烏昌石城市藍水足跡測度及空間轉移
——基于MRIO模型

呂正寅，孫建光

(新疆財經大學，新疆 烏魯木齊 830012)

新疆位于中國西北邊陲，高速發(fā)展下全年生活用水量比國家規(guī)定的地區(qū)用水總量控制紅線超出66.82×108m3，水資源壓力最大是克拉瑪依和烏魯木齊[1-2]。區(qū)內“綠洲經濟，灌溉農業(yè)”經濟生產形式，巨大的貿易流量以農產品和基礎能源產業(yè)部門為主導，使得水維持經濟發(fā)展剛性需求日漸增加[3-4]。新疆的天山北坡城市群是“十四五”規(guī)劃綱要中推動城市群一體化發(fā)展指出的國家級19個重點城市群之一，仍處于“培育發(fā)展”之列[5]，在天山北坡核心區(qū)域上，烏魯木齊協(xié)同昌吉和石河子三地的城市集群是新疆人口和城鎮(zhèn)最為集聚的區(qū)域，資源條件和環(huán)境載荷極為優(yōu)越，對全疆經濟轉型以及“一帶一路”的倡導起著引領作用，迫切尋求排解水資源壓力。

20世紀90年代，Tony提出了衡量隱含在產品或者服務中非實體存在的虛擬水概念，2002年Hoekstra進一步結合生態(tài)足跡與經濟學理論第一次用水足跡來表述維持一定人群消費的產品和服務所必需的水量[6-10]。后續(xù)實際研究中分為藍、綠、灰3種水足跡，重點關注藍水足跡，即消耗會造成地區(qū)水資源和環(huán)境壓力的地表水和地下水量[10]，綠水足跡表現形式為實際降水消耗量，灰水足跡則度量污染排放對水體占用的理論稀釋水量[11]。

針對干旱地區(qū)缺水問題的水足跡核算，關鍵在于貿易流量，當前基于生命周期分析(LCA)定量的自上而下法和自下而上法是主流[12]：自下而上法是過程分析，通過詳細的過程數據計算貿易中的商品和服務的單產虛擬水含量來估算藍色水足跡，常針對農產品討論[13-14]，該法未考慮整個工業(yè)供應鏈，不區(qū)分中間使用和最終使用，缺乏對行業(yè)和服務的詳細描述。自上而下法基于消費平衡理論，能體現對外部水資源的依賴程度，其中投入產出理論的引入使得讓產業(yè)和地域之間的普遍聯(lián)系得到了顯露[15-16]，也更適用于可獲取公共數據的地理尺度單位[17-18]。Bogra S[19]等利用130個部門2003—2004年的印度經濟型投入產出表，明確了綠、藍以及稀缺地下水足跡，發(fā)現印度凈進口微不足道。曾賢剛等[20]利用WIOD版本的2003—2017國家級單區(qū)域的投入產出表，替換相似地理國情的耗水系數，量化了10個與中國農產品貿易額最大的國家產生的藍水足跡凈進口。雷雨等[21]、蘇守娟等[22]運用RAS法疊加分別得到的北疆、南疆投入產出表，發(fā)現北疆藍、綠水足跡流出與流入的大部分均與國內其他省份相關，南疆由于農業(yè)部門表現為對外凈調出。以上單區(qū)域的投入產出研究無法兼顧多邊關聯(lián)，而多區(qū)域投入產出模型(MRIO)更具優(yōu)勢[23]，不僅便于測算國際間[15]、全國省際間[16,24-25]藍水足跡的空間轉移，而在流域或重點經濟圈內，Islam K M N[26]對澳大利亞5個首都城市、夏廣慧等[27]對黃河流域五省區(qū)、曹濤等[28]對京津冀三省市、田貴良等[29]對長江經濟帶11個省市的藍水足跡轉移進行了省際尺度的研究?？梢园l(fā)現，MRIO普遍依據全國省際間投入產出表，測算出了新疆流出規(guī)模巨大，閻曉東等[30]、孫才志等[31]分別從源-匯地分析與社會網絡分析SNA，構建了中國省際間的核算的水足跡空間關聯(lián)網絡，指出了新疆影響力較強凈溢出的角色。但在城市尺度上，尤其是用水矛盾突出的疆內仍較缺乏關注，主要是SRIO區(qū)域化設計難度極大，當前較為成功的案例為河北11城市的MRIO[32]；其次，很多研究只是套用了水足跡的概念，常默認將水足跡與藍水足跡劃上了等號，在模型基礎的直接水量數據選擇上通常是取水量、用水量甚至是用水定額等，尤其是體現在工業(yè)和生活部門，這樣不考慮退水量的核算夸大了藍水足跡的數值，而耗水量才是真正能代表無法回歸水循環(huán)系統(tǒng)的藍水量指標；最后，基于投入產出往往還會對部門尤其是工業(yè)部門整合程度較高，不僅難以對部門準確識別，也會對核算的準確性造成較大影響。

