虛擬水價值視角下新疆主要農作物種植偏好及布局研究

方 芳，馬 瓊

(塔里木大學 經濟與管理學院，新疆 阿拉爾 843300)

水資源安全被認為是國家和社會發展、地區穩定的基礎性要素。我國缺水形勢嚴峻，總缺水量400 億m3，農業缺水占到3/4。新疆深居內陸，先天降水不足，單位面積水資源量只有5.3 萬m3/km2，屬于極度干旱缺水地區，水資源已成為新疆農業發展的關鍵限制性因素。因此，如何優化水資源配置是新疆農業發展中亟待解決的問題。根據庇古的“福利經濟學理論”，要使社會福利最優化，要求社會生產中各部門的資源配置達到帕累托最優狀態。新疆維吾爾自治區“十三五”規劃(種植業)提出要按照“穩糧、調棉、增飼、發展特色”的思路進一步優化種植業產業結構[1]。因此，通過計算虛擬水價值研究新疆主要農作物的種植布局，為調整農作物的水資源配置提供依據，對實現新疆生態與經濟協調可持續發展具有重要意義。

1993年Tony Allan教授提出“虛擬水”和“虛擬水戰略”[2]。我國自2003年程國棟教授首次將“虛擬水”概念引入以來[3]，馬玉波計算了2012年中國對俄農產品貿易中虛擬水的含量[4]，朱啟榮對中國進出口中虛擬水輸出量進行了定量分析[5]，李鳳麗等利用投入產出法分析了山東省1997-2012年虛擬水的變化趨勢[6]，張杰等測算分析了廣西主要農作物的虛擬水含量，并據此提出了廣西農業產業結構的優化對策[7]。龍愛華、徐中民等以甘肅省為例提出了水足跡的概念[8]。

梳理文獻發現：在研究內容上，大多學者從虛擬水含量的視角研究了農作物的水資源配置、國際間和省際虛擬水的貿易流動和貿易結構，從虛擬水經濟價值的層面對農作物種植布局進行研究的極少，并且從更加微觀的層面、以新疆各縣為研究單位的不多；在研究方法上，目前采用最多的是根據農作物的需水量計算農作物單位虛擬水含量。根據農作物需水量計算農作物的單位虛擬水產量，進而測算農作物的單位質量虛擬水價值。在經濟發展相對緩慢落后、水資源極度匱乏的新疆，農業是社會發展和國民經濟的重要支柱產業，研究新疆各縣市農作物的單位虛擬水價值，以提高缺水地區水資源的利用價值，為合理配置農業水資源、規劃新疆農作物的種植布局提供依據。

1 研究區域概況

新疆曾是古“絲綢之路”的重要通道，現在又成為第二座“亞歐大陸橋”的橋頭堡，戰略地位十分重要。同時是我國種植業大省，2016年新疆水資源總量只有全國的3.37%，農業用水占全疆總供水量的94.32%。新疆水利廳報道全疆現狀水資源開發利用率為69.4%，水資源總體上開發利用過度。新疆屬于溫帶大陸型氣候，降水少，氣候干燥，2016年全疆年均降水量為139.93 mm，尤其是新疆南疆與東疆氣候極其干旱，2016年年均降水僅61.95 mm。

2016年新疆農作物播種總面積為621.727 萬hm2，小麥、玉米、棉花、水稻、甜菜和薯類是主要的農作物，播種面積占新疆農作物播種面積的73.03%，其生產耗水量(249.43 億m3)占新疆農業用水量(533.3 億m3)的46.8%。從圖1看出：主要農作物種植面積最大的是伊犁，其次是喀什、阿克蘇、塔城、昌吉和巴音郭楞。小麥主要分布在伊犁、喀什和昌吉，這3個地區小麥的種植面積為77.34 萬hm2，占全疆小麥總面積的59%；玉米主要分布在伊犁、喀什和塔城，這3個地區玉米的種植面積為76.5 萬hm2，占全疆玉米總面積的66%；棉花主要分布在阿克蘇、喀什和博爾塔拉，這3個地區棉花的種植面積為110.4 萬hm2，占全疆棉花總面積的61%；水稻主要分布在阿克蘇、伊犁及和田，這3個地區水稻的種植面積為3.9 萬hm2，占全疆總水稻面積的77%；甜菜主要分布在伊犁、阿克蘇和巴音郭楞，這3個地區甜菜的種植面積為4.46 萬hm2，占全疆甜菜總面積的75%；薯類主要分布在喀什、昌吉和伊犁，這3個地區薯類的種植面積為1.57 萬hm2，占全疆薯類總面積的55%。

