基于MRIO与ESTDA模型的中国水资源流动格局分析

郑靖伟　孙才志

关键词 水资源；水足迹；流动网络；空间集聚格局；时空分布

中图分类号 TV213 文献标志码 A 文章编号 1002-2104（2023）04-0172-12 DOI：10. 12062/cpre. 20221039

隨着经济的快速发展，地区之间的贸易联系不断增强，使得隐藏在商品或服务中的各种资源量也随着贸易在地区之间流动，水资源、能源、粮食、碳排放等在各种尺度下的空间流动，成为资源配置的有效手段［1］。水资源短缺问题一直是全球发展的重要难题之一，各个国家和地区之间不断通过贸易来缓解这一问题，但在一定程度上，会造成部分地区虽然水资源短缺但水资源压力并不大，而水资源富裕的地区却有较大的水资源压力，各地区水资源承载力差异较大［2］。因此，明确水资源的空间流动网络、掌握水资源流入与流出地区空间集聚的时空演变特征，成为目前水资源合理配置的研究重点。

1 文献综述

水足迹这一概念作为目前量化水资源消耗的重要理论，被国内外学者应用在不同空间尺度和产业领域当中。对于不同空间尺度的研究，大多是根据省际贸易和区际差异对水足迹进行深入的研究，Xiao等［3］分析了2013—2018年中国旅游水足迹的变化趋势与区域差异；孙思奥等［4］测算了青藏高原与中国其他地区之间的虚拟水贸易格局；孙才志等［5］测算了2012年中国省际水足迹贸易量以及空间转移格局，探讨了中国2002—2012年水资源流动网络的空间关联性和结构特征［6］，对中国省区和产业的灰水足迹转移进行了计算［7］，量化了2017年水资源在中国42个部门生产链中转移的具体路径［8］。而产业水足迹的研究，在农业中不同空间尺度的应用更为广泛，Long等［9］研究了中国塔里木河流域农业生产水足迹与绿洲农田的时空变化趋势和空间失配程度；郑晓雪［10］核算了2000—2016年吉林省水稻、玉米和大豆生产水足迹的时空差异；EL?Marsafawy 等［11］分析了尼罗河河谷和三角洲内作物水足迹的空间分布；郑翔益［12］探究了不同时间段内中国省际城镇居民和农村居民农产品消费水足迹的时空分布和演化规律；Mao等［13］基于麦田、县域、流域、省域和大流域5个尺度下，计算了2000—2014年中国小麦水足迹的空间分布格局；Arrien等［14］分析了阿根廷某地区玉米水足迹和虚拟水贸易格局；Tamea等［15］探讨了1986—2016年间370种农产品与其他国家之间的水足迹和虚拟水贸易。

现有的研究中，虽然对于中国省际水足迹贸易和产业水足迹时空变化取得了一定的研究成果，但是，缺乏对中国水资源流动网络中省际流入与流出水足迹时空变化趋势和空间集聚特征进行明确的量化，缺乏对中国省际流入与流出水足迹局部空间结构的时空演变特征以及稳定性进行深入的探讨。同时，目前在利用多区域投入产出模型计算农业水足迹时，未计入绿水资源的消耗量，而在农业生产过程中，忽视绿水资源会使农业用水总量存在一定的误差，因此，为保证农业用水数据更加精准，该研究在农业用水中加入绿水资源消耗量。鉴于此，该研究以中国30个省份（限于数据可得性，未涉及西藏、香港、澳门和台湾）为研究对象，以2002年、2007年、2012年和2017年多区域投入产出表为基础数据，在农业用水中加入农作物和农畜产品的绿水资源消耗量，采用多区域投入产出模型（MRIO）计算中国省域的本地水足迹、流入与流出水足迹，分析中国省域流入与流出水足迹空间分布的时空演变特征和流动格局，并在此基础上，利用探索性时空数据分析（ESTDA）法，运用局部空间自相关、LISA 时间路径和时空跃迁分析中国省际流入与流出水足迹空间集聚格局的时空变化，为制定合理的水资源管理政策提供一定的理论依据。