中國碳核算數據庫CEADs編制的投入產出表與國家統(tǒng)計局國民經濟核算司、中國科學院地理科學與資源研究所等機構互為補充，深受水足跡領域學者的認可。因此，本文使用CEADs新發(fā)布的全國城市間投入產出表，推算獲取該年度各區(qū)域細分工業(yè)部門的耗水量數據，應用在新疆天山北坡經濟帶核心區(qū)位的烏昌石城市集群上，參考LCA的評價理論，分別從生產和消費視角核算烏昌石城市藍水足跡，并對烏昌石城市間的水足跡關聯(lián)、以及與區(qū)域外的藍水足跡空間轉移格局進行分析，為烏昌石城市協(xié)同發(fā)展中的水資源配置，以及對外貿易安排上提供合理參考。

1 研究方法

1.1 藍水足跡MRIO模型構建

在包含s個區(qū)域，每個區(qū)域又分為n個部門的價值型投入產出表中，增加耗水行向量作為衛(wèi)星賬戶，得到擴展的水資源型多區(qū)域投入產出模型(MRIO)。

需求平衡公式寫為：

(1)

引入對單位直接消耗量進行解釋的直接消耗系數：

(2)

故平衡式為：

(3)

矩陣形式為：

X=AX+F+E

(4)

其中X、F、E分別為ns×1的總產出、最終產品、出口列向量，A為ns×ns的直接消耗矩陣。移項得到非異陣(I-A)，其中I表示單位矩陣，則存在(I-A)-1=L表示ns×ns的列昂惕夫逆矩陣(Leontief)，即：

X=(I-A)-1×(F+E)

(5)

援用直接耗水系數：

(6)

(7)

核算公式分別為：

(8)

(9)

Rr、Ur、Gr、FCr、INr分別對應區(qū)域r的農村居民消費、城鎮(zhèn)居民消費、政府消費、固定資本形成和存貨增加的ns×1的列向量，為f劃分出的5類最終需求。

在消費視角下，令D=[d1,d2,…,ds]，核算區(qū)域r總藍水足跡：

(10)

區(qū)域r消費藍水足跡中來源于外部區(qū)域的部分為：

(11)

由于本文僅限于國內區(qū)域之間，多區(qū)域的藍水足跡轉移不考慮進出口，在建立模型時已經剔除了中間產品和最終產品中的進口部分，因此本文中的總藍水足跡是用于國內最終需求的藍水足跡量，地區(qū)轉移水量所占的比例會相對偏大。于是核算藍水足跡的轉移，對D進行對角化處理：

(12)

其中

(13)

可計算得到完全耗水系數矩陣：

(14)

T表示完全耗水系數矩陣，其內的trk表示的含義是為滿足區(qū)域r各部門單位最終需求在整個生產過程中對區(qū)域k各部的完全耗水總和。

據此，可測算最終需求拉動的區(qū)域r轉移到區(qū)域k的藍水足跡量：

(15)

