陜西省虛擬水產業配置及省際貿易時空變化

王 寧，董小剛，鐘 耀，崔家寶，王風初，陳 潔，張小芳，曹建軍

（1.西北師范大學 地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院 西北生態環境資源研究院 內陸河流域生態水文重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

近年來，在人為不合理開發利用資源和自然環境等因素的共同影響下，我國水資源供需矛盾和水資源匱乏問題日益嚴重。據統計，目前我國水資源短缺區域中城市人口的數量占全球水資源短缺區域中城市人口總數的17.2%［1］。水資源短缺是全球面臨的共同挑戰，為進一步合理配置水資源并提高用水效率，許多國家提出了虛擬水戰略，旨在通過進口豐水國家或地區的水資源密集型產品，緩解本國的水資源壓力，保證水資源安全［2］。“虛擬水” 的概念最早由英國學者Allan［3］于1993 年提出，指在生產某種產品過程中整個產業鏈所消耗的水資源量。1998 年，Hoekstra［4］對其概念進行拓展，將生產服務所需要的水資源量也納入虛擬水范疇。虛擬水概念及其戰略的提出為調整產業結構、化解水資源短缺矛盾提供了全新的思路，對缺水區域水資源配置和產業結構優化具有重要的指導意義［5－6］。眾多學者借助多區域投入產出模型，分析了全球化趨勢下虛擬水的流動及某一國家最終消費需求變動對全球實體水資源分配的影響［7－10］。此外，產業［11－12］、區域以及省際尺度［13－14］的研究不斷增多，為不同尺度虛擬水的合理配置提供了決策依據。但由于中國區域間投入產出表編制較為復雜、發布時間間隔較長，因此目前關于省際虛擬水貿易網絡長期變化情況及產業間流動特征的研究還相對較少，尤其是針對中國西部缺水省份（如陜西?。┑难芯扛鼮樯僖姟?/p>

黃河流域降水量稀少，水資源短缺現象突出，解決水資源安全問題是實施黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的核心［15］。陜西省地處黃河中游地區，黃河為該省78%的人口提供了生產生活用水以及經濟發展所需水資源總量的86%［16］。然而，陜西省水資源空間分布極不平衡［17］，加之產業用水不合理、效率低下及地下水超采，對其社會經濟發展產生了嚴重的負面影響?；诖?，本文依據虛擬水理論，利用區域間投入－產出模型，探究陜西省2007—2017 年三次產業虛擬水的動態變化、省際貿易格局時空變化及其主要驅動因素，以期為陜西省水資源的合理利用、產業和貿易結構的優化升級提供依據，為黃河流域水資源安全管理和高質量發展提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 區域間投入－產出模型

多區域間投入－產出模型最早由Isard［18］提出，與單個區域投入－產出模型相比，其可更系統全面地反映區域間的產品貿易情況。其基本思路為：計算某地區虛擬水貿易量時，假設區域間投入－產出模型中包含m個區域，每個區域有n個部門，則區域間投入－產出模型由m×n個線性方程構成：

式中：為R區域i部門的總產出量為R區域i部門供給S區域j部門的中間投入量為R區域i部門對S區域最終需求的投入量。

式（1）及其矩陣形式可表示為

式中：XR、ARS和FRS分別為產出矩陣、直接投入系數矩陣和最終需求矩陣；（I－ARS）－1為列昂惕夫逆矩陣；BRS為從R區域投入S區域的投入量矩陣為滿足S區域j部門最終需要的R區域i部門的投入量。

為進一步將水資源消耗量與投入量建立產出關系，需確定直接用水系數與完全用水系數：

式中：EB為B區域直接用水系數矩陣；為B區域j部門的直接用水系數；為B區域j部門的直接用水量；為B區域j部門的總產出量；δ為完全用水系數；為滿足R區域j部門最終需要的B區域i部門的投入量。

