陜西省虛擬水產(chǎn)業(yè)配置及省際貿(mào)易時空變化

王 寧，董小剛，鐘 耀，崔家寶，王風(fēng)初，陳 潔，張小芳，曹建軍

（1.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

近年來，在人為不合理開發(fā)利用資源和自然環(huán)境等因素的共同影響下，我國水資源供需矛盾和水資源匱乏問題日益嚴重。據(jù)統(tǒng)計，目前我國水資源短缺區(qū)域中城市人口的數(shù)量占全球水資源短缺區(qū)域中城市人口總數(shù)的17.2%［1］。水資源短缺是全球面臨的共同挑戰(zhàn)，為進一步合理配置水資源并提高用水效率，許多國家提出了虛擬水戰(zhàn)略，旨在通過進口豐水國家或地區(qū)的水資源密集型產(chǎn)品，緩解本國的水資源壓力，保證水資源安全［2］?！疤摂M水” 的概念最早由英國學(xué)者Allan［3］于1993 年提出，指在生產(chǎn)某種產(chǎn)品過程中整個產(chǎn)業(yè)鏈所消耗的水資源量。1998 年，Hoekstra［4］對其概念進行拓展，將生產(chǎn)服務(wù)所需要的水資源量也納入虛擬水范疇。虛擬水概念及其戰(zhàn)略的提出為調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、化解水資源短缺矛盾提供了全新的思路，對缺水區(qū)域水資源配置和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義［5－6］。眾多學(xué)者借助多區(qū)域投入產(chǎn)出模型，分析了全球化趨勢下虛擬水的流動及某一國家最終消費需求變動對全球?qū)嶓w水資源分配的影響［7－10］。此外，產(chǎn)業(yè)［11－12］、區(qū)域以及省際尺度［13－14］的研究不斷增多，為不同尺度虛擬水的合理配置提供了決策依據(jù)。但由于中國區(qū)域間投入產(chǎn)出表編制較為復(fù)雜、發(fā)布時間間隔較長，因此目前關(guān)于省際虛擬水貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)長期變化情況及產(chǎn)業(yè)間流動特征的研究還相對較少，尤其是針對中國西部缺水省份（如陜西?。┑难芯扛鼮樯僖?。

黃河流域降水量稀少，水資源短缺現(xiàn)象突出，解決水資源安全問題是實施黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的核心［15］。陜西省地處黃河中游地區(qū)，黃河為該省78%的人口提供了生產(chǎn)生活用水以及經(jīng)濟發(fā)展所需水資源總量的86%［16］。然而，陜西省水資源空間分布極不平衡［17］，加之產(chǎn)業(yè)用水不合理、效率低下及地下水超采，對其社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了嚴重的負面影響?；诖耍疚囊罁?jù)虛擬水理論，利用區(qū)域間投入－產(chǎn)出模型，探究陜西省2007—2017 年三次產(chǎn)業(yè)虛擬水的動態(tài)變化、省際貿(mào)易格局時空變化及其主要驅(qū)動因素，以期為陜西省水資源的合理利用、產(chǎn)業(yè)和貿(mào)易結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級提供依據(jù)，為黃河流域水資源安全管理和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 區(qū)域間投入－產(chǎn)出模型

多區(qū)域間投入－產(chǎn)出模型最早由Isard［18］提出，與單個區(qū)域投入－產(chǎn)出模型相比，其可更系統(tǒng)全面地反映區(qū)域間的產(chǎn)品貿(mào)易情況。其基本思路為：計算某地區(qū)虛擬水貿(mào)易量時，假設(shè)區(qū)域間投入－產(chǎn)出模型中包含m個區(qū)域，每個區(qū)域有n個部門，則區(qū)域間投入－產(chǎn)出模型由m×n個線性方程構(gòu)成：

式中：為R區(qū)域i部門的總產(chǎn)出量為R區(qū)域i部門供給S區(qū)域j部門的中間投入量為R區(qū)域i部門對S區(qū)域最終需求的投入量。

式（1）及其矩陣形式可表示為

式中：XR、ARS和FRS分別為產(chǎn)出矩陣、直接投入系數(shù)矩陣和最終需求矩陣；（I－ARS）－1為列昂惕夫逆矩陣；BRS為從R區(qū)域投入S區(qū)域的投入量矩陣為滿足S區(qū)域j部門最終需要的R區(qū)域i部門的投入量。

