黃河流域糧食虛擬水流動對水資源空間均衡性的影響

吳兆丹，丁小琦，陳其勇，李 彤

(1.河海大學(xué)商學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2.江蘇省“世界水谷”與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211100； 3.河海大學(xué)“一帶一路”非洲研究中心，江蘇 常州 213022)

黃河流域是中國重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟(jì)地帶，空間協(xié)調(diào)是黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵問題之一[1]。區(qū)域間糧食虛擬水流動會對區(qū)域環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會產(chǎn)生一定影響：糧食虛擬水流動在緩解流入?yún)^(qū)水資源壓力的同時，會增加流出區(qū)的水資源壓力；流入?yún)^(qū)可以將糧食買入替代生產(chǎn)而節(jié)約的水資源量投入到用水經(jīng)濟(jì)效率更高的部門，以獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益，而流出區(qū)則無法實(shí)現(xiàn)該部分經(jīng)濟(jì)效益；區(qū)域人均糧食消費(fèi)水足跡與原產(chǎn)地單位糧食產(chǎn)品虛擬水含量密切相關(guān)，糧食虛擬水流動的不同來源會對區(qū)域人均糧食消費(fèi)水足跡產(chǎn)生影響。黃河流域內(nèi)糧食貿(mào)易量較大，伴隨糧食貿(mào)易發(fā)生的虛擬水流動又會對流域內(nèi)各省區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會產(chǎn)生不同的影響，從而影響省區(qū)間環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會差距，進(jìn)一步影響空間協(xié)調(diào)狀況。因此，有必要分析黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會省區(qū)間差距的影響，從而分析該流動對黃河流域水資源空間均衡性的影響，為促進(jìn)黃河流域空間協(xié)調(diào)、推進(jìn)流域高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù)。

糧食虛擬水流動量一般由糧食調(diào)運(yùn)量和單位糧食產(chǎn)品虛擬水含量相乘求得。糧食調(diào)運(yùn)量測算方面，國際糧食調(diào)運(yùn)量一般參考國家(或區(qū)域)進(jìn)出口統(tǒng)計數(shù)據(jù)。如在糧食虛擬水流動量測算中，Deng等[2]使用19個主要國家間農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)出口量、Masud等[3]使用加拿大阿爾伯塔省對全球100多個國家的谷物進(jìn)出口量、Aldaya等[4]使用主要糧食出口國的玉米等出口量、Lamastra等[5]使用意大利與中國十大農(nóng)產(chǎn)品的雙邊貿(mào)易量，來表示對應(yīng)的糧食調(diào)運(yùn)量。由于大多數(shù)國家國內(nèi)區(qū)域糧食儲量和區(qū)域間糧食調(diào)運(yùn)量數(shù)據(jù)缺失，學(xué)者們在國內(nèi)區(qū)域間糧食調(diào)運(yùn)量測算中大多不考慮區(qū)域糧食儲量，而以各區(qū)域糧食總產(chǎn)量與總消費(fèi)量之差表示區(qū)域糧食凈流出量[6-9]，繼而使用社會公平法(即假設(shè)各糧食調(diào)入?yún)^(qū)獲得調(diào)出區(qū)糧食的機(jī)會是均等的)[10]、引力法(將各區(qū)域間的距離引入模型計算調(diào)運(yùn)系數(shù))[11-13]、最低運(yùn)輸成本法(構(gòu)建線性規(guī)劃模型并以運(yùn)輸成本最低為約束目標(biāo))[14-16]等來估算區(qū)域間糧食調(diào)運(yùn)量。

單位糧食產(chǎn)品虛擬水含量測算方面，學(xué)者們大多采用彭曼公式進(jìn)行測算，如烏干達(dá)籽粒莧虛擬水含量測算[17]、中國各省區(qū)小麥等糧食虛擬水含量測算[18]、地中海地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量估算[19]、土耳其主要農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量測算[20]、河南趙口引黃灌區(qū)糧食虛擬水含量估算[21]、中國京津冀地區(qū)9種主要糧食作物的虛擬水含量估計[22]、中國10個玉米產(chǎn)區(qū)的玉米虛擬水含量估計[23]、河北省主要農(nóng)作物的虛擬水含量測算[24]、吉林省縣域地區(qū)6種農(nóng)作物的虛擬水含量測算[25]等。此外，王鑫[10]、王玉寶等[26]基于美國農(nóng)業(yè)土壤保持局推薦的有效降水量與旬降水量關(guān)系，測算了糧食作物單位產(chǎn)品虛擬綠水含量，結(jié)合灌溉水量估算作物單位產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量，繼而對兩者求和得出作物單位產(chǎn)品虛擬水含量。

