中國主要農產品虛擬要素貿易網絡結構特征分析

韓 雪,梁 璇,王 倩

1 遼寧師范大學地理科學學院, 大連 116029 2 遼寧師范大學數學學院, 大連 116029

農產品貿易作為連接農業資源豐富和匱乏地區的紐帶,不僅緩解了區域糧食供給的壓力[1],而且帶動了一系列要素在區域間的流動。基于水資源要素在地區間的流動而提出的虛擬水貿易理論,為水資源安全管理提供了新思路[2],對國際或區際間虛擬水貿易的定量化研究,更使虛擬水貿易網絡格局的分析成為熱點[3-5]。但虛擬水不能全面反映一個國家的資源稀缺狀況[6],由此啟發了學者們對農產品貿易其他隱含要素的研究：首先,農業生產對于土地資源具有極強的依賴性,而耕地過度占用、非農化效率低和利益分配偏差等問題致使耕地潛在價值消失或被迫轉移[7],因此國內外學者開始將虛擬水理論擴展到土地資源配置中,羅貞禮在程國棟院士引入虛擬水的基礎上率先提出虛擬土和虛擬土戰略的概念[8]。隨后,關于虛擬土的研究被廣泛延伸,集中在對虛擬土地資源量和潛力的核算與評估、虛擬土地資源流動的社會經濟及環境影響的評價、虛擬土戰略的可行性、虛擬土地貿易平衡博弈、虛擬土地資源進口影響因素及效應等方面[8-10]。其次,虛擬資源流轉分析的主線依托于人口-糧食-貿易的連接關系[11],從虛擬水和虛擬土含義來看,虛擬資源都是指在商品和服務生產過程中所需要的資源數量,定量分析糧食貿易中隱含資源的流動,為農業節水和生態價值補償提供依據。當前,水土資源是虛擬資源研究的主體,學者們多從宏觀著手,分析糧食貿易所帶來的虛擬水土資源的時空分布、流動格局和流量的動態變化,用以衡量地區資源供需現狀,一定程度上為科學性調控資源提供了依據[10],但實際上,虛擬水土戰略因資源稟賦、經濟社會狀況、貿易條件和文化背景等的不同,導致的戰略可行性廣泛存在爭議。再次,在虛擬生態要素研究方面,孫才志等[12]將化肥、農藥、農膜列為研究對象,量化了虛擬生態要素在國內外的貿易流動,指出了虛擬生態要素對不同區域,特別是調入區陸地自然生態系統的影響和經濟損失等。該研究增加了農業生產過程中隱含危害因素的研究,考慮到了農業可持續發展的必要性,同時也擴寬了隱含要素研究的范圍。農業可持續不僅要求在農業生產過程中注重生產、經濟效益和社會效益,還著重資源節約、生態維護、環境保護,糧食貿易中隱含要素的流動值得關注。因此,根據虛擬水、虛擬土地資源與虛擬生態要素研究成果,本文定義虛擬要素概念為隱含在農產品生產和流通過程中的各類要素,如水、土、人力、農業器械、農藥和化肥等要素,并進一步將其劃分為虛擬資源要素和虛擬生態要素兩類。

復雜網絡幾乎隨處可見,如萬維網、互聯網、無線通訊網絡、電力網絡、大規模集成電路等,這些網絡與我們的生活息息相關,因此復雜網絡作為一種科學研究手段,在理論上和現實世界中倍受關注[13-15],其起源于1961年Erd?s和Rényi[16]對于隨機圖的研究。自復雜網絡的小世界特征和無標度特征被發現[17],極大地推動了復雜網絡研究的發展,被廣泛應用到圖論、計算機、生物學、社會學、管理學等領域[18-20],學者們對復雜網絡的結構、功能、動力學行為等進行了深入的研究和探討,用以測定網絡特性和模擬最優網絡結構等,使其逐漸成為一門熱點交叉學科。節點度作為網絡拓撲結構的第一表征,可以簡單地反映節點在網絡中的重要性[21-22],即一個地區在我國主要農產品虛擬要素貿易網絡中的地位。節點強度作為網絡鏈路中的附加信息,反映了節點間的不同特征。由節點度引申的度相關性的計量,更是可以細致的反映出節點間的貿易關系,折射出我國虛擬要素貿易網絡的框架。本文引用復雜網絡的相關研究,依據貿易量賦予網絡權重,定量分析中國主要農產品虛擬耕地要素和虛擬化肥/農藥要素貿易網絡的特征及其穩定性,揭示糧食貿易中要素的真實流動情況,衡量地區間貿易關系,為科學性調控資源、分析貿易格局安全及所帶來的生態環境問題提供依據,為地區間貿易調控和未來網絡的結構優化做鋪墊。