B區域輸出到外省的虛擬水矩陣TB表達式為

1.1.2 灰色關聯度

由于陜西省虛擬水量變化的主要產業為第一、第二產業，因此在參考相關研究成果［19－20］的基礎上，選取第一產業中的農業機械總動力、糧食產量、人口等指標和第二產業中的城鎮化率、鋼鐵產量、人口等指標，作為陜西省虛擬水量的影響因素。運用灰色關聯模型，計算各指標與第一、第二產業虛擬水量的關聯度。設參考序列為X0＝｛x0（1），x0（2），…，x0（n）｝，比較序列為Xi＝｛xi（1），xi（2），…，xi（n）｝，則關聯系數計算公式為

關聯度計算公式為

1.2 數據來源

把2007 年、2010 年、2012 年、2015 年和2017 年作為典型年份進行分析，投入產出數據來源于我國區域間投入－產出表。由于2007 年和2010 年投入產出表中不包含西藏，為保證數據的一致性，本文在虛擬水量化過程中未包含西藏。按照《三次產業劃分規定》，將42 個部門整理為第一、第二和第三產業進行計算。陜西省各產業用水量來源于《陜西省水資源公報》，其中：第一、第二產業用水數據分別為農業和工業用水量，第三產業用水數據以生活用水量中的城鎮公共用水量代替。三次產業生產總值、主要產品產量、人口等數據均來源于《陜西統計年鑒》。

2 結果與分析

2.1 2007—2017 年陜西省各產業用水系數

從產品全生命周期角度看，各產業完全用水系數反映了整個經濟系統中的水資源需求量（包括直接用水量和間接用水量兩部分）［21］，耗水乘數是完全用水系數與直接用水系數的比值，表示產業間的經濟聯系對水資源使用的影響（耗水乘數越小，表明經濟聯系越少、產品貿易對水資源使用的影響越?。?。2007—2017 年陜西省各產業用水系數及耗水乘數見圖1。

圖1 2007—2017 年陜西省各產業用水系數及耗水乘數

由圖1 可知：①第一產業的直接用水系數和完全用水系數遠大于第二、第三產業的，第三產業的直接用水系數和完全用水系數最小。②2007—2017 年，陜西省三次產業的直接用水系數和完全用水系數均呈不同程度的下降趨勢，其中第一產業用水系數下降幅度最大、第三產業用水系數下降幅度最小。③第二、第三產業直接用水系數和完全用水系數差異較大，即二者在生產過程中依賴高耗水產品投入，大部分產品生產過程中間接用水量很大。④第一產業耗水乘數較小，且變化不大，說明第一產業對其他產業水資源影響較小；第二產業耗水乘數最大，說明對當地水資源的影響最大；第三產業耗水乘數以2012 年為節點呈先升后降的趨勢，但總體變化不大。

陜西省三次產業用水系數均呈逐年下降趨勢，說明水資源利用效率有所提高，這與陜西省采取優化農業生產結構、推廣節水灌溉等先進農業生產技術［22］等措施有關。但第一產業用水系數仍然較大，有較大的節水空間。陜西省不斷推進工業結構優化升級、提高水資源利用效率和重復利用率，經濟發展由粗放型增長逐漸向資源綠色集約式發展轉變［23］，促使第二產業直接用水系數和完全用水系數2017 年比2007 年分別降低74.74%和59.4%。

