虛擬水與水足跡對比研究

摘要：虛擬水與水足跡將水資源研究從環境范疇拓展到了社會經濟領域，是有效的水資源管理工具，但是兩者既有聯系又有區別。因此采用對比研究的方法，對虛擬水和水足跡的研究范圍、研究對象、研究視角、計算方法和研究意義進行對比。結果發現在作物生長和氣候條件已知的條件下計算農產品生產消耗的水量，虛擬水比水足跡更簡便；與虛擬水相比水足跡應用范圍更廣。對于虛擬水和水足跡的辨析，有利于正確運用兩種工具進行深化研究，以方便其在水資源利用中的應用。

關鍵詞：虛擬水；水足跡；對比研究

中圖分類號：F831.59 文獻標識碼：A 文章編號：1009—3060（2012）04—0043-07

虛擬水和水足跡之前的水資源研究著眼于進行給水排水的技術改進或采用價格杠桿提高用水效率，卻無力應對因水稀缺與水污染帶來的水資源危機。虛擬水和水足跡從社會經濟角度度量人類活動對于水資源系統影響，將水資源研究從環境領域拓展至社會經濟領域；它們能夠運用經濟學與管理學工具從戰略角度探討水資源利用，對于應對水資源危機具有現實意義。1997年虛擬水概念提出，五年后水足跡概念提出并在虛擬水研究的基礎上重點著眼于生產與消費過程中消耗的水資源與產生的污染量進行研究。兩者有聯系，但是也存在諸多不同，本文深入探討了虛擬水與水足跡研究的聯系與區別，以便于更好地運用這兩種工具進行水資源研究。首先，回顧了虛擬水和水足跡的研究脈絡；然后從研究對象、計算方法、研究角度、研究范圍和研究意義等方面對兩者進行了詳細比較；最后述評并展望了虛擬水和水足跡深化研究的方向。

一、引言

中東與北非地區是世界上第一個耗盡了水資源的地區，為了應對這一地區的水資源危機，學者們積極探索各種解決方法。在1997年之前，水資源研究側重進行技術改進和水價調控提高用水效率以應對水資源稀缺，但實踐效果不明顯；而自1997年Allan提出虛擬水概念和2002年Hokestra等專家提出水足跡概念后，學界將研究從環境領域拓展到了社會經濟領域，深入研究生產與消費過程中消耗的水資源與產生的污染量，實踐應用效果顯著。

具體來講，1997年Allan提出“虛擬水”概念，即某種產品在生產時的用水量。它站在戰略高度研究農產品和畜牧產品貿易的水資源管理，其提出之初的目的是引導中東與北非地區政府制定有效的水資源政策，以解決中東與北非地區的水資源匱乏。虛擬水從生產者角度研究用水，是一維的水資源研究指標。

2002年在世界水貿易專家會議上Hokestra首次提及“水足跡”概念，它指從個人、家庭、部門、某行業、城市到整個國家在生產或者消費的產品中包含的虛擬水數量。水足跡可以計算生產中或消費的水的種類（藍水、綠水和灰水），以及何時何地產生了這些水足跡。水足跡從生產者和消費者角度研究用水，是多維的水資源研究指標。水足跡打破了將水資源管理局限在某地區或者流域內的局限，人們開始將全球水資源一起作為研究對象；尋求人類消費、全球貿易與水資源利用之間的關系。

此前的研究表明虛擬水適用于農產品生產中的理論用水量研究，在農作物氣候、濕度、作物生長條件等條件已知時可以計算虛擬水量；而水足跡建立在虛擬水的基礎上并將研究范圍進行了拓展，因此除此之外它還能夠計算消費者消耗的水資源數量、產生的污水量。明確虛擬水和水足跡的異同是正確運用這兩種指標進行水資源研究的前提。因此本文對虛擬水和水足跡的研究進行比較研究，闡述了兩者的聯系與區別，并在此基礎上探討了未來的虛擬水和水足跡需要完善的領域。

二、虛擬水與水足跡的聯系與區別

水足跡最初在關于虛擬水的國際論壇上被提出，由此可見水足跡沿襲了虛擬水研究。但是其后對兩者分別展開的研究使兩者有了區別，它們的研究范圍、研究對象、計算方法、研究角度、研究意義均存在不同，如表1所示。

