水資源利用效率與虛擬水國際貿易關系分析
——基于糧食安全的視角

張雄化

一、引言及文獻綜述

水資源問題日益影響糧食安全。中國嚴重缺水,淡水資源人均擁有量為2200立方米，僅占世界平均水平的1/4，屬于人均水資源最貧乏國家之一。與此同時，中國農業用水總量卻名列前茅，約占全國用水總量的60%以上。如何科學利用水資源為農業及糧食生產服務是我國面臨的一大任務。筆者認為，在農業及糧食的生產和貿易中綜合高效利用國內外水資源，可同步緩解我國水資源短缺和糧食安全問題。

在建設生態文明的形勢下，中國糧食生產的自然資源不僅不能增加，反而會減少，糧食生產的水資源可能進一步下降[1]。這意味著中國糧食生產將進一步面臨水耗量大、效率低和用水緊的多重約束。我國地處亞洲季風區，水資源影響農田灌溉和糧食生產。有研究表明，大米是亞洲季風區理想的糧食作物，隨著灌溉率的增大，單位稻谷畝產量最終也將增加[2]。同時，小麥、玉米等也屬于高耗水作物，提高其產量也不容忽視灌溉效應。糧食生產用水可劃分為綠水和藍水。綠水主要是指滲透到作物或土壤中用于植物生長的雨水，以及重新蒸發回歸到大氣層的雨水；藍水主要是指最終變為江河湖泊和地下水的雨水。藍水是農業用水管理的主要對象，因此，要提高灌溉效率，就應提高藍水的利用效率。

虛擬水是指凝結在商品或服務中無差別的單元水，表示生產給定商品或服務所需水的數量[3]、[4]。按此定義，糧食生產虛擬水是指生產糧食產品所需要投入水的數量，糧食貿易虛擬水是指凝結在貿易糧食中虛擬水的數量。我國水資源短缺，利用效率低下，利用虛擬水能成為解決農業用水問題的有效途徑。簡易的虛擬水測量方法是用不同糧食產品虛擬水轉化系數得到。國外按生產糧食1千克需要1000公升水計算[3]。國內學者如馬靜等給出了南北方和全國的糧食作物虛擬水含量參數：糧食=1，谷物=0.9，豆類=3，薯類=0.9。柯兵等結合國外最佳田間試驗指出，1kg干小麥=1m3水，1kg水稻=2kg水，1kg玉米=1kg水。相關虛擬水含量的研究表明，中國農產品貿易整體上屬于凈虛擬水進口國[5]，這與我國入世后已成為農產品凈進口國的狀況一致。其他國家和地區的虛擬水研究表明，富水區域不一定有經濟上的激勵來生產糧食進行出口[6]。例如，亞馬遜河流域有豐富的水資源，但土地較貧弱，因而不可能成為糧食出口地區。另外，在有足夠的土地和較長的生產季節的地區，即使水資源貧乏，也可以成為以較低成本生產農產品的出口者[7]。但以上研究尚存不足之處，如不同國家及地區的虛擬水計量的準確度不一致，得出的答案欠佳；基于糧食角度的對國家間虛擬水貿易研究居多，缺乏省際虛擬水國際貿易研究、糧食虛擬水國際貿易與生態環境間關系的研究，也缺乏藍水利用效率對虛擬水國際貿易的影響研究。

本文擬對糧食虛擬水國際貿易與水資源貧富類型、藍水利用效率及生態環境效率之間的關系進行實證研究。通過該研究，提出科學的水資源利用措施，這對緩解國內水資源和糧食緊缺的雙重壓力具有重要意義。

二、水資源貧富類型與糧食虛擬水貿易的關系

(一)我國省際和區域糧食生產中水資源利用貧富不均

我國屬于貧水國，按國際標準衡量，我國人均水資源擁有量超過世界平均值的省份僅有西藏和青海，其年人均水資源擁有量分別為152180.89立方米和13308.70立方米，屬于富水區。而海南、云南、新疆，福建、江西、廣西的年人均水資源擁有量分別為4185.34立方米、4158.54立方米、4290.88立方米、3257.64立方米、3362.37立方米和3666.46立方米，由于這些省份的人均水資源量在國內相對富裕，可把這些省份稱為水資源中水區。人均水資源擁有量稍高于1000立方米的省份屬于水資源較貧的類型。其余省份的人均水資源擁有量均低于1000立方米，可稱為水資源貧水區。同時，定義虛擬水進口量超前的省份為進口多省，虛擬水進口落后的省份為進口少省，其他省份為進口中?。欢x虛擬水出口靠前的省份為出口強省，出口靠后的省份為出口弱省，其他省份為出口中省。