為進一步將水資源消耗量與投入量建立產(chǎn)出關(guān)系，需確定直接用水系數(shù)與完全用水系數(shù)：

式中：EB為B區(qū)域直接用水系數(shù)矩陣；為B區(qū)域j部門的直接用水系數(shù)；為B區(qū)域j部門的直接用水量；為B區(qū)域j部門的總產(chǎn)出量；δ為完全用水系數(shù)；為滿足R區(qū)域j部門最終需要的B區(qū)域i部門的投入量。

B區(qū)域輸出到外省的虛擬水矩陣TB表達式為

1.1.2 灰色關(guān)聯(lián)度

由于陜西省虛擬水量變化的主要產(chǎn)業(yè)為第一、第二產(chǎn)業(yè)，因此在參考相關(guān)研究成果［19－20］的基礎(chǔ)上，選取第一產(chǎn)業(yè)中的農(nóng)業(yè)機械總動力、糧食產(chǎn)量、人口等指標(biāo)和第二產(chǎn)業(yè)中的城鎮(zhèn)化率、鋼鐵產(chǎn)量、人口等指標(biāo)，作為陜西省虛擬水量的影響因素。運用灰色關(guān)聯(lián)模型，計算各指標(biāo)與第一、第二產(chǎn)業(yè)虛擬水量的關(guān)聯(lián)度。設(shè)參考序列為X0＝｛x0（1），x0（2），…，x0（n）｝，比較序列為Xi＝｛xi（1），xi（2），…，xi（n）｝，則關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式為

關(guān)聯(lián)度計算公式為

1.2 數(shù)據(jù)來源

把2007 年、2010 年、2012 年、2015 年和2017 年作為典型年份進行分析，投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)來源于我國區(qū)域間投入－產(chǎn)出表。由于2007 年和2010 年投入產(chǎn)出表中不包含西藏，為保證數(shù)據(jù)的一致性，本文在虛擬水量化過程中未包含西藏。按照《三次產(chǎn)業(yè)劃分規(guī)定》，將42 個部門整理為第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)進行計算。陜西省各產(chǎn)業(yè)用水量來源于《陜西省水資源公報》，其中：第一、第二產(chǎn)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)分別為農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量，第三產(chǎn)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)以生活用水量中的城鎮(zhèn)公共用水量代替。三次產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、主要產(chǎn)品產(chǎn)量、人口等數(shù)據(jù)均來源于《陜西統(tǒng)計年鑒》。

2 結(jié)果與分析

2.1 2007—2017 年陜西省各產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)

從產(chǎn)品全生命周期角度看，各產(chǎn)業(yè)完全用水系數(shù)反映了整個經(jīng)濟系統(tǒng)中的水資源需求量（包括直接用水量和間接用水量兩部分）［21］，耗水乘數(shù)是完全用水系數(shù)與直接用水系數(shù)的比值，表示產(chǎn)業(yè)間的經(jīng)濟聯(lián)系對水資源使用的影響（耗水乘數(shù)越小，表明經(jīng)濟聯(lián)系越少、產(chǎn)品貿(mào)易對水資源使用的影響越小）。2007—2017 年陜西省各產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)及耗水乘數(shù)見圖1。

圖1 2007—2017 年陜西省各產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)及耗水乘數(shù)

由圖1 可知：①第一產(chǎn)業(yè)的直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)遠大于第二、第三產(chǎn)業(yè)的，第三產(chǎn)業(yè)的直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)最小。②2007—2017 年，陜西省三次產(chǎn)業(yè)的直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)均呈不同程度的下降趨勢，其中第一產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)下降幅度最大、第三產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)下降幅度最小。③第二、第三產(chǎn)業(yè)直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)差異較大，即二者在生產(chǎn)過程中依賴高耗水產(chǎn)品投入，大部分產(chǎn)品生產(chǎn)過程中間接用水量很大。④第一產(chǎn)業(yè)耗水乘數(shù)較小，且變化不大，說明第一產(chǎn)業(yè)對其他產(chǎn)業(yè)水資源影響較小；第二產(chǎn)業(yè)耗水乘數(shù)最大，說明對當(dāng)?shù)厮Y源的影響最大；第三產(chǎn)業(yè)耗水乘數(shù)以2012 年為節(jié)點呈先升后降的趨勢，但總體變化不大。

