中国农产品虚拟水—耕地资源区域时空差异演变，本文主要内容关键词为：耕地论文,中国论文,农产品论文,差异论文,区域论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2008-09-03
文章编号：1007-7588(2009)01-0084-10
1 引言
粮食安全和水资源安全是关系国计民生的重大问题，尤其是在全球化背景下，中国的粮食安全与水安全问题已成为备受世人瞩目的热点。虚拟水概念的引入为分析和研究水资源与粮食安全问题提供了新的思路。基于国内外学者对虚拟水贸易和水足迹的研究[1-4]，本文在计算我国各地区主要农产品虚拟水总量的基础上，借助锡尔指数对我国1996年-2006年11年间东中西三大地带、南北方的八大地区的农产品虚拟水-耕地资源空间差异进行分解；另外引入区域分离系数进行区域差异分析，探讨地均农产品虚拟水收敛与发散的空间分布格局。同时对粮食产品虚拟水流量与区域资源经济要素的关系进行初步探究。旨在揭示我国农产品虚拟水-耕地资源时空差异演变特征以及地均农产品虚拟水区域差异背后的农业集约化时空分布特征，为制定不同区域类型的农业发展对策提供相应的理论依据。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
研究所需数据主要来源有：①国外在研究农作物需水量，数据一般参考联合国粮农组织Climate数据库或借助Cropwat需水量计算软件；虽然国内有相应的计算作物需水量的软件，但由于缺乏相应的气象数据，因此本文农作物需水量的确定主要参考相关资料的数据[5]；②国内外农产品虚拟水含量研究文献；③各类农作物单产的数据来自于1997年-2007年《中国统计年鉴》[6]，《中国农业年鉴》、《历年中国农业发展报告》数据资料等。以中国大陆30个省、市、自治区(未包括台湾、香港和澳门)为研究区域，对主要农产品分为二大类11小类：粮食类(水稻、小麦、玉米、大豆、薯类)及经济作物类(棉花、油料作物、甘蔗、甜菜、烟草、麻类、蚕、茶叶、水果)。
2.2 研究方法
2.2.1 虚拟水计算方法 本研究中虚拟水的计算方法是按照国内外目前通用的作物产品虚拟水含量计算公式为：
近似等于农作物实际在生长发育期间累积蒸发蒸腾水量
。这主要是由于农作物的需水量很大程度上取决于其成长期间积累的蒸发蒸腾水量，而作物本身的含水量只占很少的一部分，可以忽略不计。因此，将农作物在生长发育期间累积蒸发蒸腾水量作为农作物总的需水量。
由于地域、气候的差异，中国各地区主要农产品单位质量虚拟水含量差异是非常大的，因此分省市计算单位产品虚拟水含量，从而得到我国各地区各类农产品单位质量虚拟水含量(表1)。总体来说，单位产品虚拟水含量的计算归结为：农作物单位面积上的需水量/农作物单位面积上的产量。
2.2.2 农产品虚拟水锡尔(Theil)指数空间差异分解 锡尔指数又称锡尔熵，由Theil and Henri于1967年提出的，适用于空间差异的地区分解。根据其适用性，引入农产品虚拟水锡尔指数，对农产品虚拟水与耕地资源地区差异程度进行空间上的分解，将农产品虚拟水与耕地资源的空间差异分解成两部分，
根据Walsh等的相关研究[8]，锡尔指数中的区域之间差异和区域内部差异能进一步组合成一个反映区域之间相对分离的衡量—区域分离系数(Separation index)，计算公式为：
2.2.3 农产品虚拟水-耕地资源基尼系数 基尼系数又称洛伦兹系数(Lorenz Coefficient)，由意大利经济学家基尼(Gini)于1922年提出的一种反映分配公平性的指标。根据基尼系数的内涵，本文引入农产品虚拟水-耕地资源基尼系数，以量化地区农产品虚拟水与耕地资源在空间上的差异程度，虚拟水-耕地基尼系数为0，表示二者分布完全均衡，基尼系数为1，表示二者分布极不均衡。在[0，1]区间数值越小，表示二者分布的均衡程度就越强；反之则表明二者的地区分布差距正在不断扩大。这里仅采用梯形面积法[10]，其公式为：
3 中国农产品虚拟水-耕地资源空间差异的演变特征
由于锡尔指数可通过识别不同空间尺度的区域差异，进而分解区域的整体发展差异。因此，将中国30个省市(自治区)划分为八大区域[12]以及东中西三大地带[13](表2)，分解中国农产品虚拟水-耕地资源的空间差异。
3.1 农产品虚拟水-耕地资源区域差异分解