國內(nèi)外學(xué)者對于糧食虛擬水流動所產(chǎn)生的影響分析，主要著眼于其對區(qū)域水資源和經(jīng)濟(jì)的影響。Yoo等[27]研究得出韓國糧食國際貿(mào)易所對應(yīng)的虛擬水流動會引起國家和全球尺度上的節(jié)水。Zhang等[28]研究得出“一帶一路”沿線一半以上的國家與中國的農(nóng)產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易，有助于緩解沿線國家水危機(jī)。Konar等[29]分析了不同情境下全球糧食貿(mào)易的節(jié)水效益。Duarte等[30]研究得出全球范圍內(nèi)的糧食虛擬水貿(mào)易會引起水資源節(jié)約。Antonelli等[31]發(fā)現(xiàn)中東和北非地區(qū)的糧食虛擬水國際貿(mào)易為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展提供了水和糧食安全保障。Song等[32]研究得出中國現(xiàn)有的省際糧食虛擬水交易模式正在加劇本已缺水地區(qū)的缺水狀況。Yin等[33]研究了糧食虛擬水流動對中國地表水和地下水的影響。An等[34]對中國省際糧食貿(mào)易虛擬水流動模式進(jìn)行模擬，并分析其對中國水資源壓力的影響。孫才志等[35]得出2007—2016年中國和“一帶一路”沿線國家的農(nóng)產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易為逆差，凈進(jìn)口這部分農(nóng)產(chǎn)品虛擬水，在一定程度上緩解了中國水資源短缺的危機(jī)。趙勇等[36]得出黃河流域內(nèi)寧夏、內(nèi)蒙古、河南3省區(qū)糧食貿(mào)易伴生的虛擬水輸出將進(jìn)一步加劇當(dāng)?shù)氐娜彼畣栴}，其他省區(qū)屬于糧食貿(mào)易輸入?yún)^(qū)或產(chǎn)銷平衡區(qū)，糧食貿(mào)易在一定程度上緩解了當(dāng)?shù)赜盟o張局面。吳普特[37]得出“北糧南調(diào)”引起的糧食虛擬水流動會對中國北方地區(qū)水資源及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。丁雪麗等[15]總結(jié)出中國省際糧食虛擬水流動在全國范圍內(nèi)節(jié)約了水資源并增加了經(jīng)濟(jì)效益。張啟楠等[11]則得出中國省際糧食虛擬水流動會增加輸出區(qū)的水資源壓力，阻礙其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但分析糧食虛擬水流動對區(qū)域間差距的影響的研究仍相對較少，如王玉寶等[26]研究得出中國省區(qū)間糧食虛擬水流動會縮小水資源壓力指數(shù)及人均GDP的省區(qū)間差距。

綜上所述，糧食虛擬水流動量測算及其影響研究已取得一定進(jìn)展。已有研究分析了糧食虛擬水流動對區(qū)域環(huán)境或經(jīng)濟(jì)的影響，但有關(guān)該流動對環(huán)境或經(jīng)濟(jì)維度區(qū)域間差距影響的研究仍較少，且尚無研究分析糧食虛擬水流動對社會維度區(qū)域間差距的影響，針對黃河流域的糧食虛擬水流動對省區(qū)間差距的影響分析仍相對缺失?；诖耍疚膹沫h(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會3個維度，分析黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動對水資源空間均衡性的影響，以期在一定程度上彌補(bǔ)已有研究在內(nèi)容和視角上的不足。

1 研究區(qū)概況

黃河流域自西向東流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個省區(qū)。該流域自西向東地形地勢橫跨三級階梯，流域內(nèi)各省區(qū)自然條件差異顯著。同時，流域內(nèi)大部分地區(qū)光熱資源充足，土壤肥沃，是中國重要的糧食生產(chǎn)基地。由于四川省內(nèi)屬于黃河流域的面積僅占該省總面積的3.85%，本文對該流域糧食虛擬水流動量的測算及均衡性分析，將針對除四川以外的8個省區(qū)進(jìn)行。此外，由于計算年黃河流域各省區(qū)玉米、小麥、大米和大豆產(chǎn)量占其糧食總產(chǎn)量的比重較大，分別約為47.8%、32.3%、10.1%和2%，且該4種糧食作物單位產(chǎn)量耗水量較大，故本文糧食虛擬水流動量測算將基于該4種主要糧食作物進(jìn)行。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動量測算

2.1.1黃河流域省區(qū)間糧食調(diào)運(yùn)量測算

與上述已有研究類似，由于國內(nèi)糧食儲量和區(qū)域間糧食調(diào)運(yùn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺失，本文不考慮糧食儲量變動，將全國各省區(qū)的每一類糧食生產(chǎn)量加上進(jìn)口量再減去消費(fèi)量和出口量作為相應(yīng)的糧食富余(或缺少)量，再采用引力法測算出全國兩兩省區(qū)間該類糧食調(diào)運(yùn)系數(shù)及具體調(diào)運(yùn)量(引力法考慮糧食調(diào)運(yùn)的具體方向，通過引入距離分量，計算各區(qū)域之間糧食調(diào)運(yùn)系數(shù)后，詳細(xì)計算出各糧食調(diào)出區(qū)糧食具體去路和各糧食調(diào)入?yún)^(qū)糧食具體來源，能夠更加直觀、詳細(xì)地掌握各區(qū)域間糧食調(diào)運(yùn)明細(xì))[10]：

(1)

式中：Tljh為糧食l調(diào)入?yún)^(qū)j從調(diào)出區(qū)h調(diào)運(yùn)的該類糧食量，kg；Tlj為調(diào)入?yún)^(qū)j的糧食l缺少量，kg；Tlh為調(diào)出區(qū)h的糧食l富余量，kg；Shj為省區(qū)h與j之間的距離，km；k為萬有引力系數(shù)；l=1，2，3，4分別表示玉米、小麥、大米和大豆；U為糧食l的調(diào)出區(qū)數(shù)量。

