王建云

（山西省呂梁市水文水資源勘測(cè)分局，山西呂梁033000）

山西省農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算與分析

王建云

（山西省呂梁市水文水資源勘測(cè)分局，山西呂梁033000）

合理計(jì)算農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量是有效推進(jìn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和虛擬水貿(mào)易的重要基礎(chǔ)。利用基于對(duì)不同產(chǎn)品類型進(jìn)行區(qū)分的農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量的計(jì)算方法，以山西省為例計(jì)算其農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量。結(jié)果表明：山西省農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總量的多年平均值為162.98億m3，其中糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物分別為158.25億和4.73億m3；2000—2011年除谷子、豆類、麻類與煙葉的虛擬水含量的變化幅度較大外，其余農(nóng)作物的虛擬水含量及生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化不大。研究成果對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

農(nóng)產(chǎn)品；虛擬水；虛擬水含量；山西省

1 引言

水資源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)保障，水資源危機(jī)己經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問題[1]。山西省人均水資源量381 m3，是全國(guó)平均水平的1/6，在水資源嚴(yán)重短缺的同時(shí)，農(nóng)業(yè)用水仍然是第一用水大戶，2010年用水量為47.1億m3，占總用水量的62.6%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中需要消耗大量水資源，屬于水密集型的產(chǎn)品。虛擬水貿(mào)易作為提高全球水利用效率和缺水地區(qū)獲得水安全的一個(gè)重要工具，利用人口、糧食和貿(mào)易之間的特殊連接關(guān)系，為水資源短缺地區(qū)提供了在更大的范圍內(nèi)找尋緩解水資源短缺的新途徑[2-5]。山西省農(nóng)業(yè)虛擬水含量的計(jì)算與分析，將為滿足區(qū)域水資源緊缺的水資源需求“開源”同時(shí)也為“節(jié)流”提供新的思路，對(duì)制定山西省水資源安全戰(zhàn)略的保障措施及政策具有借鑒作用，對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 基本資料

山西省地處黃河中游、黃土高原東部，北界長(zhǎng)城與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，西隔黃河與陜西省相望，南抵黃河與河南省為鄰，東依太行山與河南、河北兩省毗連。省境輪廓大體呈平形四邊形，介于東經(jīng)110° 15′～114°33′、北緯34°34′～40°43′，南北長(zhǎng)628 km，東西寬385 km，總面積15.62萬km3，約占全國(guó)總土地面積的1.63%。山西省現(xiàn)有耕地369.25萬hm2，主要糧食作物有小麥、高粱、豆類和薯類；經(jīng)濟(jì)作物有棉花、煙葉、甜菜、胡麻、油菜籽等，大同、太原、忻州、臨汾和運(yùn)城等盆地是山西省的主要農(nóng)作區(qū)。

各種農(nóng)作物所涉及到的氣象氣候數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)院網(wǎng)站、CLIMWAT 2.0和山西省氣象信息網(wǎng)，農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于山西省歷年統(tǒng)計(jì)年鑒以及中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，農(nóng)作物系數(shù)來源于Chap?again。以山西省2000—2011年的各種農(nóng)作物為研究對(duì)象，包括谷物、稻谷、小麥、玉米、谷子、高粱、豆類、薯類、油料、棉花、麻類、甜菜、煙葉13個(gè)品種，糧食、經(jīng)濟(jì)作物（糖類、油料）2大類。山西省2000—2011年農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，見表1。

3 虛擬水含量計(jì)算方法

產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)通常都需要使用一定的水量，尤其是農(nóng)產(chǎn)品及其加工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中使用的水量更多。產(chǎn)品所含虛擬水的量化一直是虛擬水研究關(guān)注的重點(diǎn)，產(chǎn)品虛擬水含量具有兩個(gè)屬性值：一個(gè)從消費(fèi)者的角度，將虛擬水假設(shè)為在產(chǎn)品消費(fèi)地生產(chǎn)這種產(chǎn)品所需的水量；另一個(gè)是從生產(chǎn)者的角度，將產(chǎn)品虛擬水含量定義為實(shí)際生產(chǎn)單位產(chǎn)品所耗費(fèi)的水量[6，7]。目前，農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算方法有兩種：一種是Zimmer和Renault基于對(duì)不同產(chǎn)品類型進(jìn)行區(qū)分的計(jì)算方法；一種是Chapagain和Hoekstra提出的研究不同產(chǎn)品生產(chǎn)樹的方法[8，9]。筆者在虛擬水計(jì)算上選用Zimmer和Renault基于對(duì)不同產(chǎn)品類型進(jìn)行區(qū)分的農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算方法，將農(nóng)作物產(chǎn)品類型分為初級(jí)產(chǎn)品、加工產(chǎn)品、副產(chǎn)品及非耗水產(chǎn)品4種主要類型。

