京津冀农业虚拟水流动及对区域水资源压力影响研究

李新生　黄会平　韩宇平　张冬青　任立新　张骁楠

摘要：水資源安全问题一直是研究热点，基于生产-消费状况揭示区域虚拟水流动，对了解水资源利用状况和水资源可持续利用具有重要意义。基于虚拟水视角，以灌溉用水和绿水核算区域农业虚拟水生产，以居民膳食消费核算居民虚拟水消费，以两者的差值核算并分析了京津冀地区在生产-消费模式下农业虚拟水流动特征及对区域水资源压力的影响。结果表明：（1）2004-2015年间，河北、天津、北京年均作物生产虚拟水分别为353.1亿m3、22.9亿m3和16.0亿m3，年均畜牧产品生产虚拟水分别为445.3亿m3、47.6亿m3、36.7亿m3;河北、天津作物虚拟水呈现下降趋势但变化趋势不明显，北京作物生产虚拟水呈现出持续性的下降趋势;河北、天津畜牧产品虚拟水均呈现出先增加后减少最后趋于缓慢上升态势，北京畜牧产品虚拟水呈现持续下降趋势。（2）2004-2015年河北、天津和北京年均虚拟水消费分别为243.7亿m3、61.6亿m3和98.3亿m3，虚拟水消费均呈现出上升趋势。（3）河北省为虚拟水输出型，输出量呈明显的下降趋势，北京市和天津市为虚拟水输入型，输入量呈增加趋势。（4）2004-2015年年均水资源压力指数呈现河北>天津>北京，水资源匮乏度呈现为天津>北京>河北，水资源自给率呈现河北>天津>北京，北京和天津对外部虚拟水输入的依赖程度逐渐增加。京津冀水资源面临着严重的短缺问题，水资源超载严重。提高农业用水效率，优化种植结构，引导合理的膳食结构调整，从生产和消费两方面同时入手是解决京津冀水资源问题的关键措施。

关键词：虚拟水;生产结构;消费结构;水资源压力

中图分类号：TV213文献标志码：A

Abstract：The water resources security has always been a research hotspot.It is important to understand the utilization of water resources，as well as the sustainable use of water resources from production to consumption.Based on the perspectives of agriculture virtual water，this paper estimated the regional virtual water production from irrigation water and green water，and resident agriculture virtual water consumption from resident dietary consumption，and explored the flow characteristics of agriculture virtual water and its impacts on regional water resource with the production-consumption mode in the Beijing-Tianjin-Hebei region.The results showed that：（1）During 2004-2015，the average annual production of virtual water was 35.31 billion m3，2.29 billion m3，1.60 billion m3 in Hebei，Tianjin and Beijing，respectively，and the annual average production of virtual water for livestock products was 29.09 billion m3，2.40 billion m3，1.79 billion m3.Hebei and Tianjin's crop virtual water showed a downward trend but the trend was not statistically significant.Beijing's crop production virtual water appeared a downward trend.The virtual water of livestock products in Hebei and Tianjin showed anincreasing trend in the early period，then a decreasing trend，and finally a stable but continuous downward trend in Beijing.（2）During 2004-2015，the average annual virtual water consumption in Hebei，Tianjin and Beijing was 34.37 billion m3，6.16 billion m3，and 9.83 billion m3，respectively.Those virtual water consumption all showed an upward trend.（3）Hebei Province exported virtual water，and its output showed a significant downward trend.Beijing and Tianjin were importers of virtual water，and their importing volumes were increasing.（4）The annual average water stress index presented a Hebei>Tianjin>Beijing pattern，water scarcity index Tianjin>Beijing>Hebei，and  water self-sufficiency rate Hebei>Tianjin>Beijing from 2004 to 2015.Beijing and Tianjin increasingly depended on external virtual water inputs.Beijing-Tianjin-Hebei are facing water shortage problems aswater resources were seriously overexploited.Improving agricultural water use efficiency，optimizing planting structure，and guiding rational dietary structures，and taking both production and consumption into account，are key countermeasures to solve the water problems in Beijing-Tianjin-Hebei region.