由于缺失全國各省區(qū)各類糧食消費(fèi)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文將區(qū)分農(nóng)村居民糧食消費(fèi)量和城鎮(zhèn)居民糧食消費(fèi)量，分別對其進(jìn)行估算。一方面，根據(jù)中國農(nóng)村住戶調(diào)查年鑒估算全國各省區(qū)農(nóng)村居民各類糧食人均消費(fèi)量占人均糧食消費(fèi)總量比重的年均增長率，繼而估計計算年全國各省區(qū)該比重；結(jié)合計算年各省區(qū)農(nóng)村居民人均糧食消費(fèi)總量，估算計算年各省區(qū)農(nóng)村居民各類糧食的人均消費(fèi)量；根據(jù)該人均消費(fèi)量及省區(qū)農(nóng)村人口數(shù)得出計算年全國各省區(qū)農(nóng)村居民各類糧食消費(fèi)量。另一方面，根據(jù)上述計算年全國各省區(qū)農(nóng)村居民各類糧食人均消費(fèi)量占人均糧食消費(fèi)總量的比重，得到城鎮(zhèn)居民對應(yīng)比重；結(jié)合計算年全國各省區(qū)城鎮(zhèn)居民人均糧食消費(fèi)總量，估算出計算年各省區(qū)城鎮(zhèn)居民各類糧食人均消費(fèi)量；根據(jù)該人均消費(fèi)量及城鎮(zhèn)人口數(shù)得出計算年全國各省區(qū)城鎮(zhèn)居民各類糧食消費(fèi)量。

2.1.2黃河流域省區(qū)單位糧食產(chǎn)品虛擬水含量測算

利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的CROPWAT軟件內(nèi)嵌的彭曼公式，計算黃河流域各省區(qū)各類糧食單位產(chǎn)品虛擬水含量[38]：

(2)

其中

WD=ETc×10

ETc=Kc×ET0

式中：WV為單位糧食產(chǎn)品虛擬水含量，m3/kg；WD為糧食生長期內(nèi)單位面積需水量，m3/hm2；H為糧食單位面積產(chǎn)量，kg/hm2；ETc為糧食實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Δ為飽和水氣壓與溫度之間相關(guān)曲線的斜率，kPa/℃；RN為糧食表面凈輻射，MJ/(m2·d)；X為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；x為濕度計常數(shù)，kPa/℃；M為平均空氣溫度，℃；u2為地面2 m高度處風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；er為實(shí)測水氣壓，kPa。

此外，黃河流域各省區(qū)各類糧食單位產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量計算如下[39]：

(3)

其中

ETB=max(0，ETc-Pv)

式中：FB為單位糧食產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量，m3/kg；WBD為糧食生長期內(nèi)的藍(lán)水需水量，m3/hm2；ETB、Pv分別為糧食生長期內(nèi)的藍(lán)水蒸發(fā)蒸騰量和有效降水量，mm；P為旬降水量，mm。

2.1.3黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動量測算

黃河流域各省區(qū)的糧食虛擬水流出量由該區(qū)域各類糧食調(diào)出量乘以該區(qū)域該類糧食單位產(chǎn)品虛擬水含量，再對所有類別糧食進(jìn)行加總得到；各省區(qū)的糧食虛擬水流入量由各糧食調(diào)出區(qū)調(diào)入該區(qū)域的糧食量乘以該調(diào)出區(qū)單位糧食產(chǎn)品虛擬水含量，再依次對所有類別糧食和所有調(diào)出區(qū)進(jìn)行加總得到。

2.2 環(huán)境維度下黃河流域糧食虛擬水流動對水資源空間均衡性的影響分析模型

均衡性分析方法主要有聯(lián)系數(shù)[40]、均衡系數(shù)[41]、泰爾指數(shù)[42]、基尼系數(shù)[43]等，本文使用基尼系數(shù)進(jìn)行均衡性相關(guān)分析?；诳衫盟Y源總量，計算黃河流域藍(lán)水用量的基尼系數(shù)，并將其與流域內(nèi)省區(qū)間無糧食虛擬水流動情景下的該基尼系數(shù)進(jìn)行比較，得出環(huán)境維度下該流動對水資源空間均衡性的影響。與黃河流域內(nèi)省區(qū)間存在糧食虛擬水流動的情景相比，若不存在糧食虛擬水流動情景下該基尼系數(shù)更小，則說明環(huán)境維度下流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動加劇了水資源空間不均衡；若不存在該流動情景下基尼系數(shù)更大，則說明環(huán)境維度下流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動促進(jìn)了水資源空間均衡。以虛擬水流動存在與否下兩基尼系數(shù)間的差距，表示環(huán)境維度下該虛擬水流動對黃河流域水資源空間均衡性的阻礙或促進(jìn)程度。

黃河流域藍(lán)水用量的基尼系數(shù)計算公式如下[44]：

(4)

式中：G1為黃河流域沿線省區(qū)藍(lán)水用量的基尼系數(shù)；AWi為流域內(nèi)i省區(qū)可利用水資源總量占流域沿線省區(qū)可利用水資源總量的比重；ABi為流域內(nèi)i省區(qū)藍(lán)水用量占流域沿線省區(qū)藍(lán)水用量的比重；Aafi為按水資源壓力指數(shù)升序排列確定各省區(qū)的順序后AB1到ABi的累計數(shù)。

其中，流域內(nèi)i省區(qū)水資源壓力指數(shù)計算公式如下[11]：

(5)