表1 山西省2000—2011年農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)t

3.1 初級(jí)產(chǎn)品的虛擬水計(jì)算

初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品是指直接從作物身上提取的產(chǎn)品，包括谷物、蔬菜、水果等。初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)需要的水資源主要取決于農(nóng)作物的類型，生長(zhǎng)區(qū)域的自然地理?xiàng)l件、灌溉條件和管理方式等。單一農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量首先采用參考作物需水（ET0）乘上作物系數(shù)的調(diào)整得到作物需水（Kc），然后通過單位作物需水除以作物產(chǎn)量得到單位初級(jí)產(chǎn)品的虛擬水含量。其計(jì)算公式如下：

式中：SWD[n，i]為n區(qū)域i農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量（m3/t）；CWR[n，i]為n區(qū)域i農(nóng)作物產(chǎn)品需水（m3）；CY[n，i]為n區(qū)域i農(nóng)作物產(chǎn)品的單位面積產(chǎn)量（t/hm2）。

作物需水指作物在生長(zhǎng)發(fā)育期間蒸發(fā)蒸騰所消耗的水資源量，通常采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式進(jìn)行計(jì)算。農(nóng)作物蒸發(fā)蒸騰所消耗的水量采用參考作物的需水（ET0）乘以作物系數(shù)（Kc）進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算公式如下：

式中：Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物潛在蒸散量（mm/d）；ETc為作物蒸散量（mm/d）。

式中：Rn為農(nóng)作物表面冠層凈輻射（MJ/m2/d）；△為飽和水氣壓與溫度相關(guān)曲線的斜率（kPa/℃）；G為土壤通量（MJ/m2/d）；T為平均空氣溫度（℃）；γ為干濕常數(shù)（kPa/℃）；es為飽和水氣壓（kPa）；ed為實(shí)測(cè)水氣壓（kPa）；U2為2 m高的風(fēng)速（m/s）。

3.2 加工產(chǎn)品的虛擬水計(jì)算

加工產(chǎn)品是以初級(jí)產(chǎn)品為原料進(jìn)行加工后的產(chǎn)品，如糖（原材料為甘蔗、甜菜）、植物油（原材料為菜籽、胡麻、花生等）、面粉、加工飼料、酒精飲料（原材料為糧食）等。加工產(chǎn)品的虛擬水含量取決于加工中初級(jí)產(chǎn)品的投入比例，通常按照初級(jí)產(chǎn)品投入重量比例加權(quán)得到，同時(shí)考慮加工轉(zhuǎn)化效率。如，小麥轉(zhuǎn)化為面粉的轉(zhuǎn)化效率為0.79，從而1 kg小麥的虛擬水含量是1 kg面粉的0.79倍；生產(chǎn)1 kg菜籽油需要2～3 kg的油菜籽，從而1 kg菜籽油的虛擬水含量是1 kg油菜籽的2～3倍。加工產(chǎn)品的虛擬水計(jì)算如果涉及到與其他農(nóng)作物產(chǎn)品一起加工處理時(shí)，就需要采用價(jià)值構(gòu)成比例和產(chǎn)品重量比例因子來進(jìn)行虛擬水含量分配計(jì)算。

3.3 副產(chǎn)品的虛擬水含量計(jì)算

副產(chǎn)品是指該類農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)主要是為了其他目的而不是他們的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，副產(chǎn)品的虛擬水可以采用副產(chǎn)品價(jià)值量比例、所有副產(chǎn)品重量比例和營(yíng)養(yǎng)均衡規(guī)律等不同方法進(jìn)行計(jì)算分配。

