灌溉虛擬水流動(dòng)特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)

嚴(yán) 冬，桂東偉，薛 杰，孫懷衛(wèi)，廖衛(wèi)紅

(1.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，武漢 430074；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，烏魯木齊 830011；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038)

由于水資源稟賦以及水資源利用效率不同，國(guó)家或地區(qū)間生產(chǎn)相同產(chǎn)品的水資源成本具有較大差異。中國(guó)水資源分布和社會(huì)需求間存在巨大的矛盾，通過(guò)地區(qū)間虛擬水交易，利用各類商品貿(mào)易中蘊(yùn)含的虛擬水量，可在一定程度上緩解這一矛盾。但由于自然水資源分布和社會(huì)生產(chǎn)耗水狀況之間的格局正在被氣候變化所改變，虛擬水流動(dòng)這樣一種自然水資源間接配置方式所發(fā)揮的作用也在發(fā)生變化。評(píng)價(jià)這種變化，將有助于更全面地了解未來(lái)可能出現(xiàn)的水資源供需狀況。因此，針對(duì)我國(guó)的地區(qū)間虛擬水流動(dòng)特征進(jìn)行分析，并對(duì)氣候變化情景下虛擬水流動(dòng)的響應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有十分重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，已有眾多關(guān)于虛擬水含量[1-4]、虛擬水流動(dòng)[5-9]、氣候變化對(duì)用水[10-13]及水資源影響[14-17]的研究，它們?yōu)橛?jì)算虛擬水流向、流量、評(píng)估氣候變化下水資源供需狀況提供了堅(jiān)實(shí)的理論和方法。但尚未見(jiàn)到分析氣候變化條件下虛擬水流動(dòng)響應(yīng)特征的研究。為此，本文以中國(guó)地區(qū)間農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流量計(jì)算為基礎(chǔ)，運(yùn)用虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度、輸入份額和不均衡程度等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)虛擬水流動(dòng)狀況，并通過(guò)分析各地區(qū)水資源和農(nóng)業(yè)灌溉凈需水量在氣候變化情景下的波動(dòng)，來(lái)評(píng)價(jià)虛擬水流動(dòng)的響應(yīng)特征。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 地區(qū)間虛擬水流動(dòng)

結(jié)合可獲取的資料，定義和計(jì)算地區(qū)間虛擬水流動(dòng)特征。地區(qū)間投入產(chǎn)出表給出了不同地區(qū)、不同部門(mén)(如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)等)間商品的流動(dòng)情況，結(jié)合各商品的虛擬水含量，可計(jì)算各地區(qū)間的虛擬水流動(dòng)量。區(qū)域間投入產(chǎn)出平衡關(guān)系可表示為：

(1)

以該式為基礎(chǔ)，計(jì)算各部門(mén)地區(qū)間虛擬水流量之和為：

(2)

(3)

(4)

1.2 虛擬水流動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為合理評(píng)估虛擬水流動(dòng)特征，提出采用虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度、輸入份額和不均衡程度等3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，定義如下。

(5)

(3) 虛擬水流動(dòng)不均衡程度。借鑒基尼系數(shù)的概念和計(jì)算公式[18]，整體評(píng)價(jià)地區(qū)間虛擬水流動(dòng)格局相對(duì)水資源和經(jīng)濟(jì)總量分布的不均衡程度。首先，分別計(jì)算各地區(qū)水資源量占全國(guó)水資源總量比例、各地區(qū)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值占全國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值比例、各地區(qū)虛擬水輸出量占全國(guó)虛擬水輸出總量比例以及各地區(qū)虛擬水輸入量占全國(guó)虛擬水輸入總量比例。然后，分別按各地區(qū)水資源量和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的大小，從低到高對(duì)各地區(qū)進(jìn)行排序。根據(jù)排序結(jié)果，從水資源數(shù)量最低地區(qū)開(kāi)始，依次計(jì)算各地區(qū)水資源量和虛擬水輸出量的累積比例；從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值最低地區(qū)開(kāi)始，依次計(jì)算各地區(qū)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和虛擬水輸入量的累積比例。據(jù)此，虛擬水輸出格局相對(duì)水資源分布、虛擬水輸入相對(duì)經(jīng)濟(jì)總量分布的不均衡程度GE、GF分別為：

