京津冀農(nóng)業(yè)虛擬水流動及對區(qū)域水資源壓力影響研究

李新生　黃會平　韓宇平　張冬青　任立新　張驍楠

摘要：水資源安全問題一直是研究熱點，基于生產(chǎn)-消費狀況揭示區(qū)域虛擬水流動，對了解水資源利用狀況和水資源可持續(xù)利用具有重要意義?；谔摂M水視角，以灌溉用水和綠水核算區(qū)域農(nóng)業(yè)虛擬水生產(chǎn)，以居民膳食消費核算居民虛擬水消費，以兩者的差值核算并分析了京津冀地區(qū)在生產(chǎn)-消費模式下農(nóng)業(yè)虛擬水流動特征及對區(qū)域水資源壓力的影響。結(jié)果表明：（1）2004-2015年間，河北、天津、北京年均作物生產(chǎn)虛擬水分別為353.1億m3、22.9億m3和16.0億m3，年均畜牧產(chǎn)品生產(chǎn)虛擬水分別為445.3億m3、47.6億m3、36.7億m3;河北、天津作物虛擬水呈現(xiàn)下降趨勢但變化趨勢不明顯，北京作物生產(chǎn)虛擬水呈現(xiàn)出持續(xù)性的下降趨勢;河北、天津畜牧產(chǎn)品虛擬水均呈現(xiàn)出先增加后減少最后趨于緩慢上升態(tài)勢，北京畜牧產(chǎn)品虛擬水呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。（2）2004-2015年河北、天津和北京年均虛擬水消費分別為243.7億m3、61.6億m3和98.3億m3，虛擬水消費均呈現(xiàn)出上升趨勢。（3）河北省為虛擬水輸出型，輸出量呈明顯的下降趨勢，北京市和天津市為虛擬水輸入型，輸入量呈增加趨勢。（4）2004-2015年年均水資源壓力指數(shù)呈現(xiàn)河北>天津>北京，水資源匱乏度呈現(xiàn)為天津>北京>河北，水資源自給率呈現(xiàn)河北>天津>北京，北京和天津?qū)ν獠刻摂M水輸入的依賴程度逐漸增加。京津冀水資源面臨著嚴(yán)重的短缺問題，水資源超載嚴(yán)重。提高農(nóng)業(yè)用水效率，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)合理的膳食結(jié)構(gòu)調(diào)整，從生產(chǎn)和消費兩方面同時入手是解決京津冀水資源問題的關(guān)鍵措施。

關(guān)鍵詞：虛擬水;生產(chǎn)結(jié)構(gòu);消費結(jié)構(gòu);水資源壓力

中圖分類號：TV213文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The water resources security has always been a research hotspot.It is important to understand the utilization of water resources，as well as the sustainable use of water resources from production to consumption.Based on the perspectives of agriculture virtual water，this paper estimated the regional virtual water production from irrigation water and green water，and resident agriculture virtual water consumption from resident dietary consumption，and explored the flow characteristics of agriculture virtual water and its impacts on regional water resource with the production-consumption mode in the Beijing-Tianjin-Hebei region.The results showed that：（1）During 2004-2015，the average annual production of virtual water was 35.31 billion m3，2.29 billion m3，1.60 billion m3 in Hebei，Tianjin and Beijing，respectively，and the annual average production of virtual water for livestock products was 29.09 billion m3，2.40 billion m3，1.79 billion m3.Hebei and Tianjin's crop virtual water showed a downward trend but the trend was not statistically significant.Beijing's crop production virtual water appeared a downward trend.The virtual water of livestock products in Hebei and Tianjin showed anincreasing trend in the early period，then a decreasing trend，and finally a stable but continuous downward trend in Beijing.（2）During 2004-2015，the average annual virtual water consumption in Hebei，Tianjin and Beijing was 34.37 billion m3，6.16 billion m3，and 9.83 billion m3，respectively.Those virtual water consumption all showed an upward trend.（3）Hebei Province exported virtual water，and its output showed a significant downward trend.Beijing and Tianjin were importers of virtual water，and their importing volumes were increasing.（4）The annual average water stress index presented a Hebei>Tianjin>Beijing pattern，water scarcity index Tianjin>Beijing>Hebei，and? water self-sufficiency rate Hebei>Tianjin>Beijing from 2004 to 2015.Beijing and Tianjin increasingly depended on external virtual water inputs.Beijing-Tianjin-Hebei are facing water shortage problems aswater resources were seriously overexploited.Improving agricultural water use efficiency，optimizing planting structure，and guiding rational dietary structures，and taking both production and consumption into account，are key countermeasures to solve the water problems in Beijing-Tianjin-Hebei region.

