虚拟水价值视角下新疆主要农作物种植偏好及布局研究

方 芳，马 琼

(塔里木大学 经济与管理学院，新疆 阿拉尔 843300)

水资源安全被认为是国家和社会发展、地区稳定的基础性要素。我国缺水形势严峻，总缺水量400 亿m3，农业缺水占到3/4。新疆深居内陆，先天降水不足，单位面积水资源量只有5.3 万m3/km2，属于极度干旱缺水地区，水资源已成为新疆农业发展的关键限制性因素。因此，如何优化水资源配置是新疆农业发展中亟待解决的问题。根据庇古的“福利经济学理论”，要使社会福利最优化，要求社会生产中各部门的资源配置达到帕累托最优状态。新疆维吾尔自治区“十三五”规划(种植业)提出要按照“稳粮、调棉、增饲、发展特色”的思路进一步优化种植业产业结构[1]。因此，通过计算虚拟水价值研究新疆主要农作物的种植布局，为调整农作物的水资源配置提供依据，对实现新疆生态与经济协调可持续发展具有重要意义。

1993年Tony Allan教授提出“虚拟水”和“虚拟水战略”[2]。我国自2003年程国栋教授首次将“虚拟水”概念引入以来[3]，马玉波计算了2012年中国对俄农产品贸易中虚拟水的含量[4]，朱启荣对中国进出口中虚拟水输出量进行了定量分析[5]，李凤丽等利用投入产出法分析了山东省1997-2012年虚拟水的变化趋势[6]，张杰等测算分析了广西主要农作物的虚拟水含量，并据此提出了广西农业产业结构的优化对策[7]。龙爱华、徐中民等以甘肃省为例提出了水足迹的概念[8]。

梳理文献发现：在研究内容上，大多学者从虚拟水含量的视角研究了农作物的水资源配置、国际间和省际虚拟水的贸易流动和贸易结构，从虚拟水经济价值的层面对农作物种植布局进行研究的极少，并且从更加微观的层面、以新疆各县为研究单位的不多；在研究方法上，目前采用最多的是根据农作物的需水量计算农作物单位虚拟水含量。根据农作物需水量计算农作物的单位虚拟水产量，进而测算农作物的单位质量虚拟水价值。在经济发展相对缓慢落后、水资源极度匮乏的新疆，农业是社会发展和国民经济的重要支柱产业，研究新疆各县市农作物的单位虚拟水价值，以提高缺水地区水资源的利用价值，为合理配置农业水资源、规划新疆农作物的种植布局提供依据。

1 研究区域概况

新疆曾是古“丝绸之路”的重要通道，现在又成为第二座“亚欧大陆桥”的桥头堡，战略地位十分重要。同时是我国种植业大省，2016年新疆水资源总量只有全国的3.37%，农业用水占全疆总供水量的94.32%。新疆水利厅报道全疆现状水资源开发利用率为69.4%，水资源总体上开发利用过度。新疆属于温带大陆型气候，降水少，气候干燥，2016年全疆年均降水量为139.93 mm，尤其是新疆南疆与东疆气候极其干旱，2016年年均降水仅61.95 mm。

2016年新疆农作物播种总面积为621.727 万hm2，小麦、玉米、棉花、水稻、甜菜和薯类是主要的农作物，播种面积占新疆农作物播种面积的73.03%，其生产耗水量(249.43 亿m3)占新疆农业用水量(533.3 亿m3)的46.8%。从图1看出：主要农作物种植面积最大的是伊犁，其次是喀什、阿克苏、塔城、昌吉和巴音郭楞。小麦主要分布在伊犁、喀什和昌吉，这3个地区小麦的种植面积为77.34 万hm2，占全疆小麦总面积的59%；玉米主要分布在伊犁、喀什和塔城，这3个地区玉米的种植面积为76.5 万hm2，占全疆玉米总面积的66%；棉花主要分布在阿克苏、喀什和博尔塔拉，这3个地区棉花的种植面积为110.4 万hm2，占全疆棉花总面积的61%；水稻主要分布在阿克苏、伊犁及和田，这3个地区水稻的种植面积为3.9 万hm2，占全疆总水稻面积的77%；甜菜主要分布在伊犁、阿克苏和巴音郭楞，这3个地区甜菜的种植面积为4.46 万hm2，占全疆甜菜总面积的75%；薯类主要分布在喀什、昌吉和伊犁，这3个地区薯类的种植面积为1.57 万hm2，占全疆薯类总面积的55%。

