allan J A.Fortunately there are substitutes for water other-wise our hydro-political futures would be impossible[C]∥ Priorities for water resources allocation and management.London:ODA,1993:13-26.

[2] Allan J A.Overall perspectives on countries and regions[C]∥ Rogers P,Lydon P.Water in the Arab World：Perspectives and Prognoses.Massachusetts,USA:Harvard University,1994:65-100.

[3] Allan J A.Virtual water -the water, food,and trade nexus:useful concept or misleading metaphor[J].Water International,2003,28(1):4-11.

[4] 吳普特,王玉寶,趙西寧.2010中國(guó)糧食生產(chǎn)水足跡與區(qū)域虛擬水流動(dòng)報(bào)告[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2012.

[5] Wang Y B,Wu P T,Zhao X N,et al.Virtual water flows of grain within China and its impact on water resource and grain security in 2010[J].Ecological Engineering,2014,69(8):255-264.

[6] Chapagain A K,Hoekstra A Y,Savenije H H G.Water saving through international trade of agricultural products[J].Hydrology and Earth System Sciences,2006,10(6):455-468.

[7] Hoekstra A Y,Hung P Q.Globalisation of water resources:international virtual water flows in relation to crop trade[J].Global Environmental Change,2005,15(1):45-56.

[8] 吳普特,趙西寧,操信春,等.中國(guó)“農(nóng)業(yè)北水南調(diào)虛擬工程”現(xiàn)狀及思考[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(6):1-6.

[9] Hoekstra A Y,Hung P Q. Virtual water trade: a quantification of virtual water flows between nations in relation to international crop trade[C]∥In: Hoekstra A Y,Virtual Water Trade:Proceefings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade.IHE Delft, 2003:25-47.

[10] 郎景波,付 強(qiáng),李鐵男,等.三江平原水資源潛力開發(fā)及對(duì)環(huán)境影響研究[R].哈爾濱:黑龍江省水利科學(xué)研究院,2016.

[11] 黑龍江省統(tǒng)計(jì)局.黑龍江縣(市)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)概要2011-2015[Z].黑龍江：黑龍江省統(tǒng)計(jì)局出版社,2011-2015.

[12] 王玉寶, 吳普特,孫世坤,等.我國(guó)糧食虛擬水流動(dòng)對(duì)水資源和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(10):208-215.