(6)

(7)

式中：ELk、FLk分別為k地區(qū)的虛擬水輸出、輸入量；RLk、GLk分別為k地區(qū)水資源量和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的累積比例。

與基尼系數(shù)一樣，不均衡程度也是一個(gè)介于0和1之間的小數(shù)。

1.3 氣候變化的影響

虛擬水流量和評(píng)價(jià)指標(biāo)與地區(qū)耗水和水資源相關(guān)，而這兩者與氣候變化聯(lián)系緊密。因缺乏工業(yè)、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等部門(mén)耗水受氣候變化影響的資料，本文僅針對(duì)氣候變化通過(guò)農(nóng)業(yè)耗水變化而對(duì)地區(qū)間虛擬水流動(dòng)量及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)生的影響。需要指出的是，氣候變化除了影響農(nóng)產(chǎn)品耗水之外，還會(huì)影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[19,20]和需求[21]，改變農(nóng)產(chǎn)品供需格局，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品流通狀況。因此，氣候變化對(duì)虛擬水流動(dòng)的影響包括了農(nóng)產(chǎn)品耗水和流通兩方面。由于農(nóng)產(chǎn)品流通受到農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格、運(yùn)輸費(fèi)用、糧食購(gòu)銷政策等多方面因素的影響，其變動(dòng)機(jī)制十分復(fù)雜，因此本文僅從農(nóng)產(chǎn)品耗水方面來(lái)進(jìn)行分析。

本文中農(nóng)業(yè)部門(mén)年耗水量?jī)H指各類作物年灌溉需水量之和(相應(yīng)的，后文中的虛擬水及相關(guān)計(jì)算結(jié)果都是關(guān)于農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水的)。對(duì)某一類作物，其年灌溉需水量是作物面積和單位面積年灌溉需水量的乘積，而單位面積年灌溉需水量是各月單位面積需水量的和。對(duì)某一個(gè)月，其單位面積灌溉需水量C按下式近似估算：

C=ET-P

(8)

ET=kET0

(9)

式中：ET為該月作物騰蒸發(fā)量；E為該月有效降水；k為作物系數(shù)[22]；ET0為月參考作物騰發(fā)量。

本文采用彭曼公式的替代公式[23]計(jì)算求得ET0，采用USDA-SCS方法來(lái)計(jì)算求得P。年徑流深R計(jì)算公式[24]為：

R=Pyexp(-Ey/Py)

(10)

式中：Py為年降水量；Ey為當(dāng)年各月潛在蒸發(fā)量的和。

(11)

(12)

2 數(shù) 據(jù)

采用了中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所區(qū)域可持續(xù)發(fā)展分析與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室編制的中國(guó)2007年30省(區(qū)、市)(除了西藏、香港、澳門(mén)和臺(tái)灣)區(qū)域間6部門(mén)(農(nóng)林牧漁業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸及倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)、批發(fā)零售業(yè)、其他服務(wù)業(yè))投入產(chǎn)出表[25]。該表單列了各地區(qū)對(duì)進(jìn)口品和出口品的使用情況，其中間投入反映了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商品在各地區(qū)各部門(mén)的使用情況。各省份水資源量和工農(nóng)業(yè)耗水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自2007年中國(guó)水資源公報(bào)；國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、農(nóng)作物類型和相應(yīng)種植面積數(shù)據(jù)來(lái)自2008年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒。

溫室氣體排放情景，是對(duì)未來(lái)氣候變化預(yù)估的基礎(chǔ)。最新的情景設(shè)計(jì)中，采用了“典型濃度目標(biāo)”(Representative Concentration Pathways, RCPs)，其中：RCP8.5情景為最高的溫室氣體排放情景，主要指輻射強(qiáng)迫上升至8.5 W/m2；RCP4.5情景是2100年輻射強(qiáng)迫穩(wěn)定在4.5 W/m2，考慮了與全球經(jīng)濟(jì)框架相適應(yīng)的、長(zhǎng)期存在的全球溫室氣體和生存期短的物質(zhì)排放；RCP2.6是把全球平均溫度上升限制在2 ℃之內(nèi)的情景。采用北京氣候中心氣候系統(tǒng)模式(BCC-CSM1.1)[26]在CIMIP5試驗(yàn)情景RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5[27]下模擬的2006-2099年降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)；基準(zhǔn)期設(shè)為2006-2010年，并假設(shè)基準(zhǔn)期各省份水資源量和農(nóng)業(yè)單位產(chǎn)值耗水量等于2007年數(shù)值。