Key words：virtual water;production structures;consumption structures;water resources stress

水資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，水資源短缺和供需矛盾問題逐漸成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。20世紀(jì)90年代，Allan教授提出一種虛擬在商品中用于表示產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中所消耗水資源量的指標(biāo)，并稱之“虛擬水”[1]。虛擬水理論的出現(xiàn)拓展了水文水資源的認(rèn)知范疇，豐富了解決水問題的途徑，虛擬水逐漸成為影響區(qū)域水資源管理的重要因素[2-3]。農(nóng)業(yè)作為最大的用水部門，受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注，并從虛擬水和水足跡的角度對農(nóng)產(chǎn)品及衍生品從生產(chǎn)[4-6]、消費[7]和貿(mào)易[8]等不同的方面進(jìn)行研究分析。作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整[9]和膳食結(jié)構(gòu)的變化[10-11]對區(qū)域水資源需求有重要影響。含在產(chǎn)品中的虛擬水伴隨著生產(chǎn)和消費的進(jìn)行，通過區(qū)域貿(mào)易產(chǎn)生流動。虛擬水流動完成了虛擬水形態(tài)的水資源在地理空間的再分配[12]，通過虛擬水的輸入緩解缺水地區(qū)的水資源壓力成為解決水資源問題的新途徑。虛擬水流動的量化主要通過貿(mào)易數(shù)據(jù)或者投入產(chǎn)出表進(jìn)行計算，前者需要詳細(xì)的貿(mào)易數(shù)據(jù)，相關(guān)研究多集中于全球和國家尺度[13]，后者主要研究藍(lán)水的流動而對于綠水的考量較少。缺乏區(qū)域間貿(mào)易數(shù)據(jù)下，王玉寶等[12]基于糧食儲量不變原則、社會公平性原則、外部不干擾原則測算了我國省級行政區(qū)之間的糧食虛擬水流動量并研究了其節(jié)水效應(yīng)和對區(qū)域水資源壓力的影響，但此方法一定程度上忽略了虛擬水消費的區(qū)域差異性。對于京津冀地區(qū)虛擬水的流動的研究多利用多區(qū)域投入產(chǎn)出分析進(jìn)行研究[14]，該方法能夠得出區(qū)域虛擬水流動狀況和區(qū)域產(chǎn)業(yè)部門間的虛擬水轉(zhuǎn)移，但無法識別具體產(chǎn)品虛擬水生產(chǎn)和消費并且缺少連續(xù)年份的研究?；谏a(chǎn)-消費狀況揭示區(qū)域虛擬水流動，可以很好地引入綠水資源并表征虛擬水的生產(chǎn)-消費結(jié)構(gòu)和虛擬水流動時間變化。

京津冀地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)最具競爭力的地區(qū)之一，同時也是我國水安全保障難度最大的地區(qū)[15]。2016年京津冀淡水直接使用量達(dá)248.6億m3（其中農(nóng)業(yè)用水58.7%，工業(yè)用水12.6%），污水排放量近55億t[16]。由于生產(chǎn)方式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，區(qū)域生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費模式不斷改變，切實了解京津冀地區(qū)的虛擬水生產(chǎn)、消費和流動變化，對了解區(qū)域水資源利用狀況進(jìn)而實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用具有重要意義?；诖吮疚膹纳a(chǎn)和消費兩方面對區(qū)域農(nóng)業(yè)虛擬水進(jìn)行了研究，并分析了京津冀地區(qū)在生產(chǎn)-消費模式下農(nóng)業(yè)虛擬水流動特征及對區(qū)域水資源壓力的影響。研究結(jié)果可為了解水資源短缺和供需矛盾問題構(gòu)建健康持續(xù)的發(fā)展模式等提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)及來源

