跨流域調水背景下糧食區域貿易對糧食種植結構的影響
——基于“實體水-虛擬水”流動視角

金玨雯，穆月英，楊 鑫

（1.中國農業大學經濟管理學院，北京 100083； 2.中國社會科學院農村發展研究所，北京 100732）

中國糧食安全在取得巨大成就的同時，結構性問題突出［1-2］。2020年，中國糧食生產實現歷史性的“十七連豐”，全國糧食總產量13 390億斤（1斤等于500 g），較2019年增長0.9%，連續6年保持在1.3萬億斤以上，完全有能力保障糧食和重要農產品供給，中國人的飯碗牢牢端在自己手中。然而，中國糧食安全面臨供求結構失衡的重大挑戰，主要表現為區域結構失衡和品種結構失衡。一方面，糧食生產持續向糧食主產區集中，糧食主銷區糧食供求缺口大，糧食區域貿易量不斷加大，進一步增加了市場調控壓力［3］。糧食主產區糧食產量占全國產量比重由2004年的72.7%上升至2020年的78.6%，而同期糧食主銷區、產銷平衡區的產量占比卻分別從20.0%、7.4%下降至17.1%、4.3%。另一方面，伴隨居民食物消費結構的轉型升級，糧食品種結構供給與需求匹配錯位問題突出。作為口糧的水稻和小麥的國內產出始終維持在較高水平，但國內消費增長乏力；玉米政策性去庫存結束，玉米市場出現供應缺口；大豆進口量持續快速增長，嚴重依賴國際市場［4-6］。因此，聚焦于與糧食安全直接相關的糧食種植結構調整問題具有重要的現實意義。

與此同時，以總量少、空間分布不均為特征的水資源短缺問題日益加重，成為糧食安全的關鍵制約因素。一方面，中國人均水資源占有量少，約為世界人均水平的1/4，被聯合國列為貧水國。另一方面，經濟發展和居民收入提高使得工業用水和生活用水不斷增加，農業用水空間不斷被擠占，農業用水比例從2004年的65%下降至2020年的62%。此外，水資源空間分布嚴重不均［7］。2020年，作為中國主要糧食生產基地的北方地區，僅依靠36%的水資源生產了全國59%的糧食。

為緩解水資源短缺和空間分布不均問題，中國已修建了20余項大型跨流域調水工程，進行實體水調運，總長度超過7 200 km［8］。以南水北調工程為例，截至2019年底，南水北調東、中線一期工程累計調水量303.88億m3。對水資源空間布局的調控，勢必會緩解缺水地區的生活和產業用水壓力，與此同時，一個地區水的總供給的改變，又會對農業產生何種影響，也是各界關注的問題［9-11］。

除了跨流域調水為代表的實體水流動，以區域間商品和服務貿易為載體的虛擬水流動也被認為會改變空間上的水資源配置［12-13］。Allan［14］首次提出虛擬水概念，指的是在生產產品和服務中所需要的水資源數量。他指出，因為糧食商品的生產需要消耗水資源，糧食貿易的背后隱含著看不見的水資源交易。中國糧食生產越來越向北方糧食主產區集中，北方地區每年通過糧食貿易向南方地區輸出了大量虛擬水，且越來越多的省份加入糧食輸入行列或擴大輸入行列，加劇了糧食生產水資源空間分布不均問題［15-16］。

跨流域調水和糧食區域貿易均會影響區域水資源供給與利用結構，進而影響糧食種植結構。那么，基于“實體水-虛擬水”流動視角，即以跨流域調水“南水北調”和糧食區域貿易“北水南運”為表現的實體水流動與虛擬水流動互為對照、共同作用，對區域水資源約束的影響如何？這種影響又會給糧食種植結構帶來怎樣的作用？糧食輸出區和糧食輸入區水資源約束變化，對糧食種植結構的影響是否存在異質性以及非對稱的空間溢出效應？為了給出水資源約束與糧食種植結構調整的新解釋，為保障水資源和糧食安全可持續發展的政策制定提供決策參考，文章將對上述問題作進一步的研究。

1 文獻綜述

圍繞水資源約束與糧食種植結構的關鍵議題，已有研究主要從實體水和虛擬水兩個視角展開，前者主要分析實體水短缺和實體水資源管理對糧食種植結構影響問題；后者主要從糧食貿易與消費出發，重點分析糧食虛擬水流動驅動因素及效應問題。已有研究表明，實體水短缺對不同糧食作物種植結構的影響是不同的。李玉敏等［17］通過對全國10個省調研數據的分析發現，水資源越短缺，農戶越傾向于種植對灌溉依賴程度低、需水量小的作物；水資源短缺會降低水稻和小麥的種植比例，提高玉米和豆類的種植比例。楊鑫等［18］研究表明，灌溉水壓力增加，促進了玉米產量比例大幅增加、豆類和薯類產量比例顯著下降。也有研究從緩解實體水短缺角度出發，分析了灌溉基礎設施對于糧食種植結構的影響，發現農田水利設施建設改善了灌溉條件，保障了土地集約經營，提高了中國糧食種植比例［19］。在實體水資源管理方面，已有研究主要分析了農業水價對糧食種植結構的影響。目前農業水價尚處于試點階段，大部分地區水價低廉，難以起到價格杠桿作用，對農戶種植結構的影響并不顯著［20-21］。易福金等［22］認為只有當農業灌溉用水單價持續上漲到一定水平時，農戶才可能調整農作物種植結構。許朗等［23］認為在一些較為干旱且農業水價定價較高的地區，農業水價才會發揮節水作用，促使農戶調整種植結構。在虛擬水視角下，以往研究多關注區域間糧食虛擬水流動格局、驅動因素以及所產生的資源、社會、經濟等影響［24-26］。或者以虛擬水為工具，分析糧食種植結構調整的節水效應，認為糧食種植結構調整節約了水資源消耗，但不同區域間存在異質性［27-28］。