1 研究方法與數據來源

1.1 虛擬要素貿易量計算

本文根據中國八大區域主要農產品的貿易量推算虛擬要素的貿易量,參考公式如下：

(1)

(2)

wij表示i到j的虛擬要素輸出量,wji表示j到i的輸出量,N總代表全國范圍內的耕地資源量或化肥與農藥的總使用量,M總代表全國主要農產品貿易量,Mij代表地區i到j的糧食貿易量,Mji與之相反。

1.2 復雜網絡研究方法

復雜網絡,是指具有自組織、自相似、吸引子、小世界、無標度中部分或全部性質的網絡。本文構建了未加權有向網絡AD和加權有向網絡WD[23-24],將參與糧食貿易的地區看作復雜網絡中的節點,糧食的流動路徑看做節點間的鏈路,路徑中的虛擬要素的流量即為該鏈路的權重。復雜網絡理論中涵蓋了眾多表現網絡特征的指標,節點度和強度作為最基礎和最典型的指標可以更直觀的揭示各研究區域在網絡中的重要性。其他指標如網絡介數作為一個全局幾何量,代表最短路徑是否都經過該節點,反映了節點或者邊在網絡中的作用和影響力,強調節點的調節能力和中介調節效應等,但在實際應用中更側重某點的控制力。再如刻畫網絡中節點間相互連邊密集程度的網絡密度,多用于測量社交關系網絡中的密集程度以及演化趨勢。因此選取節點度、節點強度、度相關性和強度相關性作為本文研究指標,以節點度和度相關性評價未加權網絡的特征,節點強度和強度相關性評價加權網絡的特征。因已知貿易的方向,又可將這四個指標分別細化為節點入度和出度；節點入度強度和出度強度；入度相關性和出度相關性,入度強度相關性和出度強度相關性。指標說明如下：

(1)節點度

復雜網絡的基本屬性是節點度(ki),代表每個節點的鏈路(邊)數,即與每個地區存在貿易關系的地區數。在未加權有向網絡中,可將地區間的流動關系看做一個拓撲鄰接矩陣AD,因某一地區不存在與自身的貿易,所以主對角線元素(aii)為0,矩陣中的其他元素aij,代表虛擬要素從地區i流向j,當i和j之間存在流動時,aij=1,當i向j輸出虛擬要素且j同時向i輸出時,aij=aji,否則,aij≠aji。節點的入/出度公式為：

kini=∑i∑jaji

(3)

kouti=∑i∑jaij

(4)

kini表示節點i的入度,即當節點i作為輸入區時,與之存在貿易關系的輸出區的總數。kouti為i的出度,即節點i作為輸出區,與之存在貿易關系的輸入區的總數。

(2)節點強度

節點強度(si)是指每個節點的鏈路權重,即虛擬要素在區際間的實際貿易量。在加權網絡WD中,矩陣元素wij和wji表示地區間的貿易量。因不考慮區域自身貿易,wii=0；且因有向性,wij≠wji。公式如下：

sini=∑i∑jwji

(5)

souti=∑i∑jwij

(6)

sini表示所有節點度為kini的入度強度,即所有向地區i輸入的虛擬要素的總貿易量。souti為所有節點度為kouti的出度強度,即所有由地區i輸出的虛擬要素的總貿易量。

(3)度與強度的累積度

自然與社會網絡中存在多種冪律分布現象[25],許多世界網絡的實證分析與拉伸指數P(K≥x)匹配,節點度和節點強度的累積度公式：

(7)

(8)

(4)度相關性

度分布是網絡的一個重要的拓撲特征,但具有相同度分布的兩個網絡可能具有不同的性質或行為[26]。為進一步研究網絡的拓撲結構,需要分析節點間的關系,即需研究網絡的高階拓撲特征-度相關結構[13],本文通過平均近鄰度(knni)來分析節點度的相關性。定義節點i的平均近鄰度knni,得到度為k的所有節點的平均近鄰度,

(9)

j∈V(i)表示節點i的j個存在貿易活動(不區分網絡方向)的地區。knni通過先識別所有節點度為k的地區,再依次統計這些地區其鄰域中的所有節點的度,最后通過i的節點度歸一化。

(10)

(11)

(12)

(13)