根据锡尔指数公式得出1996年-2006年中国农产品虚拟水-耕地资源区域差异分解情况(表3)，同时计算农产品虚拟水-耕地资源基尼系数。发现锡尔指数和基尼系数两种差异测度方法所得的中国区域虚拟水-耕地空间总差异变化趋势基本一致(图1)。11年间总锡尔指数和基尼系数均呈现出先上下波动，后明显下降，最后趋于平缓的趋势；表明农产品虚拟水-耕地资源的区域总差异经历了“上下震荡-持续下降-相对平缓”的过程。2005年锡尔指数和基尼系数分别为0.194、0.217，均达到11年间的最小值，表明自2000年开始中国区域农产品虚拟水-耕地资源地区总差异呈缩小态势，逐渐收敛趋同。同时基尼系数历年在0.28以下，均小于0.4基尼系数的“警戒线”，体现出地区农产品虚拟水的发展与耕地资源之间具有很大程度上的一致性，二者之间呈现明显的正相关关系。
图1 中国农产品虚拟水区域总差异演变趋势
Fig.1 Evolution of regional crop product virtual water inequality in China
3.2 中国农产品虚拟水区际间及内部空间分异动态演变特征分析
表3为农产品虚拟水-耕地资源的区域差异的空间结果，表明总锡尔指数和八大区域间锡尔指数I[，BR]、地带内部差异I[，WR]历年变化趋势均呈现出波动性下降趋势，表明自1996年来中国农产品虚拟水-耕地资源的区域总体差异呈现出缩小的趋势；11年间八大地域间区域差异对全国整体差异的贡献率较高(64％～69％)；可见八大区际间差异是决定中国农产品虚拟水-耕地资源空间分异格局形成的主要因素。
图2、图3分别为1996年-2006年农产品虚拟水-耕地资源中国南北方以及八大地域内部差异的演变趋势。可以看出，中国农产品虚拟水-耕地资源的南北方区域内部差异1996年-2006年间北方内部锡尔指数(0.019～0.033)，均低于南方内部锡尔指数(0.037～0.048)。自2004年以后，南北方的区域内部呈现出收敛趋同的新格局。
从表4我国农产品虚拟水-耕地资源八大区域内部差异看，其组内锡尔指数较大的是西南、黄淮海、长江中下游、东北地区，表明其农产品虚拟水-耕地资源区域内部差异较大，由于这几大区域内部集中分布着我国重要的商品粮食大省，区内农业发展水平参差不齐。相比之下，组内锡尔指数较小的是华北、东南、华南、西北地区，表明这些地区虚拟水-耕地资源区域内部差异较小。值得注意的是华南地区自1999年开始，其组内锡尔指数持续下降至近年来的较低水平。
从农产品虚拟水-耕地资源的组内锡尔指数的近年发展趋势看可分为3类(图3)：
(1)第一类为缓慢上升型，以西北、长江中下游地区为代表，表明农产品虚拟水-耕地资源地区内部差异在拉大。这主要是由于政策的引导、科技水平的提高使其自然生态环境逐步改善，区域内部的差异拉大的背后显示出其农业集约化的总体水平在加速上升的发展模式。
(2)第二类为震荡波动型：东北、东南、黄淮海地区组内锡尔指数起伏较为明显。其中东北、东南地区组内锡尔指数以一波动轴上下震荡明显；黄淮海地区组内锡尔指数震荡幅度最大；东南地区差异的演变过程基本上服从威廉姆逊的“倒U型”曲线变化规律，呈现出农业发展初期差异趋于扩大，后阶段差异趋于缩小的阶段性演变特征。2003年其组内锡尔指数达到一个较高的水平。不难发现黄淮海、东北地区均是我国重要的商品粮基地，随着我国农业集约化水平的快速提高，区域内部各省市间的农产品虚拟水差异表现尤为明显。
(3)第三类为缓慢下降型，以华南、华北、西南地区为代表，组内锡尔指数对总体锡尔指数的贡献率分别介于1.03％～4.38％、0.16％～1.34％、6.19％～10.14％之间，可见八大区域内部差异中西南地区对总体差异的形成起了至关重要的作用，西南区内的四川境内的成都平原作为我国重要的九大商品粮基地之一，具备较好水热匹配条件，因而形成较大的区域内部差异。华南地区组内锡尔指数近年来持续下降，这主要是由于华南地区地处于临海的低山丘陵地区，具备较好的水热匹配条件，依托较高的科技水平使本区农业集约化水平跃居于全国平均水平之上，本区虚拟水-耕地资源的区域内部差异逐年减小，也预示今后在没有重大改革的情况下，区域内部差异仍会持续下降到较低水平。总体来看，西南、长江中下游地区组内锡尔指数对总体锡尔指数的贡献率最高，对区域内部差异对总体差异的产生影响最大。