2.2 2007—2017 年陜西省內虛擬水總量和產業間流動特征

2.2.1 陜西省虛擬水量變化及影響因素

陜西省虛擬水消耗總量由本省貢獻量（見表1）和省外輸入量構成。2007—2017 年，虛擬水本省貢獻量占比達70%以上，其中第一、第二產業是虛擬水消耗的主要產業。根據灰色關聯度模型分析，農業機械總動力、城鎮化率、糧食產量、人口及有效灌溉面積這5個因素對第一產業虛擬水本省貢獻量變化影響較大，且關聯度均大于0.75（見圖2）。其主要原因：一是農業技術的應用及灌溉面積的變化促進陜西省農業水資源利用效率及糧食產量逐步提高；二是城鎮化率及人口的增長導致第一產業高耗水基礎產品（如糧食、蔬菜等）需求量增大，帶動第一產業虛擬水量持續增長［24］。第二產業虛擬水變化的主要影響因素為城鎮化率、人口、鋼鐵產量、建筑業總產值、化工產品產量，原因是城鎮化率及人口變化驅動社會生產和生活對鋼鐵、建筑、化工、食品制造等行業產品需求量增大，促使第二產業對高耗水產品的需求量增大，推動第二產業虛擬水量、第一產業向第二產業虛擬水投入量及外地輸入量逐年增長［25］。

表1 陜西省虛擬水本省貢獻量 億m3

圖2 第一、第二產業虛擬水本省貢獻量變化影響因素關聯度

2.2.2 2007—2017 年陜西省產業間虛擬水流動特征

產業產品與生產供需關系決定產業間虛擬水流動方向。2007—2017 年陜西省各產業虛擬水流動量見圖3。由圖3 可知，第一產業向第二、第三產業輸出虛擬水量呈波動增長趨勢，2017 年比2007 年分別增長74.42 億m3和52.37 億m3。第一產業典型年均為虛擬水量凈輸出，其中向第二產業輸出的虛擬水量占第一產業輸出總量的比例均在55%以上，而供自身使用的虛擬水量遠小于輸出量且隨時間呈逐漸下降趨勢。第二產業生產的虛擬水主要供自身使用及向第三產業輸出，歷年輸出到第一產業的虛擬水量僅占13%左右。第三產業虛擬水輸出到第二產業的水量比例最高，供自身使用的虛擬水量次之，輸出到第一產業的最少。陜西省第二、第三產業發展高度依賴第一產業產品輸入，形成以第一產業輸出為主，以第二、第三產業輸入為主的虛擬水貿易模式。產生上述結果的可能原因：研究時段陜西省大力發展工業和基礎產業及“絲綢之路”旅游經濟等高耗水行業［26］，使第二、第三產業對水資源和高耗水產品的需求量顯著增加，其中部分行業的發展高度依賴第一產業原材料的輸入；同時，陜西省耕地灌溉方式以傳統灌溉為主，高新技術在農業生產中應用不足，第一產業在生產過程中對其他產業虛擬水投入需求量不大。因此，第一產業虛擬水凈輸出量持續增長，但第二、第三產業輸入第一產業的虛擬水量很少。當前陜西省產業間虛擬水貿易模式可能會導致水資源供需矛盾更加尖銳，威脅糧食安全，不利于社會經濟和生態可持續發展。

圖3 典型年份陜西省各產業虛擬水流動量（單位：億m3）

2.3 2007—2017 年陜西省虛擬水省際貿易格局

2.3.1 陜西省虛擬水省際流向的產業結構特征

2007—2017 年陜西省三次產業虛擬水省際輸出、輸入量見表2。陜西省虛擬水輸出總量呈波動增長趨勢，輸出以耗水量較高的第一產業為主，而虛擬水輸入量的90%以上來源于第二、第三產業。三次產業省際的產品貿易決定虛擬水流動方向，陜西省作為農業大省，其在自身水資源匱乏的狀態下，向我國其他省份大量輸出第一產業產品，而耗水量相對較少的第二、第三產業產品依賴大量進口來滿足本省生產和消費需求［27］。陜西省第一產業虛擬水均呈凈輸出狀態，2007年、2010 年、2012 年、2015 年、2017 年，凈輸出量分別為56.02 億、66.88 億、41.35 億、46.00 億、76.06 億m3，呈波動增長趨勢；第二、第三產業呈凈輸入狀態，且凈輸入量之和遠大于第一產業凈輸出量。