2 研究方法与数据来源

2. 1 数据来源

2002年、2007年和2012年的多区域投入产出表来自国家统计局，2017 年的多区域投入产出表来自Zheng等［16］，为保证研究对象数量的统一性，2007年、2012年和2017年的数据均不考虑西藏和港澳台地区。农业的蓝水数据来自《中国水资源公报》，计算农作物绿水所需的气象数据，包括：降水量、日照时数、风速、温度以及相对湿度，均来自中国气象数据网，第二产业与第三产业下的各细分部门用水数据，根据多区域投入产出表中“水的生产和供应业”在不同省份不同行业的投入比例来量化；由于，第三产业用水量包含在城镇生活用水中，因此利用城镇生活用水减去城市居民生活用水计算得到。农作物和农畜产品的产量均来自《中国统计年鉴》。

2. 2 研究方法

为了能更加准确地分析农业部门的用水量，在蓝水资源的基础上，加入农作物与农畜产品的绿水资源消耗量。由于该研究主要是基于中国各个省份的水资源消耗情况，来分析中国省域间水资源的流动格局，因此不包含中间投入和最终消费部分的进口项，而多区域投入产出表中，进口数据包含在中间使用和最终使用矩阵中，因此需要将数据中的进口部分进行剔除，由此测算了2002年、2007年、2012年和2017年中国各个省份的流入与流出水足迹。

2. 2. 1 农业绿水资源

农作物绿水资源消耗量运用农作物的蒸发蒸腾量结合耕地面积计算得出，由于缺乏各个省份猪和禽类饲料消耗的具体数据，因此该研究只计算牛、羊和奶类的绿水资源消耗量，这三类农畜产品绿水资源消耗量主要集中于饲料，即牧草和草料，因此利用各农畜产品单位质量虚拟水含量进行计算，单位质量虚拟水含量参考孙才志等［17］的研究成果。具体的计算过程在以往的研究成果中有详细描述［7，18］，不再作过多描述。

2. 2. 2 水足迹计算

3 结果与分析

3. 1 中国省域水足迹总量变化及流动格局特征

根据公式（1）—公式（7）计算得出2002—2017年中国各个省份本地水足迹、流入和流出水足迹总量，其中农业绿水足迹与已往的研究结果相近［17，31］。总水足迹等于本地水足迹与流出水足迹的总和，流出水足迹由于加入了出口水足迹，因此与流入水足迹总值不相等，具体结果见表1。

从整体来看，总水足迹在2002—2012年，总水足迹呈上升的趋势，特别是2012年，增长幅度最大，而在2017年大幅度下降；在2002—2017年间，本地水足迹总值大致呈上升的趋势，并且，在总水足迹中占比最大，而流入和流出水足迹总值在2002—2017年呈上升-下降趋势，说明在保持经济总产值稳定增长的同时，水资源消耗量有所减少，表明中国水资源利用效率有所提高，同时水资源在各省份之间链接路径上的流量发生了转变，隐藏在贸易往来产品或服务中的水资源消耗量有所下降，水资源消耗量更多地集中在本地，满足本地的生产和消费需求，进一步说明中国节水政策颇有成效，落实水资源消耗总量和强度双控的政策，以及发挥“两手发力”的作用，均在一定程度上推动了国家节水行动方案的顺利推进。

从水资源流动格局来看，结合表1和图1，①大部分省份流出水足迹在2002—2012 年间均保持着较大的数值，平均值始终保持在111亿m³以上，而在2017年则大幅度下降，平均值为71亿m³。②流出水足迹较大的省份基本不变，大多集中在华南地区、东北地区、华中地区和华北地区，特别是河南、山东、四川、广东、广西、湖北、湖南、安徽、新疆、内蒙古、河北、辽宁、吉林、黑龙江，其流出水足迹均远高于全国流出水足迹平均值，主要原因在于，经济发达的省份在全国经济贸易中占据一定的中心位置，与其他省份之间，特别是邻近省份，存在着对各种资源、产品或服务的巨大贸易量，因此使其具有较高的流出水足迹，而经济较为落后的地区，为了本地经济的快速发展，生产水资源消耗量较大的初级产业，以消耗资源作为与其他经济较为发达省份贸易的“筹码”。③流入水足迹的增长趋势与流出水足迹一样，先上升后下降，流入水足迹较大的省份大多集中在华东地区、华中地区、华北地区和东北地区，特别是浙江、安徽、江苏、上海、山西、河北、北京、天津、河南、山东和广东，其流入水足迹均远高于全国流入水足迹平均值，这些地区，一部分是对资源有巨大需求量且贸易往来较多的经济发达地区，一部分是资源短缺的缺水地区，都使其有较大的流入水足迹。④出口水足迹在绝大部分省份的流出水足迹中占据较大的份额，特别是广东、上海、江苏、浙江和山东，这些沿海城市凭借优越的地理位置，在进出口贸易中始终发挥着较大的作用，因此，这些省份在出口产品或服务中始终消耗较大的水资源量。