圖1 入-出度網絡關系圖Fig.1 In-Out node degree of network 圖1中的A、B、C、D、E、F、G、H分別代表虛擬要素網絡中的一個節點,即某一個地區

(14)

(15)

(16)

(17)

1.3 數據來源

在研究中國虛擬資源空間格局的慣用方法中,常將全國31個省(尚未統計中國臺灣、中國香港和中國澳門)劃分為八大或九大大區域進行分析。本文根據中國虛擬水貿易研究中采用的區劃方法[27],即將中國的31個省、市及自治區劃分為八大區域,即：華北(京、津、晉)、東北(黑、吉、遼、蒙)、黃淮海(冀、豫、魯、皖)、西北(陜、甘、寧、青、新)、東南(滬、浙、閩)、長江中下游地區(蘇、鄂、湘、贛)、華南(粵、桂、瓊)和西南(渝、川、黔、滇、藏)。本文選取稻谷、小麥和玉米作為研究對象,對大豆貿易產生的虛擬要素的流動忽略不計。稻谷、小麥和玉米產量數據、化肥和農藥使用量數據均來源于《中國統計年鑒》(2003—2017年)和《中國農村統計年鑒》(2003—2017年)。

2 結果分析

2.1 虛擬耕地要素貿易復雜網絡結構分析

根據公式1及參考文獻[28]計算中國區際間主要農產品虛擬耕地要素貿易量并繪制網絡圖(圖2僅給出2016年)。由圖3可以看出,中國虛擬耕地要素貿易量整體呈下降趨勢,降幅約25.52%,這與中國耕地非農化趨勢密切相關；其中2006—2007年以及2011年受世界谷物價格大幅上漲的影響,以糧食貿易為載體的虛擬耕地要素的貿易量有明顯的回升；2008年的金融危機以及2012年由發達國家蔓延的經濟不景氣現象,致使我國糧農市場受波動,相應的虛擬耕地要素的貿易量明顯下降。中國虛擬耕地要素貿易網絡的結構變動較小,多數地區間的貿易關系較為穩定,如東北、黃淮海地區是虛擬耕地要素長期而穩定的凈輸出區,長江中下游、華南和西南是凈輸入區；網絡中鏈路的生成與消亡并存,如2005年長江中下游→黃淮海的鏈路消失,華南→西南的鏈路生成；鏈路中貿易量的差異和變化明顯,貿易量差值最大可達1459.56萬hm2,西南→西北由2002年的約624.7萬hm2下降到2016年的約188.8萬hm2；八大區域網絡的最大流量是：黃淮海地區→長江中下游地區。中國主要農產品虛擬耕地要素貿易網絡的格局表現為由經濟較不發達北方地區流向較為發達的南方地區,這與中國經濟發展中資源配置的長期流向吻合,對于主要的輸入區來說,緩解了當地因耕地資源緊缺糧食自給能力不足的現象,且為第二、三產業的發展提供穩定的支撐。但對于主要的輸出區來說,因耕地生態效益不受重視[29-31],勢必造成輸出區的“效益虧損”,尤以華北、黃淮海地區為重,且有礙于當地的產業調整與布局的合理。

圖2 2016年中國虛擬耕地要素貿易網絡圖Fig.2 The virtual farmland element trade network in China of 2016

圖3 2002—2016年中國主要農產品虛擬要素貿易量Fig.3 China′s major agricultural products trade volume from 2002 to 2016

(1)虛擬耕地要素貿易復雜網絡的節點度分析

圖4 2002—2016年中國虛擬耕地要素貿易網絡節點度和強度累積分布Fig.4 The cumulative distribution of the node degree/strength of virtual farmland element trade network in China form 2002 to 2016

節點度作為節點在拓撲網絡中的基本屬性,可以簡單的反映出節點在網絡中的重要性,節點的出入度更是可以反映出網絡連接的異質性。根據公式(3—4)計算虛擬耕地要素網絡各節點度,結合圖2可知2002—2016年中國虛擬耕地要素貿易網絡節點的入度值在0—5之間,度值較高的區域包括長江中下游、華南和西南；出度值在0—7之間,度值較高的區域包括東北、黃淮海和長江中下游。根據公式7計算中國虛擬耕地要素貿易網絡節點度的累積分布(如圖4a、b所示),將節點入出度分布與指數P(K≥x)=e-λx擬合,基本符合冪律分布,網絡的節點度更具有多樣性,且其尾部呈“重尾分布”。重尾分布的流量具有以慢速度收斂到穩態和在穩態處表現出高可變性[32]。以節點度作為參數可見kin的尾部比kout的尾部要“胖”,即kin比kout的重尾分布現象更明顯,kin以更慢的速度收斂到穩態并表現出高可變性,這說明在虛擬耕地資源的輸入區,其節點度分布更具有多樣性,輸出區鏈路數量的變化,將會極大得影響輸入區貿易的穩定性。如東北、黃淮海和長江中下游地區分布有中國著名的商品糧基地,在充分滿足本地需求的情況下,每年穩定地向華南地區輸出虛擬耕地資源,若因自然災害或人為活動致使某一輸出鏈路中斷,將會對作為主要輸入區的華南地區造成很大的影響。