式中WBi、Wbi、Ifi分別為i省區(qū)藍(lán)水用量、可利用水資源總量和水資源壓力指數(shù)。Ifi越大，i省區(qū)水資源壓力越大。

在不存在黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動情景下，流域內(nèi)糧食調(diào)出區(qū)可以減少本地生產(chǎn)那些調(diào)出至流域內(nèi)其他省區(qū)的糧食所需藍(lán)水量；糧食調(diào)入?yún)^(qū)將增加藍(lán)水用量，用于生產(chǎn)糧食以替代從流域其他省區(qū)的糧食調(diào)入量。

WBni=WBri-∑(TopiFBpi)+∑(TmqiFBqi)

(6)

式中：WBni為不存在流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動時的i省區(qū)藍(lán)水用量；WBri為i省區(qū)實(shí)際藍(lán)水用量；Topi為i省區(qū)糧食p調(diào)出至流域內(nèi)其他省區(qū)的量；FBpi為i省區(qū)糧食p單位產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量；Tmqi為i省區(qū)糧食q從流域內(nèi)其他省區(qū)調(diào)入的量；FBqi為i省區(qū)糧食q單位產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量；p、q分別為i省區(qū)調(diào)出、調(diào)入糧食種類；0≤p+q≤4。

2.3 經(jīng)濟(jì)維度下黃河流域糧食虛擬水流動對水資源空間均衡性的影響分析模型

基于人口數(shù)計算黃河流域GDP的基尼系數(shù)，并將其與流域內(nèi)省區(qū)間無糧食虛擬水流動情景下的該基尼系數(shù)進(jìn)行比較，得出經(jīng)濟(jì)維度下該流動對水資源空間均衡性的影響。與環(huán)境維度類似，以虛擬水流動存在與否下兩基尼系數(shù)間的差距，表示經(jīng)濟(jì)維度下該虛擬水流動對黃河流域水資源空間均衡性的阻礙或促進(jìn)程度。

區(qū)域GDP的基尼系數(shù)計算公式如下：

(7)

式中：G2為區(qū)域GDP的基尼系數(shù)；AZi為i省區(qū)人口數(shù)占流域沿線省區(qū)人口數(shù)的比重；AYi為i省區(qū)GDP占流域沿線省區(qū)GDP的比重；AaYi為按人均GDP升序排列確定各省區(qū)的順序后AY1到AYi的累計數(shù)。

參照許長新等[45]的方法，測算黃河流域農(nóng)業(yè)藍(lán)水用量、工業(yè)藍(lán)水用量分別對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)GDP和工業(yè)GDP的貢獻(xiàn)率(受限于流域內(nèi)部分省區(qū)的數(shù)據(jù)可得性，測算時段為2009—2018年)：

Y=JCαLβWλ

(8)

式中：Y為農(nóng)(工)業(yè)的地區(qū)生產(chǎn)總值；J為常數(shù)；C為農(nóng)(工)業(yè)資本存量(使用永續(xù)盤存法計算[46-47])，指數(shù)α為農(nóng)(工)業(yè)資本彈性即農(nóng)(工)業(yè)資本存量貢獻(xiàn)率；L為農(nóng)(工)業(yè)從業(yè)人數(shù)，指數(shù)β為農(nóng)(工)業(yè)勞動力彈性即從業(yè)人數(shù)貢獻(xiàn)率；W為農(nóng)(工)業(yè)藍(lán)水用量，指數(shù)λ為農(nóng)(工)業(yè)藍(lán)水利用彈性即藍(lán)水貢獻(xiàn)率。

(9)

在不考慮各部門用水技術(shù)效率和技術(shù)條件改變的情況下，假設(shè)不存在黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動，流域糧食調(diào)出區(qū)可以減少調(diào)出至流域其他省區(qū)的糧食生產(chǎn)藍(lán)水用量，并將其用于本區(qū)域工業(yè)部門生產(chǎn)；糧食調(diào)入?yún)^(qū)則要增加本省區(qū)農(nóng)業(yè)部門的藍(lán)水用量以滿足當(dāng)?shù)丶Z食需求，從而減少用于本區(qū)域工業(yè)部門的藍(lán)水量。不存在流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動時省區(qū)GDP計算公式為

Yni=Yri+∑(TopiFBpi)(EByi-EBzi)
+∑(TmqiFBqi)(EBzi-EByi)

(10)

式中：Yni為不存在流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動時的i省區(qū)GDP；Yri為i省區(qū)實(shí)際GDP；EByi為i省區(qū)工業(yè)單位藍(lán)水利用的經(jīng)濟(jì)效益；EBzi為i省區(qū)農(nóng)業(yè)單位藍(lán)水利用的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 社會維度下黃河流域糧食虛擬水流動對水資源空間均衡性的影響分析模型

基于人口數(shù)計算糧食消費(fèi)水足跡的基尼系數(shù)，并將其與流域內(nèi)省區(qū)間無糧食虛擬水流動情景下的基尼系數(shù)進(jìn)行比較，得出社會維度下該流動對水資源空間均衡性的影響。與環(huán)境維度類似，以虛擬水流動存在與否下兩基尼系數(shù)間的差距，表示社會維度下該虛擬水流動對黃河流域水資源空間均衡性的阻礙或促進(jìn)程度。

糧食消費(fèi)水足跡的基尼系數(shù)計算公式如下：

(11)

式中：G3為糧食消費(fèi)水足跡的基尼系數(shù)；AFi為i省區(qū)糧食消費(fèi)水足跡占流域沿線省區(qū)糧食消費(fèi)水足跡的比重；AaFi為按人均糧食消費(fèi)水足跡升序排列確定各省區(qū)的順序后AF1到AFi的累計數(shù)。

