方 芳，馬 瓊

(塔里木大學 經(jīng)濟與管理學院，新疆 阿拉爾 843300)

水資源安全被認為是國家和社會發(fā)展、地區(qū)穩(wěn)定的基礎性要素。我國缺水形勢嚴峻，總?cè)彼?00 億m3，農(nóng)業(yè)缺水占到3/4。新疆深居內(nèi)陸，先天降水不足，單位面積水資源量只有5.3 萬m3/km2，屬于極度干旱缺水地區(qū)，水資源已成為新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵限制性因素。因此，如何優(yōu)化水資源配置是新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展中亟待解決的問題。根據(jù)庇古的“福利經(jīng)濟學理論”，要使社會福利最優(yōu)化，要求社會生產(chǎn)中各部門的資源配置達到帕累托最優(yōu)狀態(tài)。新疆維吾爾自治區(qū)“十三五”規(guī)劃(種植業(yè))提出要按照“穩(wěn)糧、調(diào)棉、增飼、發(fā)展特色”的思路進一步優(yōu)化種植業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[1]。因此，通過計算虛擬水價值研究新疆主要農(nóng)作物的種植布局，為調(diào)整農(nóng)作物的水資源配置提供依據(jù)，對實現(xiàn)新疆生態(tài)與經(jīng)濟協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1993年Tony Allan教授提出“虛擬水”和“虛擬水戰(zhàn)略”[2]。我國自2003年程國棟教授首次將“虛擬水”概念引入以來[3]，馬玉波計算了2012年中國對俄農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易中虛擬水的含量[4]，朱啟榮對中國進出口中虛擬水輸出量進行了定量分析[5]，李鳳麗等利用投入產(chǎn)出法分析了山東省1997-2012年虛擬水的變化趨勢[6]，張杰等測算分析了廣西主要農(nóng)作物的虛擬水含量，并據(jù)此提出了廣西農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對策[7]。龍愛華、徐中民等以甘肅省為例提出了水足跡的概念[8]。

梳理文獻發(fā)現(xiàn)：在研究內(nèi)容上，大多學者從虛擬水含量的視角研究了農(nóng)作物的水資源配置、國際間和省際虛擬水的貿(mào)易流動和貿(mào)易結(jié)構(gòu)，從虛擬水經(jīng)濟價值的層面對農(nóng)作物種植布局進行研究的極少，并且從更加微觀的層面、以新疆各縣為研究單位的不多；在研究方法上，目前采用最多的是根據(jù)農(nóng)作物的需水量計算農(nóng)作物單位虛擬水含量。根據(jù)農(nóng)作物需水量計算農(nóng)作物的單位虛擬水產(chǎn)量，進而測算農(nóng)作物的單位質(zhì)量虛擬水價值。在經(jīng)濟發(fā)展相對緩慢落后、水資源極度匱乏的新疆，農(nóng)業(yè)是社會發(fā)展和國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，研究新疆各縣市農(nóng)作物的單位虛擬水價值，以提高缺水地區(qū)水資源的利用價值，為合理配置農(nóng)業(yè)水資源、規(guī)劃新疆農(nóng)作物的種植布局提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

新疆曾是古“絲綢之路”的重要通道，現(xiàn)在又成為第二座“亞歐大陸橋”的橋頭堡，戰(zhàn)略地位十分重要。同時是我國種植業(yè)大省，2016年新疆水資源總量只有全國的3.37%，農(nóng)業(yè)用水占全疆總供水量的94.32%。新疆水利廳報道全疆現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用率為69.4%，水資源總體上開發(fā)利用過度。新疆屬于溫帶大陸型氣候，降水少，氣候干燥，2016年全疆年均降水量為139.93 mm，尤其是新疆南疆與東疆氣候極其干旱，2016年年均降水僅61.95 mm。