Key words：virtual water;production structures;consumption structures;water resources stress

水资源是经济发展的基础，水资源短缺和供需矛盾问题逐渐成为制约经济发展的重要因素。20世纪90年代，Allan教授提出一种虚拟在商品中用于表示产品在生产过程中所消耗水资源量的指标，并称之“虚拟水”[1]。虚拟水理论的出现拓展了水文水资源的认知范畴，丰富了解决水问题的途径，虚拟水逐渐成为影响区域水资源管理的重要因素[2-3]。农业作为最大的用水部门，受到国内外学者广泛的关注，并从虚拟水和水足迹的角度对农产品及衍生品从生产[4-6]、消费[7]和贸易[8]等不同的方面进行研究分析。作物种植结构的调整[9]和膳食结构的变化[10-11]对区域水资源需求有重要影响。含在产品中的虚拟水伴随着生产和消费的进行，通过区域贸易产生流动。虚拟水流动完成了虚拟水形态的水资源在地理空间的再分配[12]，通过虚拟水的输入缓解缺水地区的水资源压力成为解决水资源问题的新途径。虚拟水流动的量化主要通过贸易数据或者投入产出表进行计算，前者需要详细的贸易数据，相关研究多集中于全球和国家尺度[13]，后者主要研究蓝水的流动而对于绿水的考量较少。缺乏区域间贸易数据下，王玉宝等[12]基于粮食储量不变原则、社会公平性原则、外部不干扰原则测算了我国省级行政区之间的粮食虚拟水流动量并研究了其节水效应和对区域水资源压力的影响，但此方法一定程度上忽略了虚拟水消费的区域差异性。对于京津冀地区虚拟水的流动的研究多利用多区域投入产出分析进行研究[14]，该方法能够得出区域虚拟水流动状况和区域产业部门间的虚拟水转移，但无法识别具体产品虚拟水生产和消费并且缺少连续年份的研究。基于生产-消费状况揭示区域虚拟水流动，可以很好地引入绿水资源并表征虚拟水的生产-消费结构和虚拟水流动时间变化。

京津冀地区是我国经济最具竞争力的地区之一，同时也是我国水安全保障难度最大的地区[15]。2016年京津冀淡水直接使用量达248.6亿m3（其中农业用水58.7%，工业用水12.6%），污水排放量近55亿t[16]。由于生产方式和经济发展，区域生产结构和消费模式不断改变，切实了解京津冀地区的虚拟水生产、消费和流动变化，对了解区域水资源利用状况进而实现水资源可持续利用具有重要意义。基于此本文从生产和消费两方面对区域农业虚拟水进行了研究，并分析了京津冀地区在生产-消费模式下农业虚拟水流动特征及对区域水资源压力的影响。研究结果可为了解水资源短缺和供需矛盾问题构建健康持续的发展模式等提供参考。

1 数据和方法

1.1 数据及来源

本文气象数据来源于国家气象科学数据共享服务平台，包括气温、平均风速、日照时数、相对湿度、平均水汽压、逐日降水量以及各气象站点的经纬度、海拔高程等。作物面积、产量和畜产品产量等数据来自《河北农村统计年鉴》以及《中国统计年鉴》。居民消费数据来自《河北经济年鉴》、《天津统计年鉴》和《北京统计年鉴》。对于部分缺失数据，本文根据已有数据进行了插补延长（对于单一年份缺失采用前后两个年份均值进行插补，对于连续多年数据缺失采用相邻三个年份的均值进行延长），北京市因为统计年鉴中没有城镇居民消费数据，因此结合居民消费支出和商品价格指数进行推求。

1.2 基于生产的虚拟水的量化方法

1.2.1 作物虚拟水

作物單位质量虚拟水（WV，crop）指单位质量的作物生产过程中消耗的水资源量，包括绿水（WV，green）、蓝水（WV，blue）。各作物产量与当年单位质量虚拟水乘积之和即为当年的作物虚拟水总量。考虑到在水资源短缺的大背景下，实际灌溉不可能实现充分灌溉，尤其是我国北方缺水地区。结合省市行政区划的用水数据，文中采用的作物虚拟水计算方法见下式：

1.2.2 畜牧产品虚拟水

畜类活体的虚拟水含量取决于其整个生长过程中消耗的淡水资源量，包括饲养所用的作物包含的虚拟水含量、日常饮用用水和清洁圈舍和卫生所产生的服务用水[19]。不同区域发展程度和地理位置的差异决定了畜类饲养方式和饲料构成的不同，从而导致虚拟水含量的差别。畜牧产品的虚拟水含量则取决于牲畜的种类和在加工这种产品过程中所消耗的水。由于牲畜及部分作物产品虚拟水含量的计算较为复杂，由此相关产品的虚拟水含量（蓝水和绿水），本文中直接采用文献[5，20]已有成果，见表1。