現有研究或單獨探討區域實體水資源約束對糧食種植結構的影響，忽略了區域間水資源的流動性；或僅僅分析基于糧食區域貿易的虛擬水流動所帶來的影響，使得水資源約束對糧食種植結構影響估計產生偏誤，原因如下：第一，未同時考慮實體水和虛擬水流動過程。糧食種植結構不僅受到實體水資源約束的影響，也受到產后貿易與消費隱含的虛擬水流動的影響。第二，沒有考慮實體水和虛擬水區域流動產生的空間異質性。實體水和虛擬水流動對于糧食輸出區和糧食輸入區糧食種植結構的影響可能是不同的。

探究水資源約束對糧食種植結構的影響，需要統籌考慮“實體水-虛擬水”流動過程。吳普特等［29-30］從水資源的自然、經濟和社會屬性出發，提出了統籌考慮“實體水-虛擬水”流動過程的概念，包含三個層次：第一，水作為自然物質，受自然規律、人工調配等作用，形成以“天然降水-廣義水資源-自然蒸散-經濟社會利用-退水”路徑為特征的實體水流動過程；第二，水作為生產資料，形成“實體水攝取-實體水耗散-虛擬水嵌入”的基本路徑，即實體水向虛擬水轉化并嵌入產品的過程；第三，嵌入產品中的虛擬水隨區域間商品流通形成“虛擬水流動（商品流通）-虛擬水回用（商品回收再生產）”的虛擬水流動路徑。作為實體水調運工程之一的跨流域調水工程，已成為中國解決水資源時空分配不均勻問題和提高水資源配置能力的重要手段，而相較于其他實體水調運工程，跨流域調水工程具有投資成本高、建設周期長、影響范圍廣等特點［31-32］。與此同時，基于糧食區域貿易，每年有大量的糧食虛擬水從北方地區輸送到南方地區，同實體水的南水北調形成互補［16］。因此，文章借鑒吳普特等［29-30］提出的統籌考慮“實體水-虛擬水”流動過程概念，重點關注由于人工調配和產后市場貿易對水資源約束的改變，進一步將“實體水”流動聚焦于跨流域調水，“虛擬水”流動聚焦于糧食區域貿易，從“實體水-虛擬水”流動視角探究跨流域調水、糧食區域貿易對糧食種植結構的影響。

文章基于“實體水-虛擬水”流動視角，聚焦于跨流域調水、糧食區域貿易及其共同作用對區域水資源約束的改變，進而探究其對糧食種植結構的影響。相較于以往研究，文章有兩個方面的擴展：第一，統籌考慮實體水與虛擬水，從區域間水資源流動視角考察跨流域調水和糧食區域貿易對糧食種植結構的影響；第二，采用糧食區域貿易空間權重矩陣的空間杜賓模型考察“實體水-虛擬水”流動對糧食輸出區與糧食輸入區糧食種植結構的差異化影響，以及相應的空間溢出效應。文章的第二部分將闡述“實體水-虛擬水”流動影響糧食種植結構的理論分析；第三部分介紹模型設定、變量選擇和數據來源；第四部分為實證結果與分析；第五部分為穩健性檢驗；最后，第六部分為結論與啟示。

2 理論與事實

2.1 “實體水-虛擬水”流動過程的理論邏輯：實體水“南水北調”與虛擬水“北水南運”

根據虛擬水貿易理論，缺水地區可以通過貿易的方式從富水區進口水資源密集型產品緩解本地區的水資源短缺，實現社會經濟發展的水資源和糧食供應安全［14］。而中國糧食區域貿易“北糧南運”的虛擬水流動格局是水資源分布的逆向配置，即由缺水的北方地區向富水的南方地區進行轉移。這是由于虛擬水貿易的出發點和立足點僅注重了水資源要素稟賦方面，忽略了其他資源（如耕地）、生產技術水平等因素。從虛擬水流動和區域水資源分布角度來看，“北糧南運”和“南水北調”共存仍是今后發展的方向［24］。有必要從邏輯和事實認清“北糧南運”和“南水北調”格局的成因、長期性，以及其對糧食安全和水資源安全的影響。

根據比較優勢理論，糧食區域貿易“北糧南運”格局是資源稟賦、社會經濟、技術進步、宏觀政策等因素共同作用的結果。耕地資源“南少北多”是糧食增長中心“北上”的首要因素［33-34］。其次，南北方地區社會經濟發展水平和發展模式差異，導致產業結構優化調整方向不同［35］。相對于北方地區，南方水熱資源充足，生產條件較好，種植作物類型選擇較多，加上價格政策因素影響，種植經濟作物收益高于種植糧食作物，導致糧食播種面積下降較多［36］。另一方面，南方地區相較于北方非農產業發展迅速，導致耕地、資金、勞動等農業資源向非農產業轉移較多［37］。第三，農業技術進步減輕了糧食生產對硬約束資源的依賴。地膜技術的廣泛應用，改善了北方很多地區的耕作制度，復種指數明顯提高。良種研發、化肥和農藥等投入要素的研發和推廣、節水灌溉技術采用、有效灌溉面積增加等減輕了北方各地區糧食生產資源稟賦不足的約束［38］。此外，國家出臺了一系列政策穩定糧食主產區糧食生產與供給。劃定13個省份為糧食主產區，堅守18億畝（1畝=666.67 m2）耕地紅線，建立健全糧食安全省長責任制，劃定糧食生產功能區等，促使區域分工格局進一步固化，糧食生產持續向北方集中［39］。基于上述原因，在相當長時間內糧食區域貿易格局“北糧南運”特征不會改變，且越來越多省份成為糧食輸入區或擴大輸入量［15］。