图1 新疆2016年主要农作物种植面积Fig.1 Xinjiang's main crop planting area in 2016

与其他产业不同，种植业对自然资源的依赖程度较高，气候、土壤和水资源的差异决定了农作物专业化格局的优劣，吕娜娜等[9]研究表明在中国西北干旱区，水资源已经成为制约当地农业生产和发展的限制因素。位于西北干旱区的新疆，有着丰富的耕地储备资源，是全国大型的粮棉基地。自改革开放以来的近半个世纪，新疆的绿洲农田面积显著扩张，尤其是新疆棉花，高产高质，2016年新疆棉花产值已占到全国棉花总产值的70%以上。近年来，新疆棉花仅有20%供应自身的纺织工业原料，而80%的新疆棉花进入了国内或国际市场，从虚拟水贸易的角度来讲，这相当于在以棉花为载体输出虚拟水资源。马林潇等[10]认为在“三条红线”用水指标的约束下政府如何制定种植结构布局，最大限度地实现区域生态、经济、社会三方面效益的协调统一，提高农户收入，促进新疆农村经济稳定发展，都是保证新疆种植业持续健康发展中亟待解决的问题。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究方法

(1)农作物单位质量虚拟水价值的计算：用农作物单位虚拟水产量乘以农作物的价格得到。农作物单位虚拟水产量根据农作物需水量与农作物产量计算得到，如下式：

(1)

式中：SWP(n,c)为n区域c农作物的单位虚拟水产量，kg/m3；SWR(n,c)为n区域c农作物生长期内的需水量，m3/hm2；CY(n,c)为n区域c农作物单产，kg/hm2。

(2)农作物需水量SWR(n,c)的计算：虚拟水包括虚拟蓝水、虚拟绿水。虚拟蓝水是指把河流、湖泊等地表和地下的水通过灌溉方式输送到农作物，虚拟绿水是指由降雨和降雪形成的水资源[11]。农作物虚拟水含量的测算采用Penman-Monteith公式，如下式：

ETc=ET0Kc

(2)

(3)

式中：ETc为n区域c农作物生长期内的土壤蒸发量，mm/d，即农作物的需水量SWR(n，c)；ET0为参考下垫面的土壤蒸发量，mm/d；Kc为农作物系数，用来修正参考农作物与实际农作物之间的差异；Δ为饱和水汽压-温度曲线的斜率；Rn为农作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；r为干湿表常数，kPa/℃；T为农作物生长区的平均温度；ea-ed为饱和水蒸气压力差，kPa；U2为农作物生长区2 m高度处的风速，m/s。

2.2 数据来源

农作物虚拟水含量的计算是从CROP和CLIMATE数据库提取相关的气候、土壤数据，借助FAO推荐的CROPWAT8.0软件得到参考农作物的需水量，然后根据中国自然历[12]和中国主要农作物等值线图[13]得到6种主要农作物的参考系数Kc值，对参考农作物需水量进行修正。6种主要农作物的种植面积和产量数据来源《新疆统计年鉴2017》，农作物价格来源《中国农产品价格调查年鉴2017》。

3 数据处理结果与分析

3.1 数据处理结果

首先由公式(1)～(3)得到农作物虚拟水产量，然后根据农作物的价格得到6种农作物的单位虚拟水价值。如图2所示：

图2 2016年各地州主要农作物单位虚拟水价值Fig.2 Virtual water value of main crops in various states in 2016

6种农作物的虚拟水价值最高的地区分别为阿克苏的小麦(3.86 元/m3)、博尔塔拉的玉米(6.73 元/m3)、伊犁的棉花(2.08 元/m3)、伊犁的水稻(3.34 元/m3)、巴音郭楞的甜菜(7.05 元/m3)、喀什的薯类(10.72 元/m3)。小麦单位虚拟水价值高于全疆平均值的地区依次为阿克苏、克孜勒苏柯尔克孜、塔城、巴音郭楞、伊犁、昌吉、喀什，玉米依次为博尔塔拉、塔城、伊犁、阿勒泰、克拉玛依、乌鲁木齐，昌吉，棉花依次为伊犁、塔城、博尔塔拉、克拉玛依、昌吉、巴音郭楞、阿克苏，水稻依次为伊犁、博尔塔拉、阿克苏、乌鲁木齐、塔城，甜菜依次为巴音郭楞、昌吉、伊犁、塔城、克孜勒苏柯尔克孜，薯类依次为喀什、昌吉、博尔塔拉、伊犁、哈密、阿勒泰、吐鲁番。