1.研究脈絡

虛擬水是生產某產品的各個環節所消耗的水資源，“虛擬”既說明參與貿易的產品并非實體的水資源但需要由水資源生產，又表明在生產中消耗的水資源大多數并沒有包含在產品中，因此虛擬水可以取代真實的水資源成為研究對象。虛擬水研究大致經歷了三個階段，第一階段是虛擬水概念提出后至2000年，虛擬水研究意義的討論；第二階段是虛擬水計算方法的完善，以及世界各地虛擬水貿易量的計算；第三階段，虛擬水與國際貿易理論結合，研究國際貿易中的虛擬水的比較優勢，為從戰略高度管理水資源提供建議。在此期間，召開了數次虛擬水國際論壇進行專題討論。2002年第一次國際虛擬水專家會議回顧了該領域的發展，2003年第三次世界水論壇討論了虛擬水貿易與地緣政治學，2006年第四次世界水論壇討論了阿拉伯地區的虛擬水貿易。

在水足跡十年的研究歷史中，涉及了計算、影響因素分析、情景分析、水足跡對政策制定的影響等方面。這一期間召開的數次國際性的水資源論壇上對水足跡的討論推動了水資源研究的開展。2002年代夫特水資源專家會議上首次提出水足跡概念，隨后2003年日本舉行的第三屆世界水論壇、2003年世界水環境署召開的主題為“虛擬水貿易與政治地理學”會議、2005年德國發展研究院召開的虛擬水貿易專家會議、2006年第四屆水資源論壇、2006年在波恩由世界水資源系統項目舉辦的主題為“全球水資源政府治理”會議和在法蘭克福由社會經濟研究所舉行的“虛擬水貿易”等會議上都對水足跡展開了討論。

與其他用水指標相比水足跡有三個不同點：第一，可以度量整個產品生產或者服務提供過程中的直接與間接水資源消耗；第二，可以將某地區水資源消耗與全球水資源配置聯系起來；第三，除去度量藍水和綠水使用外，還可以度量灰水足跡，量化了產生的污染數量。其獨特性使水足跡在三次產業尤其是農業中應用廣泛，對于農產品貿易以及農產品種植的指導作用明顯。

2.研究范圍

虛擬水研究參與農產品交易商品中的理論用水量。如Hoekstra和Hung計算出了不同國家生產不同種類農作物所需虛擬水量。Naota等依據ICOLD提供的世界范圍內的水壩供水量，將藍水進一步細分為河水、中等水壩水、非再生以及非過境水三種，然后利用運用物理、水文和人類學原理建立的H08模型計算出了2000年全球五種農作物和三種畜產品的虛擬水交易量。Mark和Allan計算了1998年到2004年間尼羅河流域各個國家間農產品的虛擬水貿易，為保障尼羅河水資源供應安全提供參考。

水足跡則試圖通過研究從個人、家庭、部門、某行業、城市到整個國家生產或者消費的產品中包含的虛擬水數量，揭示生產或者消費方式和國際貿易與水資源管理之間的關系。Hokestra等估算了1997—2001年間的全球生產過程中產生的水足跡。Hubacek等運用投入產出法計算了中國1997年產生的水足跡。Feng等對投入產出法進行了改進，采用多地區投入產出法計算了英國不同地區各消費階層的水足跡。

3.研究對象

虛擬水計算藍水與綠水足跡，水足跡除此之外還增加了灰水計算，可以度量生產或消費過程中產生的污染量，是更加完善的用水指標。灰水是生產某產品產生的污水數量，或者稀釋生產或者消費過程中的污染物至某一標準需要的最大水量，控制產生灰水量最大的污染物數量產出能明顯減少灰水足跡，所以灰水足跡可作為進行技術改進、減少污染量的依據。灰水計算比藍水和綠水計算復雜，需要不同地區的數據。Dabrowski等、Ercin等、Gerbens和Hokestra、Van等、Aldaya和Hokestra、Bulsink等對多種產品的灰水足跡進行了計算。

4.計算方法

虛擬水計算采取自下而上方法；水足跡還可以采用自上而下法計算。自下而上的方法是將生產某種商品或者服務從最初環節到最終環節所消耗的水資源加總；自上而下的方法是將一國用水總量加上該國虛擬水進口量減去虛擬水出口量。全生命周期法是一種自下而上計算方法，環境投入產出法是一種自上而下計算方法。兩種方法相比各有利弊，以水足跡計算為例，以自下而上法除了可以計算國家水足跡外，還應用于個人、社區、城市等消耗的水足跡，計算范圍廣泛，但是需要具體到各計算環節的數據，計算量大并且容易在中間環節產生誤差。自上而下方法計算水足跡更常用，它具有如下優點：第一，從投入產出的角度考慮，能夠完全反映在整個過程中的水資源消耗，并且都是最終消費的水資源，既能夠避免中間多個環節進行運算產生的誤差，又能夠減少表面耗水而非最終耗水的影響，適用于消費中的直接與間接水足跡；第二，多地區水足跡值的計算可以為產品國際貿易的優化提供依據。