“北糧南運”格局下，糧食輸出區水資源短缺問題日趨嚴峻，是糧食安全可持續發展面臨的重大挑戰。糧食虛擬水從糧食生產灌溉用水效率較高的地區流向較低地區，從缺水地區流向豐水地區，使得糧食輸出區水資源壓力指數由1.61上升至2.04［26］。虛擬水資源的流動緩解了南方地區的耕地短缺，提高了全國的水土資源生產效率，卻加大了水土不平衡的差距［40］。糧食虛擬水輸出區在保障國家整體利益及對輸入區的糧食安全作出重要貢獻的同時，因糧食生產擠占綠水資源而對陸地自然生態系統造成嚴重威脅［41］。

基于糧食區域貿易的虛擬水流動格局短期內很難改變，而糧食虛擬水進口面臨的國際環境復雜多變，南水北調等跨流域調水工程的作用就顯得尤為突出［24］。盡管南水北調等跨流域調水工程并不是直接服務于農業，但一定程度上彌補了北方糧食輸出區的虛擬水消耗，緩解了區域水資源壓力，對改進區域水土資源平衡、優化糧食生產資源配置等起到積極的作用［40-41］。跨流域調水能夠促進區域生態環境改善，通過水量置換遏制受水區地下水嚴重超采的趨勢，并逐步退還被長期大量擠占的農業及生態用水，保障國家糧食安全與水安全［42］。

根據上述理論邏輯，文章認為基于跨流域調水“南水北調”和糧食區域貿易“北水南運”的“實體水-虛擬水”流動格局將長期存在，其對區域水資源約束的改變不容忽視，進而顯著作用于糧食種植結構。

2.2 “實體水-虛擬水”流動視角下跨流域調水、糧食區域貿易對糧食種植結構的影響

跨流域調水和糧食區域貿易是分別通過實體水調運和虛擬水進口的方式依賴其他地區水資源，達到緩解本地區水資源短缺的目的。因此，文章用區域總用水量中的跨流域調水量以及糧食虛擬水凈進口量作為衡量區域“實體水-虛擬水”流動影響的基本元素。

“實體水-虛擬水”流動對區域水資源約束的改變，可以通過糧食生產誘致性技術進步程度、資源稟賦約束以及糧食區域生產與分工強度三個途徑影響糧食種植結構，且對糧食輸出區和糧食輸入區的影響具有異質性（圖1）。對于糧食輸出區來說，跨流域調水量減少和糧食虛擬水凈出口量增加，會加強水資源稟賦約束，對糧食生產產生一定的限制作用，從而糧食種植比例降低。其次，根據誘致性技術變遷理論，水資源稀缺性增加會誘致節約水資源的技術進步，如抗旱種子、節水灌溉技術等。由于技術選擇的非均衡性，主要糧食作物的技術創新率明顯更快［43-44］，使得水資源稀缺性增加情況下，糧食輸出區糧食作物相對于經濟作物技術進步更快，從而糧食種植比例提升。第三，根據產業布局理論，區域之間貿易自由化可以整合國內市場，強化區域專業化程度，逐漸形成產業集聚，充分發揮比較優勢，促使各地區產業結構差異化發展［45-46］。糧食輸出區糧食虛擬水凈出口量增加，會進一步強化糧食區域生產與分工格局，提高糧食輸出區糧食種植比例。

圖1 “實體水-虛擬水”流動對不同區域糧食種植結構的影響機制

對于糧食輸入區來說，跨流域調水量減少同樣會加強水資源稟賦約束，一方面對糧食生產具有限制作用，降低糧食種植比例；另一方面促進糧食作物誘致性技術變遷，提高糧食種植比例。而糧食輸入區的糧食虛擬水凈進口量增加，會進一步強化糧食區域生產與分工格局，使得糧食輸入區糧食種植比例進一步下降。

由此可知，“實體水-虛擬水”流動對不同區域糧食種植比例的影響取決于誘致性技術進步程度、資源稟賦約束以及糧食區域生產與分工強度的影響大小。

從糧食內部結構來看，“實體水-虛擬水”流動通過影響不同糧食作物的邊際用水成本，進而影響糧食內部結構。“實體水-虛擬水”流動影響降低，加強本地糧食生產水資源約束，提高邊際用水成本。邊際用水成本增加一方面會降低高耗水作物種植比例，提高低耗水作物種植比例；另一方面，會促進節水技術的創新和推廣，反而會提高高耗水作物種植比例，即“灌溉效率悖論”［47-48］。對不同糧食作物種植結構的差異性影響取決于這兩種作用的大小。

由于糧食區域貿易關系，“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構的影響存在空間溢出效應，且對于糧食輸出區與糧食輸入區的影響具有異質性。糧食輸入區“實體水-虛擬水”流動影響提高，一方面，加劇了糧食輸出區的水資源壓力，制約糧食生產；另一方面，可能會引致糧食輸出區糧食生產技術進步，提高糧食種植比例；此外，糧食區域生產與分工的強化使得糧食輸出區糧食種植比例提高。糧食輸入區“實體水-虛擬水”流動對糧食輸出區糧食種植比例的空間溢出效應取決于這三者的大小。糧食輸出區“實體水-虛擬水”流動影響降低，一方面，由于糧食區域生產與分工的強化會降低糧食輸入區糧食種植比例；另一方面，當糧食輸出區水資源壓力較大，對糧食生產的限制作用大于誘致性技術進步時，可能會促使糧食輸入區提高糧食種植比例，從而滿足本地糧食需求。糧食輸出區“實體水-虛擬水”流動對糧食輸入區糧食種植比例的空間溢出效應取決于這兩者的大小。

3 納入“實體水-虛擬水”流動影響的研究方法與數據說明

根據理論分析，“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構的影響具有空間溢出效應，因此采用空間計量模型進行分析。納入“實體水-虛擬水”流動影響的研究思路與方法如圖2所示。首先對糧食種植結構和“實體水-虛擬水”流動影響進行空間自相關檢驗，初步判斷空間相關性。進一步地，同時考慮空間滯后因變量和自變量，以及糧食種植結構可能存在的“時間慣性”，構建更一般化的動態空間杜賓模型分析“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構的影響。然后，從糧食區域貿易關系說明空間權重矩陣的設定。最后，對核心自變量跨流域調水、糧食區域貿易以及“實體水-虛擬水”流動影響指標構建進行說明。