从水资源流动网络来看（图2），根据省份间链接路径上的流量，将流动路径分为四个等级。结合表1、图1和图2，研究期間，中国省份间水资源流动网络的空间关联强度较大，在2002—2012年间，第三等级和第四等级流动路径的总数较大，水资源流动的空间关联强度和广度较高，说明在这一期间，隐藏在商品中的水资源消耗量逐渐增加，导致省份间链接路径上的流量也逐渐增加，高等级的流动路径在水资源流动网络中逐渐突出，同时，由于流入水足迹较高的省份大多集中于华东地区、华中地区、华北地区和东北地区，第三等级和第四等级的流动路径也集中分布在东部和中部地区，使得水资源流动网络关联强度的空间分异现象也较为明显；而在2017年，第三等级和第四等级流动路径的总量大幅度减少，第一和第二等级的流动路径逐渐增多，表明中国省份间水资源流动的空间关联强度有所减弱，但关联广度并未明显减弱，主要由于中国的用水和治水理念发生了变化，在经济和社会发展的过程中，更加注重资源的合理利用，避免资源的过度浪费，水资源利用效率有所提高，加之节水政策与方式的不断改进，水资源消耗更多地集中在本地，缓解了部分省份高耗水产业的压力，从而使得在水资源流动网络中，高等级的流动路径集中在少数链接路径上，水资源流动网络关联强度的差异性有所减弱，但是，高等级流动路径的起始点大多为水资源压力较大的西北、东北、华北地区，而终点大多为水资源压力较小的华东和华南地区，因此，还应不断加强水资源空间均衡的系统治理，强化市场配置和政府“两手发力”，逐步完善水资源管控体系，加快节水向各领域、各层次的全面推广。

3. 2 中国省域流入和流出水足迹时空动态特征

上述水资源流动格局和流动网络的分析仅仅反映出中国水资源流动的整体特征，为了进一步分析各个省份流入和流出水足迹的时空变化，结合探索性时空数据分析法进行探讨。

3. 2. 1 局部空间自相关分析

运用局部空间自相关分析中国省域流入和流出水足迹在局部地区的集聚和分异特征，并运用GeoDa软件得到LISA聚类图（图3、图4）。

从图3可知，2002—2017年流出水足迹HH集聚和LL集聚地区的分布范围和总量不断发生变化，即在研究期间，流出水足迹的热点区域和冷点区域并不是固定的。在2002年，流出水足迹热点区域集中在华北、东北和华东地区，冷点区域集中在西南和西北地区；在2007年，华北、华东、东北、华中和华南地区为流出水足迹的热点区域，西南和西北地区为冷点区域；2012年的热点区域集中在东北和华东地区，西北地区为冷点区域；2017年的热点区域集中在东北地区，冷点区域集中在西北地区。综上表明，由于节水制度体系的不断完善，省际流出水足迹总量不断下降，从而导致流出水足迹热点区域的总量不断减少，局部空间集聚性不断下降，呈现出分散的趋势，同时，由于资源禀赋条件和产业结构的不同，省际流出水足迹在下降的过程中，区域间的分化现象逐渐明显，特别是第一产业的相关部门，除此之外，流出水足迹热点区域的分布范围从丰水区逐渐转移到缺水区，丰水区逐渐变为LL集聚区，这种变化趋势在空间分布上是不合理的，不利于水资源调控向空间均衡方向发展，需要充分发挥市场资源调节和政府宏观调控的作用，引导生产与消费需求、贸易结构向低耗水产品转变。