Chapagain和Hoekstra最先提出了虛擬水的計算方法，計算了不同國家農產品和畜產品中的虛擬水量；其研究團隊還完善了水足跡的計算方法。對于計算所需數據，聯合國糧農組織FAO提供各個流域的年降水量、徑流量、土壤水消耗量、地下水量和國家每年種植各種農作物的單位標準耗水量；ICOLD提供世界范圍內各個水壩年供水量；國家農牧業部門提供耕地量和農作物年產量；國家統計局提供不同農作物的需水量；國家進出口貿易局提供各種參與虛擬水貿易產品數量數據。

5.研究角度

虛擬水從生產者角度研究從產品生產之初到產品成型所消耗的水量，在不同國家或地區生產某種商品所消耗的虛擬水量不同，因此國家或地區間的虛擬水貿易可以緩解因地區間水資源分布不均或者水資源生產率不同而造成的水資源短缺或者水資源使用低效率、解決因此而引發的地區沖突，實現水資源和糧食供應安全。

水足跡在虛擬水研究的基礎上，將研究角度拓展到了消費者。不同地區消費理念與消費方式的差異也是影響水足跡值的原因之一。Feng等研究了英國不同地區內居民的收入水平與水足跡的關系，發現兩者線性相關；因此水足跡值能夠反映不同地區的用水和污水量、具有地理指標的功能，可以在小范圍內改進水資源消費模式以減少水足跡。

6.研究意義

對于虛擬水研究的意義，目前學界并沒有達成一致意見。支持者認為虛擬水能夠緩解水資源緊缺，實現供水安全和糧食安全。Dennis運用比較優勢理論研究了埃及虛擬水貿易對于實現供水安全的意義。反對者同樣運用比較優勢理論進行反駁，Erik運用俄林模型證明虛擬水貿易并無上述作用。Dinesh對131個國家農產品虛擬水貿易量和該國耕地量、農業用水量等七個變量之間進行了回歸分析，發現自變量和因變量之間并無線性關系，從實證角度質疑了虛擬水貿易的作用。有學者認為出現上述爭議的原因是目前的虛擬水研究局限在少數國家之間，若研究范圍擴大，其對于供水安全的意義將顯現。也有學者認為，相比水資源稟賦，可耕地數量是影響虛擬水貿易、保障供水安全的更關鍵因素。

計算地區內或者地區間的虛擬水貿易量可為政策制定提供參考。Esther計算了西班牙安大盧西亞的農產品虛擬水貿易量后，認為制定政策改變該地區內進出口農產品的種類、減少出口大量耗水產品轉而進口耗水多的產品能夠緩解當地的水稀缺。盡管大多數人認為相對于綠水來講，藍水對于虛擬水貿易意義更大，Aldaya與Allan等人通過計算全球農產品虛擬水中的綠水貿易，發現綠水較少產生環境污染并且可再生性強，因此應該提高綠水使用效率，而計劃經濟的實施能夠提高綠水使用效率。Dabrowski等計算了稀釋南非五種作物種植過程中所產生的富營養物質需要的水，發現該數值大于種植農作物所耗費的水，并且所需水量受稀釋水中的藍水與綠水比例影響。由此可見制定用水政策調節農產品生產過程中的藍水和綠水比例頗具意義。

除具備上述意義外，水足跡還可以調節地區水資源消費以優化全球水資源配置。首先，水資源最終由消費者消費，因此將消費者所消費產品的水足跡計算出來，橫向比較世界范圍內不同地區間為了提供某種產品或者服務產生的水足跡，可以鼓勵該地區制定合理的產業政策生產耗水最少的產品。Erctn等計算了世界不同國家飲料生產過程的水足跡值，包括生產飲料原材料、生產飲料工人的消耗、運輸飲料過程，發現生產飲料的農產品水足跡值是影響最終水足跡值的重要原因，因此對世界各國而言減少原料生產過程中的水足跡值才是減少飲料水足跡的關鍵。其次，一地居民既消耗本地供水即內部水資源，也消耗外地供水即外部水資源。為了評價用水模式對內部和外部水資源的影響，Feng等研究了英國不同地區內居民的收入水平與水足跡的關系，發現兩者線性相關。這些研究為改善本地用水模式、提高全球水資源配置效率提供參考。