圖2 納入“實體水-虛擬水”流動影響的研究思路與方法

3.1 空間自相關檢驗

在決定使用普通面板模型或者空間面板模型之前，需要對糧食種植結構的空間相關性進行檢驗，采用Moran’sI指數進行檢驗，計算公式如下：

其中：Yi為樣本觀測值（即為不同糧食作物播種面積占比及“實體水-虛擬水”流動影響指標）為樣本平均值；S2為樣本方差；Wij為空間權重矩陣W的(i，j)元素。其中，I∈[-1，1]。當I＞0時，說明存在正向的空間相關性，即在空間權重矩陣設定下，糧食種植比例、三大主糧種植比例以及“實體水-虛擬水”流動影響呈現高值與高值相鄰、低值與低值相鄰的空間分布；當I＜0時，說明存在負向的空間相關性，即糧食種植比例、三大主糧種植比例以及“實體水-虛擬水”流動影響呈現高值與低值相鄰的空間分布；當I=0時，說明空間分布是隨機的，不存在空間相關性。

3.2 空間模型設定

確定了空間相關性存在之后，考慮空間因素建立空間計量模型進行分析。根據理論分析，選擇更一般化的空間杜賓模型，同時考慮空間滯后因變量和自變量；此外，糧食種植結構可能存在“時間慣性”，因此需要考慮時間維度上的動態性。最終，選擇利用動態空間杜賓模型進行實證分析。與靜態空間面板模型相比，動態空間面板模型既考慮了糧食種植結構的動態變化和空間溢出效應［49-50］，又可以避免“雞蛋相生”的內生性問題［51］，從而使得模型估計結果更加準確和可靠。首先，考察“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構的影響，模型設定為：

進一步地，考察跨流域調水和糧食區域貿易對糧食種植結構的影響，模型設定為：

其中：Yit為i省份第t年某種糧食作物播種面積占比，δit為i省份第t年“實體水-虛擬水”流動影響，δtran_it為i省份第t年跨流域調水影響，δvw_it為i省份第t年糧食區域貿易影響，Zit為其他影響糧食種植結構的控制變量。W為空間權重矩陣；ρ和ρ'為空間自回歸系數，表示相關省份糧食種植結構對本省糧食種植結構的影響；τ和τ'表示種植結構調整慣性，表示上一期糧食種植結構對當期糧食種植結構的影響。動態空間杜賓模型同時考慮了糧食種植結構的時間和空間滯后性，不僅可以得到“實體水-虛擬水”流動影響的直接效應和間接效應，還可以得到兩種效應的短期效應和長期效應。

直接效應指一個省份中的解釋變量發生一個單位的變化對本省份糧食種植結構的影響，等于模型系數與反饋效應之和，即其他省份的糧食種植結構反過來影響該省份的糧食種植結構。間接效應指相關省份的解釋變量發生一個單位的變化對本省份糧食種植結構的影響。直接效應與間接效應之和為總效應，可解釋為所有省份解釋變量發生一個單位的變化對本省份糧食種植結構的影響。以式（2）為例，直接效應和間接效應表示為：

3.3 空間權重矩陣設定

空間權重矩陣反映了空間單元之間的相互依賴性與關聯程度，合理恰當地選擇空間權重矩陣對于空間計量模型的估計結果和解釋力至關重要［52］。根據研究問題與視角不同，已有研究發現相對于地理鄰接、地理距離矩陣，根據經濟距離、貿易距離等構建的空間權重矩陣有時能更好地反映空間單元之間的關系。如林光平等［53］使用地區間人均GDP差額構建經濟權重矩陣，發現能更好地擬合中國地區經濟的發展狀況。徐春華等［54］采用貿易份額指標構建貿易權重矩陣，更有力地解釋了FDI和政府消費對CO2排放的影響。此外，兩個空間單元之間的相互影響在強度上可能是不對稱的，如經濟發展水平較高的空間單元會對經濟發展水平較低地區產生更強的空間影響與輻射作用，合理地反映這種非對稱性十分必要［55］。楊鑫［39］根據糧食省際貿易量分別構建了糧食省際調出矩陣和糧食省際調入矩陣，檢驗了糧食生產用水效率通過糧食省際貿易對糧食調入區和糧食調出區經濟水平影響的非對稱空間溢出效應。

根據理論分析，“實體水-虛擬水”流動對于糧食輸出區（包括山西、內蒙古、吉林、黑龍江、江蘇、安徽、江西、河南、陜西、甘肅、寧夏和新疆12個省份）與糧食輸入區（包括北京、天津、河北、遼寧、上海、浙江、福建、山東、湖北、湖南、廣東、廣西、海南、重慶、四川、貴州、云南、西藏和青海19個省份）糧食種植結構的影響路徑存在差異，且兩者之間的空間溢出效應具有非對稱性。因此，分別從生產者與消費者兩個角度核算省際糧食貿易的虛擬水貿易量，并構建兩個空間權重矩陣，以捕獲上述區域異質性和空間溢出效應的非對稱關系。以生產者角度計算的糧食虛擬水貿易量，指的是糧食輸出區由于糧食貿易真實消耗的虛擬水量；以消費者角度計算的糧食虛擬水貿易量，指的是假如糧食輸入區本地生產輸入的糧食所要消耗的虛擬水量。可以看出，糧食輸入區對糧食輸出區糧食種植結構影響的空間溢出效應主要通過生產者角度糧食虛擬水貿易作用（糧食輸出區為滿足糧食輸入區的糧食需求而實際消耗的糧食虛擬水），而糧食輸出區對糧食輸入區糧食種植結構影響主要通過消費者角度糧食虛擬水貿易作用（糧食輸入區因為從糧食輸出區進口糧食而節約的本地糧食虛擬水）。