图4为中国流入水足迹LISA聚类图，2002—2017年，流入水足迹的HH集聚和LL集聚地区的分布范围基本保持不变，热点区域大致集中在华东、华中和华北地区，西北和西南地区始终为流入水足迹的冷点区域，并且，随着时间的推移，热点区域和冷点区域的总量基本保持不变，表明流入水足迹的局部空间集聚性较为稳定，结合表1来看，区域间的差值有所减少，水资源空间配置逐渐向合理的方向发展，但是流入水足迹的高值和低值地区基本保持不变，缺水地区仍然保持较低的流入水足迹，丰水地区基本保持较高的流入水足迹，流入水足迹的空间分布仍然存在不合理的现象，这与各个省份的资源需求量、资源禀赋条件、产业结构等有密切的关系，特别是东部地区，尽管水资源较为充沛，但需求量较大，以第二、三产业为主，这就造成在第一产业贸易中隐含大量的虚拟水流入。

3. 2. 2 LISA时间路径分析

根据公式（9）和公式（10）计算得出2002—2007 年、2007—2012 年和2012—2017 年三个时间段内流入和流出水足迹的相对长度和弯曲度，同时通过ArcGIS的自然断点法将其分为4类，即：低相对长度、中等相对长度、较高相对长度、高相对长度；低弯曲度、中等弯曲度、较高弯曲度、高弯曲度。结果如图5—图8所示。

中国流出水足迹相对长度如图5所示。在三个时间段内，相对长度低于平均值的省份数量均大于67%，表明流出水足迹在局部空间结构上具有相对的稳定性。2002—2007年，高相对长度的省份分别是内蒙古、山东、江西和广东，较高相对长度的省份分别为黑龙江、安徽、湖南、福建和云南，说明其局部空间结构具有较强的动态性；2007—2012年，高相对长度的省份为河北和吉林，较高相对长度的省份为山西、陕西、宁夏、山东、河南、安徽、重庆和贵州；2012—2017年，高相对长度的省份为内蒙古、河北、山西和安徽，较高相对长度的省份分别是黑龙江、河南、浙江和贵州。综上来说，流出水足迹高相对长度或较高相对长度大致集中在华北地区和华中地区，局部空间结构具有一定的动态性，流出水足迹增加或下降幅度较大，原因在于，这些地区资源禀赋条件较差，其经济的发展在很大程度上依赖于国家政策的扶持，受国家政策变化的影响较大，同时，虽然受国家“南水北调”工程的影响，在一定程度上缓解了缺水问题，但大部分省份大多生产的是高耗水的初级产品，使其流出水足迹总值较大，特别是河南，粮食作物消耗了较多的水资源，并且这些产业具有替代性，使这些地区与邻近省份之间的贸易往来具有一定的动态变化；华东地区、华南地区、东北地区、西南地区、西北地区大致为低相对长度或中等相对长度，主要原因在于，这些地区一部分省份为水资源密集区，经济发达地区在贸易往来中占据一定的地位，而经济欠发达地区受邻近经济较为发达省份的溢出效应影响，使其贸易往来较为稳定，使其流出水足迹保持在一个较高或中等的水平，另一部分省份为水资源稀缺区，但受国家“振兴东北老工业基地”和“西部大开发战略”的支持，在贸易往来中占据相对稳定的位置，使得其流出水足迹变化幅度较小，保持在较高或较低的水平，具有较为稳定的局部空间结构。