1.3 基于消费的虚拟水量化方法

消费虚拟水指区域内居民通过消费从而达到占据消费品中所包含的水资源量。虚拟水消费量计算公式如下：

1.4 生产-消费模式下的农业虚拟水流动核算方法

作物生产是区域虚拟水流动的基础，作物通过生长发育将区域水资源转化为作物产品所包含的虚拟水。作物产品虚拟水主要向区域消费和作为饲料为牲畜生长发育提供保障，多余的部分则作为产品进行对外输出。畜牧产品生产虚拟水一部分来源于区域饲料，另一部分消耗来源于饲料的外部输入。而畜牧产品虚拟水的输出端，包含区域消费和作为产品的对外输出。区域消费包含区域内部产品的供给和外部产品的输入。基于区域农业在生产-消费模式下虚拟水流动过程见图1。

2 结果与讨论

2.1 生产虚拟水时间变化

2.1.1 作物生产虚拟水

图2为京津冀地区2004-2015年间作物生产虚拟水年际变化。其中河北省作物生产虚拟水年均353.1亿m3远高于北京和天津，在312.1～394.0亿m3之间上下起伏波动，整体呈现下降趋势，但变化趋势并不明显。天津市年均作物生产虚拟水22.9亿m3，年际间变化幅度较小。北京市由于作物种植面积和生产结构的调整，作物生产虚拟水呈现出了持续性的下降趋势，由2004年的17.5亿m3降为2015年的10.5亿m3。从作物虚拟水构成来看，玉米所占的虚拟水比例逐渐增加而小麦和水稻所占比例逐步降低。参照文献[23]研究成果，京津冀地区玉米等单位质量蓝水需求量较低，对灌溉水需求较少;水稻，小麦等灌溉需水较大;这种种植结构的变化一定程度上减轻了农业灌溉需水压力。

2.1.2 畜牧产品虚拟水

京津冀地区2004-2015年间畜牧产品虚拟水年际变化见图3。京津冀地区畜牧产品虚拟水2004和2005年明显高于其他年份。2004-2005年间，河北、天津畜牧产品虚拟水均呈现出上升趋势，北京市畜牧产品虚拟水略有减少。2006年畜牧产品虚拟水发生了锐减，这与当地畜牧养殖规模的改变有着密切的关联，较2005年河北省、天津和北京畜牧产品虚拟水分别减少了124.7亿m3、14.0亿m3和11.6亿m3，相当于当年畜牧产品虚拟水的三分之一。2006-2015年间河北和天津畜牧产品虚拟水含量平缓上升，而北京变现为略微下降的变化趋势。2004-2015年间京津冀年均畜牧产品虚拟水河北、天津和北京分别为445.3亿m3、47.6亿m3、36.7亿m3。从生产结构来看，高耗水的畜牧产品虚拟水如牛肉所占比例逐渐的下降，禽蛋和猪肉等低耗水产品所占比例进一步增加，这种生产结构的变化有利于减轻畜牧业对水资源的需求。

2.2 虚拟水消费变化

2.2.1 虚拟水消费时间变化

由于缺乏北京市2004年前的居民消费数据，本文计算了2004-2015年京津冀地区虚拟水消费（图4）。河北、天津和北京虚拟水消费均呈现出上升趋势，这与当地经济发展、城市化进程加快和人民生活水平的提高存在密切联系，同时也反映出居民用水需求的进一步增加，给该地区的用水保障问题带来更大的挑战。河北、天津和北京年均虚拟水消费分别为243.7亿m3、61.6亿m3和98.3亿m3，远高于区域水资源总量。与2004年相比，河北、天津和北京2015年消费虚拟水分别增加17.9亿m3、29.7亿m3和24.3亿m3。2004-2015年人均消费水足迹河北、天津和北京分别为342.4 m3/a、483.6 m3/a和526.9 m3/a，人均消费虚拟水同区域发展程度密切相关，经济越发达的地方人均消费虚拟水量越高。