本文氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺，包括氣溫、平均風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度、平均水汽壓、逐日降水量以及各氣象站點的經(jīng)緯度、海拔高程等。作物面積、產(chǎn)量和畜產(chǎn)品產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來自《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》以及《中國統(tǒng)計年鑒》。居民消費數(shù)據(jù)來自《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》、《天津統(tǒng)計年鑒》和《北京統(tǒng)計年鑒》。對于部分缺失數(shù)據(jù)，本文根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)延長（對于單一年份缺失采用前后兩個年份均值進(jìn)行插補(bǔ)，對于連續(xù)多年數(shù)據(jù)缺失采用相鄰三個年份的均值進(jìn)行延長），北京市因為統(tǒng)計年鑒中沒有城鎮(zhèn)居民消費數(shù)據(jù)，因此結(jié)合居民消費支出和商品價格指數(shù)進(jìn)行推求。

1.2 基于生產(chǎn)的虛擬水的量化方法

1.2.1 作物虛擬水

作物單位質(zhì)量虛擬水（WV，crop）指單位質(zhì)量的作物生產(chǎn)過程中消耗的水資源量，包括綠水（WV，green）、藍(lán)水（WV，blue）。各作物產(chǎn)量與當(dāng)年單位質(zhì)量虛擬水乘積之和即為當(dāng)年的作物虛擬水總量。考慮到在水資源短缺的大背景下，實際灌溉不可能實現(xiàn)充分灌溉，尤其是我國北方缺水地區(qū)。結(jié)合省市行政區(qū)劃的用水?dāng)?shù)據(jù)，文中采用的作物虛擬水計算方法見下式：

1.2.2 畜牧產(chǎn)品虛擬水

畜類活體的虛擬水含量取決于其整個生長過程中消耗的淡水資源量，包括飼養(yǎng)所用的作物包含的虛擬水含量、日常飲用用水和清潔圈舍和衛(wèi)生所產(chǎn)生的服務(wù)用水[19]。不同區(qū)域發(fā)展程度和地理位置的差異決定了畜類飼養(yǎng)方式和飼料構(gòu)成的不同，從而導(dǎo)致虛擬水含量的差別。畜牧產(chǎn)品的虛擬水含量則取決于牲畜的種類和在加工這種產(chǎn)品過程中所消耗的水。由于牲畜及部分作物產(chǎn)品虛擬水含量的計算較為復(fù)雜，由此相關(guān)產(chǎn)品的虛擬水含量（藍(lán)水和綠水），本文中直接采用文獻(xiàn)[5，20]已有成果，見表1。

1.3 基于消費的虛擬水量化方法

消費虛擬水指區(qū)域內(nèi)居民通過消費從而達(dá)到占據(jù)消費品中所包含的水資源量。虛擬水消費量計算公式如下：

1.4 生產(chǎn)-消費模式下的農(nóng)業(yè)虛擬水流動核算方法

作物生產(chǎn)是區(qū)域虛擬水流動的基礎(chǔ)，作物通過生長發(fā)育將區(qū)域水資源轉(zhuǎn)化為作物產(chǎn)品所包含的虛擬水。作物產(chǎn)品虛擬水主要向區(qū)域消費和作為飼料為牲畜生長發(fā)育提供保障，多余的部分則作為產(chǎn)品進(jìn)行對外輸出。畜牧產(chǎn)品生產(chǎn)虛擬水一部分來源于區(qū)域飼料，另一部分消耗來源于飼料的外部輸入。而畜牧產(chǎn)品虛擬水的輸出端，包含區(qū)域消費和作為產(chǎn)品的對外輸出。區(qū)域消費包含區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)品的供給和外部產(chǎn)品的輸入。基于區(qū)域農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)-消費模式下虛擬水流動過程見圖1。

2 結(jié)果與討論

2.1 生產(chǎn)虛擬水時間變化

2.1.1 作物生產(chǎn)虛擬水

圖2為京津冀地區(qū)2004-2015年間作物生產(chǎn)虛擬水年際變化。其中河北省作物生產(chǎn)虛擬水年均353.1億m3遠(yuǎn)高于北京和天津，在312.1～394.0億m3之間上下起伏波動，整體呈現(xiàn)下降趨勢，但變化趨勢并不明顯。天津市年均作物生產(chǎn)虛擬水22.9億m3，年際間變化幅度較小。北京市由于作物種植面積和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，作物生產(chǎn)虛擬水呈現(xiàn)出了持續(xù)性的下降趨勢，由2004年的17.5億m3降為2015年的10.5億m3。從作物虛擬水構(gòu)成來看，玉米所占的虛擬水比例逐漸增加而小麥和水稻所占比例逐步降低。參照文獻(xiàn)[23]研究成果，京津冀地區(qū)玉米等單位質(zhì)量藍(lán)水需求量較低，對灌溉水需求較少;水稻，小麥等灌溉需水較大;這種種植結(jié)構(gòu)的變化一定程度上減輕了農(nóng)業(yè)灌溉需水壓力。