存在黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動情景下，各省區(qū)人均糧食消費(fèi)水足跡計算如下[48]：

(12)

(13)

式中：Fdi為i省區(qū)人均糧食消費(fèi)水足跡，m3；Zi為i省區(qū)人口數(shù)，人；Qpi為i省區(qū)糧食p的消費(fèi)量，kg；WVpi為i省區(qū)糧食p的單位產(chǎn)品虛擬水含量，m3/kg；Tqgi為i省區(qū)從g省區(qū)調(diào)入的糧食q量，kg，其中g(shù)省區(qū)為全國范圍內(nèi)糧食q的調(diào)出區(qū)；WVqg為g省區(qū)糧食q的單位產(chǎn)品虛擬水含量，m3/kg；Qqi為i省區(qū)糧食q的消費(fèi)量，kg；Tqi為i省區(qū)糧食q的調(diào)入量，kg；WVqi為i省區(qū)糧食q的單位產(chǎn)品虛擬水含量，m3/kg。

假設(shè)不存在黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動時，各省區(qū)從黃河流域內(nèi)其他省區(qū)調(diào)入的糧食由本地生產(chǎn)，從流域外其他省區(qū)的糧食調(diào)入量仍保持不變。此情景下黃河流域各省區(qū)人均糧食消費(fèi)水足跡計算如下：

(14)

(15)

式中：所有變量取值為假設(shè)不存在黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動時的值，F(xiàn)wi為i省區(qū)人均糧食消費(fèi)水足跡，m3；Tqti為i省區(qū)從t省區(qū)調(diào)入的糧食q量，kg，其中t省區(qū)為我國黃河流域以外的糧食q調(diào)出區(qū)；WVqt為t省區(qū)糧食q的單位產(chǎn)品虛擬水含量，m3/kg；TqOi為i省區(qū)從黃河流域以外省區(qū)調(diào)入的糧食q量，kg。

2.5 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)村居民各類糧食人均消費(fèi)量和人均糧食消費(fèi)總量、城鎮(zhèn)居民人均糧食消費(fèi)總量來源于《中國農(nóng)村住戶調(diào)查年鑒》《中國住戶調(diào)查年鑒》；各類糧食生產(chǎn)量來源于《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》和各省區(qū)統(tǒng)計年鑒；各類糧食進(jìn)出口貿(mào)易量來源于海關(guān)總署官網(wǎng)；各類糧食單位產(chǎn)品虛擬水含量、虛擬藍(lán)水含量計算所需指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織CLIMWAT和CROPWAT數(shù)據(jù)庫，并以數(shù)據(jù)庫中該省區(qū)的省會對應(yīng)數(shù)據(jù)為代表(由于數(shù)據(jù)庫中青海省只有都蘭縣和玉樹市數(shù)據(jù)，其中都蘭縣面積更大，故青海省數(shù)據(jù)以該省都蘭縣對應(yīng)數(shù)據(jù)代表)；藍(lán)水用量、可利用水資源總量來源于《中國水資源公報》；各類糧食單位面積產(chǎn)量、農(nóng)村和城鎮(zhèn)人口數(shù)、總?cè)丝跀?shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、從業(yè)人數(shù)、用水量以及計算資本存量所用數(shù)據(jù)來源于省區(qū)統(tǒng)計年鑒，研究年份為2018年。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動量測算結(jié)果

3.1.1黃河流域省區(qū)間糧食調(diào)運(yùn)量測算結(jié)果

采用上述引力模型測算2018年全國省區(qū)間糧食調(diào)運(yùn)量，其中黃河流域內(nèi)省區(qū)間大米、小麥、大豆調(diào)運(yùn)量如表1、表2、表3所示。河南到山西的糧食總調(diào)運(yùn)量最大，為696 082.15 t；其次為山東到山西的糧食總調(diào)運(yùn)量(230 802.00 t)。在流域內(nèi)省區(qū)間大米貿(mào)易中，河南到山西的對應(yīng)調(diào)運(yùn)量最大，為118 630.29 t；河南到陜西的對應(yīng)調(diào)運(yùn)量其次，為25 136.45 t。流域內(nèi)省區(qū)間小麥貿(mào)易中，河南到山西的對應(yīng)調(diào)運(yùn)量最大，為577 451.86 t；其次為山東到山西的對應(yīng)調(diào)運(yùn)量227 368.50 t。在流域內(nèi)省區(qū)間大豆貿(mào)易中，山東到甘肅的對應(yīng)調(diào)運(yùn)量最大(7 072.55 t)；其次為陜西到甘肅的對應(yīng)調(diào)運(yùn)量2 658.45 t。由于計算結(jié)果顯示黃河流域各省區(qū)的玉米均富余，故依據(jù)上文省區(qū)間調(diào)運(yùn)量測算模型，流域內(nèi)省區(qū)間不存在玉米調(diào)運(yùn)。黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食貿(mào)易主要是由河南、山東等糧食主產(chǎn)區(qū)向山西、青海等非糧食主產(chǎn)區(qū)調(diào)運(yùn)糧食，尤其是河南、山東兩省糧食生產(chǎn)的長足發(fā)展和巨大進(jìn)步，不僅解決了本省居民的吃飯問題，還為流域內(nèi)其他省區(qū)的糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。該結(jié)論與王鑫[10]的研究結(jié)果基本一致。