以節點的入/出度為變量,節點累積分布遵循冪率關系。圖4分別給出中國虛擬耕地要素貿易網絡的節點入度、出度的累積分布(多數年份分布情況類似,存在較多圖標的疊合,但不影響對于累積分布走勢的表現),采用均值擬合累積度的冪率分布,R2值在0.7以上,擬合效果較好。

(2)虛擬耕地要素貿易復雜網絡的節點強度分析

在加權網絡中,節點被與之有關的鏈路賦予權重而具有了質量意義,將數據與拉伸指數擬合(P(S≥s)=eλx),節點強度的累積分布如圖4c、d所示,可知入度強度在0—3250之間,出度強度在0—5250之間。對比圖4a、b發現,網絡賦權后增加了系統的異質性,累積度分布發生明顯的變化。加權網絡累積度分布sout和sin比未加權kin和kout的尾部要“胖”,表明地區間虛擬耕地要素貿易量差異很大。另sout比sin的尾部更胖,這種重尾分布現象也說明了虛擬耕地資源輸出區的貿易量具有很強的突變性,若輸出區貿易量發生急劇的變化,整個網絡的穩定性受到沖擊,作為貿易承接區的輸入區會因供給量的變化造成正常社會經濟活動的擾亂。

圖5 2002—2016年中國虛擬耕地要素強度Fig.5 The in/out node strengths of virtual farmland element trade network in China from 2002 to 2016

圖5給出中國虛擬耕地要素貿易網絡的節點入度強度、出度強度隨節點度數的消長關系,圖中散點代表不同年份對應節點的虛擬耕地要素貿易量,采用均值擬合了節點度與強度的線性關系。

(3)虛擬耕地要素貿易復雜網絡的度相關性分析

通過公式(10—13)可知knn(k)是k的函數,那么度相關性可以通過函數knn(k)的單調性分析：若knn(k)是無單調性,則節點間聯系不大；若knn(k)是增函數,則網絡是同配網絡,度值大的節點傾向于與度值大的節點聯系,度值低的傾向于與度值低的聯系；若knn(k)是減函數,則網絡是異配網絡,高節點度的節點傾向于與低節點度的節點連接。

結合公式(10—17)得出中國虛擬耕地要素貿易網絡的度相關性(圖6所示),實線代表未加權網絡AD的度相關性特征,虛線代表加權網絡WD的度相關性特征。由圖6可知在未加權網絡中,除節點的入—入度和入—出度相關性在節點3處發生波動外,節點度相關性的波動均較小,這是因為華北、東南、西南、西北地區常年保持為3的入度值,其各自的輸入區又與其他地區產生較多的貿易關系；在加權網絡中,節點強度相關性的變動較大,這與地區間虛擬耕地要素貿易量的多樣化有關。從整體上看,節點的入—入度、入—出度相關性為增函數,網絡為同配網絡,節點度大的地區傾向于與度大的地區聯系,貿易量多的地區傾向于與貿易量多的地區聯系,如長江中下游和華南地區作為虛擬耕地資源重要的輸入區,節點入度值分別為5和4,二者年輸入量均高達2000多萬hm2,且互相保持著穩定的貿易聯系。可見在中國虛擬耕地要素輸入區的網絡中存在一種“集聚效應”,高節點度的地區相互聯系,使貿易活動頻繁的地區獲得更多的要素輸入,貿易結構可能存在單一化的問題。節點的出—入度、出—出度相關性整體上為減函數,網絡的同配結構分解,即在網絡的輸出區中,貿易區多的地區更可能與其它貿易區少的地區聯系,貿易量大的地區更傾向于與貿易量少的地區聯系,如黃淮海地區作為虛擬耕地資源重要的輸出區,其節點出度為7,年輸出量高達4000多萬hm2,華南地區的出度值為1,年輸出量僅約為8萬hm2,其每年從黃淮海地區輸入虛擬耕地要素約300多萬hm2,網絡的這種異配行為表明中國虛擬耕地要素貿易網絡呈現出全國架構,其中高節點度的地區為周圍低節點度的地區提供了連通性,這在一定程度上有利于虛擬耕地要素在地區間的流動以及網絡結構的穩定性。