圖1 新疆2016年主要農作物種植面積Fig.1 Xinjiang's main crop planting area in 2016

與其他產業不同，種植業對自然資源的依賴程度較高，氣候、土壤和水資源的差異決定了農作物專業化格局的優劣，呂娜娜等[9]研究表明在中國西北干旱區，水資源已經成為制約當地農業生產和發展的限制因素。位于西北干旱區的新疆，有著豐富的耕地儲備資源，是全國大型的糧棉基地。自改革開放以來的近半個世紀，新疆的綠洲農田面積顯著擴張，尤其是新疆棉花，高產高質，2016年新疆棉花產值已占到全國棉花總產值的70%以上。近年來，新疆棉花僅有20%供應自身的紡織工業原料，而80%的新疆棉花進入了國內或國際市場，從虛擬水貿易的角度來講，這相當于在以棉花為載體輸出虛擬水資源。馬林瀟等[10]認為在“三條紅線”用水指標的約束下政府如何制定種植結構布局，最大限度地實現區域生態、經濟、社會三方面效益的協調統一，提高農戶收入，促進新疆農村經濟穩定發展，都是保證新疆種植業持續健康發展中亟待解決的問題。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究方法

(1)農作物單位質量虛擬水價值的計算：用農作物單位虛擬水產量乘以農作物的價格得到。農作物單位虛擬水產量根據農作物需水量與農作物產量計算得到，如下式：

(1)

式中：SWP(n,c)為n區域c農作物的單位虛擬水產量，kg/m3；SWR(n,c)為n區域c農作物生長期內的需水量，m3/hm2；CY(n,c)為n區域c農作物單產，kg/hm2。

(2)農作物需水量SWR(n,c)的計算：虛擬水包括虛擬藍水、虛擬綠水。虛擬藍水是指把河流、湖泊等地表和地下的水通過灌溉方式輸送到農作物，虛擬綠水是指由降雨和降雪形成的水資源[11]。農作物虛擬水含量的測算采用Penman-Monteith公式，如下式：

ETc=ET0Kc

(2)

(3)

式中：ETc為n區域c農作物生長期內的土壤蒸發量，mm/d，即農作物的需水量SWR(n，c)；ET0為參考下墊面的土壤蒸發量，mm/d；Kc為農作物系數，用來修正參考農作物與實際農作物之間的差異；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率；Rn為農作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為干濕表常數，kPa/℃；T為農作物生長區的平均溫度；ea-ed為飽和水蒸氣壓力差，kPa；U2為農作物生長區2 m高度處的風速，m/s。

2.2 數據來源

農作物虛擬水含量的計算是從CROP和CLIMATE數據庫提取相關的氣候、土壤數據，借助FAO推薦的CROPWAT8.0軟件得到參考農作物的需水量，然后根據中國自然歷[12]和中國主要農作物等值線圖[13]得到6種主要農作物的參考系數Kc值，對參考農作物需水量進行修正。6種主要農作物的種植面積和產量數據來源《新疆統計年鑒2017》，農作物價格來源《中國農產品價格調查年鑒2017》。

3 數據處理結果與分析

3.1 數據處理結果

首先由公式(1)～(3)得到農作物虛擬水產量，然后根據農作物的價格得到6種農作物的單位虛擬水價值。如圖2所示：

圖2 2016年各地州主要農作物單位虛擬水價值Fig.2 Virtual water value of main crops in various states in 2016