以东、中、西三大地带为区域单元的组内锡尔指数结果看(图4及表4)，东中西组间锡尔指数IBR对总锡尔指数的贡献率介于29.12％～37.61％，低于组内锡尔指数。可见，东、中、西三大地带内部差异对全国总体差异的影响起着主导作用。中部地带组内锡尔指数最大，东、西部地区组内锡尔指数相对较小，中部地带组内锡尔指数对总体锡尔指数的贡献率介于37.12％～40.48％之间，表明中部地带的虚拟水区域差异是全国农产品虚拟水区域差异形成的主要原因。这主要是由于中部地带集中了全国部分重要的粮食生产基地(松嫩平原、三江平原、江淮平原、洞庭湖平原等)，同时地带内部的农业集约化水平差距较大，黑、吉两省虽地处于东北平原上，耕地资源较丰富，但由于纬度较高，低温冷害的侵袭使农作物产量不高不稳。随着人口增长，人地矛盾的增强，森林过伐，毁林开荒等土地不合理利用人为因素破坏了自然生态，使本区土地生产效率降低。因此，搞好商品粮基地建设首要任务是改善农业生态环境，兼顾经济、生态、社会效益，建立高效多层次多功能的复合生态结构。相比之下，东部地带内的广东、广西、山东、江苏、福建等沿海省市农业集约化水平较高，地均农产品虚拟水均排在我国前十位。虽然其耕地资源有限，但随着经济的快速腾飞和高科技技术的发展，各地农业的集约化水平近年来一直呈现出加速发展的态势。
4 中国地均农产品虚拟水变化与区域差异的演变分析
4.1 区域分离系数演变趋势
区域分离系数表示区域空间相互分离状况的大小，反映了区域差异的空间结构变化趋势。选取耕地最少的东南地区作为参照区域，计算我国八大地区、东中西三大地带、南北方农产品虚拟水-耕地资源的区域分离系数(表5)，发现1996年-2006年间南北方分离系数整体呈波动性下降趋势；表明了南北方农产品虚拟水逐渐收敛趋同，南北方之间的空间极化性越来越弱的波动态势。
4.2 地均农产品虚拟水变化对区域差异收敛与发散的空间分析
中国区域农产品虚拟水-耕地资源总差异的缩小，并不是一些省市地均农产品虚拟水下降造成的，而是其增长速度不同。因此对于任何一个省市的地均农产品虚拟水(不管高于还是低于全国平均水平)，只要在考察期内趋近于全国的平均水平，就认为是收敛，反之则为发散[13-15]。为此将1996年-2006年间各省市的地均农产品虚拟水增长对虚拟水区域差异收敛或发散的影响分为6种发展模式(见图5)。
图4 中国东中西农产品虚拟水区域内部差异分解
Fig.4 Regional inequality of crop product virtual water between eastern,central,western China
(1)向上发散型。其地均虚拟水高于全国平均水平，并快于全国平均发展速度，主要包括安徽、河北、河南、湖南、广西、海南、四川，其农业集约化水平较高，农业发展基础较好。
(2)向上收敛型。地均虚拟水发展速度快于全省平均速度，越来越接近全省平均水平，但总体水平仍低于全国平均水平，呈现出向上收敛的趋势。分布于辽宁、吉林、黑龙江、贵州、云南、西藏、甘肃、宁夏、新疆9个省市。以上两种发展模式均呈农业集约化加速发展的趋势。
图5 中国地均农产品虚拟水增长的收敛与发散(1996年-2006年)
Fig.5 Converging and diverging trends of crops virtual water per cultivated land in China
(3)向下发散-向上收敛型。主要包括天津、山西、内蒙古、陕西、青海等省市。由于近年来生态环境的改善和技术水平的提高，农业发展一直呈现出上升趋势。农业集约化发展速度经历了“先减慢-后加快”的过程，但农业集约化水平始终在全国平均水平之下。
(4)向下收敛-向上发散型。分布于江苏、江西、山东、湖北等省市，农业集约化发展速度经历了“减慢-加快”的过程，但农业集约化水平始终在全国平均水平之上。
(5)向下收敛型。分布于浙江、福建、广东3省。其农业集约化水平高于全国平均水平，但发展速度较慢，在总体发展过程中表现为下滑的趋势。
(6)向下收敛-向下发散型。分布于北京、上海。农业集约化发展速度减速，但农业集约化水平始由1996年高于全国平均水平转变为2002年以来的低于全国平均水平。上述两种发展模式在总体发展态势呈持续下滑走低的态势。这主要是由于作为政治、经济中心的北京市以及经济高度发达的现代化城市上海市，以及浙江、广东等沿海的开放城市在经济的腾飞的过程中已经在一定程度上制约了农业的发展进程。