陜西省三次產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)均呈逐年下降趨勢，說明水資源利用效率有所提高，這與陜西省采取優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、推廣節(jié)水灌溉等先進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)［22］等措施有關(guān)。但第一產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)仍然較大，有較大的節(jié)水空間。陜西省不斷推進工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級、提高水資源利用效率和重復(fù)利用率，經(jīng)濟發(fā)展由粗放型增長逐漸向資源綠色集約式發(fā)展轉(zhuǎn)變［23］，促使第二產(chǎn)業(yè)直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)2017 年比2007 年分別降低74.74%和59.4%。

2.2 2007—2017 年陜西省內(nèi)虛擬水總量和產(chǎn)業(yè)間流動特征

2.2.1 陜西省虛擬水量變化及影響因素

陜西省虛擬水消耗總量由本省貢獻量（見表1）和省外輸入量構(gòu)成。2007—2017 年，虛擬水本省貢獻量占比達70%以上，其中第一、第二產(chǎn)業(yè)是虛擬水消耗的主要產(chǎn)業(yè)。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度模型分析，農(nóng)業(yè)機械總動力、城鎮(zhèn)化率、糧食產(chǎn)量、人口及有效灌溉面積這5個因素對第一產(chǎn)業(yè)虛擬水本省貢獻量變化影響較大，且關(guān)聯(lián)度均大于0.75（見圖2）。其主要原因：一是農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用及灌溉面積的變化促進陜西省農(nóng)業(yè)水資源利用效率及糧食產(chǎn)量逐步提高；二是城鎮(zhèn)化率及人口的增長導(dǎo)致第一產(chǎn)業(yè)高耗水基礎(chǔ)產(chǎn)品（如糧食、蔬菜等）需求量增大，帶動第一產(chǎn)業(yè)虛擬水量持續(xù)增長［24］。第二產(chǎn)業(yè)虛擬水變化的主要影響因素為城鎮(zhèn)化率、人口、鋼鐵產(chǎn)量、建筑業(yè)總產(chǎn)值、化工產(chǎn)品產(chǎn)量，原因是城鎮(zhèn)化率及人口變化驅(qū)動社會生產(chǎn)和生活對鋼鐵、建筑、化工、食品制造等行業(yè)產(chǎn)品需求量增大，促使第二產(chǎn)業(yè)對高耗水產(chǎn)品的需求量增大，推動第二產(chǎn)業(yè)虛擬水量、第一產(chǎn)業(yè)向第二產(chǎn)業(yè)虛擬水投入量及外地輸入量逐年增長［25］。