2.2.2 虚拟水消费结构变化

为了解消费结构的变化，本文选取了2005、2010和2015年为典型年，如图5所示。由于人们生活水平的提高和消费观念的改变，虚拟水消费结构呈现出显著变化和区域特性。以2005年为例，河北省粮食虚拟水消费比例远高于天津和北京，畜类产品消费比例略低。与2005年相比，河北省2015年粮食虚拟水消费比例下降了13%，虚拟水消费量下降了27.4亿m3，畜类产品虚拟水消费所占比例增加了7%，虚拟水消费量增加了27.1亿m3，消费结构更加均衡。天津和北京粮食虚拟水消费比例略有减少，食用油虚拟水消费则呈现出增加的趋势。对畜类产品虚拟水消费天津市比较稳定，而北京市呈现下降趋势。考虑消费产品虚拟水含量，对畜类产品的大量消费势必增加区域用水需求，而瓜果蔬菜等低虚拟水含量产品消费的增加能减少消费虚拟水需求，从而改变居民消费观念，引导居民膳食结构的调整，是减少虚拟水消费的有效方式。

2.3 生产-消费模式下农业虚拟水流动变化

本文采用农业虚拟水生产与消费差额表示虚拟水流动量的指标，分析区域生产-消费模式下的虚拟水流动状况。输入产品相当于节省了同样产量的本地产品生产需要消耗的虚拟水量，按照生产、消费的同类型产品，单位质量虚拟水含量是与当地作物生产虚拟水是相等的思想进行论述。

京津冀地区2004-2015年农业虚拟水流动变化见表2。在生产结构、消费结构和人口变化等原因的共同影响下，区域农业虚拟水流动发生了明显的变化。其中河北省为虚拟水输出型，输出量呈明

显的下降趋势，由2004年的151.7亿m3减少到2015年的62.0 m3年均减少8.2亿m3。北京市和天津市为虚拟水输入型，输入量呈增加趋势。相比2004年，2015年天津和北京虚拟水输入量增加了33.3 亿m3和31.5 亿m3。考虑京津冀一体化的大背景，在生产-消费模式下可以看出京津冀从虚拟水输出型转变为虚拟水输入型，区域农业生产虚拟水已

经不能满足于区域虚拟水需求，京津冀对外部虚拟水输入的依靠性逐步加强，虚拟水流入逐渐成为缓解京津冀水资源短缺问题的重要一环。

2.4 农业虚拟水流动对区域水资源压力影响

基于农业虚拟水的核算，本文采用水资源压力系数、水资源匮乏度和水资源自给率三个指标分析农业虚拟水的生产、消费和流动对区域水资源利用和水资源压力产生的影响，见表3。

2004-2015年年均水資源压力指数呈现河北>天津>北京，水资源匮乏度呈现为天津>北京>河北，水资源自给率呈现河北>天津>北京。其中年均[HJ]水资源压力指数河北和天津分别为297%和175%，表示两个地区产品生产虚拟水大于可用水资源量，[HJ]区域水资源承压较大处于超载状态，这与区域生产结构密切相关。河北是典型的农业大省，是我国粮食主产区，为保障区域粮食安全农业需水量旺盛，所以水资源承压较大。天津市水资源压力指数变幅比较稳定，但水资源一直处于超载状态。北京市水资源压力小于100%，并趋于下降，一方面是由于北京市农业种植面积的消减和种植结构的改变带来的农业需水量减少，另一方面南水北调等外部输水增加了区域水资源可利用量减轻了北京水资源压力。2004-2015年河北、北京和天津年均水资源匮乏度分别为172%、396%和460%，三个地区可利用水资源量均不能够满足区域消费的产品和服务的生产需水量，天津和北京的缺水程度远高于河北。2004-2015年河北、北京和天津年均水资源自给率分别为100%、17%和39%。可以看出北京市水资源自给程度最低，83%消费虚拟水严重依赖外部的输入。对比三个地区水资源压力指数和水资源自给率可以看出，水资源自给率越高，水资源压力指数越高，北京和天津通过虚拟水的流入极大程度的缓解了区域水资源压力。考虑京津冀一体化背景下，2004-2015年京津冀年均水资源压力指数219%，水资源匮乏度为224%，水资源自给率为95%。可见京津冀水资源面临着严重的短缺问题，水资源系统严重超载，虚拟水输入逐渐成为区域消减水资源压力的有效措施。