表2 陜西省三次產業虛擬水省際輸入、輸出量 億m3

2.3.2 陜西省虛擬水凈貿易格局

典型年份陜西省與中國其他省份虛擬水貿易情況見表3。2007 年陜西省向山西省、天津市、河北省、寧夏回族自治區等14 個?。ㄊ?、區）凈輸出虛擬水18.43億m3，從江蘇、廣東、廣西、上海、甘肅等15 個省（市、區）凈輸入虛擬水49.11 億m3；2010 年陜西省凈輸出省份數量減少為9 個，凈輸出虛擬水13.83 億m3，從江蘇、上海、甘肅等20 個?。ㄊ小^）凈輸入虛擬水171.82億m3；2012 年、2015 年陜西省虛擬水凈輸出量分別為0.87 億、0.48 億m3，凈輸出?。ㄊ?、區）數量分別為3個、2 個；2017 年虛擬水凈輸出、輸入量分別為63.48億、168.71 億m3，較2015 年明顯增長。虛擬水輸出地主要分布于我國中部、東部沿海及京津冀地區；輸入地主要為我國華東、華南、華北、東北等經濟相對較發達省份（見表3）。綜上，雖然2017 年較2007 年虛擬水凈貿易量增長幅度較大，但2007—2017 年陜西省虛擬水貿易凈輸出省份數量呈波動減少趨勢，且主要分布在華北、西北地區；向陜西省凈輸入虛擬水的省份數量逐年增多，但凈輸入量呈波動減少趨勢。

表3 典型年份陜西省虛擬水省際輸入、輸出量 億m3

陜西省省際虛擬水貿易整體呈凈輸入狀態，有助于緩解自身水資源短缺壓力。但陜西省在與部分省份虛擬水貿易中存在不合理現象，如長期向青海省、貴州省、江西省等人均水資源量遠高于自身的省份凈輸出虛擬水，但從江蘇、甘肅、河北等人均水資源量低于自身的省份凈輸出虛擬水，貧水地區向豐水地區凈輸出虛擬水的貿易模式不合理。這種虛擬水貿易空間結構的不合理，可能會形成貧水區水資源向富水區轉移的惡性循環，不利于水資源的可持續利用和當地經濟的發展［28］。因此，對于第一產業中高耗水產品及部分經濟產品，應在其生產過程中通過節水灌溉等措施提高水資源利用效率；對于第二產業中基礎工業及輕工業中鋼鐵、煉焦、食品、煙草、紡織、造紙等完全用水系數較高的行業，應通過提升技術水平、增加尾水回用效率等措施，減少耗水量。應根據各省份水資源稟賦，在省際貿易中減少貧水地區虛擬水流出，優化省際虛擬水戰略。

3 結 論

（1）陜西省三次產業直接用水系數和完全用水系數均呈下降趨勢，說明水資源利用效率有一定的提高，但三次產業用水系數仍然偏高。第二、第三產業耗水乘數呈波動上升趨勢，這對當地耗水量間接帶動效應較大。因此，陜西省應進一步調整產業結構，提高以農業為主的高耗水行業用水效率，減少高耗水且經濟效益不高的中間產品的使用。

（2）第一、第二產業是陜西省內虛擬水流動的主要產業，第二、第三產業高度依賴第一產業虛擬水輸入，2007—2017 年三次產業虛擬水消耗量均呈持續上升趨勢，產業間水資源分配不平衡。第一、第二產業虛擬水量增長的主要影響因素為農業機械總動力、人口、糧食產量、城鎮化率、鋼鐵產量、建筑業總產值等。因此，陜西省應轉變經濟發展模式，增加高新技術在第一產業中的應用，同時減少第一產業高耗水產品輸出，增加低耗水產品的輸出，大力發展節水和高利潤產業，優化三次產業供需結構，降低虛擬水消耗量。

（3）陜西省作為虛擬水凈輸入省份，長期凈輸入虛擬水對緩解該省水資源短缺有正向作用，但與部分省份的虛擬水貿易模式和其水資源稟賦不匹配，可能會加劇貧水區與富水區水資源分配兩極分化。因此，陜西省應積極調整并踐行虛擬水戰略，以促進該省及黃河流域水資源可持續發展。