(二)省際和區域糧食虛擬水國際貿易不完全符合H-O理論

我國省際和區域虛擬水貿易不符合H-O理論(即資源要素稟賦理論)。水資源貧困地區的虛擬水進口量不一定多，如山西、安徽、陜西、甘肅和寧夏等省，人均年水資源量不到1000立方米，是典型的貧水區，但它們均屬于虛擬水進口最少的區域之一，各省虛擬水年進口量均不超過3億立方米。水資源富足地區的虛擬水出口量不一定多，如西藏和青海屬于典型的富水區，但它們的虛擬水出口量均為0。同時，華北地區人均水資源年均擁有量為215.91立方米，為水資源貧困地區，但區域虛擬水進口量相對較少，年均進口量為72.25億立方米；黃淮海地區人均水資源擁有量為485.91立方米，也為水資源貧困地區，但區域虛擬水進口相對較多，年均進口量為347.44億立方米。西南地區為典型的水資源相對富裕的中水區，人均水資源擁有量為5233.49億立方米，但區域虛擬水出口量較少，年均出口量僅有3.5億立方米。

(三)糧食虛擬水國際貿易足以補充地區糧食虛擬水供需差額

我國糧食虛擬水國際貿易雖然整體上符合H-O理論，但省際和區域虛擬水國際貿易卻不符合該理論。2003～2012年，我國糧食虛擬水年均凈進口量為964.81億立方米，足以補充北京、天津、上海、福建、浙江和廣東等發達省市的人口消耗糧食的虛擬水缺口總量。另外，我國糧食基本能自給，糧食虛擬水也能自給，除東南地區虛擬水年均供需虧損量為31.42億立方米外，其他區域虛擬水均為供需盈余，全國總的糧食虛擬水供需為凈富余，富余量隨著時間推移也在增加。因此，即使不通過國際貿易，我國糧食虛擬水通過省際間、區域間的流動，也能達到補充地區不足的目的。

三、藍水效率及生態環境效率與糧食虛擬水貿易的關系

(一)數據來源與變量說明

本研究選用2003～2012年10年間的省際面板數據作為研究依據，選用的變量包括由稻谷、小麥、玉米和薯類組成的糧食產量(Y)、農業機械總動力(K)、農林牧漁從業人員替代的農業勞動力人數(L)、農藥投入量(P)、化肥施用量(F)和糧食生產用水(W)。所有數據均來自《中國農村統計年鑒》和國家統計局網站。對省際農業用水和糧食產量進行統計分析后發現，農業用水量最大的省份是新疆(2012年)，用水量為561.75億立方米；農業用水量最小的省份是北京(2012年)，用水量為9.31億立方米；各省農業平均用水量是115.24億立方米，用水量標準差為94.64億立方米，這反映了各省間用水量存在較大的差異。與此同時，糧食產量最大的省份是黑龍江，2012年產量為11523000萬噸，糧食產量最小的省份是北京，2004年產量為140400萬噸。歷年各省糧食平均產量為3383067萬噸，標準差為2726854萬噸，也反映了各省糧食產量存在較大的差異。另外，新疆農業用水量達到本區總用水量的95.19%，使新疆成為農業用水最多的省份，但其糧食產量不高；北京糧食產量最小，但農業用水量也僅占總供水量的25.95%，這反映出不同省份農業用水效率的不均衡。糧食生產用水的污水排放主要來自農田徑流，農田徑流中主要含有氮、磷和農藥等污染物。2004～2012年全國農業廢水平均排放量約占總廢水排放量的0.03%。據此推算各省農業用水的廢水排放量，省際農業廢水量=省際廢水總量x0.03%。農業廢水排放量均值、最小值、最大值和標準差分別為18.64億噸、0.27億噸、83.86億噸和15.39億噸，說明各省間農業污水排放量存在較大的差距。

(二)研究方法

1.SFA方法

2.DEA方法

運用DEA方法測度糧食生產用水效率時，定義水資源生態效率的測度變量包括：投入變量=水投入，產出變量=糧食產量+環境正影響；定義水資源環境效率的測度變量包括：投入變量=常規投入變量+水投入，產出變量=環境正影響。其中，常規變量為省際的勞動力、農機動力、農藥和化肥的投入，環境正影響用省際農業用水污染量的倒數表示。那么基于投入導向、規模報酬可變的DEA效率模型測算，就分別得到省際糧食生產用水的生態效率和環境效率。