农作物种类间单位虚拟水价值存在较大差异，虚拟水价值最大的农作物是薯类，为8.34 元/m3，最小的是棉花，为1.51 元/m3。表明如果以产值为标准衡量，薯类是节水型农作物，棉花是高耗水型农作物，在种植结构调整时缺水地区应重点考虑增加薯类这样的节水型农作物。

3.2 基于虚拟水价值的不同地区农作物种植偏好分析

3.2.1 对应分析方法

对应分析[14,15]的本质是一种在低维空间中用图形方法表示联系的技术，可以将它看作是一种标度变换法。对应分析最大特点是能把众多的样品和众多的变量同时做到同一张图上，将样品的大类及其属性在图上直观而又明了地表示出来。借助SPSS软件进行对应分析，结果显示：第一维的惯量比例占总比例的57.3%，第二维的惯量比例为28.6%，两个维度累积解释惯量比例为85.9%，表明两个维度解释了虚拟水价值量85.9%的信息量，可以很好地反映变量间关系。首先对得到的对应图进行编辑，以某一种农作物为圆心作圆，根据目标点与试验点的距离判断偏好。因此在对应分析图上用距离来表示农作物种植偏好的大小，距离圆心作物越近的地区，也就越具有这种农作物的种植偏好，相反，离圆心作物越远的地区，种植这种农作物的偏好就越小(图3中，作物代号分别为：1-小麦，2-玉米，3-棉花，4-水稻，5-甜菜，6-薯类；地区代号分别为：1-乌鲁木齐，2-克拉玛依，3-吐鲁番，4-哈密，5-昌吉，6-伊犁，7-塔城，8-阿勒泰，9-博尔塔拉，10-巴音郭楞，11-阿克苏，12-克孜勒苏柯尔克孜，13-喀什，14-和田)。

3.2.2 对应分析结果

(1)在小麦的对应图上离小麦最近的是阿克苏，小麦的种植面积为15.388 万hm2，占全疆小麦总种植面积的11.8%。其次是博尔塔拉、伊犁、塔城、和田、乌鲁木齐，表明从虚拟水价值视角看这几个地区较适宜种植小麦。离小麦较远的是吐鲁番、克拉玛依、昌吉，表明这几个地区较不适宜种植小麦，结合种植规模来看，小麦主要种植在伊犁、喀什、昌吉，而吐鲁番不种植小麦，克拉玛依小麦种植面积仅0.023 万hm2，种植规模化程度不高。

(2)在玉米的对应图上离玉米最近的是阿克苏，其玉米的种植面积为9.794 万hm2，占全疆玉米总种植面积的8.4%。其次是博尔塔拉、伊犁、塔城，表明从虚拟水价值视角看这几个地区较适宜种植玉米。离玉米较远的是吐鲁番、克拉玛依、克孜勒苏，表明这3个地区较不适宜种植玉米。结合种植规模来看，玉米主要种植在伊犁、喀什、塔城，而吐鲁番、克拉玛依、克孜勒苏这3个地区玉米种植面积为2.864 万hm2，占全疆总面积的2.47%，种植规模较小。

(3)在棉花的对应图上离棉花最近的是阿克苏，其棉花的种植面积为48.612 万hm2，占全疆棉花总种植面积的27%。其次是伊犁、塔城、博尔塔拉，表明从虚拟水价值视角看这几个地区较适宜种植棉花，离棉花较远的是吐鲁番、克孜勒苏、哈密、克拉玛依、喀什，表明这几个地区较不适宜种植棉花。结合种植规模来看，棉花主要种植在阿克苏、喀什、巴音郭楞，而克拉玛依、吐鲁番、哈密、克孜勒苏棉花种植面积5.456 万hm2，占全疆总和的3%，喀什种植面积为40.218 万hm2，规模较大。

图3 各地州农作物种植偏好分析图Fig.3 Analysis of crop planting preferences in different states

(4)在水稻的对应图上离水稻最近的是克孜勒苏，其水稻的种植面积为0.063 万hm2，占全疆水稻总种植面积的1.2%。其次是和田、乌鲁木齐、阿克苏，表明从虚拟水价值视角看这几个地区较适宜种植水稻，离水稻较远的是吐鲁番、昌吉、阿勒泰、水稻、巴音郭楞，表明这些地区较不适宜种植水稻。结合种植规模来看，水稻主要种植在阿克苏、伊犁、和田，而吐鲁番、哈密、昌吉、阿勒泰无水稻种植，巴音郭楞水稻种植面积仅有0.03 万hm2，规模较小。