3.3.1 糧食省際貿易量估計方法

參考丁雪麗等［16］、楊鑫［39］，分為口糧消費、飼料消費、工業消費、種子用糧和糧食損耗五大類對糧食消費量進行估計。口糧消費包括家庭糧食消費和家庭外糧食消費，由各省份城鎮居民人均糧食消費量和農村居民人均糧食消費量分別乘以城鎮人口和農村人口相加得到家庭糧食消費，城鎮居民在外糧食消費比例設為15%，農村設為10%；飼料消費根據各省畜禽產品產量按照飼料轉換率進行轉換，其中豬肉1∶2.5，牛肉1∶0.7，羊肉1∶0.5，禽肉1∶1.8，禽蛋1∶1.7，水產品1∶1；工業消費按照一定的折算比例對工業用糧主要用途酒精、白酒、啤酒、味精和其他用途的用糧情況進行估算，其中酒精1∶3，白酒1∶2.3；啤酒1∶0.172，味精1∶2.4，其他工業用糧按占比25%計算；種子消費依據各省分品種糧食播種面積，并按照水稻2.78 kg/畝、小麥15 kg/畝、玉米15 kg/畝和大豆5.26 kg/畝進行折算，薯類種子用量按產量的10%計算；糧食損耗按糧食消費的5%計算。根據2004—2020年各省份糧食產量與消費量均值，構建省際間糧食貿易線性規劃模型，以運輸成本最小化為約束目標，估計省際間糧食貿易的平均情況。具體線性規劃模型為：

其中：Z為糧食省際貿易的運輸總費用；i為糧食輸入省份（總數為N），j為糧食輸出省份（總數為31-N），tradeij為省份j向省份i輸出的糧食貿易量；cij為省份j到省份i的單位糧食運輸成本，rij為省份j到省份i的單位糧食鐵路運輸成本（鐵路運輸成本計算方式為省會間鐵路距離乘以鐵路貨運價格，水路運輸成本計算方式為碼頭間航線距離乘以平均貨運成本。鐵路運價來自2015年國家發展改革委發布的《各類貨物鐵路運輸基準運價率表》，糧食運價號為4），wij為省份j到省份i的單位糧食水路運輸成本（水路運價價格變化頻繁，為增加計算可操作性，將水運價格固定為0.041 5元/（km·t））；Si為省份i的糧食短缺量；Rj為省份j的糧食過剩量。通過線性規劃求解，即得到最優條件下的糧食省際貿易量tradeij。

將糧食省際貿易量tradeij作為糧食虛擬水貿易矩陣的基本元素。空間權重矩陣具體設置如下。

3.3.2 生產者角度糧食虛擬水貿易矩陣

根據生產者角度糧食虛擬水貿易矩陣計算的直接效應是糧食輸出區的本地效應，間接效應是糧食輸入區對糧食輸出區的空間溢出效應，矩陣設置為：

其中：i為糧食輸出區，j為糧食輸入區，tradeij為2004—2020年i省份向j省份輸出的糧食貿易量均值（萬t），vwcsi為糧食輸出區2004—2020年單位糧食生產水足跡均值（m3/t）（利用2000年國際水足跡網絡數據庫各省份品種糧食生產單位水足跡數據（WaterStat）（http：//waterfootprint.org/en/resources/waterstat），采用“速達法”對2004—2020年份省單位糧食生產水足跡進行推算，由小麥、玉米、水稻、高粱、大麥、谷子、大豆、馬鈴薯及紅薯9種作物加權計算得出。“速達法”是基于作物單位生產水足跡與單產水平呈負線性相關關系的原理，以特定年份作物生產水足跡數據庫推算多年份作物生產水足跡量級的快速方法，計算公式為：VWC(t)=[VWC(T)×y(T)]/y(t)。其中，VWC(t)與VWC(T)（m3/t）分別為t年與T年單位糧食生產水足跡，y(t)與y(T)（t/ha）分別為t年與T年的單位面積糧食產量。Tuninetti等［58］通過全球尺度不確定分析驗證該方法誤差在10%以內。因具有計算成本低、結果可靠性高的特點，該方法在國內外已得到廣泛應用［59-61］）。

3.3.3 消費者角度糧食虛擬水貿易矩陣

根據消費者角度糧食虛擬水貿易矩陣計算的直接效應是糧食輸入區的本地效應，間接效應是糧食輸出區對糧食輸入區的空間溢出效應，矩陣設置為：

其中：i為糧食輸入區，j為糧食輸出區，tradeij為2004—2020年i省份從j省份輸入的糧食貿易量均值（萬t），vwcdi為糧食輸入區2004—2020年單位糧食生產水足跡均值（m3/t）。

3.4 “實體水-虛擬水”流動、跨流域調水以及糧食區域貿易影響的指標構建

參考Zhao等［62］、Ye等［63］，從水資源壓力指數出發，構建“實體水-虛擬水”流動、跨流域調水以及糧食區域貿易影響指標。水資源壓力指數（WSI）是指由于人類活動，從本地可用水源取水引起的水資源壓力。不考慮跨流域調水的各省份水資源壓力指數（WSI）為：

假設沒有跨流域調水以及糧食區域貿易，即各省份需要利用本地水資源滿足其糧食消費需求，則各省份的水資源壓力指數（WSI*）為：

則兩者之間的差距，為“實體水-虛擬水”流動產生的影響：

進一步地，可分解為跨流域調水影響以及糧食區域貿易影響：

其中：δ為“實體水-虛擬水”流動影響；δtran為跨流域調水影響；δvwt為糧食區域貿易影響；WU為用水總量（億m3）；Wtransfer為跨流域調水量（億m3）；VWim為糧食虛擬水凈進口量（億m3），C為糧食消費量（t），P為糧食產量（t），VWC為單位糧食生產水足跡（億m3/t）；Q為水資源稟賦量（億m3），由當地水資源總量和入境水資源量（不包括省際跨流域調水量）組成，考慮生態用水，定義水資源稟賦量的20%為可利用水資源量［26］；B為調整系數（消除豐水和枯水年影響），其數值為各省份歷年水資源稟賦量除以對應所有年份的平均水資源稟賦量［18］。