表1 陜西省虛擬水本省貢獻量 億m3

圖2 第一、第二產(chǎn)業(yè)虛擬水本省貢獻量變化影響因素關(guān)聯(lián)度

2.2.2 2007—2017 年陜西省產(chǎn)業(yè)間虛擬水流動特征

產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品與生產(chǎn)供需關(guān)系決定產(chǎn)業(yè)間虛擬水流動方向。2007—2017 年陜西省各產(chǎn)業(yè)虛擬水流動量見圖3。由圖3 可知，第一產(chǎn)業(yè)向第二、第三產(chǎn)業(yè)輸出虛擬水量呈波動增長趨勢，2017 年比2007 年分別增長74.42 億m3和52.37 億m3。第一產(chǎn)業(yè)典型年均為虛擬水量凈輸出，其中向第二產(chǎn)業(yè)輸出的虛擬水量占第一產(chǎn)業(yè)輸出總量的比例均在55%以上，而供自身使用的虛擬水量遠小于輸出量且隨時間呈逐漸下降趨勢。第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的虛擬水主要供自身使用及向第三產(chǎn)業(yè)輸出，歷年輸出到第一產(chǎn)業(yè)的虛擬水量僅占13%左右。第三產(chǎn)業(yè)虛擬水輸出到第二產(chǎn)業(yè)的水量比例最高，供自身使用的虛擬水量次之，輸出到第一產(chǎn)業(yè)的最少。陜西省第二、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展高度依賴第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品輸入，形成以第一產(chǎn)業(yè)輸出為主，以第二、第三產(chǎn)業(yè)輸入為主的虛擬水貿(mào)易模式。產(chǎn)生上述結(jié)果的可能原因：研究時段陜西省大力發(fā)展工業(yè)和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)及“絲綢之路”旅游經(jīng)濟等高耗水行業(yè)［26］，使第二、第三產(chǎn)業(yè)對水資源和高耗水產(chǎn)品的需求量顯著增加，其中部分行業(yè)的發(fā)展高度依賴第一產(chǎn)業(yè)原材料的輸入；同時，陜西省耕地灌溉方式以傳統(tǒng)灌溉為主，高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用不足，第一產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)過程中對其他產(chǎn)業(yè)虛擬水投入需求量不大。因此，第一產(chǎn)業(yè)虛擬水凈輸出量持續(xù)增長，但第二、第三產(chǎn)業(yè)輸入第一產(chǎn)業(yè)的虛擬水量很少。當(dāng)前陜西省產(chǎn)業(yè)間虛擬水貿(mào)易模式可能會導(dǎo)致水資源供需矛盾更加尖銳，威脅糧食安全，不利于社會經(jīng)濟和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

圖3 典型年份陜西省各產(chǎn)業(yè)虛擬水流動量（單位：億m3）

2.3 2007—2017 年陜西省虛擬水省際貿(mào)易格局

2.3.1 陜西省虛擬水省際流向的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征

2007—2017 年陜西省三次產(chǎn)業(yè)虛擬水省際輸出、輸入量見表2。陜西省虛擬水輸出總量呈波動增長趨勢，輸出以耗水量較高的第一產(chǎn)業(yè)為主，而虛擬水輸入量的90%以上來源于第二、第三產(chǎn)業(yè)。三次產(chǎn)業(yè)省際的產(chǎn)品貿(mào)易決定虛擬水流動方向，陜西省作為農(nóng)業(yè)大省，其在自身水資源匱乏的狀態(tài)下，向我國其他省份大量輸出第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品，而耗水量相對較少的第二、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品依賴大量進口來滿足本省生產(chǎn)和消費需求［27］。陜西省第一產(chǎn)業(yè)虛擬水均呈凈輸出狀態(tài)，2007年、2010 年、2012 年、2015 年、2017 年，凈輸出量分別為56.02 億、66.88 億、41.35 億、46.00 億、76.06 億m3，呈波動增長趨勢；第二、第三產(chǎn)業(yè)呈凈輸入狀態(tài)，且凈輸入量之和遠大于第一產(chǎn)業(yè)凈輸出量。

表2 陜西省三次產(chǎn)業(yè)虛擬水省際輸入、輸出量 億m3

2.3.2 陜西省虛擬水凈貿(mào)易格局

典型年份陜西省與中國其他省份虛擬水貿(mào)易情況見表3。2007 年陜西省向山西省、天津市、河北省、寧夏回族自治區(qū)等14 個?。ㄊ?、區(qū)）凈輸出虛擬水18.43億m3，從江蘇、廣東、廣西、上海、甘肅等15 個?。ㄊ?、區(qū)）凈輸入虛擬水49.11 億m3；2010 年陜西省凈輸出省份數(shù)量減少為9 個，凈輸出虛擬水13.83 億m3，從江蘇、上海、甘肅等20 個?。ㄊ?、區(qū)）凈輸入虛擬水171.82億m3；2012 年、2015 年陜西省虛擬水凈輸出量分別為0.87 億、0.48 億m3，凈輸出?。ㄊ小^(qū)）數(shù)量分別為3個、2 個；2017 年虛擬水凈輸出、輸入量分別為63.48億、168.71 億m3，較2015 年明顯增長。虛擬水輸出地主要分布于我國中部、東部沿海及京津冀地區(qū)；輸入地主要為我國華東、華南、華北、東北等經(jīng)濟相對較發(fā)達省份（見表3）。綜上，雖然2017 年較2007 年虛擬水凈貿(mào)易量增長幅度較大，但2007—2017 年陜西省虛擬水貿(mào)易凈輸出省份數(shù)量呈波動減少趨勢，且主要分布在華北、西北地區(qū)；向陜西省凈輸入虛擬水的省份數(shù)量逐年增多，但凈輸入量呈波動減少趨勢。