(三)結果分析

1.隨機前沿生產函數方法和DEA方法均較為適用于糧食生產中的效率測算

檢驗似然率γ的顯著性，γ即為技術無效項的方差與隨機效應誤差項方差和技術無效項方差兩者之和的比率。假設隨機前沿生產函數式無效，則γ=0被接受，此時δU2=0，Uit項應該從原隨機前沿生產函數模型中移除，其參數估計只需采用普通最小二乘法；假設隨機前沿生產函數有效，只需檢驗γ=0，相應參數估計采用極大似然法。檢驗結果顯示，隨機前沿生產函數有效。同時，隨機前沿生產函數的可接受，說明影響產量的各解釋變量對被解釋變量為正向關系，符合使用DEA模型的基本需要，可以使用DEA模型進行糧食生產藍水使用的生態環境效率測算。

2.糧食生產藍水利用效率低，影響虛擬水進出口產品及進出口方向

運用HAUSMAN檢驗隨機前沿生產函數，結果發現固定效應模型優于隨機效率模型。糧食生產固定效應模型的參數估計如表1?？傮w看來模型的擬合程度較好，參數多在1%和10%的水平時顯著。在所有要素投入中，只有勞動力對糧食生產產生負向影響，且較為顯著。農藥投入對糧食生產影響不顯著。水資源投入對糧食生產的影響程度稍低，影響系數為0.029，在接近15%水平時顯著。

表1 隨機前沿生產函數的估計結果

說明：*、**、***、****分別代表15%、10%、5%、1%的顯著水平。

通過隨機前沿生產函數估計省際糧食生產的技術效率和用水(藍水)效率，發現省際糧食生產技術效率普遍高于用水效率。從總體均值來看，糧食生產用水效率為0.702，相應的糧食省際技術效率為0.970；糧食生產技術效率和糧食生產用水效率均有效的省份僅有7個，它們分別是遼寧、上海、江蘇、湖南、廣東、廣西和新疆，其他省的糧食生產技術效率和用水效率均無效，存在改進空間，尤其用水效率改進的空間較大。

糧食生產藍水效率較高的地區為華南、西北、長江中下游和東北地區，它們的用水效率均大于0.8；用水效率稍高的地區為西南、東南，它們的用水效率在0.6～0.8之間；用水效率最低的是黃淮海、華北地區，它們的用水效率均處于0.6以下。另外，比較不同區域糧食生產技術效率和用水效率會發現，技術效率較低省份的用水效率也較低，但技術效率較高省份的用水效率不一定高。依據效率最大值統計，華北、黃淮海和西南地區各個省的農業技術效率和用水效率普遍存在無效的問題，亟需大力加以解決。

這里運用截面數據TOBIT模型來檢驗糧食生產藍水效率與糧食進出口貿易的關系，其中以2003～2012年整體用水效率為被解釋變量，分別以2003～2012年總的大米虛擬水進出口貿易凈額、小麥虛擬水進出口凈額、玉米虛擬水進出口凈額和大豆虛擬水進出口凈額為解釋變量， TOBIT回歸分析顯示，大米、大豆的回歸系數為正，小麥和玉米的回歸系數為負，這說明藍水效率越大，大米和大豆及其虛擬水凈進口量越多；藍水效率越大，小麥和玉米及其虛擬水凈進口量越少。以上分析結果表明，我國糧食生產的藍水效率對糧食產品貿易結構具有一定影響；我國主要應該針對于小麥和玉米品種提高用水效率，這樣既可以有效節水，也可以進一步減少小麥和玉米的對外依存度。

3.糧食生產生態環境效率低，影響虛擬水進出口數量及進出口方向

省際糧食生產用水(藍水)的生態效率和環境效率普遍偏低，其中，除西藏的環境效率值有效外，其他省份的環境效率均為無效，且數值在0～0.3之間的居多；全國總的糧食生產用水環境效率均值僅為0.094，環境效率還有很大的提升空間。除西藏的生態效率值有效外，其他省份的生態效率均為無效，但數值比環境效率值稍高，大多處在0.1～0.5之間；全國總的糧食生產用水生態效率均值為0.364，表明糧食生產用水中的生態效率比環境效率高，但生態效率也需要提高。