3.5 變量選取

3.5.1 被解釋變量

參考楊進等［64］、錢龍等［65］，使用各類作物占作物總種植面積的比例來表示糧食種植結構的變化。具體包括兩個層面的種植結構，首先是糧食作物種植面積占農作物總種植面積的比例，反映糧食生產在整個農作物生產當中的結構問題。第二是糧食內部生產結構的調整。對中國而言，糧食主要指三大主糧，即水稻、小麥和玉米，因而使用三類主糧種植面積占總種植面積比例變化來表示糧食內部生產結構調整。

3.5.2 核心解釋變量

核心解釋變量即為根據上文公式測算出的“實體水-虛擬水”流動影響、跨流域調水影響以及糧食區域貿易影響。

對于糧食輸出區來說，“實體水-虛擬水”流動對水資源壓力的影響取決于跨流域調水和糧食區域貿易的影響大小，當影響為正時，糧食區域貿易發揮作用越大，反之，則跨流域調水影響更大。對于糧食輸入區來說，“實體水-虛擬水”流動影響為正，跨流域調水量和糧食虛擬水輸入量越大，對緩解水資源壓力的作用越大。“實體水-虛擬水”流動對全國層面水資源壓力的影響取決于其對糧食輸出區和糧食輸入區的影響大小（水資源壓力分級參考Hoekstra等［66］劃分：低水資源壓力（水資源壓力指數WSI＜1.0）、中等水資源壓力（1.0≤WSI＜1.5）、高水資源壓力（1.5≤WSI＜2.0）和嚴重水資源壓力（WSI＞2.0）。任一區域的水資源壓力指數按該區域各省級行政區的國土面積加權后進行計算［26］）。

由圖3可知，從糧食輸出區來看，2004—2020年“實體水-虛擬水”流動影響均為負值，且持續降低，說明糧食輸出區糧食虛擬水輸出大于跨流域調水的補充，且程度不斷加大，糧食輸出區水資源壓力不斷加劇。從糧食輸入區來看，2004—2020年“實體水-虛擬水”流動影響均為正值，說明“實體水-虛擬水”流動格局緩解了糧食輸入區的水資源壓力，糧食輸入區水資源壓力呈下降趨勢。從全國來看，2004—2006年“實體水-虛擬水”流動影響為正，2007—2020年“實體水-虛擬水”流動影響變為負值，說明隨著糧食生產不斷向中西部和北方轉移和集中，糧食輸出區水資源壓力遠大于糧食輸入區，跨流域調水作用有限，全國水資源壓力總體上呈上升趨勢。

圖3 2004—2020年“實體水-虛擬水”流動影響的變化趨勢

3.5.3 控制變量

參考楊鑫等［18］、楊宗輝等［67］以及楊進等［64］，從自然基礎條件、非農就業機會、糧食及替代作物生產效益以及糧食生產政策四個方面引入控制變量。包括全省平均年降水量、全省平均年氣溫、有效灌溉面積占耕地面積比重，農村居民消費指數平減后的農村居民人均工資性收入，分品種生產價格指數平減后的水稻、小麥、玉米、大豆、油菜的畝均凈利潤（根據《農產品成本收益資料匯編》，水稻畝均凈利潤主要考察23個水稻生產省份，小麥畝均凈利潤考察15個小麥生產省份，玉米畝均凈利潤考察20個玉米生產省份。糧食作物之間的替代關系選擇，參考林大燕等［68］，主要根據主產區糧食作物的耕作制度和種植規模，分別選取水稻、玉米、小麥的不同替代作物。水稻在黑龍江的替代作物主要是大豆；小麥在江蘇、安徽、湖北的替代作物主要是油菜；玉米在黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古的替代作物主要是大豆），小麥最低收購價格、水稻最低收購價格以及玉米臨時收儲價格等變量。小麥和水稻最低收購價政策的實施時間分別為2006—2020年和2004—2020年，實施省份參照歷年《小麥和稻谷最低收購價執行預案》第一條；玉米臨時收儲政策的實施時間為2008—2015年，具體實施省份為內蒙古、遼寧、吉林和黑龍江。

3.6 數據來源與說明

研究對象為31個省份（未涉及香港、澳門、臺灣）的糧食整體及水稻、小麥、玉米三大主糧作物，研究時間段為2004—2020年。分品種糧食播種面積、產量、有效灌溉面積、農村居民人均工資性收入、農產品生產價格指數以及農村居民消費價格指數來自國家統計局分省年度數據庫。水資源總量、用水總量、跨流域調水量、入境水資源量數據來自歷年各省《水資源公報》。降水量、溫度數據來自歷年《中國統計年鑒》。畝均凈利潤數據來自歷年《農產品成本收益資料匯編》。估計糧食消費量的基礎數據主要來自歷年《中國統計年鑒》、各省統計年鑒、《中國輕工業年鑒》以及《中國食品工業年鑒》。變量的詳細說明和統計性指標見表1。

表1 變量說明與描述性統計

4 實證結果與分析

4.1 糧食種植結構與“實體水-虛擬水”流動影響的空間自相關檢驗

通過式（1）計算得到2004—2020年中國糧食種植結構及“實體水-虛擬水”流動影響的Moran’sI指數。由表2可得，2004—2020年糧食種植比例具有顯著的負向空間相關性，說明糧食輸出區與糧食輸入區的糧食種植比例呈現高值與低值“相鄰”的空間分布；玉米種植比例具有顯著的正向空間相關性，說明糧食輸出區與糧食輸入區的玉米種植比例呈現高值與高值、低值與低值“相鄰”的空間分布；“實體水-虛擬水”影響、糧食區域貿易影響具有顯著的負向空間相關性，說明糧食輸出區與糧食輸入區的“實體水-虛擬水”流動影響、糧食區域貿易影響呈現高值與低值“相鄰”的空間分布，跨流域調水影響的空間相關性不明顯。