圖6 2002—2016年中國虛擬耕地要素貿易網絡度相關性Fig.6 Thecorrelation degree of the virtual farmland element trade network in China from 2002 to 2016實線線代表未加權網絡的度相關性,虛線代表了加權網絡度相關性特征(參考公式10—17)

2.2 虛擬生態要素貿易復雜網絡結構分析

根據公式2計算中國區際間虛擬生態要素的貿易量(本文將虛擬化肥/農藥要素簡稱為虛擬生態要素)。因耕地的非農化趨勢,耕地面積不斷縮減,化肥農藥總使用量的減少,2002—2016年,中國主要農產品虛擬生態要素網絡的總流量呈下降趨勢(如圖3所示),降幅約8.01%,受國內外市場以及政策實施的影響,網絡的總貿易量出現了較為明顯的波動。如在2003年、2007年和2011年,因國際糧農價格的大幅上漲,以農產品交易量為基礎的虛擬生態要素的貿易量明顯上漲；2008年全球金融危機背景下,我國農業市場也受到了很大的波動,農產品市場的疲軟進而促使虛擬生態要素貿易量明顯下降；2015年農業部部署的化肥農藥零增長行動[33],也促使化其貿易量的明顯下降。觀其網絡的結構圖(如圖7,僅給出2016年),可見虛擬生態貿易網絡的結構變動同樣較小,地區間的貿易關系穩定,東北、黃淮海、長江中下游地區是主要的輸入區,華南、東南、華北地區是主要的輸出區；網絡鏈路中的貿易量的異質性高,差值可達61.38萬t,網絡中鏈路的生成與消亡并存,如華南向黃淮海地區輸入的虛擬生態要素值從2002年的39.8萬t增長到2016年的95.9萬t,向西北地區的輸入由0增長到29.1萬t。對比虛擬耕地要素貿易網絡可以發現其與虛擬生態要素貿易網絡的流向呈相反的態勢,表現為由經濟較為發達的南方地區流向較為不發達的北方地區。

圖7 2016年中國虛擬生態要素貿易網絡圖Fig.7 The virtual ecological element trade network in China of 2016

(1)虛擬生態要素貿易復雜網絡的節點度分析

根據公式(3—4)計算各節點度及結合圖7,可以看出2002—2016年我國虛擬生態要素流動網絡的節點入度值在0—7之間,度值較高的區域為東北、黃淮海、長江中下游地區；出度值在0—5之間,度值較高的區域包括華南、東南、華北地區。圖8a、b為中國虛擬生態要素貿易網絡的節點度的累積分布,節點出度的累積分布kout的尾部比入度累積分布的kin要“胖”,即kout比kin的重尾分布現象更明顯,節點出度值表現出高可變性。一方面,地區間虛擬生態要素的流動具有多樣性,且某一地區往往會輸出到眾多地區,而只從少數地區輸入虛擬生態要素。如2016年華南地區的輸出區包括了東北、華北、黃淮海和長江中下游等6個地區,而該地區僅存在一個虛擬生態要素的輸入區,即西南地區。另一方面,kout的重尾分布表明虛擬生態要素輸出區的高可變性致使網絡不穩定性加大,即輸出區對輸入區貿易關系的變動將會牽制整個網絡的變化。對于虛擬生態要素主要的輸出區來說,通過貿易可以將農業生態污染“外部化”,解決當地糧食問題的同時,減少農業活動對當地環境的壓力。但是對于主要的輸入區來說,虛擬生態要素隨糧食貿易的“負向”流動,致使當地承擔更重的環境壓力。我國農業技術水平雖在改革開放后得到很大的發展,但是在高產利率的驅動下,我國成為世界上化肥農藥投入最多的國家,加之農戶群體農業生態環境保護的意識較差,相關政策法規的缺失和執行難度較大,化肥農藥的過量使用,使輸出區的生態環境遭進一步的破壞,土壤、水和大氣污染愈加嚴重,土壤肥力下降,農業減產,農業投入要素經歷著報酬遞減,進而影響到農業生產效率,這勢必威脅到中國糧食安全以及社會經濟的可持續發展。