中国流入水足迹相对长度如图6所示，在三个时间段内，相对长度低于平均值的省份数量均大于63%，表明流入水足迹在局部空间结构上具有相对的稳定性。2002—2007年，高相对长度的省份为内蒙古和湖北，较高相对长度的省份为黑龙江、江苏、湖南和云南；2007—2012年，高相对长度的省份分别为内蒙古、黑龙江、湖南、广东和云南，较高相对长度的省份分别为河北、北京、江苏、甘肃、四川、广西和海南；2012—2017年，高相对长度的省份为内蒙古、河北、北京、山东、陕西、江苏、四川、江西和广东。综上来说，高相对长度和较高相对长度主要集中于华北地区和华南地区，主要原因在于，华北地区虽然为国家政策扶持的地区，吸引了很多经济较为发达省份与其进行贸易往来，但是，部分省份产业转型较慢，无法及时跟随国家政策的变化而发展，缺少优势产业的吸引，使得其在贸易往来中较为被动，容易被其他省份所替代，而华南地区，位于珠江三角洲经济带，经济发展水平较高，贸易往来较多，在研究期间始终保持较高的流入水足迹，2002—2007 年流入水足迹保持稳定的增长趋势，而在2007—2017年间，华南地区流入水足迹呈下降的趋势，特别是在2017年，下降幅度较大，使其局部空间结构不稳定；低相对长度和中等相对长度大致集中于华东地区、华中地区、东北地区、西南地区和西北地区，主要原因在于，一部分地区位于长江三角洲经济带，经济发展水平较高，在贸易往来中具有较为稳定的地位，始终具有较高的流入水足迹，而另一部分地区，由于经济发展较为落后、溢出效应影响较弱等因素的阻碍，与其他地区贸易往来较少，流入水足迹也相应较低，从而使这些地区流入水足迹的局部空间结构较为稳定。

从弯曲度来看，如图7 和图8 所示。在三个时间段内，中国省域流入和流出水足迹的弯曲度大致保持在低弯曲度和中等弯曲度，特别是在2002—2007年间，弯曲度小于1的省份占总数的77%以上，说明绝大多数省份流入和流出水足迹增长或下降过程的稳定性较强，受局部空间结构的时空依赖效应影响较小，局部空间呈现出协同发展的趋势。流出水足迹中，2002—2007 年，所有省份均为低弯曲度或中等弯曲度；2007—2012 年，仅有山西为高弯曲度，辽宁、河北和河南为较高弯曲度；2012—2017年，只有山西为高弯曲度，黑龙江、辽宁、河北、河南和湖南为较高弯曲度。流入水足迹中，2002—2007 年，内蒙古、山西、湖北和上海为较高弯曲度，无高弯曲度；2007—2012年，内蒙古和上海为高弯曲度，北京、天津、山西、湖北、湖南广东和四川为较高弯曲度；2012—2017年，內蒙古和上海为高弯曲度，北京、天津、山西、广西和四川为较高弯曲度。上述结果说明，绝大部分省份流入与流出水足迹的变化幅度较为稳定，受邻近省份的影响较小，少数省份则相反，在空间依赖方向上具有较大的波动性，受局部空间范围内各种因素的影响较大，流入水足迹或流出水足迹的增长或下降过程具有较强的动态性。

3. 2. 3 LISA时空跃迁分析

表2展示了2002—2017年中国省域流入和流出水足迹的时空跃迁矩阵，进一步分析中国省域流入和流出水足迹局部空间关联类型的时空演化特征。从整体来看，流出水足迹跃迁类型最多的为Type0 型，所占比例为0. 63，表明绝大部分省份流出水足迹在2002—2017年间未发生显著的状态转移，而流入水足迹Type0型所占比例为0. 31，表明绝大部分省份发生了显著的状态转移；时空凝聚分别为0. 63、0. 58，时空流动分别为0. 37、0. 42，说明流入水足迹的局部空间转移具有相对较低的稳定性，而流出水足迹具有相对较高的稳定性，即某省份与邻近省份之间的空间关系随时间变化的波动性较弱，彼此之间的空间关系较为稳定；相对移动率分别为0. 39、0. 68，说明虽然局部空间转移具有一定的稳定性，但流入水足迹与流出水足迹的转移程度相对较大，特别是流入水足迹。综合来说，中国省域流入与流出水足迹空间格局较为稳定，局部空间的空间凝聚性较强，且流出水足迹的凝聚性高于流入水足迹，但是两者的转移程度相对较大，特别是流入水足迹，应在保持现有的水资源管理与配置的基础上，不断更新理论与方法，使中国水资源流动的格局更加合理有效。