三、研究展望

水足跡相對于虛擬水研究存在改進，但是有學者也認為其研究存在不足。未來研究中需要在不同的研究條件下在虛擬水和水足跡中選擇其一作為研究工具；其次研究要與資源生產率、消費者行為理論結合；在研究中將引入有效的管理學工具，使虛擬水和水足跡的研究成果能夠在現實應用中發揮作用。

若夯實虛擬水與水足跡研究的理論基礎，需要將影響虛擬水與水足跡的因素與其他因素結合，如考慮土地因素運用比較優勢理論指導農產品虛擬水國際貿易。或者將虛擬水與水足跡作為一種工具，驗證提高資源生產率的相關理論是否合理等。目前已有學者通過計算出虛擬水或者水足跡的值，驗證“資源咒詛”理論是否存在，檢驗IPAT中的各個因素對于水資源利用的影響等。

虛擬水與水足跡是有用的水資源管理工具，它既可以計算全行業中的耗水數值，也可以衡量小到個人大到一個國家的用水數值，利用這些計算結果，可以分別從生產者和消費者角度出發考慮如何改進用水效率。但是當前其研究領域從研究行業、研究角度到研究方法一直都局限在一定范圍內使其潛能未發揮出來。未來虛擬水與水足跡的研究將由重點側重農業轉向關注全行業、由著重于生產者角度轉向消費者角度、由大量計算轉變為詳細的數據分析、運用計量工具同時借助于管理學工具。

首先，將研究行業從農業拓展至第二、三產業。農產品是工業與服務業的原材料，農產品的生產會受到工業與服務業產業政策的影響，所以盡管工業與服務業直接耗水量相對于農業少，但是它們的間接耗水量卻包括了農業耗水。因此，研究這些行業的水足跡、制定高水資源生產率的產業政策同樣有意義。如Elena等計算了西班牙采用生物燃料需要消耗的虛擬水，預測了該新能源產業的發展將對供水產生的影響。全行業研究使將使水資源配置更加合理。

其次，研究消費者水足跡。水資源的使用受兩大因素的影響，生產者的產業布局、用水效率和消費者的消費方式。此前對于水足跡的研究延續了虛擬水研究，一般從生產者角度出發，闡述不同國家或者地區生產某種產品所耗費的水足跡值。由于所有的用水都可以歸結為消費者的最終消費，因此研究不同的收入階層、消費方式下消費者的水足跡，深入研究個人、家庭、社區等較小的單位才能更有效發揮作用，更加有效地指導用水。

第三，運用經濟學和管理學知識。目前虛擬水與水足跡研究大部分是從農業、環境或者地理學角度出發，未來運用經濟學知識如國際貿易理論，并將研究出來的成果運用管理學工具如水資源政策工具等進行解釋，將促使研究成果從實踐層面發揮作用。

四、結論

虛擬水和水足跡這兩種水資源研究工具將研究范疇從環境領域擴大到了社會經濟領域。以其為工具，計算產品生產中消耗的藍水和綠水數量之后，分析該數量變化的經濟、人口、貿易、技術等原因并采取改進策略，能夠有效提高水資源利用效率。因此它們在利用水資源、緩解地區與國家水資源緊張、保障供水安全與糧食安全中發揮了效用。

與虛擬水相比，水足跡研究的研究角度從生產者擴展到了消費者、研究對象從藍水和綠水足跡擴展到了灰水足跡、研究范圍從某種農產品擴展到了一國或者全球的工業積極服務業產品，這是兩者的不同之處。

虛擬水適用于農產品生產中的理論用水量研究，在農作物氣候、濕度、作物生長條件等條件已知時計算虛擬水數量比計算水足跡值方便，而在計算生產中的污染數量、消費者消費的水資源數量的時候，需要采用水足跡值。明確兩種計算工具適用的場合是有效運用這兩種工具的前提。

盡管水足跡計算在虛擬水基礎上進行了擴展，其研究也存在不足。水足跡缺乏區分水資源可持續與不可持續的能力，并且其研究中多計算而較少經濟學或者管理學分析，使研究成果無法指導政策分析與制定、研究成果無法投入現實應用。若改變這種狀況，未來虛擬水與水足跡的研究領域將會由農業拓展至其他產業，會由關注中東、北非、歐洲等地區拓展至關注世界各國，研究方法也會在地理、環境資源的基礎上加入經濟學運算與管理學政策理論與方法。

（責任編輯：謝閩）