圖8 2002—2016年中國虛擬生態要素貿易網絡節點度和強度的累積分布Fig.8 The cumulative distribution of the node degree/strength of virtual ecological element trade network in China form 2002 to 2016

(2)虛擬生態要素貿易復雜網絡的節點強度分析

根據公式(5,6,8)計算中國虛擬生態要素貿易網絡節點強度的累積度分布(如圖8c、d),可知入度強度在0—350之間,出度強度在0—190之間。網絡賦權后節點入/出度強度的累積分布明顯不同于節點度的累積分布,入度強度累積分布sin的尾部比出度強度累積分布sout的要“胖”,作為虛擬生態要素主要輸入區的地區,其貿易量比輸出區的更具有多樣性。sin的重尾分布更為明顯,表明虛擬生態要素主要輸入區的貿易量更易發生變化,其對輸出區貿易活動變動的響應更大,也就是說,從減少輸入區農業生態污染的方面看,可以通過控制虛擬生態要素的輸出量,從而有效減少對輸入區的環境壓力。在中國區際間虛擬生態要素貿易網絡中,節點入/出度強度的參數βin約為41.48,βout約為11.79,與虛擬耕地要素網絡相比較小,節點入/出度與強度同樣呈正比關系(圖9所示),說明虛擬生態要素的來源地越多,其虛擬生態要素的貿易量越大,如2015年黃淮海地區從其他七大區域輸入了約273.29萬t的虛擬生態要素,將近占全國貿易量的一半,承擔了全國虛擬生態要素重要輸入區的角色。βin明顯大于βout值,表明虛擬生態要素輸入區因鏈路消長而發生的貿易量的變動更大,對于當地來說,若虛擬生態要素輸入量的加大,將會進一步造成更為棘手的環境問題。

圖9 中國虛擬生態要素貿易網絡入度/出度強度Fig.9 The in/out node strength of virtual ecological element trade network in China from 2002 to 2016

(3)虛擬生態要素貿易復雜網絡的度相關性分析

根據公式(10—13)及(14—17)計算中國區際間主要農產品虛擬生態要素貿易網絡的度相關性和強度相關性(如圖10),除節點入—入強度,入—出強度在度值為1處相關性較大外,虛擬生態要素貿易網絡的度相關性波動較小,網絡的度、強度的相關性特征都表現為異配,節點強度的加權屬性并沒有破壞網絡的異配結構,即節點度大的地區更傾向于與節點度小的地區聯系,貿易量大的地區更傾向于與貿易量小的地區聯系,與虛擬耕地要素網絡不同,該網絡呈現出八大區域間聯通的趨勢,這說明我國虛擬生態要素的流動具有多地區聯系的全國架構。因此在我國,虛擬生態要素的流動不僅影響著一個地區的農業生態環境的優劣,而且因地區間的密切聯系制約到我國總體農業環境的狀況。綜合來看,虛擬要素貿易網絡的流向與流量與我國經濟發展格局以及資源配置的方向密切相關；東北、黃淮海地區為虛擬耕地要素的主要輸出區,華南、西南地區是主要的輸入區,長江中下游地區既是虛擬耕地要素重要的輸出區,也是重要的承接區,這也從側面反映出了長江中下游地區在全國經濟格局中的重要位置；華南、東南、華北是虛擬生態要素主要的輸出區,東北、黃淮海、長江中下游地區是主要的輸入區,其流向有與虛擬耕地要素相反的態勢。

圖10 2002—2016年中國虛擬生態要素貿易網絡度相關性Fig.10 The correlation degree of the virtual farmland element trade network in China from 2002 to 2016

3 結論

本文將復雜網絡的分析方法應用于中國主要農產品虛擬要素貿易網絡中,量化地區間的虛擬要素的貿易量,將復雜網絡中的節點與網絡中的地區相對應,并將鏈路中的流量賦予網絡權重,分析了網絡的總體特性,以及不同地區在整個網絡中的位置和彼此間的作用關系。