表2 糧食種植結構與“實體水-虛擬水”流動的空間自相關檢驗

在空間自相關檢驗的基礎上，進一步根據空間面板數據Moran檢驗、LM檢驗以及LR檢驗結果，并結合擬合優度等指標，最終選擇個體固定效應的空間杜賓模型進行實證分析，糧食輸出區和糧食輸入區模型估計結果見表3和表4。進一步通過效應分解，分析“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構的本地效應和空間溢出效應，結果整理見表5和表6。

表3 糧食輸出區“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構影響的回歸結果

表4 糧食輸入區“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構影響的回歸結果

4.2 “實體水-虛擬水”流動對糧食輸出區糧食種植結構的本地效應

表5空間權重矩陣為Wpij部分報告了“實體水-虛擬水”流動對糧食輸出區糧食種植結構的短期和長期直接效應，即本地效應。

對于糧食輸出區來說，“實體水-虛擬水”流動影響是降低的，“實體水-虛擬水”流動影響降低1%，糧食種植比例在短期和長期分別提高0.013%和0.182%。說明“實體水-虛擬水”流動對于糧食輸出區水資源壓力的增加，對糧食生產誘致性技術變遷的促進作用與區域生產分工的強化作用大于限制作用。進一步來看，跨流域調水量降低和糧食虛擬水出口增加對糧食輸出區的糧食生產促進作用均大于限制作用。

從糧食內部結構來看，“實體水-虛擬水”流動影響對糧食輸出區水稻和小麥種植比例不顯著，主要表現為對玉米種植比例的影響。“實體水-虛擬水”流動影響降低1%，玉米種植比例在短期和長期分別下降0.080%和0.157%，且糧食區域貿易的作用大于跨流域調水的影響。即當用水邊際成本提高時，抗旱能力較強、相較于水稻和小麥屬于低耗水作物的玉米種植比例反而會下降，說明節水灌溉技術進步促使糧食內部結構向更加耗水的方向發展，證明存在“灌溉效率悖論”。

4.3 “實體水-虛擬水”流動對糧食輸入區糧食種植結構的本地效應

表5空間權重矩陣為Wcij部分報告了“實體水-虛擬水”流動對糧食輸入區糧食種植結構的短期和長期直接效應，即本地效應。

表5 “實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構影響的本地效應

對于糧食輸入區來說，“實體水-虛擬水”流動影響是提高的，“實體水-虛擬水”流動影響提高1%，糧食種植比例在短期和長期分別下降0.016%和0.129%。一方面，糧食虛擬水進口增加強化區域糧食生產與分工，使得糧食輸入區糧食種植比例下降。另一方面，跨流域調水量和糧食虛擬水進口增加放松了糧食輸入區的水資源約束，而由于種植經濟作物的收益高于糧食作物，經濟作物播種面積提高得更多，從而導致糧食種植比例下降。

從糧食內部結構來看，“實體水-虛擬水”流動影響主要表現為對水稻和玉米種植比例的影響。“實體水-虛擬水”流動影響提高1%，水稻種植比例短期提高0.014%，長期則下降0.025%；玉米種植比例短期提高0.012%，長期則下降0.029%。即當“實體水-虛擬水”流動影響提高時，短期糧食輸入區高耗水作物水稻種植比例的提高幅度大于低耗水作物玉米種植比例，長期來看低耗水作物玉米種植比例的下降幅度更大，說明無論從短期還是長期來看，糧食輸入區糧食內部結構均向耗水方向發展。

4.4 “實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構影響的空間溢出效應

在分析了“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構本地效應的基礎上，進一步分析其對糧食輸出區和糧食輸入區糧食種植結構的空間溢出效應。

4.4.1 糧食輸入區對糧食輸出區的空間溢出效應

表6空間權重矩陣為Wpij部分報告了糧食輸入區對糧食輸出區的空間溢出效應。從糧食整體結構來看，糧食輸入區“實體水-虛擬水”流動影響提高1%，糧食輸出區的糧食種植比例在短期和長期分別下降0.012%和0.213%。說明隨著糧食輸入區“實體水-虛擬水”流動影響的提高，糧食輸出區水資源壓力增加對糧食生產的制約作用要大于誘致性技術進步程度以及糧食區域生產與分工強度帶來的促進作用，使得糧食輸出區糧食種植比例下降。進一步來看，糧食輸入區對糧食輸出區的空間溢出效應主要是由于糧食區域貿易，跨流域調水的間接效應不顯著。

從糧食內部結構來看，糧食輸入區“實體水-虛擬水”流動主要表現為對糧食輸出區玉米種植比例的空間溢出效應。“實體水-虛擬水”流動影響提高1%，糧食輸出區的玉米種植比例在短期和長期分別下降0.142%和0.207%。說明糧食輸入區加劇了糧食輸出區的“灌溉效率悖論”情況。

4.4.2 糧食輸出區對糧食輸入區的空間溢出效應

表6空間權重矩陣為Wcij部分報告了糧食輸出區對糧食輸入區的空間溢出效應。從糧食整體結構來看，糧食輸出區“實體水-虛擬水”流動對糧食輸入區糧食種植比例沒有影響。從糧食內部結構來看，糧食輸出區“實體水-虛擬水”流動對糧食輸入區的影響，主要表現為對水稻和玉米種植比例的空間溢出效應。糧食輸出區“實體水-虛擬水”流動影響降低1%，短期糧食輸入區水稻和玉米種植比例分別降低0.051%和0.074%，長期分別提高0.017%和0.140%，即短期高耗水作物水稻種植比例下降更多，長期低耗水作物玉米種植比例提高更多，說明無論長期還是短期，糧食輸出區“實體水-虛擬水”流動影響的溢出效應使得糧食輸入區糧食內部結構向節水方向發展。

