黑龍江省糧食輸出虛擬水流動及主要影響因素分析

郭洪聰,王立權,滕 云,董 鶴,王姊怡,楊建武

(1.黑龍江大學 水利電力學院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學研究院,哈爾濱 150080)

1 概 述

習近平總書記提出的“十六字”治水方針[1],為我們做好水利工作提供了科學指南和根本遵循。農業生產對水資源的需求巨大,水利建設是糧食安全的重要保障。2019年10月14日《中國的糧食安全》白皮書指出,我們應當建設現代糧食流通體系[2]。

我國水資源含量豐富,但人均水資源只有世界人均水平的1/4,屬于重度缺水。因此,為了保證農業這一基礎產業的穩步發展,應當綜合多方面因素,完善水資源配置方案,遵循科學、合理、節約的供水原則,實現綠色發展。

1993年,英國學者Tony Allan提出虛擬水的概念之后,水資源交易不僅有真實水資源的相互流通,還有隨著跨地區貿易而蘊含在貨物(主要指糧食)中的虛擬水流通。這一概念的提出使糧食交易所帶來的水資源流通這一模糊定義得到具象化的描述,即可以通過糧食的輸入輸出量對當地水資源的輸入輸出進行計算,以此可進一步調整當地的用水方案,為緩解缺水地區和糧食匱乏地區的水資源配置,緩解當地用水壓力提供了新途徑。虛擬水戰略是指缺水地區通過糧食貿易形式,購買富水地區的水密集型農產品,以此保障糧食安全[3]。因此,對糧食匱乏地區進行評估,建立科學的糧食流通體系,是關乎民生大計,確保國家行穩致遠的重要舉措。

2 研究區間概況及數據來源

2.1 研究區間概況

我國水資源分布呈南多北少的格局,但北方耕地面積大于南方。特別是改革開放以來,我國經濟發展格局大體呈“南快北慢”的局勢,南方城市化和現代化建設遠遠高于北方,使我國主要糧食生產地區向北方靠攏。本文針對黑龍江地區進行研究。

黑龍江作為全國最大的產糧大省,土地面積473 000km2,總耕地面積0.171 9×108hm2,其中典型黑土地耕地面積為0.104×108hm2。全省境內河湖眾多,有黑龍江、松花江、烏蘇里江、嫩江、綏芬河五大水系,水域面積達80×104hm2以上[4],年降雨量70%集中在農作物生長期,優越的地理氣候條件使黑龍江省糧食產量常年穩居全國第一。見圖1。

圖1 黑龍江2010-2021年糧食產量

根據吳普特等[5]的研究,可將我國各省區分為糧食輸出省區和糧食輸入省區。見表1。

表1 糧食輸入、輸出地區劃分

本文研究中,糧食輸出地區選擇黑龍江,據統計,黑龍江地區主要農作物為水稻、小麥、玉米、豆類;糧食輸入地區選擇北京、天津、上海、浙江、福建、海南、廣東7省區[6]。通過統計糧食輸入地區的人口數量、人均GDP、城鎮居民人均可支配收入、人均水資源含量、人均耕地資源量、單位面積糧食產量[7],運用TOPSIS和層次分析法,對糧食輸入7省區進行評級分析。

2.2 數據來源

通過對糧食輸入省區政府公報中的數據進行整理計算,得到各省區的相關數據,見表2。

表2 各糧食輸入省區概況

3 黑龍江省糧食所含虛擬水量分析

3.1 糧食產量及虛擬水含量

黑龍江省主要農作物為水稻、小麥、玉米、豆類,因此僅針對這4種農作物進行分析。經中國工程院院士唐華俊研究發現,一千克水稻、小麥、玉米、豆類所含虛擬水量分別為1.19、0.8、1.37、2.65m3。經過調查計算,可得2015-2020年黑龍江省水稻、小麥、玉米、豆類4種農作物的產量及虛擬水含量,見表3。

表3 黑龍江2015-2020年4類農產品產量及虛擬水含量

3.2 回歸方程

設4類農產品總產量為Xi,其虛擬水總含量為Yi。通過4類農作物產量和虛擬水含量之間的回歸方程計算糧食產量,進而對黑龍江省糧食種植對虛擬水的總消耗量進行預測,并結合預測結果對黑龍江省水資源配置方案進行進一步調整,以此優化黑龍江省水資源供需政策,實現水資源的合理利用。

1)設回歸函數。公式如下:

2)偏差平方和。公式如下:

3)選取β0和β1,使Q最小。公式如下:

4)分別對β0和β1求偏導,公式如下:

5)使兩個偏導數為0,公式如下:

6)解得β0=-14.844,β1=0.016,則y=0.016x-14.884。

由此,可以得出4類糧食產量與所耗虛擬水量,可對今后的年虛擬水消耗量進行估算,并根據計算結果對水資源進行合理分配。

4 TOPSIS分析

已知評價對象有北京、天津、上海、浙江、福建、海南、廣東,評價指標有人口數量(A)、人均GDP(B)、城鎮居民人均可支配收入(C)、人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產量(F)。其中,正向指標有人口數量(A)、人均GDP(B)、城鎮居民人均可支配收入(C);負向指標有人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產量(F)。