第一種方法是按照提供副產(chǎn)品的價(jià)值量比例進(jìn)行分配，這種方法在應(yīng)用上經(jīng)常被優(yōu)先考慮，但因?yàn)榻?jīng)濟(jì)價(jià)值是隨著時(shí)空而發(fā)生變化的，副產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值通常比較低，又經(jīng)常不能為其他產(chǎn)品所替代。

第二種方法是按照提供的所有副產(chǎn)品的重量比例來分配虛擬水，如1 kg棉花可提供0.625 kg的纖維和0.375 kg的種子，則纖維和種子的虛擬水含量就可以按照這種重量比例關(guān)系進(jìn)行分配。

第三種方法是按照營(yíng)養(yǎng)均衡規(guī)律來進(jìn)行分配，不考慮實(shí)際生產(chǎn)過程用水量，如棉油的虛擬水計(jì)算可用其他植物油的虛擬水含量代替。

3.4 非耗水產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算

考慮到非耗水產(chǎn)品計(jì)算的難度，非耗水產(chǎn)品通常采用營(yíng)養(yǎng)均衡規(guī)律計(jì)算方法，或者運(yùn)用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均衡規(guī)則用同樣營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的替代產(chǎn)品中的虛擬水含量來代替。農(nóng)作物產(chǎn)品生產(chǎn)需要的水資源主要取決于農(nóng)作物的類型、生長(zhǎng)區(qū)域的自然地理?xiàng)l件、灌溉條件和管理方式等，因此農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水估計(jì)只是特定地點(diǎn)的一種粗略估計(jì)。如，一些動(dòng)物是用作物秸稈和家庭生活的殘余物喂養(yǎng)的，中國(guó)80%的豬肉（4.54億頭）生產(chǎn)就是這種類型。還有水產(chǎn)品類和海產(chǎn)品不消耗淡水，這類產(chǎn)品生產(chǎn)的虛擬水消費(fèi)量計(jì)算相當(dāng)困難，可以通過計(jì)算提供同樣能量和蛋白質(zhì)的替代動(dòng)物的虛擬水含量估計(jì)測(cè)度出非耗水產(chǎn)品的虛擬水含量。這類產(chǎn)品生產(chǎn)的虛擬水消費(fèi)量的計(jì)算相當(dāng)困難，但是這部分動(dòng)物產(chǎn)品占虛擬水消費(fèi)總量的份額較小，對(duì)整個(gè)消費(fèi)量的影響不大。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

運(yùn)用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦的彭曼公式計(jì)算各作物的需水量，其運(yùn)算量非常大。筆者采用的是FAO推薦的關(guān)于作物需水量的CROPWAT 8.0軟件進(jìn)行定量化研究。因加工產(chǎn)品、副產(chǎn)品及非耗水產(chǎn)品虛擬水含量較小，這里主要計(jì)算農(nóng)作物初級(jí)產(chǎn)品的虛擬水含量，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 山西省2000—2011年農(nóng)作物初級(jí)產(chǎn)品虛擬水含量?jī)|m3

根據(jù)表2可知，多年平均情況下，山西省農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總量的平均值為162.98億m2，其中糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物分別為158.25億和4.73億m3。2000—2011年山西省農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水總量變化有一定的波動(dòng)，呈先降低后增加的曲折性變動(dòng)趨勢(shì)，最大值為2007年的179.18億m3，最小值為2001年的119.49億m3。2000年全省的虛擬水總量為142.62億m3，2001年虛擬水總量有所下降、變?yōu)?19.49億m3，至2004年增加到176.73億m3，隨后至2006年減少到156.25億m3，自2007年后比較穩(wěn)定。

從農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)來看，多年平均情況下，糧食作物多年平均比重為97.1%，而經(jīng)濟(jì)作物僅為2.9%，糧食作物虛擬水生產(chǎn)量的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)比重較大的前3位為谷物、玉米和小麥，分別占34.1%、32.8%和20.2%。2000—2011年糧食作物虛擬水生產(chǎn)量的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化不大，2000年比重較大的前3種為谷物、玉米和小麥，分別占31.4%、22.5%和22.4%；2011年比重較大的前3種為玉米、谷物和小麥，分別占38.3%、37.3%和17.8%；其中，小麥和谷物分別上升5.9%和15.8%，而玉米下降4.6%。