表1 2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間大米調(diào)運(yùn)量 單位：t

表2 2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間小麥調(diào)運(yùn)量 單位：t

表3 2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間大豆調(diào)運(yùn)量 單位：t

3.1.2黃河流域省區(qū)單位糧食產(chǎn)品虛擬水含量測算結(jié)果

2018年黃河流域各省區(qū)單位糧食產(chǎn)品虛擬水含量及虛擬藍(lán)水含量如表4所示。由于青海主要農(nóng)作物中不包括大米、大豆，故這里沒有計算青海該兩種作物的單位產(chǎn)品虛擬水含量及虛擬藍(lán)水含量。對2018年黃河流域分糧食單位產(chǎn)品虛擬水、虛擬藍(lán)水含量進(jìn)行省區(qū)間比較，甘肅的大米單位產(chǎn)品虛擬水含量最高，山東最低，且甘肅的大米單位產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量比山東高出0.45 m3/kg；山西的小麥單位產(chǎn)品虛擬水含量最高，山東最低，且山西的小麥單位產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量約為山東的3倍；陜西的玉米單位產(chǎn)品虛擬水含量最高，內(nèi)蒙古最低，青海的玉米單位產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量高達(dá)0.59 m3/kg，而山東對應(yīng)值則僅為0.08 m3/kg；寧夏的大豆單位產(chǎn)品虛擬水含量最高，山東最低，且寧夏的大豆單位產(chǎn)品虛擬藍(lán)水含量約為山東的6倍。山東、河南、內(nèi)蒙古作為糧食主產(chǎn)區(qū)，在國家財政技術(shù)支持下，隨著農(nóng)業(yè)水價綜合改革的深入發(fā)展、高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用等，其糧食單位產(chǎn)品虛擬(藍(lán))水含量相對其他五省區(qū)較低，即糧食生產(chǎn)用水效率較高，在一定程度上緩解了大量糧食生產(chǎn)帶來的水資源壓力。該結(jié)論與趙勇等[36]的研究結(jié)果基本一致。

表4 2018年黃河流域各省區(qū)糧食單位產(chǎn)品虛擬水含量、虛擬藍(lán)水含量 單位：m3/kg

3.1.3黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動量測算結(jié)果

2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間大米、小麥、大豆虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量如表5、表6、表7所示。河南到山西的糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量高于流域內(nèi)其他兩省區(qū)間對應(yīng)流動量，分別為95 220.57萬m3和46 040.38萬m3；對各類糧食，分別比較其流域內(nèi)兩省區(qū)間虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量，河南到山西的大米、小麥的虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量均為最大；山東到甘肅的大豆虛擬水流動量(797.29萬m3)高于其他兩省區(qū)間流量，陜西到甘肅的大豆虛擬藍(lán)水流動量最大，為309.87萬m3。此外，依據(jù)模型計算得出黃河流域內(nèi)省區(qū)間不存在玉米調(diào)運(yùn)，故無流域內(nèi)省區(qū)間玉米虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量。在2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水流動中，黃河流域各省區(qū)糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水凈流出/入量如表8所示。山東、河南、陜西、內(nèi)蒙古的糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水流動呈凈流出，其中河南糧食虛擬水凈流出量最大，為11.150億m3，比該流出量最小值即陜西對應(yīng)流量高出約112倍；河南糧食虛擬藍(lán)水凈流出量最大，為5.415億m3，比陜西高出約601倍。山西、甘肅、寧夏、青海的糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水流動呈凈流入，其中山西糧食虛擬水凈流入量最大，為12.470億m3，比甘肅高出約87倍；山西糧食虛擬藍(lán)水凈流入量最大，為5.539億m3，比甘肅高出約61倍。黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水整體呈現(xiàn)出從山東、河南、內(nèi)蒙古3個糧食生產(chǎn)用水效率較高的糧食主產(chǎn)區(qū)向其余5個糧食生產(chǎn)用水效率較低的非糧食主產(chǎn)區(qū)流動的格局，在一定程度上保障了流域整體的水和糧食安全，為流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

表5 2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間大米虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量 單位：萬m3

表6 2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間小麥虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量 單位：萬m3

表7 2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間大豆虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量 單位：萬m3

表8 2018年黃河流域省區(qū)糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水凈流出/入量 單位：億m3

3.2 環(huán)境維度下黃河流域糧食虛擬水流動對水資源空間均衡性的影響分析

在黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動存在與否兩種情景下，2018年流域各省區(qū)水資源壓力指數(shù)的計算結(jié)果如表9所示。相對不存在流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動而言，該流動存在時，山東、河南、陜西、內(nèi)蒙古的水資源壓力指數(shù)更大，其中河南的水資源壓力指數(shù)增加幅度最大(2.36%)；山西、甘肅、寧夏、青海的水資源壓力指數(shù)更小，其中山西的水資源壓力指數(shù)減少幅度最大(12.13%)。與流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動不存在時相比，該流動存在時，基于可利用水資源總量的區(qū)域藍(lán)水用量基尼系數(shù)略有下降，由0.457 29下降至0.457 27，降幅為0.004%，可見環(huán)境維度下黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動在較小程度上促進(jìn)了水資源空間均衡。該結(jié)論與王玉寶等[26]對中國糧食虛擬水流動對省級行政區(qū)水資源的相關(guān)影響分析基本一致。

表9 2018年黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動存在與否情景下的省區(qū)水資源壓力指數(shù)