3 結(jié)果分析

3.1 農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量

農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量基準(zhǔn)期數(shù)值、非基準(zhǔn)期相對(duì)基準(zhǔn)期的變幅見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，各省市農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量彼此差異巨大，在氣候變化條件下的波動(dòng)也很大，變幅最大值與最小值的差值，最大達(dá)225%(四川)，最小為28%(內(nèi)蒙古)，平均為72%。此外，變幅最大值都大于最小值絕對(duì)值，并且僅有兩個(gè)省市(吉林、山東)的變幅中位數(shù)小于零，這表明在未來(lái)多數(shù)時(shí)期農(nóng)業(yè)灌溉耗水量將增加，這一結(jié)果也與兩省都為農(nóng)業(yè)大省的現(xiàn)狀比較相符。

表1 農(nóng)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值灌溉耗水量Tab.1 Agricultural water consumption of ten thousand yuan output value

3.2 農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)量

如圖1所示，基準(zhǔn)期虛擬水輸出量最大的10個(gè)省市(自治區(qū))由高到低依次是新疆、黑龍江、河北、內(nèi)蒙古、安徽、廣西、湖南、江蘇、江西和吉林，占全部省市虛擬水輸出總量的75.3%；基準(zhǔn)期虛擬水輸入量最大的10個(gè)省市(由高到低)是山東、上海、廣東、江蘇、河北、天津、河南、浙江、北京和吉林，占全部省市虛擬水輸入總量的71.6%。這歸因于兩方面因素。一是這10個(gè)省市多為發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)外省市產(chǎn)品需求量大；二是外省市生產(chǎn)耗水量大，產(chǎn)品虛擬水含量高。

圖1 基準(zhǔn)期各省市虛擬水輸入、輸出量Fig.1 Virtual water imports and exports of all provinces in base period

3.3 農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度

匯總RCP26、RCP45和RCP85情景下未來(lái)各時(shí)期計(jì)算成果，統(tǒng)計(jì)得到各省份虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度的最大值、中位數(shù)、最小值和基準(zhǔn)值，見(jiàn)圖2和圖3。虛擬水輸出強(qiáng)度較高的省市是天津、河北、寧夏和新疆，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他省份，組成了虛擬水輸出第一梯隊(duì)；虛擬水凈輸入強(qiáng)度較高的省市是天津、北京和上海。其中，天津的虛擬水輸出和輸入強(qiáng)度都是全國(guó)最大，但因?yàn)樘摂M水輸入強(qiáng)度太高，以致虛擬水凈輸入強(qiáng)度的各個(gè)統(tǒng)計(jì)值遠(yuǎn)高于其他省市。

在虛擬水凈輸入強(qiáng)度為負(fù)值的省份中，河北、寧夏和新疆由于虛擬水輸出強(qiáng)度大，其凈輸出強(qiáng)度顯著大于其他省市。結(jié)果表明，擁有高虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度的省市具有更大的變幅，同時(shí)，高強(qiáng)度省份存在明顯差異，表明這些省份的虛擬水輸出強(qiáng)度在未來(lái)多數(shù)時(shí)期內(nèi)存在明顯的增加或下降等變化。這些情況說(shuō)明，高虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度省市受氣候變化影響的程度更大。

圖2 虛擬水輸出強(qiáng)度Fig.2. The intensity of virtual water export

圖3 虛擬水凈輸入強(qiáng)度Fig.3 The intensity of virtual water net import

圖4 虛擬水輸入份額Fig.4. The scale of virtual water import

3.4 農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水輸入份額

各省市虛擬水輸入份額統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，具有極高輸入份額的北京、天津和上海這3個(gè)直轄市組成了第一梯隊(duì)，河北、吉林和山東組成了第二梯隊(duì)，浙江、廣東、河南、重慶和陜西則組成了第三梯隊(duì)；這些梯隊(duì)輸入份額都在40%以上。第一梯隊(duì)的中位數(shù)都高于基準(zhǔn)值，說(shuō)明未來(lái)大部分時(shí)期虛擬水輸入對(duì)這些地區(qū)的重要性還將進(jìn)一步增加。同時(shí)，高虛擬水輸入強(qiáng)度屬于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人均水資源量較少的地區(qū)，高虛擬水輸出強(qiáng)度省市多屬于經(jīng)濟(jì)中等發(fā)達(dá)地區(qū)，輸入份額較大的省市多屬于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)或中等發(fā)達(dá)地區(qū)。在氣候變化條件下這些省市受到的影響比其他地區(qū)要大得多。