式中 VWrk——區(qū)域r轉移到區(qū)域k的藍水足跡量；fmk——區(qū)域k從區(qū)域m得到的農村居民消費、城鎮(zhèn)居民消費、政府消費、固定資本形成、存貨增加的加總得到的n×1最終需求的列矩陣。

同理，如果將trm中對應第i行和fmk中對應第j行的元素保留，其余為0后得到的矩陣代入，則最終可以得到區(qū)域r部門i供給區(qū)域k部門j的水量。最終歸納出烏昌石與其他區(qū)域之間各部門轉移水量和轉移方向，得到水足跡轉移矩陣。

1.2 數據來源

選取CEADs發(fā)布的2012年中國313個城市(沒有納入香港、澳門和臺灣)42部門的多區(qū)域投入產出表[33]。整理合并313城市得到34個區(qū)域(烏昌石三地，新疆其他地區(qū)，以及包含西藏在內的中國大陸其他的30個省、市、自治區(qū))的MRIO，再按照GB/T 4754—2011《國民經濟行業(yè)分類》合并為19個部門(包括17個第二產業(yè)、1個第三產業(yè)和1個第一產業(yè))。

水足跡核算的對象包含綠、藍、灰3種，但考慮到綠水不具備造成地區(qū)水資源壓力的競爭性，也難以再分配被種植業(yè)以外的生產活動直接利用，灰水則是假設性水量數值，主觀性較強，二者在現實性和重要性上均無法與藍水足跡相提并論，因此本文討論緩解烏昌石城市水資源耗用的壓力，僅將的藍水足跡作為核算對象。

各地各部門耗水量數據的根據公開數據整理推算：各地總供、用水量查閱《中國城市統(tǒng)計年鑒2013》，各地劃分產業(yè)用水量以及耗水率等根據國家統(tǒng)計局《環(huán)境統(tǒng)計數據2012》以及各省、市、自治區(qū)《統(tǒng)計年鑒2012—2014》《水資源公報2012》相互調整獲得。各地區(qū)工業(yè)劃分到各部門取水量在《中國經濟普查年鑒2008(能源卷)》中有公布，建筑業(yè)采用各地《第一次水利普查公報2013》中對2011年普查的數據，將數據年份映射至2012年[21]，對于地區(qū)水資源公報中有公布部門耗水率的則根據用水量與耗水率計算，否則根據映射的用水比例將耗水量分配至各部門。烏昌石城市利用各部門年末產出信息與用水量定額與《新疆水資源公報2012》中各地分產業(yè)耗水數據估計，其他經濟信息數據來源于各地《2012年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。

2 結果

2.1 烏昌石地區(qū)的生產和消費視角藍水足跡分析

圖1顯示了烏昌石城市的兩方視角核算的藍水足跡構成。2012年烏昌石城市國內生產藍水足跡33.83億m3(烏昌石分別為5.46億、26.32億、2.05億m3)，而包含居民生活耗水和生態(tài)耗水的消費藍水足跡總量為64.03億m3(分別為36.69億、18.65億、8.69億m3)；生產中21.83億m3用于滿足外部區(qū)域，而消費中高達50.95億m3來自外部，表明烏昌石對外依賴程度高，消費藍水足跡量最高的烏魯木齊自給率也是最低的，僅有11.06%，生產量最多的昌吉也僅有25.19%。烏昌石城市中石河子受制于水資源總量(0.11億m3)，壓力巨大。