2016年新疆農(nóng)作物播種總面積為621.727 萬hm2，小麥、玉米、棉花、水稻、甜菜和薯類是主要的農(nóng)作物，播種面積占新疆農(nóng)作物播種面積的73.03%，其生產(chǎn)耗水量(249.43 億m3)占新疆農(nóng)業(yè)用水量(533.3 億m3)的46.8%。從圖1看出：主要農(nóng)作物種植面積最大的是伊犁，其次是喀什、阿克蘇、塔城、昌吉和巴音郭楞。小麥主要分布在伊犁、喀什和昌吉，這3個地區(qū)小麥的種植面積為77.34 萬hm2，占全疆小麥總面積的59%；玉米主要分布在伊犁、喀什和塔城，這3個地區(qū)玉米的種植面積為76.5 萬hm2，占全疆玉米總面積的66%；棉花主要分布在阿克蘇、喀什和博爾塔拉，這3個地區(qū)棉花的種植面積為110.4 萬hm2，占全疆棉花總面積的61%；水稻主要分布在阿克蘇、伊犁及和田，這3個地區(qū)水稻的種植面積為3.9 萬hm2，占全疆總水稻面積的77%；甜菜主要分布在伊犁、阿克蘇和巴音郭楞，這3個地區(qū)甜菜的種植面積為4.46 萬hm2，占全疆甜菜總面積的75%；薯類主要分布在喀什、昌吉和伊犁，這3個地區(qū)薯類的種植面積為1.57 萬hm2，占全疆薯類總面積的55%。

圖1 新疆2016年主要農(nóng)作物種植面積Fig.1 Xinjiang's main crop planting area in 2016

與其他產(chǎn)業(yè)不同，種植業(yè)對自然資源的依賴程度較高，氣候、土壤和水資源的差異決定了農(nóng)作物專業(yè)化格局的優(yōu)劣，呂娜娜等[9]研究表明在中國西北干旱區(qū)，水資源已經(jīng)成為制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的限制因素。位于西北干旱區(qū)的新疆，有著豐富的耕地儲備資源，是全國大型的糧棉基地。自改革開放以來的近半個世紀，新疆的綠洲農(nóng)田面積顯著擴張，尤其是新疆棉花，高產(chǎn)高質(zhì)，2016年新疆棉花產(chǎn)值已占到全國棉花總產(chǎn)值的70%以上。近年來，新疆棉花僅有20%供應自身的紡織工業(yè)原料，而80%的新疆棉花進入了國內(nèi)或國際市場，從虛擬水貿(mào)易的角度來講，這相當于在以棉花為載體輸出虛擬水資源。馬林瀟等[10]認為在“三條紅線”用水指標的約束下政府如何制定種植結(jié)構(gòu)布局，最大限度地實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟、社會三方面效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，提高農(nóng)戶收入，促進新疆農(nóng)村經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展，都是保證新疆種植業(yè)持續(xù)健康發(fā)展中亟待解決的問題。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究方法

(1)農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水價值的計算：用農(nóng)作物單位虛擬水產(chǎn)量乘以農(nóng)作物的價格得到。農(nóng)作物單位虛擬水產(chǎn)量根據(jù)農(nóng)作物需水量與農(nóng)作物產(chǎn)量計算得到，如下式：

(1)

式中：SWP(n,c)為n區(qū)域c農(nóng)作物的單位虛擬水產(chǎn)量，kg/m3；SWR(n,c)為n區(qū)域c農(nóng)作物生長期內(nèi)的需水量，m3/hm2；CY(n,c)為n區(qū)域c農(nóng)作物單產(chǎn)，kg/hm2。

(2)農(nóng)作物需水量SWR(n,c)的計算：虛擬水包括虛擬藍水、虛擬綠水。虛擬藍水是指把河流、湖泊等地表和地下的水通過灌溉方式輸送到農(nóng)作物，虛擬綠水是指由降雨和降雪形成的水資源[11]。農(nóng)作物虛擬水含量的測算采用Penman-Monteith公式，如下式：

ETc=ET0Kc

(2)

(3)