6種農作物的虛擬水價值最高的地區分別為阿克蘇的小麥(3.86 元/m3)、博爾塔拉的玉米(6.73 元/m3)、伊犁的棉花(2.08 元/m3)、伊犁的水稻(3.34 元/m3)、巴音郭楞的甜菜(7.05 元/m3)、喀什的薯類(10.72 元/m3)。小麥單位虛擬水價值高于全疆平均值的地區依次為阿克蘇、克孜勒蘇柯爾克孜、塔城、巴音郭楞、伊犁、昌吉、喀什，玉米依次為博爾塔拉、塔城、伊犁、阿勒泰、克拉瑪依、烏魯木齊，昌吉，棉花依次為伊犁、塔城、博爾塔拉、克拉瑪依、昌吉、巴音郭楞、阿克蘇，水稻依次為伊犁、博爾塔拉、阿克蘇、烏魯木齊、塔城，甜菜依次為巴音郭楞、昌吉、伊犁、塔城、克孜勒蘇柯爾克孜，薯類依次為喀什、昌吉、博爾塔拉、伊犁、哈密、阿勒泰、吐魯番。

農作物種類間單位虛擬水價值存在較大差異，虛擬水價值最大的農作物是薯類，為8.34 元/m3，最小的是棉花，為1.51 元/m3。表明如果以產值為標準衡量，薯類是節水型農作物，棉花是高耗水型農作物，在種植結構調整時缺水地區應重點考慮增加薯類這樣的節水型農作物。

3.2 基于虛擬水價值的不同地區農作物種植偏好分析

3.2.1 對應分析方法

對應分析[14,15]的本質是一種在低維空間中用圖形方法表示聯系的技術，可以將它看作是一種標度變換法。對應分析最大特點是能把眾多的樣品和眾多的變量同時做到同一張圖上，將樣品的大類及其屬性在圖上直觀而又明了地表示出來。借助SPSS軟件進行對應分析，結果顯示：第一維的慣量比例占總比例的57.3%，第二維的慣量比例為28.6%，兩個維度累積解釋慣量比例為85.9%，表明兩個維度解釋了虛擬水價值量85.9%的信息量，可以很好地反映變量間關系。首先對得到的對應圖進行編輯，以某一種農作物為圓心作圓，根據目標點與試驗點的距離判斷偏好。因此在對應分析圖上用距離來表示農作物種植偏好的大小，距離圓心作物越近的地區，也就越具有這種農作物的種植偏好，相反，離圓心作物越遠的地區，種植這種農作物的偏好就越小(圖3中，作物代號分別為：1-小麥，2-玉米，3-棉花，4-水稻，5-甜菜，6-薯類；地區代號分別為：1-烏魯木齊，2-克拉瑪依，3-吐魯番，4-哈密，5-昌吉，6-伊犁，7-塔城，8-阿勒泰，9-博爾塔拉，10-巴音郭楞，11-阿克蘇，12-克孜勒蘇柯爾克孜，13-喀什，14-和田)。

3.2.2 對應分析結果

(1)在小麥的對應圖上離小麥最近的是阿克蘇，小麥的種植面積為15.388 萬hm2，占全疆小麥總種植面積的11.8%。其次是博爾塔拉、伊犁、塔城、和田、烏魯木齊，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區較適宜種植小麥。離小麥較遠的是吐魯番、克拉瑪依、昌吉，表明這幾個地區較不適宜種植小麥，結合種植規模來看，小麥主要種植在伊犁、喀什、昌吉，而吐魯番不種植小麥，克拉瑪依小麥種植面積僅0.023 萬hm2，種植規模化程度不高。

(2)在玉米的對應圖上離玉米最近的是阿克蘇，其玉米的種植面積為9.794 萬hm2，占全疆玉米總種植面積的8.4%。其次是博爾塔拉、伊犁、塔城，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區較適宜種植玉米。離玉米較遠的是吐魯番、克拉瑪依、克孜勒蘇，表明這3個地區較不適宜種植玉米。結合種植規模來看，玉米主要種植在伊犁、喀什、塔城，而吐魯番、克拉瑪依、克孜勒蘇這3個地區玉米種植面積為2.864 萬hm2，占全疆總面積的2.47%，種植規模較小。