表6 “實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構影響的空間溢出效應

5 穩健性檢驗

在考察跨流域調水和糧食區域貿易對不同糧食作物種植結構的影響時，空間關系不同設定可能會導致估計結果的差異。糧食種植結構受地理位置、自然資源稟賦等影響較大，因此在糧食虛擬水貿易空間權重矩陣的基礎上，考慮地理距離因素，采用地理距離加權的糧食虛擬水貿易矩陣①穩健性檢驗的生產者角度糧食虛擬水貿易矩陣設置為，其中i為糧食輸出區，j為糧食輸入區，tradeij為2004—2020年i省份向j省份輸出的糧食貿易量均值（萬t），vwcsi為糧食輸出區2004—2020年單位糧食生產水足跡均值（m3/t）。穩健性檢驗的消費者角度糧食虛擬水貿易矩陣設置為，其中i為糧食輸入區，j為糧食輸出區，tradeij為2004—2020年i省份從j省份輸入的糧食貿易量均值（萬t），vwcdi為糧食輸入區2004—2020年單位糧食生產水足跡均值（m3/t）。d為根據經緯度計算的省會城市之間的地表距離（km）。，對“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構的影響及空間溢出效應再次進行估計和檢驗。“實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構影響的本地效應和空間溢出效應分別見表7和表8。本地效應的符號和顯著性與采用不考慮地理距離的糧食虛擬水貿易矩陣的估計結果基本一致。

表7 “實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構影響的本地效應穩健性檢驗

表8 “實體水-虛擬水”流動對糧食種植結構空間溢出效應的穩健性檢驗

從糧食輸入區對糧食輸出區的空間溢出效應來看，糧食輸入區“實體水-虛擬水”流動影響提高，對糧食輸出區糧食種植比例具有負向作用，但短期間接效應不再顯著，說明長時間的糧食省際貿易，即糧食區域生產與分工的穩定，使得糧食輸入區“實體水-虛擬水”流動影響對糧食輸出區糧食種植比例產生負的空間溢出效應。糧食輸出區對糧食輸入區糧食種植比例的影響不顯著，與原始估計結果相似。從糧食內部結構來看，跨流域調水影響對糧食輸出區水稻種植比例和糧食輸入區玉米種植比例的間接效應不再顯著，也進一步說明“實體水-虛擬水”流動影響對糧食內部結構的空間溢出效應主要是由于糧食區域貿易的作用。其他影響方向和顯著性與原始回歸相似，說明主要研究結論具有一定的穩健性。

6 結論與啟示

文章基于2004—2020年中國31個省份的面板數據，從“實體水-虛擬水”流動視角測算出全國和糧食輸出區、糧食輸入區跨流域調水和糧食區域貿易對于地區水資源壓力的影響，并利用動態空間杜賓模型分別估計了“實體水-虛擬水”流動、跨流域調水以及糧食區域貿易對糧食整體種植結構和水稻、小麥、玉米三大主糧作物種植結構的影響及空間溢出效應。主要結論如下。

（1）跨流域調水和糧食區域貿易對水資源壓力的影響研究表明，2004—2006年，跨流域調水和糧食區域貿易一定程度上減輕了全國層面的水資源壓力，2007—2020年跨流域調水和糧食區域貿易加劇了全國層面的水資源壓力。隨著糧食生產不斷向中西部和北方轉移和集中，糧食輸出區水資源壓力遠大于糧食輸入區，跨流域調水作用有限，全國水資源壓力總體呈上升趨勢。

（2）“實體水-虛擬水”流動短期和長期均提高了糧食輸出區糧食種植比例，降低了玉米種植比例，說明“實體水-虛擬水”流動對于糧食輸出區水資源壓力的增加，對糧食生產誘致性技術變遷的促進作用與區域生產分工的強化作用大于限制作用，且存在“灌溉效率悖論”現象，即節水技術進步導致高耗水作物種植增加。“實體水-虛擬水”流動短期和長期均降低了糧食輸入區糧食種植比例；短期水稻和玉米種植比例提高，且高耗水作物水稻種植比例提高幅度更大，長期水稻和玉米種植比例下降，且低耗水作物玉米種植比例下降程度更大，說明糧食輸入區糧食內部結構向耗水方向發展。

（3）“實體水-虛擬水”流動作用下，糧食輸入區對糧食輸出區糧食種植比例和玉米種植比例具有負向的空間溢出效應，說明對糧食輸出區的糧食生產具有負向影響，且加劇了糧食內部結構的“灌溉效率悖論”現象，不利于長期的糧食安全與水資源安全。糧食輸出區對糧食輸入區的糧食種植比例不具有顯著影響，短期降低了水稻和玉米的種植比例，且高耗水作物水稻種植比例下降更多，長期提高了水稻和玉米種植比例，且低耗水作物玉米種植比例提高更多，說明糧食輸出區促進了糧食輸入區糧食內部結構向節水方向發展。

基于以上結論，提出如下政策啟示：①實施區域“實體水-虛擬水”統籌管理，綜合考慮“實體水-虛擬水”流動的地區效應與空間溢出效應，促進糧食種植結構適水調整。②在當前“實體水-虛擬水”流動作用下，糧食輸出區糧食種植比例在提高的同時，糧食內部結構趨向耗水，不利于長期糧食安全和水資源安全，亟須大力促進糧食輸出區的水利工程建設和節水農業發展。③當前“實體水-虛擬水”流動的空間溢出效應，對糧食輸出區的糧食生產具有負向作用，且使得糧食輸出區糧食內部結構趨向耗水，糧食輸入區糧食內部結構趨向節水。應完善糧食輸出區糧食生產利益補償機制，建立區域間糧食虛擬水補償制度，提高糧食輸出區水資源利用效率，促進糧食安全和水資源安全的可持續發展。