3.3 經(jīng)濟(jì)維度下黃河流域糧食虛擬水流動對水資源空間均衡性的影響分析

依據(jù)式(8)，將歷年數(shù)據(jù)進(jìn)行面板回歸，計算得出2009—2018年黃河流域農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水分別對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)GDP和工業(yè)GDP的貢獻(xiàn)率。根據(jù)計算結(jié)果，R2均接近0.95，擬合度較好；2009—2018年水資源對黃河流域各省區(qū)農(nóng)業(yè)GDP的貢獻(xiàn)率約為0.193，在5%的水平下顯著；對工業(yè)GDP的貢獻(xiàn)率約為0.154，在10%的水平下顯著。

根據(jù)式(9)，計算得出2018年各省區(qū)單位農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果如表10所示。以山東為例，以2018年為基準(zhǔn)年，山東農(nóng)業(yè)用水量每增加1%即1.335億m3，農(nóng)業(yè)GDP將增加0.193%即5.611億元，故2018年山東單位農(nóng)業(yè)用水的經(jīng)濟(jì)效益為4.203元/m3；山東工業(yè)用水量每增加1%即0.325億m3，工業(yè)GDP將增加0.154%即44.501億元，由此可得2018年山東單位工業(yè)用水的經(jīng)濟(jì)效益為136.926元/m3。

表10 2018年黃河流域各省區(qū)單位農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水經(jīng)濟(jì)效益 單位：元/m3

在黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動存在與否兩種情景下，2018年流域各省區(qū)人均GDP的計算結(jié)果如表11所示。相對不存在流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動而言，該流動存在時，山東、河南、陜西、內(nèi)蒙古的人均GDP更低，其中河南的人均GDP減少幅度最大(0.60%)；山西、甘肅、寧夏、青海的人均GDP更高，其中山西的人均GDP增加幅度最大(7.56%)。與流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動不存在時相比，該流動存在時基于人口數(shù)的GDP基尼系數(shù)由0.11下降至0.10，降幅為9.091%，可見經(jīng)濟(jì)維度下黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動在一定程度上促進(jìn)了水資源空間均衡。該結(jié)論與王玉寶等[26]對中國糧食虛擬水流動對省級行政區(qū)經(jīng)濟(jì)的相關(guān)影響分析基本一致。

表11 2018年黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動存在與否情景下的省區(qū)人均GDP

3.4 社會維度下黃河流域糧食虛擬水流動對水資源空間均衡性的影響分析

在黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動存在與否兩種情景下，2018年流域各省區(qū)人均糧食消費(fèi)水足跡的計算結(jié)果如表12所示。山東、河南的大米、小麥、玉米、大豆均為自給自足，故其人均糧食消費(fèi)水足跡在流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動與否兩種情景下相等。相對不存在流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動而言，該流動存在時，內(nèi)蒙古、寧夏、青海的人均糧食消費(fèi)水足跡更高，其中青海的人均糧食消費(fèi)水足跡增加幅度最大(4.27%)；山西、陜西、甘肅的人均糧食消費(fèi)水足跡更低，其中山西的人均糧食消費(fèi)水足跡減少幅度最大(8.70%)。結(jié)合流域省區(qū)間糧食虛擬水流動量測算結(jié)果，內(nèi)蒙古、寧夏、青海三省區(qū)虛擬水主要源自河南，其次為山東。內(nèi)蒙古、寧夏、青海糧食虛擬水流入量中，源自河南的流入量占比分別為81.77%、67.69%和55.17%，源自山東的流入量占比分別為2.80%、19.09%和15.52%。與流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動不存在時相比，該流動存在時社會維度下的基尼系數(shù)由0.12下降至0.11，降幅8.333%，可見社會維度下黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動在一定程度上促進(jìn)了水資源空間均衡。

表12 2018年黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動存在與否情景下省區(qū)人均糧食消費(fèi)水足跡

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

a.2018年黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動中，總體來看，山東、河南、陜西、內(nèi)蒙古的糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水呈凈流出；山西、甘肅、寧夏、青海的糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水則呈凈流入。河南到山西的糧食虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量高于其他省區(qū)間對應(yīng)流量，分別為95 220.57萬m3和46 040.38萬m3。大米、小麥流域內(nèi)省區(qū)間虛擬水、虛擬藍(lán)水流動量均以河南到山西對應(yīng)流量最大；山東到甘肅的大豆虛擬水流動量(797.29萬m3)高于流域內(nèi)其他省區(qū)間大豆虛擬水流動量，大豆流域內(nèi)省區(qū)間虛擬藍(lán)水流動量以陜西到甘肅流動量(309.87萬m3)最大。此外，計算結(jié)果顯示黃河流域內(nèi)省區(qū)間不存在玉米調(diào)運(yùn)，流域內(nèi)省區(qū)間玉米虛擬水、虛擬藍(lán)水的流動量均為0。

b.環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會維度下，與不存在黃河流域省區(qū)間糧食虛擬水流動的情景相比，存在該虛擬水流動情景下，基于可利用水資源總量的藍(lán)水用量基尼系數(shù)、基于人口數(shù)的GDP基尼系數(shù)、基于人口數(shù)的糧食消費(fèi)水足跡基尼系數(shù)降幅分別為0.004%、9.091%和8.333%，黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會維度下均一定程度上促進(jìn)了水資源空間均衡，其中環(huán)境維度下的促進(jìn)作用較為微弱。