4 结论与政策建议

该研究基于MRIO与ESTDA模型分析了中国省际流入与流出水足迹空间集聚特征和局部空间结构稳定性，得到研究结论如下。

4. 1 研究结论

（1）总水足迹在2002—2017年呈上升-下降的趋势，本地水足迹在总水足迹中占比最大，且呈稳定的增长趋势，流入和流出水足迹在2002—2017年呈上升-下降的趋势；从水资源流动格局来看，流出水足迹多集中在华南地区、东北地区、华中地区和华北地区，流入水足迹大多集中在华东地区、华中地区、华北地区和东北地区；从水资源流动网络来看，在2002—2012年间，高等级流动路径的总数较大，集中分布在东部和中部地区，水资源流动网络关联强度的空间分异现象较为明显；在2017年，高等级流动路径的总量大幅度减少，表明中国省份间水资源流动的空间关联强度有所减弱，但关联广度并未明显减弱，高等级的流动路径集中在少数链接路径上，起始点大多为水资源压力较大的西北、东北、华北地区，而终点大多为水资源压力较小的华东和华南地区。

（2）研究期间，流出水足迹热点区域的总量不断减少，局部空间集聚性不断下降，区域间的分化现象逐渐明显，热点区域的分布范围从丰水区逐渐转移到缺水区，丰水区逐渐变为LL集聚区；流入水足迹热点区域总量基本保持不变，局部空间集聚性较为稳定，区域间差值逐渐减小，分布范围集中在丰水区。

（3）LISA时间路径表明，中国省域流入和流出水足迹的局部空间结构具有相对的稳定性；流出水足迹的高相对长度或较高相对长度大致集中在华北地区和华中地区，局部空间结构具有一定的动态性，华东地区、华南地区、东北地区、西南地区、西北地区大致为低相对长度或中等相对长度；流入水足迹的高相对长度或较高相对长度大致集中在华北地区和华南地区，低相对长度和中等相对长度大致集中于华东地区、华中地区、东北地区、西南地区和西北地区；中国省域流入与流出水足迹弯曲度在三个时间段内，基本保持在低弯曲度和中等弯曲度，说明受局部空间结构的时空依赖效应影响较小，局部空间呈现出协同发展的趋势。

（4）LISA时空跃迁的结果显示，流出水足迹跃迁类型最多的为Type0型，流入水足迹为Type3型，流出水足迹的局部空间转移具有相对较高的稳定性，而流入水足迹具有相对较低的稳定性；局部空间的空间凝聚性较强，且流出水足迹的凝聚性高于流入水足迹，但是两者的转移程度相对较大，特别是流入水足迹。

4. 2 政策建议

从研究结果和结论可知，水资源消耗总量与流动格局不仅仅是一个地区和国家所决定的，不同省份和国家之间由于生产与消费需求、产业结构不同等因素的影响，使得隐含在产品和服务中的水资源消耗总量和流动格局的形成具有复杂性，不同地区或国家承担着生产者或消费者的责任，因此，需要各个地区和国家共同努力与合作，加快推进节水目标的进程。

（1）未来节水政策应当继续充分发挥市场资源配置和政府宏观调控的作用，优化水资源空间配置格局，促使水资源的空间均衡分布；在水利改革现有成就的基础上，不断增强水资源刚性约束作用，完善节水制度体系，同时还应大力推进农业节水灌溉技术，持续加大工业节水减排力度，推进城镇和农村的节水降损宣传力度和实施进度，降低水资源消耗总量，提升水资源利用强度。

（2）充分发挥局部空间带动效应，明确“生产者”和“消费者”的连带责任制度，避免个别省份为了降低本地直接水资源消耗总量，而从其他省份或国家进口，同时加大对“消费者”的水资源奖惩制度，从而带动“生产者”提高水资源利用率，降低水资源消耗总量。例如：上海、江苏等流入水足迹较大的省份，在某一产品贸易过程中，挑选水资源利用效率较高或该产品耗水量较低的省份进行贸易，促使发展较为落后的省份提高水资源利用强度。

（3）“十三五”期间，中国节水行动方案得到全面落实，水资源管理制度与方法发生了深刻的变革，跨省江河水量分配、水资源统一调度取得了实质性进展，不断推进南水北调等重大引调水工程的进展。但在分析水足迹流动格局与查找目前水资源配置资料的过程中，發现在目前的研究成果中，较少考虑和量化“南水北调”等重大引调水工程中的跨区域调水，而这部分水资源总量对于调出区和调入区均产生了不同程度的影响，希望在未来的研究中，能够尝试将工程调水部分考虑到水资源流动格局当中，提高评价结果的精确性和可靠性。

（责任编辑：王爱萍）