(3)在棉花的對應圖上離棉花最近的是阿克蘇，其棉花的種植面積為48.612 萬hm2，占全疆棉花總種植面積的27%。其次是伊犁、塔城、博爾塔拉，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區較適宜種植棉花，離棉花較遠的是吐魯番、克孜勒蘇、哈密、克拉瑪依、喀什，表明這幾個地區較不適宜種植棉花。結合種植規模來看，棉花主要種植在阿克蘇、喀什、巴音郭楞，而克拉瑪依、吐魯番、哈密、克孜勒蘇棉花種植面積5.456 萬hm2，占全疆總和的3%，喀什種植面積為40.218 萬hm2，規模較大。

圖3 各地州農作物種植偏好分析圖Fig.3 Analysis of crop planting preferences in different states

(4)在水稻的對應圖上離水稻最近的是克孜勒蘇，其水稻的種植面積為0.063 萬hm2，占全疆水稻總種植面積的1.2%。其次是和田、烏魯木齊、阿克蘇，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區較適宜種植水稻，離水稻較遠的是吐魯番、昌吉、阿勒泰、水稻、巴音郭楞，表明這些地區較不適宜種植水稻。結合種植規模來看，水稻主要種植在阿克蘇、伊犁、和田，而吐魯番、哈密、昌吉、阿勒泰無水稻種植，巴音郭楞水稻種植面積僅有0.03 萬hm2，規模較小。

(5)在甜菜的對應圖上離甜菜最近的是巴音郭楞，其甜菜的種植面積為0.85 萬hm2，占全疆甜菜總種植面積的14.3%。其次是昌吉、克拉瑪依、塔城，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區較適宜種植甜菜，離甜菜較遠的是克孜勒蘇、吐魯番、喀什、哈密、烏魯木齊、和田，表明這些地區較不適宜種植甜菜。結合種植規模來看，甜菜主要種植在伊犁、阿克蘇、巴音郭楞，而克孜勒蘇、吐魯番、喀什、哈密、烏魯木齊、和田均無甜菜種植。

(6)在薯類的對應圖上離薯類最近的是哈密，其薯類的種植面積為0.108 萬hm2，占全疆薯類總種植面積的1.1%。其次是阿勒泰、喀什、吐魯番、昌吉、博爾塔拉、阿克蘇、伊犁，表明從虛擬水價值視角看這幾個地區較適宜種植薯類，離薯類較遠的是克孜勒蘇、克拉瑪依、和田，表明這3個地區較不適宜種植薯類。結合種植規模來看，薯類主要種植在喀什、昌吉、伊犁，克拉瑪依無薯類種植，克孜勒蘇與和田薯類種植面積為0.107 萬hm2，占全疆總和的3.74%，種植規模較小。

3.3 主要農作物主產縣虛擬水價值與自治區種植業“十三五”規劃契合度分析

為了從更加微觀的層面分析不同地區農作物的虛擬水價值的差異，根據上述公式計算了新疆64個主產縣主要農作物的單位虛擬水價值，表1列出了農作物虛擬水價值由高到低排名前三的縣，發現虛擬水價值最高的是拜城縣的小麥、溫泉縣的玉米、沙灣縣的棉花、察布查爾錫伯自治縣的水稻、輪臺縣的甜菜、裕民縣的薯類。尤其是裕民縣的薯類，其虛擬水價值高達15.48 元/m3。從縣際層面分析，虛擬水價值排列前三位的主產縣中，拜城縣的小麥、溫泉縣的玉米、沙灣縣的棉花均與自治區種植業“十三五”規劃(種植業)中“重點創建優質高產高效區”一致，輪臺縣的甜菜符合“十三五”規劃(種植業)中“南疆地區農業產業規劃布局，巴音郭楞要兼顧油糖，發揮主要龍頭示范作用”，裕民縣的薯類符合“十三五”規劃(種植業)中“重點發展南疆20個馬鈴薯主產縣”。總體來看，各類農作物主產縣的單位虛擬水價值與自治區種植業“十三五”(種植業)規劃的契合度較高。