2.1.2 畜牧產(chǎn)品虛擬水

京津冀地區(qū)2004-2015年間畜牧產(chǎn)品虛擬水年際變化見圖3。京津冀地區(qū)畜牧產(chǎn)品虛擬水2004和2005年明顯高于其他年份。2004-2005年間，河北、天津畜牧產(chǎn)品虛擬水均呈現(xiàn)出上升趨勢，北京市畜牧產(chǎn)品虛擬水略有減少。2006年畜牧產(chǎn)品虛擬水發(fā)生了銳減，這與當(dāng)?shù)匦竽琉B(yǎng)殖規(guī)模的改變有著密切的關(guān)聯(lián)，較2005年河北省、天津和北京畜牧產(chǎn)品虛擬水分別減少了124.7億m3、14.0億m3和11.6億m3，相當(dāng)于當(dāng)年畜牧產(chǎn)品虛擬水的三分之一。2006-2015年間河北和天津畜牧產(chǎn)品虛擬水含量平緩上升，而北京變現(xiàn)為略微下降的變化趨勢。2004-2015年間京津冀年均畜牧產(chǎn)品虛擬水河北、天津和北京分別為445.3億m3、47.6億m3、36.7億m3。從生產(chǎn)結(jié)構(gòu)來看，高耗水的畜牧產(chǎn)品虛擬水如牛肉所占比例逐漸的下降，禽蛋和豬肉等低耗水產(chǎn)品所占比例進(jìn)一步增加，這種生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的變化有利于減輕畜牧業(yè)對水資源的需求。

2.2 虛擬水消費變化

2.2.1 虛擬水消費時間變化

由于缺乏北京市2004年前的居民消費數(shù)據(jù)，本文計算了2004-2015年京津冀地區(qū)虛擬水消費（圖4）。河北、天津和北京虛擬水消費均呈現(xiàn)出上升趨勢，這與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程加快和人民生活水平的提高存在密切聯(lián)系，同時也反映出居民用水需求的進(jìn)一步增加，給該地區(qū)的用水保障問題帶來更大的挑戰(zhàn)。河北、天津和北京年均虛擬水消費分別為243.7億m3、61.6億m3和98.3億m3，遠(yuǎn)高于區(qū)域水資源總量。與2004年相比，河北、天津和北京2015年消費虛擬水分別增加17.9億m3、29.7億m3和24.3億m3。2004-2015年人均消費水足跡河北、天津和北京分別為342.4 m3/a、483.6 m3/a和526.9 m3/a，人均消費虛擬水同區(qū)域發(fā)展程度密切相關(guān)，經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)的地方人均消費虛擬水量越高。

2.2.2 虛擬水消費結(jié)構(gòu)變化

為了解消費結(jié)構(gòu)的變化，本文選取了2005、2010和2015年為典型年，如圖5所示。由于人們生活水平的提高和消費觀念的改變，虛擬水消費結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著變化和區(qū)域特性。以2005年為例，河北省糧食虛擬水消費比例遠(yuǎn)高于天津和北京，畜類產(chǎn)品消費比例略低。與2005年相比，河北省2015年糧食虛擬水消費比例下降了13%，虛擬水消費量下降了27.4億m3，畜類產(chǎn)品虛擬水消費所占比例增加了7%，虛擬水消費量增加了27.1億m3，消費結(jié)構(gòu)更加均衡。天津和北京糧食虛擬水消費比例略有減少，食用油虛擬水消費則呈現(xiàn)出增加的趨勢。對畜類產(chǎn)品虛擬水消費天津市比較穩(wěn)定，而北京市呈現(xiàn)下降趨勢。考慮消費產(chǎn)品虛擬水含量，對畜類產(chǎn)品的大量消費勢必增加區(qū)域用水需求，而瓜果蔬菜等低虛擬水含量產(chǎn)品消費的增加能減少消費虛擬水需求，從而改變居民消費觀念，引導(dǎo)居民膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，是減少虛擬水消費的有效方式。