5 粮食产品虚拟水区际间流量与区域资源经济要素的关系初探
虚拟水贸易区域间流量一直是近年来研究的热点和难点，虚拟水区域间流量是在考虑粮食国际贸易量后，不能自给的二级区首先从同为一级区的临近二级区调入粮食。在考虑粮食的国际贸易量和同为一级区调入后，仍不能自给的二级区从其他一级区调入粮食，调出量在调出的二级区间平均分配。
基于以上假设，马静等人曾对我国八大区域间以粮食为载体的虚拟水流量进行计算[16，17]。殷培红曾对我国粮食供需平衡格局进行过研究[18]，结果表明21世纪初我国主要的余粮区集中在两大区域内：①地势二级阶梯以东，包括东北地区、黄淮海平原，湘、赣、鄂、闽等四省，北方多于南方；②400mm等降水线以西地区，包括甘肃、宁夏、内蒙古、新疆、雅鲁藏布江谷地。总之，东北、黄淮海平原、长江中下游地区是我国三大余粮生产区。地势二级阶梯上的农牧交错带是我国粮食安全最脆弱的地区。基于以上的研究成果，本文得出我国农产品虚拟水流动的格局(见表6虚拟水净出口量)。
根据农业资源态势的主要影响因素的定性判断研究[19]，将八大区域的粮食产品虚拟水净出口量与耕地资源、水资源、人口、农产品虚拟水、GDP进行秩相关分析，进而计算出粮食虚拟水净出口量与各资源经济要素间的秩相关系数(表7)。从表7中的虚拟水净出口量与各种资源的秩相关系数看，相关性较大的是耕地资源、地区农产品虚拟水数量及其人口的数量。相比之下，水资源、GDP与粮食虚拟水流量的相关性均较弱。值得注意的是虚拟水净出口与水资源呈负相关，从而加重我国部分地区水资源的压力。由此可见，农产品虚拟水流动的主要驱动因素是耕地资源而不是水资源，农产品虚拟水与地区虚拟水净出口量呈现较强的正相关关系。可见，耕地资源丰富的地区其虚拟水的流出量较多，即为余粮区(如东北地区、黄淮海平原地区)；耕地资源贫乏的地区(地势二级阶梯上的农牧交错带)即为缺粮区，其虚拟水的流入量也较高。
6 结论与讨论
(1)1996年-2006年中国农产品虚拟水与耕地资源的基尼系数介于0.2～0.3之间，表明二者分布“相对均衡”，且均衡程度在增强。基尼系数历年在0.266以下，均小于0.4基尼系数的“警戒线”，体现出地区农产品虚拟水的分布与耕地资源之间具有很大程度上的一致性，二者之间呈现明显的正相关关系。而水资源与农产品虚拟水的基尼系数介于0.44～0.56之间，均大于0.4基尼系数的“警戒线”，表明水资源天然禀赋并非是影响农产品虚拟水地区差异最关键的因素。因此，地区耕地资源对虚拟水的影响作用至关重要。
(2)农产品虚拟水-耕地资源的总锡尔指数和基尼系数两种差异测度方法所得的中国区域虚拟水-耕地空间总差异变化趋势基本一致；表明农产品虚拟水-耕地资源的区域总差异经历了“上下震荡-持续下降-相对平缓”的过程。自2000年开始中国区域农产品虚拟水-耕地资源地区总差异呈缩小态势，逐渐收敛趋同。
(3)通过锡尔指数的空间地域差异分解发现，在1996年-2006年间，中国农产品虚拟水区域总差异整体以及东、中、西三大地带、南北方、八大区域之间虚拟水-耕地资源的区域差异均呈减弱趋势。八大区域间的差异及其东、中、西三大地带的内部差异对全国总体差异的影响起着主导作用。八大区域中西南、长江中下游、东北地区的区域内部差异较为显著。中部地带成为东中西三大地带农产品虚拟水-耕地资源区域内部差异的主要因子。
(4)通过区域分离系数的计算分析得出，南北方的区域分离系数表现出收敛趋同的空间分布特征。根据各省市地均虚拟水演变对中国虚拟水-耕地资源区域总差异(收敛与发散)的贡献程度，主要表现出6种不同发展模式。研究结果能够揭示地均农产品虚拟水的空间分异特征规律，从而为制定不同区域类型的农业发展决策提供相应的理论参考。
(5)借鉴前人的研究成果，对我国八大区域间的虚拟水流量与各种资源经济的关系进行初步探讨。通过对虚拟水净出口量与各种资源的秩相关系数的计算，表明驱动农产品虚拟水流动的主要因素是耕地资源而不是水资源，同时也表明，农产品虚拟水与地区虚拟水净出口量呈现较强的正相关关系。鉴于目前对虚拟水区域间的量化研究还缺少相关的数据和资料，因此对虚拟水区域间的流动格局的测算也有待于今后进一步的研究。
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