式中：ETc為n區(qū)域c農(nóng)作物生長期內(nèi)的土壤蒸發(fā)量，mm/d，即農(nóng)作物的需水量SWR(n，c)；ET0為參考下墊面的土壤蒸發(fā)量，mm/d；Kc為農(nóng)作物系數(shù)，用來修正參考農(nóng)作物與實際農(nóng)作物之間的差異；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率；Rn為農(nóng)作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為干濕表常數(shù)，kPa/℃；T為農(nóng)作物生長區(qū)的平均溫度；ea-ed為飽和水蒸氣壓力差，kPa；U2為農(nóng)作物生長區(qū)2 m高度處的風速，m/s。

2.2 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)作物虛擬水含量的計算是從CROP和CLIMATE數(shù)據(jù)庫提取相關的氣候、土壤數(shù)據(jù)，借助FAO推薦的CROPWAT8.0軟件得到參考農(nóng)作物的需水量，然后根據(jù)中國自然歷[12]和中國主要農(nóng)作物等值線圖[13]得到6種主要農(nóng)作物的參考系數(shù)Kc值，對參考農(nóng)作物需水量進行修正。6種主要農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源《新疆統(tǒng)計年鑒2017》，農(nóng)作物價格來源《中國農(nóng)產(chǎn)品價格調(diào)查年鑒2017》。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

首先由公式(1)～(3)得到農(nóng)作物虛擬水產(chǎn)量，然后根據(jù)農(nóng)作物的價格得到6種農(nóng)作物的單位虛擬水價值。如圖2所示：

圖2 2016年各地州主要農(nóng)作物單位虛擬水價值Fig.2 Virtual water value of main crops in various states in 2016

6種農(nóng)作物的虛擬水價值最高的地區(qū)分別為阿克蘇的小麥(3.86 元/m3)、博爾塔拉的玉米(6.73 元/m3)、伊犁的棉花(2.08 元/m3)、伊犁的水稻(3.34 元/m3)、巴音郭楞的甜菜(7.05 元/m3)、喀什的薯類(10.72 元/m3)。小麥單位虛擬水價值高于全疆平均值的地區(qū)依次為阿克蘇、克孜勒蘇柯爾克孜、塔城、巴音郭楞、伊犁、昌吉、喀什，玉米依次為博爾塔拉、塔城、伊犁、阿勒泰、克拉瑪依、烏魯木齊，昌吉，棉花依次為伊犁、塔城、博爾塔拉、克拉瑪依、昌吉、巴音郭楞、阿克蘇，水稻依次為伊犁、博爾塔拉、阿克蘇、烏魯木齊、塔城，甜菜依次為巴音郭楞、昌吉、伊犁、塔城、克孜勒蘇柯爾克孜，薯類依次為喀什、昌吉、博爾塔拉、伊犁、哈密、阿勒泰、吐魯番。

農(nóng)作物種類間單位虛擬水價值存在較大差異，虛擬水價值最大的農(nóng)作物是薯類，為8.34 元/m3，最小的是棉花，為1.51 元/m3。表明如果以產(chǎn)值為標準衡量，薯類是節(jié)水型農(nóng)作物，棉花是高耗水型農(nóng)作物，在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整時缺水地區(qū)應重點考慮增加薯類這樣的節(jié)水型農(nóng)作物。