烏昌石城市生產藍水足跡中農、林、牧、漁業(yè)占據了絕對的領導地位，貢獻超90%(烏昌石分別為79.85%、97.60%、77.60%)，其中昌吉和石河子在供給外地部分中占比更高(分別達到了97.87%、79.63%)，這是由于當年昌吉種植業(yè)有較大擴張，增加了高耗水的糧食作物和棉花等經濟作物，但減少了耗水量低的蔬菜種植面積，年末公布產量信息中，糧食和油料的同比減產，增加了2種作物產品單位藍水足跡含量，伴隨對外貿易量的增加昌吉和石河子向外地供給了更多藍水足跡。第二產業(yè)生產的藍水足跡占比在5%左右(烏昌石分別為16.11%、2.21%、21.65%)，昌吉和石河子在供給本地部分中占比更高(分別為3.17%、24.10%)，主要集中于電、熱、燃氣及水的生產和供應業(yè)、采礦、食品、非金屬礦物制品、金屬冶煉及壓延加工等制造業(yè)，以及石油、煉焦產品和核燃料加工品(烏魯木齊)以及化學產品制造業(yè)(烏魯木齊和石河子)。烏昌石城市消費藍水足跡構成則更集中于農、林、牧、漁業(yè)，尤其消費的外來部分中占比達95%，烏昌石城市有17個部門消費主要依靠外來，除建筑業(yè)之外，烏魯木齊在石油、煉焦產品和核燃料加工品業(yè)、石河子在食品、紡織、化學產品制造業(yè)以及電、熱、燃氣及水的生產和供應業(yè)也實現高度自給。

圖1 生產和消費視角下烏昌石藍水足跡構成(萬m3)

結合生產和消費兩方視角發(fā)現：烏昌石城市藍水足跡消費量幾近生產的2倍，但生產中僅有約1/3用于本地消費。烏魯木齊和石河子低生產高消費，但烏魯木齊生產供給外地少消費源于外地多，產業(yè)布局相對更優(yōu)，消費模式粗獷對外依賴最高；昌吉和石河子生產供給外地占比與消費外來占比雙高，但昌吉偏重于高耗水生產，石河子效率最低，且間接耗水更多。

2.2 烏昌石城市間的藍水足跡轉移分布格局

核算得烏昌石城市內部藍水足跡13.09億m3，其中3.29億m3在城市間轉移，烏昌石轉出分別占當地生產的3.42%、10.90%、11.51%，轉入則分別占當地消費的6.88%、1.07%、7.14%，發(fā)現石河子轉移更集中在烏昌石城市內，但總體來看，烏昌石內部相扶自足能力非常有限。

圖2直觀展示了烏昌石城市部門間聯(lián)系。首先是各地農、林、牧、漁業(yè)間接提供藍水足跡給本地的食品制造業(yè)、服務與交通業(yè)，以及多個制造業(yè)部門向建筑業(yè)轉移了較大比例的藍水足跡量(平均大于部門轉出量的25%)。烏昌石城市中，烏魯木齊的電、熱、燃氣及水的生產和供應業(yè)主要轉向當地建筑業(yè)、服務與交通業(yè)以及化學產品制造業(yè)；石河子農、林、牧、漁業(yè)首要為當地的紡織及紡織制品業(yè)轉移藍水足跡量，這是由于石河子盛產的棉料等為本地加工制造提供了大量原材料，此外，石河子的電、熱、燃氣及水的生產和供應業(yè)也為本地建筑業(yè)、紡織及紡織制品加工業(yè)提供了大量間接藍水。

其次，在烏昌石之間，農、林、牧、漁業(yè)向各地同部門以及食品制造業(yè)和服務、交通業(yè)轉移較明顯，尤其烏魯木齊食品制造業(yè)從昌吉該部門得到的水量是本地該部門轉入水量的2.38倍，石河子也達到了1.25倍，這說明的是兩地食品制造與昌吉初級生產較強的關聯(lián)性。此外，昌吉轉移藍水足跡量的前五個部門向烏魯木齊、石河子的建筑業(yè)轉移比例平均是各部門轉出量的10%左右。

注：烏昌石城市首字及后接1—19對應各地區(qū)的19個部門。

2.3 烏昌石城市與外部區(qū)域的藍水足跡轉移分布

烏昌石城市與外部轉移藍水足跡總量達72.78億m3，包含轉出21.83億m3(分別1.79億、19.10億、0.95億m3)，轉入50.95億m3(分別30.15億、13.75億、7.05億m3)。圖3刻畫了烏昌石和各地藍水足跡空間轉移。

圖3 烏昌石與國內各地的藍水足跡轉移分布(萬m3)