表3 典型年份陜西省虛擬水省際輸入、輸出量 億m3

陜西省省際虛擬水貿(mào)易整體呈凈輸入狀態(tài)，有助于緩解自身水資源短缺壓力。但陜西省在與部分省份虛擬水貿(mào)易中存在不合理現(xiàn)象，如長期向青海省、貴州省、江西省等人均水資源量遠高于自身的省份凈輸出虛擬水，但從江蘇、甘肅、河北等人均水資源量低于自身的省份凈輸出虛擬水，貧水地區(qū)向豐水地區(qū)凈輸出虛擬水的貿(mào)易模式不合理。這種虛擬水貿(mào)易空間結(jié)構(gòu)的不合理，可能會形成貧水區(qū)水資源向富水區(qū)轉(zhuǎn)移的惡性循環(huán)，不利于水資源的可持續(xù)利用和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展［28］。因此，對于第一產(chǎn)業(yè)中高耗水產(chǎn)品及部分經(jīng)濟產(chǎn)品，應(yīng)在其生產(chǎn)過程中通過節(jié)水灌溉等措施提高水資源利用效率；對于第二產(chǎn)業(yè)中基礎(chǔ)工業(yè)及輕工業(yè)中鋼鐵、煉焦、食品、煙草、紡織、造紙等完全用水系數(shù)較高的行業(yè)，應(yīng)通過提升技術(shù)水平、增加尾水回用效率等措施，減少耗水量。應(yīng)根據(jù)各省份水資源稟賦，在省際貿(mào)易中減少貧水地區(qū)虛擬水流出，優(yōu)化省際虛擬水戰(zhàn)略。

3 結(jié) 論

（1）陜西省三次產(chǎn)業(yè)直接用水系數(shù)和完全用水系數(shù)均呈下降趨勢，說明水資源利用效率有一定的提高，但三次產(chǎn)業(yè)用水系數(shù)仍然偏高。第二、第三產(chǎn)業(yè)耗水乘數(shù)呈波動上升趨勢，這對當(dāng)?shù)睾乃块g接帶動效應(yīng)較大。因此，陜西省應(yīng)進一步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高以農(nóng)業(yè)為主的高耗水行業(yè)用水效率，減少高耗水且經(jīng)濟效益不高的中間產(chǎn)品的使用。

（2）第一、第二產(chǎn)業(yè)是陜西省內(nèi)虛擬水流動的主要產(chǎn)業(yè)，第二、第三產(chǎn)業(yè)高度依賴第一產(chǎn)業(yè)虛擬水輸入，2007—2017 年三次產(chǎn)業(yè)虛擬水消耗量均呈持續(xù)上升趨勢，產(chǎn)業(yè)間水資源分配不平衡。第一、第二產(chǎn)業(yè)虛擬水量增長的主要影響因素為農(nóng)業(yè)機械總動力、人口、糧食產(chǎn)量、城鎮(zhèn)化率、鋼鐵產(chǎn)量、建筑業(yè)總產(chǎn)值等。因此，陜西省應(yīng)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展模式，增加高新技術(shù)在第一產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，同時減少第一產(chǎn)業(yè)高耗水產(chǎn)品輸出，增加低耗水產(chǎn)品的輸出，大力發(fā)展節(jié)水和高利潤產(chǎn)業(yè)，優(yōu)化三次產(chǎn)業(yè)供需結(jié)構(gòu)，降低虛擬水消耗量。

（3）陜西省作為虛擬水凈輸入省份，長期凈輸入虛擬水對緩解該省水資源短缺有正向作用，但與部分省份的虛擬水貿(mào)易模式和其水資源稟賦不匹配，可能會加劇貧水區(qū)與富水區(qū)水資源分配兩極分化。因此，陜西省應(yīng)積極調(diào)整并踐行虛擬水戰(zhàn)略，以促進該省及黃河流域水資源可持續(xù)發(fā)展。