3.2 基于虛擬水價值的不同地區(qū)農(nóng)作物種植偏好分析

3.2.1 對應分析方法

對應分析[14,15]的本質(zhì)是一種在低維空間中用圖形方法表示聯(lián)系的技術，可以將它看作是一種標度變換法。對應分析最大特點是能把眾多的樣品和眾多的變量同時做到同一張圖上，將樣品的大類及其屬性在圖上直觀而又明了地表示出來。借助SPSS軟件進行對應分析，結(jié)果顯示：第一維的慣量比例占總比例的57.3%，第二維的慣量比例為28.6%，兩個維度累積解釋慣量比例為85.9%，表明兩個維度解釋了虛擬水價值量85.9%的信息量，可以很好地反映變量間關系。首先對得到的對應圖進行編輯，以某一種農(nóng)作物為圓心作圓，根據(jù)目標點與試驗點的距離判斷偏好。因此在對應分析圖上用距離來表示農(nóng)作物種植偏好的大小，距離圓心作物越近的地區(qū)，也就越具有這種農(nóng)作物的種植偏好，相反，離圓心作物越遠的地區(qū)，種植這種農(nóng)作物的偏好就越小(圖3中，作物代號分別為：1-小麥，2-玉米，3-棉花，4-水稻，5-甜菜，6-薯類；地區(qū)代號分別為：1-烏魯木齊，2-克拉瑪依，3-吐魯番，4-哈密，5-昌吉，6-伊犁，7-塔城，8-阿勒泰，9-博爾塔拉，10-巴音郭楞，11-阿克蘇，12-克孜勒蘇柯爾克孜，13-喀什，14-和田)。

3.2.2 對應分析結(jié)果

(1)在小麥的對應圖上離小麥最近的是阿克蘇，小麥的種植面積為15.388 萬hm2，占全疆小麥總種植面積的11.8%。其次是博爾塔拉、伊犁、塔城、和田、烏魯木齊，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區(qū)較適宜種植小麥。離小麥較遠的是吐魯番、克拉瑪依、昌吉，表明這幾個地區(qū)較不適宜種植小麥，結(jié)合種植規(guī)模來看，小麥主要種植在伊犁、喀什、昌吉，而吐魯番不種植小麥，克拉瑪依小麥種植面積僅0.023 萬hm2，種植規(guī)?；潭炔桓摺?/p>

(2)在玉米的對應圖上離玉米最近的是阿克蘇，其玉米的種植面積為9.794 萬hm2，占全疆玉米總種植面積的8.4%。其次是博爾塔拉、伊犁、塔城，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區(qū)較適宜種植玉米。離玉米較遠的是吐魯番、克拉瑪依、克孜勒蘇，表明這3個地區(qū)較不適宜種植玉米。結(jié)合種植規(guī)模來看，玉米主要種植在伊犁、喀什、塔城，而吐魯番、克拉瑪依、克孜勒蘇這3個地區(qū)玉米種植面積為2.864 萬hm2，占全疆總面積的2.47%，種植規(guī)模較小。

(3)在棉花的對應圖上離棉花最近的是阿克蘇，其棉花的種植面積為48.612 萬hm2，占全疆棉花總種植面積的27%。其次是伊犁、塔城、博爾塔拉，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區(qū)較適宜種植棉花，離棉花較遠的是吐魯番、克孜勒蘇、哈密、克拉瑪依、喀什，表明這幾個地區(qū)較不適宜種植棉花。結(jié)合種植規(guī)模來看，棉花主要種植在阿克蘇、喀什、巴音郭楞，而克拉瑪依、吐魯番、哈密、克孜勒蘇棉花種植面積5.456 萬hm2，占全疆總和的3%，喀什種植面積為40.218 萬hm2，規(guī)模較大。

圖3 各地州農(nóng)作物種植偏好分析圖Fig.3 Analysis of crop planting preferences in different states

(4)在水稻的對應圖上離水稻最近的是克孜勒蘇，其水稻的種植面積為0.063 萬hm2，占全疆水稻總種植面積的1.2%。其次是和田、烏魯木齊、阿克蘇，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區(qū)較適宜種植水稻，離水稻較遠的是吐魯番、昌吉、阿勒泰、水稻、巴音郭楞，表明這些地區(qū)較不適宜種植水稻。結(jié)合種植規(guī)模來看，水稻主要種植在阿克蘇、伊犁、和田，而吐魯番、哈密、昌吉、阿勒泰無水稻種植，巴音郭楞水稻種植面積僅有0.03 萬hm2，規(guī)模較小。