區域糧食生產用水的生態效率和環境效率也普遍較低，其中，生態效率最高的地區為西南地區，生態效率最低的地區為東南和華南地區，它們的生態效率值分別為0.625、0.13、0.131。環境效率最高的地區為西南和西北，環境效率最低的地區為黃淮海和長江中下游地區，它們的生態效率分別為0.22、0.194、0.004、0.004。以上數據說明，糧食生產用水的生態效率和環境效率具有非對稱性，某一地區的某一效率高，但其另一個效率不一定也較高。因此，應同步提升生態效率和環境效率，以使效率具有內在一致性。

對比區域虛擬水進出口額與區域生態環境效率后發現，進口較多虛擬水的地區的環境效率較差(黃淮海、長江中下游、華南和東南)，原因是這些區域的農業生產用水污染排放量過多；虛擬水出口較少的地區生態效率較高(西南、西北和華北)，原因是這些區域具有一定糧食產量的同時，生產用水污染排放量也相對較小。這一現象說明，區域虛擬水進出口的方向與區域糧食生產用水的生態環境效率具有關聯性。

四、結論及啟示

通過上文的研究，得到以下基本結論：

一是省際和區域糧食虛擬水國際貿易不符合資源要素稟賦理論。

二是我國糧食生產藍水效率較低，藍水效率最低的地區是華北；只有提高糧食生產藍水效率，才有利于小麥和玉米虛擬水凈進口量的減少，也才有利于大米和大豆虛擬水凈進口量的提高。

三是我國糧食生產中藍水的生態效率和環境效率較差，環境效率更差；虛擬水出口較少的區域生態效率較高，虛擬水進口較多的區域環境效率較低。

根據以上結論，提出如下建議：

首先，認清水資源貧富差距和虛擬水國際貿易的關系，促成水與糧協同發展。H-O理論在我國省區糧食的虛擬水國際貿易案例上是無效的，所以各省區應根據自身水資源的貧富，籌劃糧食生產和貿易。一方面，實體水短缺的地區，要提高其利用率，以保障區內糧食生產安全；另一方面，國外虛擬水利用效率的提高，能提高本區域糧食國際貿易效率，進而反補國內糧食生產安全。各地區通過水資源利用的虛實互補，能合理利用水資源，使糧食生產及貿易達到安全標準，最終實現水與糧的協調發展。同時，應依據水資源的貧富類型，改進我國糧食虛擬水的國際貿易方向，貧水區的糧食產業內國際貿易，應變為單一的進口貿易，以節約更多水資源用于糧食生產和其他用途；富水區的糧食出口貿易應減少，轉向以省際間和區域間的糧食貿易為主，以保障以糧食為載體的水資源不過多流失到國外。

其次，在生態文明框架下實施藍水戰略，利用技術和管理保障糧食安全。過去，我國大量使用農藥、化肥，對耕地和環境造成破壞；工業化和城鎮化的生產、生活排放的污染物對耕地、水造成嚴重污染，而農業生產所排放的污染物差不多又占到整個國家各種污染物排放的一半左右。今后，農業環境的恢復和治理應成為我國改革的重大任務之一。實施高效的藍水戰略應注意：一是加大灌溉流域污染治理，做到水源清潔；二是減少或替代農藥化肥的施用，避免氮、磷等隨雨水沖刷后沿地表徑流排入藍水區。三是重新規劃水資源的利用，農業用水、生活用水、工業用水、生態用水等利用途徑要明晰，避免生活污水、工業廢水等影響流域灌溉；同時，應落實南水北調工程，緩解北方的缺水問題。四是用先進技術提高水資源利用效率，包括采取先進的采水、節水和灌溉技術。

第三，在轉變資源利用觀的前提下實施虛擬水戰略，利用國外水資源為糧食安全服務。按比較優勢原理，我國勞動密集型農產品在國際上具有比較優勢，土地密集型農產品、水耗密集型農產品和能耗密集型農產品在國際上具有比較劣勢，因此，我國的糧食生產應該既利用本國豐富的人力資源，同時也利用國外優秀的虛擬自然資源(土地、水和能源)及其生產的糧食，來為我國的糧食安全服務。糧食虛擬水戰略中，進口的糧食產品仍應以內含我國較緊張的虛擬水資源為主。需掌握虛擬水貿易的規律，把握我國糧食虛擬水不同省份、不同區域的糧食生產及貿易特點，并結合我國糧食消費結構，最終制定虛擬水巧用與糧食進口相結合的方案。