在中國主要農產品虛擬耕地要素貿易網絡中,隨著耕地非農化趨勢和總面積的減少,虛擬耕地資源貿易量整體呈下降趨勢；我國耕地資源分布的北多(60%)南少(40%)和資源配置流向,決定了該網絡在研究年份的結構變動較小,多數地區間的貿易關系較為穩定,東北、黃淮海地區分布有我國著名的商品糧基地,因此成為虛擬耕地主要的輸出區,華南地區作為經濟較為發達以及人口密集的地區,對糧食需求較大,西南地區由于其復雜而惡劣的地形限制,使這些地區成為主要的輸入區,因此虛擬耕地資源長期表現為由經濟較不發達的北方地區向經濟較為發達的南方地區的流動；網絡中鏈路的生成與消亡并存,長江中下游到黃淮海鏈路的消失,華南到西南鏈路的生成,一定程度上指示了經濟發展、宏觀調控和運輸距離對全國糧食供給和需求格局變化的影響；鏈路中貿易量的差異和變化明顯,網絡中差值最大可達1459.56萬hm2；節點度和強度分布的重尾現象,預示了虛擬耕地要素主要輸出區數量和貿易量的變化,將會極大得影響到輸入區貿易的穩定性。對于輸入區來說,虛擬耕地輸入可以緩解當地耕地資源緊缺導致的糧食自給能力不足的問題,虛擬耕地戰略實施具有實際意義,但對于輸出區來說,在耕地效益外部化和不被重視的現狀下,長期的虛擬耕地要素輸出會致使當地嚴重的“生態效益虧損”。

在中國主要農產品虛擬生態要素貿易網絡中,隨著耕地總量減少和化肥農藥“零”增長活動的實施,虛擬生態要素總貿易量呈遞減趨勢；網絡結構變動較小,但鏈路中的貿易量差異很大,差值可達61.38萬t；與虛擬耕地要素流向相反,虛擬生態要素大體上是由經濟較為發達的南方地區流向經濟較為不發達的北方地區,東北、黃淮海、長江中下游地區是主要的虛擬生態要素的輸入區,華南、東南、華北地區是主要的輸出區。虛擬生態要素網絡當前的貿易流向,將對生態環境構成很大威脅的要素,輸入到主要糧食供應區(或者說滯留在這些地區),對當地生態環境尤其是土地資源,造成不可逆轉的破壞；虛擬生態要素輸出區節點度與強度的重尾分布,預示了輸出區高可變性致使網絡不穩定性加大的可能性,而貿易活動的密切使得虛擬生態要素貿易關系的變動將會牽制整個網絡的變化；此外,節點相關度的異配特征指示了虛擬生態要素的流動呈現出區域間聯通的趨勢,意味著一個地區的農業生態環境的優劣變化將影響到我國總體農業環境的狀況。

對比虛擬耕地要素和虛擬生態要素的網絡結構,結果表明作為虛擬耕地要素主要輸出區的地區,基本對應了虛擬生態要素主要輸入的地區,如東北和黃淮海地區。對于虛擬耕地要素主要的輸入區來說,地區間的糧食貿易不僅保障了當地的糧食供應需求,也通過糧食輸入的方式從虛擬的角度節約了耕地資源,基本符合了虛擬耕地戰略的初衷。而對于虛擬生態要素主要的輸入區而言,因糧農市場不斷擴大的需求,追求糧食高產而使化肥農藥的使用量不斷的升高,勢必造成對當地農業生態環境的極大破壞,長此以往,土壤板結,空氣與水源污染問題嚴峻。另外由于虛擬要素在全國范圍內的流動,密切了地區間的聯系,因此當主要的糧食供應區因長期的生態環境破壞致使其生產能力受損時,虛擬要素貿易網絡結構可能被分解或破壞,這必然影響我國整體的糧食安全以及經濟社會穩定發展。

4 討論和政策啟示

4.1 討論

由糧食貿易引發的隱含要素在地區間的流動,不僅包括水資源,耕地資源,化肥/農藥要素等自然要素的范疇,而且也包含了人文要素的內容,例如人力,交通,技術等多種要素的流動[34]。本文將虛擬要素劃分為虛擬資源要素和虛擬生態要素,因以糧食貿易為依托,要素間性質差異致使輸入/出區的流向相反,網絡拓撲結構轉置。當再次引用節點度等指標表現其他虛擬要素貿易網絡的拓撲結構時,以糧食貿易為依托的其他虛擬要素網絡節點間的貿易關系不變,即網絡鏈路的聯通關系不變,網絡特征很可能與上文兩個網絡相似,因此應更多關注其他要素網絡的加權特征,即由實際貿易量賦權的網絡結構,或是拓展虛擬要素研究至國民經濟的其他行業。本文所用的復雜網絡研究方法,涵蓋很多表現網絡特征的指標,節點度和強度作為網絡最基礎也是最典型的指標,具有簡單表征網絡特征的能力[24],將更客觀而科學的數學思維應用于虛擬水流動網絡研究中,使地區間的關系和貿易量更直觀,因此筆者認為該網絡研究方法還可以拓展至其他學科研究中,或者與其他網絡方法的結合,為地理學、生態學、交通網絡或社交網絡研究的發展提供新視角。另,通過研究發現節點度、強度、累積度分布以及度相關性并不受網絡節點總數的影響,這些指標更注重刻畫節點自身重要性和節點間的相互關系。與我國31省、市、自治區虛擬耕地要素和生態要素網絡特征對比(篇幅限制并未給出)發現,網絡特征包括節點累積度的冪率擬合、網絡異配性質等,并未因節點多寡而改變,八大區網絡分析結果可以客觀反映上文二者網絡的總體特征。