①轉出上，疆內其他地、州、市是烏昌石城市最大的轉出目標地，共輸出6.52億m3(分別占烏昌石轉出藍水足跡量的38.68%、28.30%、44.36%)。烏昌石向疆外共轉出15.32億m3，其中烏昌石城市轉出最多的省份均是山東，共轉出2.09億m3，若合計全疆向山東轉出量則高達27.61億m3，這與其他學者在省級尺度上核算的結果一致[34]。烏昌石城市轉出超過1億m3的省市還有上海、廣東、浙江。此外，遼寧、河南、河北、江蘇、四川等當年的經濟大省也在烏昌石城市轉出前列，而墊底的則主要是西北各省。②轉入上，新疆其他地、州、市向烏昌石轉入45.47億m3，分別占三地轉入的86.44%、92.82%、94.23%。疆外共向烏昌石轉入5.48億m3，轉入前列的均是中國農業(yè)大省(江蘇、安徽、河南、黑龍江、河北)，且轉入量更集中，而轉入最少的地區(qū)則包括西北各省、海南、山西、北京、天津等。

綜上，烏昌石城市藍水足跡轉出以昌吉為首，主要是去向國內其他省市，且大量轉移到水資源相對豐富區(qū)域，對烏昌石地區(qū)經濟發(fā)展過程無疑造成了巨大的水資源壓力；轉入以烏魯木齊為主，極度依靠疆內，將壓力重點轉嫁給了新疆其他地、州、市；而石河子的轉移更集中在疆內。烏昌石共凈轉入藍水足跡29.11億m3，從疆內其他地、州、市凈轉入了38.95億m3，而對疆外各地凈轉出9.84億m3，其中對烏昌石城市凈轉入的只有甘肅、廣西、吉林、江蘇四省(自治區(qū))。

2.4 烏昌石與外部藍水足跡轉移的部門格局分析

烏昌石城市對外貿易產品以棉紗、棉機織物、腸衣、地毯等為主，但是除石油、煉焦產品和核燃料加工品業(yè)之外部門全部為外部凈輸入藍水足跡。

圖4、5展示烏昌石城市與外部轉移的部門格局，由于與疆內藍水足跡轉移水量遠高于其他地區(qū)，圖4描繪烏昌石城市與疆內的轉入轉出藍水足跡的部門構成，圖5是選擇與烏昌石各地轉移量最多的9個地區(qū)作為代表地區(qū)，僅標注重點部門。

與疆內轉移的藍水足跡中農、林、牧、漁業(yè)的占比普遍更高，尤其是轉入部分。烏昌石城市從疆內該部門及服務與交通業(yè)凈轉入了藍水足跡，但在工業(yè)部門上總體向疆內其他地、州、市凈轉出，主要是石河子化學產品制造業(yè)、昌吉金屬冶煉及壓延加工業(yè)以及兩地電、熱、燃氣及水的生產和供應業(yè)，烏魯木齊石的油、煉焦產品和核燃料加工品、金屬冶煉、電氣、通信及儀表制造業(yè)。

a)轉出

與疆外轉移的藍水足跡構成更多樣，尤其在轉入中第一部門占比下降，但烏昌石城市仍僅在該部門與石油煉焦產品和核燃料加工品對疆外凈轉出。從疆外凈轉入部門中，電、熱、燃氣及水的生產和供應業(yè)、化學產品制造業(yè)、造紙印刷及文體用品業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)、通用設備和專用設備等工業(yè)部門以及服務與交通業(yè)水量最為顯著。