2.3 生產(chǎn)-消費模式下農(nóng)業(yè)虛擬水流動變化

本文采用農(nóng)業(yè)虛擬水生產(chǎn)與消費差額表示虛擬水流動量的指標(biāo)，分析區(qū)域生產(chǎn)-消費模式下的虛擬水流動狀況。輸入產(chǎn)品相當(dāng)于節(jié)省了同樣產(chǎn)量的本地產(chǎn)品生產(chǎn)需要消耗的虛擬水量，按照生產(chǎn)、消費的同類型產(chǎn)品，單位質(zhì)量虛擬水含量是與當(dāng)?shù)刈魑锷a(chǎn)虛擬水是相等的思想進(jìn)行論述。

京津冀地區(qū)2004-2015年農(nóng)業(yè)虛擬水流動變化見表2。在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、消費結(jié)構(gòu)和人口變化等原因的共同影響下，區(qū)域農(nóng)業(yè)虛擬水流動發(fā)生了明顯的變化。其中河北省為虛擬水輸出型，輸出量呈明

顯的下降趨勢，由2004年的151.7億m3減少到2015年的62.0 m3年均減少8.2億m3。北京市和天津市為虛擬水輸入型，輸入量呈增加趨勢。相比2004年，2015年天津和北京虛擬水輸入量增加了33.3 億m3和31.5 億m3?？紤]京津冀一體化的大背景，在生產(chǎn)-消費模式下可以看出京津冀從虛擬水輸出型轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M水輸入型，區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)虛擬水已

經(jīng)不能滿足于區(qū)域虛擬水需求，京津冀對外部虛擬水輸入的依靠性逐步加強(qiáng)，虛擬水流入逐漸成為緩解京津冀水資源短缺問題的重要一環(huán)。

2.4 農(nóng)業(yè)虛擬水流動對區(qū)域水資源壓力影響

基于農(nóng)業(yè)虛擬水的核算，本文采用水資源壓力系數(shù)、水資源匱乏度和水資源自給率三個指標(biāo)分析農(nóng)業(yè)虛擬水的生產(chǎn)、消費和流動對區(qū)域水資源利用和水資源壓力產(chǎn)生的影響，見表3。

2004-2015年年均水資源壓力指數(shù)呈現(xiàn)河北>天津>北京，水資源匱乏度呈現(xiàn)為天津>北京>河北，水資源自給率呈現(xiàn)河北>天津>北京。其中年均[HJ]水資源壓力指數(shù)河北和天津分別為297%和175%，表示兩個地區(qū)產(chǎn)品生產(chǎn)虛擬水大于可用水資源量，[HJ]區(qū)域水資源承壓較大處于超載狀態(tài)，這與區(qū)域生產(chǎn)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。河北是典型的農(nóng)業(yè)大省，是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，為保障區(qū)域糧食安全農(nóng)業(yè)需水量旺盛，所以水資源承壓較大。天津市水資源壓力指數(shù)變幅比較穩(wěn)定，但水資源一直處于超載狀態(tài)。北京市水資源壓力小于100%，并趨于下降，一方面是由于北京市農(nóng)業(yè)種植面積的消減和種植結(jié)構(gòu)的改變帶來的農(nóng)業(yè)需水量減少，另一方面南水北調(diào)等外部輸水增加了區(qū)域水資源可利用量減輕了北京水資源壓力。2004-2015年河北、北京和天津年均水資源匱乏度分別為172%、396%和460%，三個地區(qū)可利用水資源量均不能夠滿足區(qū)域消費的產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)需水量，天津和北京的缺水程度遠(yuǎn)高于河北。2004-2015年河北、北京和天津年均水資源自給率分別為100%、17%和39%。可以看出北京市水資源自給程度最低，83%消費虛擬水嚴(yán)重依賴外部的輸入。對比三個地區(qū)水資源壓力指數(shù)和水資源自給率可以看出，水資源自給率越高，水資源壓力指數(shù)越高，北京和天津通過虛擬水的流入極大程度的緩解了區(qū)域水資源壓力。考慮京津冀一體化背景下，2004-2015年京津冀年均水資源壓力指數(shù)219%，水資源匱乏度為224%，水資源自給率為95%?？梢娋┙蚣剿Y源面臨著嚴(yán)重的短缺問題，水資源系統(tǒng)嚴(yán)重超載，虛擬水輸入逐漸成為區(qū)域消減水資源壓力的有效措施。