3.5 農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)不均衡程度

綜合各個(gè)情景下的計(jì)算結(jié)果，在基準(zhǔn)期年和氣候變化條件下，虛擬水流動(dòng)不均衡程度見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，虛擬水輸出格局相對(duì)水資源分布的不均衡程度數(shù)值較高，但虛擬水輸入格局相對(duì)經(jīng)濟(jì)總量分布的不均衡程度數(shù)值較低。

表2還列出了在基準(zhǔn)期年和氣候變化條件下水資源分布相對(duì)經(jīng)濟(jì)總量分布的不均衡程度。對(duì)比數(shù)值，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水輸出格局不均衡程度(基準(zhǔn)值為0.511)高于水資源分布(基準(zhǔn)值為0.402)，表明農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水輸出加強(qiáng)了水資源分布的不均衡性。但虛擬水輸入格局不均衡程度(基準(zhǔn)值為0.142)低于水資源分布，說(shuō)明農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水輸入緩解了水資源分布不均的影響。以上虛擬水流動(dòng)對(duì)水資源分布均衡性產(chǎn)生的正面和負(fù)面影響，說(shuō)明我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量占全國(guó)比例較高的地區(qū)輸入的虛擬水量多來(lái)自水資源量占全國(guó)比例較低的地區(qū)；比較氣候變化條件下不均衡程度的變化，氣候變化對(duì)該情勢(shì)沒(méi)有顯著影響。

表2 虛擬水流動(dòng)不均衡程度Tab.2 The extent of virtual water inflow

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度、輸入份額和不均衡程度等評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于中國(guó)地區(qū)間投入產(chǎn)出表給出的省市間貿(mào)易關(guān)系，結(jié)合氣候模式輸出結(jié)果計(jì)算得到的水資源量和農(nóng)業(yè)單位產(chǎn)值耗水量變化情況，分析了中國(guó)30個(gè)省市間農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水的流動(dòng)特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度、輸入份額和不均衡程度等評(píng)價(jià)指標(biāo)較好評(píng)價(jià)了我國(guó)地區(qū)間農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)特征及其對(duì)氣候變化的影響。本文所建立的假設(shè)及研究方法，能夠結(jié)合資料的可獲取性，所獲得的結(jié)果與實(shí)際情況相符。

(2)從農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)強(qiáng)度和輸入份額的結(jié)果可見(jiàn)，高虛擬水輸入強(qiáng)度屬于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人均水資源量較少的地區(qū)，高虛擬水輸出強(qiáng)度省市多屬于經(jīng)濟(jì)中等發(fā)達(dá)地區(qū)，輸入份額較大的省市多屬于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)或中等發(fā)達(dá)地區(qū)。

(3)對(duì)30個(gè)省市整體農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)不均衡程度的分析表明，農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水輸出格局的不均衡程度較水資源分布為高，而農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水輸入格局的不均衡程度比水資源分布要低。氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水輸出格局有顯著影響，使得未來(lái)大部分時(shí)期農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水輸出格局變得更加不均衡。

需要指出的是，本文在不同氣候變化情景中都使用了同樣的地區(qū)間投入產(chǎn)出關(guān)系，這與實(shí)際情況有偏差。地區(qū)間農(nóng)產(chǎn)品供需狀況是影響地區(qū)間投入產(chǎn)出關(guān)系的一個(gè)主要因素，而農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)都受到氣候變化的顯著影響。此外，市場(chǎng)和政策的波動(dòng)也會(huì)影響地區(qū)間的產(chǎn)品流動(dòng)。若能量化這些因素的變化對(duì)地區(qū)間投入產(chǎn)出關(guān)系的影響，則有望獲得對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉虛擬水流動(dòng)狀況更精確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

□

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