(5)在甜菜的對應圖上離甜菜最近的是巴音郭楞，其甜菜的種植面積為0.85 萬hm2，占全疆甜菜總種植面積的14.3%。其次是昌吉、克拉瑪依、塔城，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區(qū)較適宜種植甜菜，離甜菜較遠的是克孜勒蘇、吐魯番、喀什、哈密、烏魯木齊、和田，表明這些地區(qū)較不適宜種植甜菜。結(jié)合種植規(guī)模來看，甜菜主要種植在伊犁、阿克蘇、巴音郭楞，而克孜勒蘇、吐魯番、喀什、哈密、烏魯木齊、和田均無甜菜種植。

(6)在薯類的對應圖上離薯類最近的是哈密，其薯類的種植面積為0.108 萬hm2，占全疆薯類總種植面積的1.1%。其次是阿勒泰、喀什、吐魯番、昌吉、博爾塔拉、阿克蘇、伊犁，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區(qū)較適宜種植薯類，離薯類較遠的是克孜勒蘇、克拉瑪依、和田，表明這3個地區(qū)較不適宜種植薯類。結(jié)合種植規(guī)模來看，薯類主要種植在喀什、昌吉、伊犁，克拉瑪依無薯類種植，克孜勒蘇與和田薯類種植面積為0.107 萬hm2，占全疆總和的3.74%，種植規(guī)模較小。

3.3 主要農(nóng)作物主產(chǎn)縣虛擬水價值與自治區(qū)種植業(yè)“十三五”規(guī)劃契合度分析

為了從更加微觀的層面分析不同地區(qū)農(nóng)作物的虛擬水價值的差異，根據(jù)上述公式計算了新疆64個主產(chǎn)縣主要農(nóng)作物的單位虛擬水價值，表1列出了農(nóng)作物虛擬水價值由高到低排名前三的縣，發(fā)現(xiàn)虛擬水價值最高的是拜城縣的小麥、溫泉縣的玉米、沙灣縣的棉花、察布查爾錫伯自治縣的水稻、輪臺縣的甜菜、裕民縣的薯類。尤其是裕民縣的薯類，其虛擬水價值高達15.48 元/m3。從縣際層面分析，虛擬水價值排列前三位的主產(chǎn)縣中，拜城縣的小麥、溫泉縣的玉米、沙灣縣的棉花均與自治區(qū)種植業(yè)“十三五”規(guī)劃(種植業(yè))中“重點創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效區(qū)”一致，輪臺縣的甜菜符合“十三五”規(guī)劃(種植業(yè))中“南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局，巴音郭楞要兼顧油糖，發(fā)揮主要龍頭示范作用”，裕民縣的薯類符合“十三五”規(guī)劃(種植業(yè))中“重點發(fā)展南疆20個馬鈴薯主產(chǎn)縣”。總體來看，各類農(nóng)作物主產(chǎn)縣的單位虛擬水價值與自治區(qū)種植業(yè)“十三五”(種植業(yè))規(guī)劃的契合度較高。

表1 2016年各類農(nóng)作物主產(chǎn)縣虛擬水價值Tab.1 The value of virtual water in the main producing counties of all types of crops in 2016

3.4 種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后總產(chǎn)值的變化分析

為了進一步研究農(nóng)作物的種植布局對虛擬水產(chǎn)值的影響，用單位虛擬水價值與農(nóng)作物年生產(chǎn)耗水總量的乘積測算主要農(nóng)作物的虛擬水總產(chǎn)值，并比較農(nóng)作物種在虛擬水價值最高區(qū)與最低區(qū)總產(chǎn)值的差異。如表2所示，棉花的生產(chǎn)耗水量最多，如果調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，棉花的虛擬水產(chǎn)值增加最多，為103.12 億元，其次為玉米、小麥、水稻、甜菜、薯類，合計增加601.25 億元，占新疆2016年第一產(chǎn)業(yè)GDP(1 648.97 億元)的36.46%，可見農(nóng)作物的種植布局對虛擬水產(chǎn)值有較顯著的影響。