表1 2016年各類農作物主產縣虛擬水價值Tab.1 The value of virtual water in the main producing counties of all types of crops in 2016

3.4 種植業結構調整后總產值的變化分析

為了進一步研究農作物的種植布局對虛擬水產值的影響，用單位虛擬水價值與農作物年生產耗水總量的乘積測算主要農作物的虛擬水總產值，并比較農作物種在虛擬水價值最高區與最低區總產值的差異。如表2所示，棉花的生產耗水量最多，如果調整種植結構，棉花的虛擬水產值增加最多，為103.12 億元，其次為玉米、小麥、水稻、甜菜、薯類，合計增加601.25 億元，占新疆2016年第一產業GDP(1 648.97 億元)的36.46%，可見農作物的種植布局對虛擬水產值有較顯著的影響。

表2 2016年種植業結構調整后總產值的變化情況Tab.2 Changes in total output value after adjustment of crop plant structure

4 討 論

(1)新疆各地的6種主要農作物種植規模與虛擬水種植偏好存在顯著差異，表明主要農作物的布局結構在考慮自然資源條件時(土地、光照、氣溫、水)，并不是以水資源為關鍵因素，而是首先考慮了土地和光溫條件，以獲得高產為目標。但新疆尤其南疆是極度干旱地區，水資源缺乏是農業發展的關鍵限制因素，從虛擬水價值視角看，新疆尤其南疆應首先考慮水資源條件，布局耗水少、虛擬水價值高的農作物。

(2)研究發現需水量大的農作物其虛擬水價值就相對較小。根據張潤等[16]在2015年研究了新疆主要農作物的虛擬水含量，指出棉花虛擬水含量最高，其次為小麥、玉米，而經計算發現棉花的虛擬水價值最低，其次為小麥和玉米。但不同農作物的虛擬水價值高低與虛擬水含量的大小程度之間又有細微的差別。

(3)種植業結構布局與各主產區種植優勢的討論。由于各主產區的氣候環境等資源稟賦與灌溉方式等存在差異，單位虛擬水價值高的地區不一定產出最優的品質，規模化的種植區其農作物的單位虛擬水價值卻不一定最高。僅從虛擬水價值視角研究農作物的種植布局，在規劃農作物的種植布局時應結合當地的資源條件等實際情況。新疆棉花產量高，品質好，成為棉花天然的優良生產基地。但是棉花屬于高耗水型農作物，因此應該綜合考慮，在調整外顯性種植布局的同時注重內涵式品質的提升，對于虛擬水價值相對不高卻具有農作物種植優勢的地區，應著力發展特色優質品種，同時推廣節水技術，提高灌溉效率。

5 結 語

(1)主要農作物的單位虛擬水價值在種類與區域上存在顯著差異，6種農作物中，薯類的單位虛擬水價值最高，其次是甜菜、玉米、小麥、水稻，棉花最低。因此，新疆這樣極度干旱地區想要打破農業缺水的瓶頸，可以將虛擬水價值的空間差異列入調整農作物種植布局的影響因素中。

(2)不同農作物的種植規模與種植偏好存在差異。對應分析顯示具有農作物種植偏好的地區，其種植規模不一定很大，但是大部分農作物種植偏好較小的地區，其種植規模也小。從更加微觀的縣際層面分析，六種農作物虛擬水價值較高的主產縣與自治區種植業“十三五”規劃中“重點創建優質高產高效區”的契合度較高。

(3)種植業結構調整后總產值增加。從虛擬水價值視角分析，各類農作物種植在虛擬水價值最高區比最低區虛擬水總產值增加601.25 億元。說明調整農作物的種植布局可以帶來產值的增加，提高缺水地區水資源的利用價值。