4.2 建議

a.促進(jìn)糧食流域內(nèi)流通。黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會維度下均一定程度上促進(jìn)了水資源空間均衡，且該流動主要源自山東、河南。因此，在推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展中，應(yīng)進(jìn)一步充分發(fā)揮糧食生產(chǎn)功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)(簡稱“兩區(qū)”)在糧食生產(chǎn)上的優(yōu)勢，促進(jìn)糧食流域內(nèi)流通，保障流域糧食安全。一方面，健全糧食價格形成機(jī)制，完善市場準(zhǔn)入制度，規(guī)范糧食流通秩序，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)糧食流域內(nèi)流通。另一方面，為避免糧食產(chǎn)銷失衡，有必要充分發(fā)揮國家的宏觀調(diào)控作用，發(fā)布重要糧食的購銷數(shù)量、價格等并進(jìn)行有效管理，對糧食生產(chǎn)流通進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

b.促進(jìn)環(huán)境維度下的水資源空間均衡。盡管環(huán)境維度下黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動促進(jìn)了水資源空間均衡，但對應(yīng)促進(jìn)程度較為微弱。不存在該流動時，山東、河南兩省的水資源壓力相對高于其他省區(qū)，且存在該流動時其水資源壓力高出其他省區(qū)的幅度更大，而該兩省均為我國糧食主產(chǎn)區(qū)，水資源壓力過高會影響糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性。為緩解兩省糧食調(diào)出帶來的水資源壓力，保證糧食的可持續(xù)供給，并進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)境維度下流域內(nèi)省區(qū)間水資源均衡，該兩省可采取以下措施節(jié)約農(nóng)業(yè)用水：①適當(dāng)調(diào)整糧食種植結(jié)構(gòu)。在當(dāng)?shù)亍皟蓞^(qū)”劃定的范圍內(nèi)，因地制宜，培育節(jié)水高產(chǎn)品種；多種植用水效率較高(即單位產(chǎn)品虛擬水含量較低)的品種。②提高農(nóng)作物生產(chǎn)用水效率。通過使用適宜的節(jié)水灌溉技術(shù)、加強(qiáng)農(nóng)田水利工程建設(shè)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)創(chuàng)新和農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)來提高農(nóng)作物生產(chǎn)用水效率。③適當(dāng)調(diào)整糧食調(diào)出結(jié)構(gòu)。結(jié)合糧食虛擬水流出對本省水資源產(chǎn)生的壓力影響，在保障國家糧食安全的前提下，適當(dāng)調(diào)整糧食調(diào)出結(jié)構(gòu)，合理控制用水效率較低的農(nóng)產(chǎn)品調(diào)出規(guī)模。

c.促進(jìn)經(jīng)濟(jì)維度下的水資源空間均衡。經(jīng)濟(jì)維度下黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動在一定程度上促進(jìn)了水資源空間均衡，但由于農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占了單位用水經(jīng)濟(jì)效益更高的工業(yè)用水，與不存在該流動的情景相比，存在該流動時山東、河南、陜西、內(nèi)蒙古四省區(qū)的人均GDP更低。因此，為彌補(bǔ)該4省區(qū)由于流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動在經(jīng)濟(jì)發(fā)展上的機(jī)會成本，可以建立對該4省區(qū)的糧食虛擬水貿(mào)易補(bǔ)償機(jī)制：①縱向補(bǔ)償。即中央政府的縱向財政轉(zhuǎn)移支付，根據(jù)該4省區(qū)因流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動產(chǎn)生的機(jī)會成本來衡量轉(zhuǎn)移支付的多少。②橫向補(bǔ)償。黃河流域省區(qū)間生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制設(shè)計，除了考慮下游對上游涵養(yǎng)水源、水土保持等進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償以外，還應(yīng)結(jié)合山東、河南、陜西、內(nèi)蒙古等省區(qū)在為流域其他區(qū)域供給糧食中所損失的經(jīng)濟(jì)收益，通過國家財政體制內(nèi)的間接補(bǔ)償機(jī)制(地區(qū)財政收入上交—中央政府再分配—轉(zhuǎn)移支付的制度)、跨省區(qū)設(shè)立補(bǔ)償基金、跨區(qū)域投資、簽訂具體的“協(xié)議補(bǔ)償”等方式進(jìn)行。

d.促進(jìn)社會維度下的水資源空間均衡。社會維度下黃河流域內(nèi)省區(qū)間糧食虛擬水流動在一定程度上促進(jìn)了水資源空間均衡，然而，不論是否存在該流動，山西、陜西、甘肅3省人均糧食消費(fèi)水足跡始終處于較高水平，主要由于該3省糧食生產(chǎn)用水效率較低及其對小麥的消費(fèi)偏好，這不利于本區(qū)域人水系統(tǒng)和諧以及高質(zhì)量發(fā)展。為降低人均糧食消費(fèi)水足跡，并進(jìn)一步促進(jìn)社會維度下流域內(nèi)省區(qū)間水資源均衡，該3省可以采取以下措施：①引導(dǎo)糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整。側(cè)重引導(dǎo)居民消費(fèi)單位產(chǎn)品虛擬水含量較低的糧食如大米、玉米，以適當(dāng)替代對單位產(chǎn)品虛擬水含量較高的糧食如小麥的消費(fèi)量。②加大節(jié)水宣傳力度。充分利用互聯(lián)網(wǎng)、廣播、電視、報刊、學(xué)校教育等途徑加大節(jié)水宣傳力度，提高全民節(jié)水意識和用水效率。