表2 2016年種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后總產(chǎn)值的變化情況Tab.2 Changes in total output value after adjustment of crop plant structure

4 討 論

(1)新疆各地的6種主要農(nóng)作物種植規(guī)模與虛擬水種植偏好存在顯著差異，表明主要農(nóng)作物的布局結(jié)構(gòu)在考慮自然資源條件時(土地、光照、氣溫、水)，并不是以水資源為關鍵因素，而是首先考慮了土地和光溫條件，以獲得高產(chǎn)為目標。但新疆尤其南疆是極度干旱地區(qū)，水資源缺乏是農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵限制因素，從虛擬水價值視角看，新疆尤其南疆應首先考慮水資源條件，布局耗水少、虛擬水價值高的農(nóng)作物。

(2)研究發(fā)現(xiàn)需水量大的農(nóng)作物其虛擬水價值就相對較小。根據(jù)張潤等[16]在2015年研究了新疆主要農(nóng)作物的虛擬水含量，指出棉花虛擬水含量最高，其次為小麥、玉米，而經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)棉花的虛擬水價值最低，其次為小麥和玉米。但不同農(nóng)作物的虛擬水價值高低與虛擬水含量的大小程度之間又有細微的差別。

(3)種植業(yè)結(jié)構(gòu)布局與各主產(chǎn)區(qū)種植優(yōu)勢的討論。由于各主產(chǎn)區(qū)的氣候環(huán)境等資源稟賦與灌溉方式等存在差異，單位虛擬水價值高的地區(qū)不一定產(chǎn)出最優(yōu)的品質(zhì)，規(guī)模化的種植區(qū)其農(nóng)作物的單位虛擬水價值卻不一定最高。僅從虛擬水價值視角研究農(nóng)作物的種植布局，在規(guī)劃農(nóng)作物的種植布局時應結(jié)合當?shù)氐馁Y源條件等實際情況。新疆棉花產(chǎn)量高，品質(zhì)好，成為棉花天然的優(yōu)良生產(chǎn)基地。但是棉花屬于高耗水型農(nóng)作物，因此應該綜合考慮，在調(diào)整外顯性種植布局的同時注重內(nèi)涵式品質(zhì)的提升，對于虛擬水價值相對不高卻具有農(nóng)作物種植優(yōu)勢的地區(qū)，應著力發(fā)展特色優(yōu)質(zhì)品種，同時推廣節(jié)水技術，提高灌溉效率。

5 結(jié) 語

(1)主要農(nóng)作物的單位虛擬水價值在種類與區(qū)域上存在顯著差異，6種農(nóng)作物中，薯類的單位虛擬水價值最高，其次是甜菜、玉米、小麥、水稻，棉花最低。因此，新疆這樣極度干旱地區(qū)想要打破農(nóng)業(yè)缺水的瓶頸，可以將虛擬水價值的空間差異列入調(diào)整農(nóng)作物種植布局的影響因素中。

(2)不同農(nóng)作物的種植規(guī)模與種植偏好存在差異。對應分析顯示具有農(nóng)作物種植偏好的地區(qū)，其種植規(guī)模不一定很大，但是大部分農(nóng)作物種植偏好較小的地區(qū)，其種植規(guī)模也小。從更加微觀的縣際層面分析，六種農(nóng)作物虛擬水價值較高的主產(chǎn)縣與自治區(qū)種植業(yè)“十三五”規(guī)劃中“重點創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效區(qū)”的契合度較高。

(3)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后總產(chǎn)值增加。從虛擬水價值視角分析，各類農(nóng)作物種植在虛擬水價值最高區(qū)比最低區(qū)虛擬水總產(chǎn)值增加601.25 億元。說明調(diào)整農(nóng)作物的種植布局可以帶來產(chǎn)值的增加，提高缺水地區(qū)水資源的利用價值。