對于各指標,Amax=12 684.0,Amin=1 020.5;Bmax=18.4,Bmin=6.37;Cmax=8.24,Cmin=4.02;Dmax=2 008.0,Dmin=117.8;Emax=1.27,Emin=0.12;Fmax=453.5,Fmin=358;未歸一化評分mi=(xi-xmin)/(xmax-xmin);歸一化評分ni=mi/m總。見表4-表6。

表4 正向指標評分

表5 負向指標正向化處理評分

表6 各指標總評分

對于人口數量(A)、人均GDP(B)、城鎮居民人均可支配收入(C)3個指標,評分越高表明該地區對于糧食輸入的需求越高;對于人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產量(F)3個指標,值越低表明對于糧食輸入需求越高。對D、E、F三個指標正向化處理之后,各指標評分相加得到總評分,總評分越高表明該地區最應優先進行糧食輸入。通過TOPSIS分析結果發現,7省區對于糧食輸入需求度從高到低的排序為北京、上海、廣東、福建、浙江、海南、天津。

5 層次分析法

5.1 確認目標層、指標層、方案層

評價指標有人口數量(A)、人均GDP(B)、城鎮居民人均可支配收入(C)3個正向指標;人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產量(F)3個負向指標。見圖2。

圖2 層次結構圖

5.2 指標之間比較賦權

見表7。

表7 指標比較賦權表

目標層和指標層判斷矩陣見表8。

表8 比較后指標評分表

可得矩陣M,公式如下:

5.3 和積法計算權重

按列進行歸一化處理,SA=157/60、SB=18、SC=12.5、SD=55/12、SE=47/6、SF=47/6(S為每列縱向指標評分之和)。見表9。

表9 指標權重表

求特征值:

一致性檢驗:

CI=(λ-n)/(n-1)=0.003 877 041

查表得:RI=1.26

CR=CI/RI=0.003 077 016 7<0.1,則一致性檢驗通過。

5.4 方案比較

本文中,人口數量(A)、人均GDP(B)、城鎮居民人均可支配收入(C)3個指標為正向指標。針對每項指標各省區的數據進行排序,依據其與最優解的距離進行評分。運用Excel對權重進行計算,見表10-表12。

表10 基于人口數量對7省區權重表

表11 基于人均GDP對7省區權重表

表12 基于城鎮居民人均可支配收入對7省區權重表

CI=(λ-n)/(n-1)=0.001 68,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.001 234<0.1,則一致性檢驗通過。

CI=(λ-n)/(n-1)=0.005 99,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.0044<0.1,則一致性檢驗通過。

CI=(λ-n)/(n-1)=0.002 15,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.001 58<0.1,則一致性檢驗通過。

人均水資源含量(D)、人均耕地資源量(E)、單位面積糧食產量(F)3個指標為負向指標,先將其正向化處理之后,再根據正向化后的數據與最優解的距離,對其進行評分和賦權。見表13-表15。

表13 基于人均水資源含量對7省區權重表

表14 基于人均耕地資源量對7省區權重表

表15 基于單位面積糧食產量對7省區權重表

CI=(λ-n)/(n-1)=0.001 76,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.001 29<0.1,則一致性檢驗通過。

CI=(λ-n)/(n-1)=0.013 595,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.009 997<0.1,則一致性檢驗通過。

CI=(λ-n)/(n-1)=0.001 76,查表得RI=1.36,CR=CI/RI=0.001 294<0.1,則一致性檢驗通過。

5.5 對7省區總評分進行比較

見表16。

表16 總權重表

7省區的總評分為:北京=8.919 8;天津=3.873 6;上海=10.105 2;浙江=4.306 6;福建=4.266 8;海南=4.070 2;廣東=6.457 7。由評分結果可知,7省區按照糧食輸入需求度從高到低排序為上海、北京、廣東、浙江、福建、海南、天津。

6 結論與分析

1)不論采用TOPSIS分析還是層次分析法,在對北京、天津、上海、浙江、福建、海南、廣東7省區糧食輸入需求度進行評估時,其結論都是北京、上海、廣東三地屬于“缺糧要地”。該地區作為政治、經濟中心地區,其人口聚集,經濟較為發達,且人均水資源量、人均耕地量、單位面積糧食產量少,該地區對于外來糧食輸入、虛擬水輸入有著極大的依賴性。因此,黑龍江省在進行糧食輸出時,可優先考慮對該三地區進行糧食補給,以緩解該地區糧食和水資源壓力。

2)黑龍江省作為我國第一糧食生產大省,近些年年產量均達到7 000×104t以上,是我國14億人口的重要糧食保障。糧食的生長伴隨著水資源的消耗,根據線性回歸方程,糧食產量與虛擬水消耗量呈正相關。通過線性回歸方程,可對黑龍江省由于糧食生產造成的水資源消耗進行預測與評估,可盡早對黑龍江省水資源配置進行合理規劃。

3)根據數據和計算可知,黑龍江省每年由于糧食生產所帶來的虛擬水流動量是巨大的,每年僅糧食生產所帶來的虛擬水消耗可達100×108m3以上。因此,黑龍江省相關單位應當盡快實施有效的措施,合理規劃水資源配置方案,提高再生水等非傳統水資源在農業灌溉方面的利用率。