對(duì)于經(jīng)濟(jì)作物而言，多年平均情況下生產(chǎn)結(jié)構(gòu)比重較大的前3位為油料、棉花和甜菜，分別占50.3%、36.0%和8.4%。2000—2011年經(jīng)濟(jì)作物虛擬水生產(chǎn)量的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化不大，2000年比重較大的前3種為油料、棉花和甜菜，分別占70.8%、13.6%和8.3%；2011年比重較大的前3種仍為油料、棉花和甜菜，分別占40.8%、31.2%和20.8%；其中，棉花和甜菜分別上升17.6%和15.2%，而油料下降30.1%。

根據(jù)表1—2，可計(jì)算出山西省2000—2011年單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量，見表3。

根據(jù)表3可知，從橫向來看，各種作物單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量變化相差不大，單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量平均值為0.155 0萬m3/t，糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物分別為0.123 6萬和0.186 4萬m3/t。糧食作物中單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量最大的為豆類、單位農(nóng)產(chǎn)品平均虛擬水含量為0.247 8萬m3/t，其次是谷子和高粱、均為0.150 5萬m3/t；虛擬水含量較小的是薯類和谷物，分別為0.068 2萬和0.061 1萬m3/t。經(jīng)濟(jì)作物中單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量最大的為麻類、單位農(nóng)產(chǎn)品平均虛擬水含量為0.358 3萬m3/t，其次是煙葉和棉花、分別為0.261 4萬和0.188 5萬m3/t；虛擬水含量較小的是油料和甜菜，分別為0.099 3萬和0.024 4萬m3/t。

表3 山西省2000—2011年單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量萬m3/t

從縱向來看，2000—2011年各糧食作物自身的虛擬水含量變化比較穩(wěn)定，但谷子與豆類的變化幅度較大，最大值分別為2006年的0.256 4萬m3/t和2009年的0.309 6萬m3/t，最小值分別為2003年的0.087 4萬m3/t和2006年的0.186 6萬m3/t，分別相差了2.9倍和1.7倍；2000—2011年經(jīng)濟(jì)作物自身的虛擬水含量變化也比較穩(wěn)定，但麻類與煙葉的變化幅度較大，最大值分別為2009年的0.415 7萬m3/t和0.290 9萬m3/t，最小值分別為2005年的0.289 8萬m3/t和2011年的0.231 8萬m3/t，分別相差了1.4倍和1.3倍；影響這幾種作物變化較大的因素除與作物本身和自然條件的原因外，種值結(jié)構(gòu)也是重要的因素。從另一方面看，盡管其他各作物單位農(nóng)產(chǎn)品間的虛擬水含量存在差異，但沒有與谷子、豆類、麻類和煙葉間的差異大。

5 結(jié)論

虛擬水概念結(jié)合了農(nóng)業(yè)科學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的思想，強(qiáng)調(diào)水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，農(nóng)作物產(chǎn)品的虛擬水計(jì)算可真實(shí)反映該區(qū)域的水資源利用結(jié)構(gòu)，從虛擬水角度認(rèn)識(shí)一個(gè)區(qū)域的水資源消耗情況。根據(jù)研究，得出以下結(jié)論。

（1）山西省各種作物單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量變化相差不大，單位農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水含量平均值為0.155 0萬m3/t，糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物分別為0.123 6萬和0.186 4萬m3/t。

（2）2000—2011年各糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物自身的虛擬水含量變化比較穩(wěn)定，但谷子、豆類、麻類與煙葉的變化幅度較大。

（3）山西省農(nóng)產(chǎn)品虛擬水總量的多年平均值為162.98億m3，其中糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物分別為158.25億和4.73億m3，2000—2011年糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物虛擬水生產(chǎn)量的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化不大。

根據(jù)研究成果和區(qū)域特點(diǎn)，在保障糧食安全的前提下，可積極推進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易，有效地緩解本地區(qū)水資源短缺問題。利用虛擬水戰(zhàn)略理論，可突破傳統(tǒng)的開源節(jié)流思路優(yōu)化配置水資源，研究成果可為山西省農(nóng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性調(diào)整和虛擬水貿(mào)易提供一定參考，對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

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TV213.4；TV214

A

1004-7328（2015）01-0037-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.014

2014-10-26

王建云（1967-），男，工程師，主要從事水文水資源管理工作。