再者,本文與前有對我國八大區域間虛擬水貿易網絡的研究[27,35-36]銜接,將糧食貿易中隱含要素的量化相關聯,著重對比和探討網絡結構特征,作為后續網絡優化和調控工作的基礎。因此今后的工作可以從網絡拓撲結構和加權結構特征著手,深入研究網絡節點間的制衡關系,網絡鏈路的消長對網絡連通性或網絡效率的影響,即各地區要素貿易的關聯性和鏈路變動對國民經濟穩固運行的影響；研究網絡在遭受突發人為或自然災害時,網絡的抗毀性特征,網絡的預防和緩沖能力,尤其是當網絡遭遇蓄意攻擊時,各地糧食貯備量充足與否對于我國糧食安全供給的軍事意義；利用網絡的優化調控為我國各地區農業種植結構調整提供科學依據,探究我國糧食貿易格局的合理性、當前糧價高低以及我國農業生態環境惡化等問題。

另外,本文研究對象的選取具有一定局限。經統計,2003年以來,中國稻谷、小麥、玉米的產量累積之和約占全國糧食總產量的90%,成為中國主要的三大糧食作物,且稻谷、小麥和玉米主要靠國內區域間貿易,基本實現了自給自足,對外依存度較小,其進口量不足國內各區域貿易量的1.2%,可忽略不計；而中國自1996年起便成為大豆凈進口國,隨著國內大豆產量的減少,大豆對外依賴程度高達80%以上,而在國內區際間貿易較少。從貿易占比決定了本文研究對象的選取,因此,選取稻谷、小麥和玉米作為中國主要糧食作物區際間貿易的代表,基本符合了研究要求。當然,虛擬要素貿易的研究勢必不能僅考慮國內主要糧食作物,這存在將虛擬要素流動至于封閉網絡研究的嫌疑。中國龐大的人口基數和不斷增長的糧食需求,使糧食貿易中隱含要素的研究,不僅關乎國內糧食安全和經濟發展的狀況甚至可能影響到全球糧食安全和貿易穩定發展。

4.2 政策啟示

一是明確虛擬要素屬性的歸類和劃分,如水土資源、人力資源等屬于積極要素投入,而化肥、農藥或農膜等屬于消極要素投入。在劃分要素屬性的基礎上,根據每地農業種植結構、資源稟賦、耕作方式的不同,給定該地要素投入的類型。當前,國內虛擬資源(水、土、人力等)存在供求矛盾突出、農產品供求結構失衡、要素配置不合理等嚴峻問題,應以農業供給側改革為主線,以鄉村振興為著眼點,圍繞這些問題加大科技創新引領。二是根據虛擬資源貿易的初衷,適當調整對虛擬資源密集型產品的進口,這就要求國內積極主動創造良好的貿易環境。應統籌利用好國際和國內兩種市場和兩種資源,適應國際環境變化的新特點,積極做好調整和應對工作,要在“立足國內供給、適度進口調劑”的安全戰略下,合理調整優化農產品供給結構,健全公平競爭的農產品進口市場環境,以減輕農產品進口不斷擴大對農民生計的影響,實現虛擬資源進口最優化[37]。三是靈活運用網絡方法對未來農業種植結構調整和生態效益補償方面的作用,重視網絡方法在表征網絡抗毀性和對網絡結構優化調控的重要性。四是加強與“一帶一路”沿線國家的農產品貿易合作。應貫徹落實新發展理念,深化農產品貿易體制機制的改革,實施多元化貿易策略,以“一帶一路”建設為統領,將“一帶一路”沿線國家作為農產品進口開拓的重要來源地,降低農產品的貿易集中依存度,以便實現優出優進,從進出口的角度緩解地區間經濟效益和生態效益的空間異置、成本收益的空間異置等問題。