綜上，烏昌石城市間發(fā)展差異明顯，但在服務與交通業(yè)上從疆內、外均凈轉入了藍水足跡。烏昌石城市中，烏魯木齊生產相對合理且消費水平更高，與國內其他省市的貿易往來更頻繁；昌吉在高耗水的第一產業(yè)規(guī)模效應明顯，農畜產品和初級工業(yè)產品帶動了大量藍水足跡轉移；石河子產業(yè)鮮明，對烏昌石城市與疆內其他地、州、市的耗水拉動與藍水資源影響更顯著，在紡織及紡織制品業(yè)、電、熱、燃氣及水的生產和供應業(yè)上對疆內凈轉出，化學產品制造業(yè)則做到了全方位凈轉出。

a)烏魯木齊向各地轉出水足跡的部門構成

3 結論

a)烏昌石城市藍水足跡消費量64.03億m3，幾近生產量的2倍，轉入轉出高漲，自給率較低。烏昌石城市由于昌吉與烏魯木齊分別在生產和消費上引領，農、林、牧、漁業(yè)占比的藍水足跡占比均在90%以上。烏昌石城市中，烏魯木齊高消費高轉入，藍水足跡的生產自留率和消費依賴度最高，在二、三產業(yè)上的藍水足跡生產量和消費量均是烏昌石地區(qū)最高，貿易優(yōu)勢明顯，但消費模式粗獷；昌吉高生產高轉出，消費自給率相對更高，偏向高耗水產出的模式急需轉型；而石河子最受水資源總量脅迫，藍水生產效率最低，且主要是間接耗水。

b)烏昌石城市間轉移較少，自足能力有限，主要表現為昌吉向另外兩地轉移。但烏昌石城市協(xié)同化發(fā)展之下跨地區(qū)的部門間關聯(lián)緊密。烏昌石城市同疆內其他地、州、市轉移最顯著，向疆內轉出6.52億m3(其中昌吉轉出5.41億m3)，轉入45.47億m3(其中烏魯木齊得到26.06億m3)，凈轉入集中在在一、三產業(yè)，但第二產業(yè)上昌吉和石河子凈轉出了少量藍水足跡。烏昌石城市對疆外共凈轉出9.84億m3，主要由昌吉和石河子為中國經濟發(fā)達的東部、東南沿海地區(qū)，以及東北地區(qū)和東部地區(qū)承擔了第一產業(yè)的藍水足跡壓力，此外還有石油、煉焦產品和核燃料加工品業(yè)凈轉出，其他部門于疆外全部凈轉入。

4 建議

根據烏昌石藍水足跡轉移的結果分析，為烏昌石城市提出以下建議。

a)基于生產視角應注意昌吉和石河子兩地，昌吉偏重高耗水的生產結構需要得到調整，長期依靠高耗水經濟作物對于當地水環(huán)境來說得不償失，合理分配蔬菜水果的種植，同時提升服務業(yè)加快轉型。石河子水資源總量的壓力最大且對烏昌石城市藍水足跡的拉動最強，其種植業(yè)節(jié)水化程度在烏昌石城市中處于領先地位，因此直接耗水效率的提高要重點關注電、熱、燃氣及水的生產和供應業(yè)，間接耗水上則要對農、林、牧、漁業(yè)、化學產品制造業(yè)、紡織及紡織制品業(yè)等減少對疆內地區(qū)藍水含量較高的中間產品使用，擴大與疆外的貿易聯(lián)系。

b)基于消費視角應重點對烏魯木齊消費結構優(yōu)化，烏昌石城市中突出的人口數量與高消費水平，生產自留率較高，但更加依賴疆內的轉入，建立科學的消費結構首先要選擇同等類型下藍水含量更少的產品服務，因此要關注單位藍水足跡含量，加強與農業(yè)大省或水資源豐富地區(qū)的轉入聯(lián)系，緩解對疆內水資源壓力的轉嫁，進一步則要提倡低耗水綠色消費。

c)應對烏昌石城市的藍水足跡轉移所體現出的新疆存在的轉移矛盾——向經濟相對發(fā)達或水資源量豐富地區(qū)轉移，且轉出結構以農畜產品和初級工業(yè)產品為主，轉入則集中在設備制造業(yè)和服務業(yè)上。需要繼續(xù)擴大烏魯木齊在烏昌石城市中的服務與交通業(yè)的優(yōu)勢，并且在通用、專用設備及電器、通信及儀表制造業(yè)這樣薄弱的部門上領先發(fā)展。根據烏昌石城市探索的經驗引領新疆轉型。