(5)在甜菜的对应图上离甜菜最近的是巴音郭楞，其甜菜的种植面积为0.85 万hm2，占全疆甜菜总种植面积的14.3%。其次是昌吉、克拉玛依、塔城，表明从虚拟水价值视角看这几个地区较适宜种植甜菜，离甜菜较远的是克孜勒苏、吐鲁番、喀什、哈密、乌鲁木齐、和田，表明这些地区较不适宜种植甜菜。结合种植规模来看，甜菜主要种植在伊犁、阿克苏、巴音郭楞，而克孜勒苏、吐鲁番、喀什、哈密、乌鲁木齐、和田均无甜菜种植。

(6)在薯类的对应图上离薯类最近的是哈密，其薯类的种植面积为0.108 万hm2，占全疆薯类总种植面积的1.1%。其次是阿勒泰、喀什、吐鲁番、昌吉、博尔塔拉、阿克苏、伊犁，表明从虚拟水价值视角看这几个地区较适宜种植薯类，离薯类较远的是克孜勒苏、克拉玛依、和田，表明这3个地区较不适宜种植薯类。结合种植规模来看，薯类主要种植在喀什、昌吉、伊犁，克拉玛依无薯类种植，克孜勒苏与和田薯类种植面积为0.107 万hm2，占全疆总和的3.74%，种植规模较小。

3.3 主要农作物主产县虚拟水价值与自治区种植业“十三五”规划契合度分析

为了从更加微观的层面分析不同地区农作物的虚拟水价值的差异，根据上述公式计算了新疆64个主产县主要农作物的单位虚拟水价值，表1列出了农作物虚拟水价值由高到低排名前三的县，发现虚拟水价值最高的是拜城县的小麦、温泉县的玉米、沙湾县的棉花、察布查尔锡伯自治县的水稻、轮台县的甜菜、裕民县的薯类。尤其是裕民县的薯类，其虚拟水价值高达15.48 元/m3。从县际层面分析，虚拟水价值排列前三位的主产县中，拜城县的小麦、温泉县的玉米、沙湾县的棉花均与自治区种植业“十三五”规划(种植业)中“重点创建优质高产高效区”一致，轮台县的甜菜符合“十三五”规划(种植业)中“南疆地区农业产业规划布局，巴音郭楞要兼顾油糖，发挥主要龙头示范作用”，裕民县的薯类符合“十三五”规划(种植业)中“重点发展南疆20个马铃薯主产县”。总体来看，各类农作物主产县的单位虚拟水价值与自治区种植业“十三五”(种植业)规划的契合度较高。

表1 2016年各类农作物主产县虚拟水价值Tab.1 The value of virtual water in the main producing counties of all types of crops in 2016

3.4 种植业结构调整后总产值的变化分析

为了进一步研究农作物的种植布局对虚拟水产值的影响，用单位虚拟水价值与农作物年生产耗水总量的乘积测算主要农作物的虚拟水总产值，并比较农作物种在虚拟水价值最高区与最低区总产值的差异。如表2所示，棉花的生产耗水量最多，如果调整种植结构，棉花的虚拟水产值增加最多，为103.12 亿元，其次为玉米、小麦、水稻、甜菜、薯类，合计增加601.25 亿元，占新疆2016年第一产业GDP(1 648.97 亿元)的36.46%，可见农作物的种植布局对虚拟水产值有较显著的影响。

表2 2016年种植业结构调整后总产值的变化情况Tab.2 Changes in total output value after adjustment of crop plant structure

4 讨 论

(1)新疆各地的6种主要农作物种植规模与虚拟水种植偏好存在显著差异，表明主要农作物的布局结构在考虑自然资源条件时(土地、光照、气温、水)，并不是以水资源为关键因素，而是首先考虑了土地和光温条件，以获得高产为目标。但新疆尤其南疆是极度干旱地区，水资源缺乏是农业发展的关键限制因素，从虚拟水价值视角看，新疆尤其南疆应首先考虑水资源条件，布局耗水少、虚拟水价值高的农作物。

(2)研究发现需水量大的农作物其虚拟水价值就相对较小。根据张润等[16]在2015年研究了新疆主要农作物的虚拟水含量，指出棉花虚拟水含量最高，其次为小麦、玉米，而经计算发现棉花的虚拟水价值最低，其次为小麦和玉米。但不同农作物的虚拟水价值高低与虚拟水含量的大小程度之间又有细微的差别。

(3)种植业结构布局与各主产区种植优势的讨论。由于各主产区的气候环境等资源禀赋与灌溉方式等存在差异，单位虚拟水价值高的地区不一定产出最优的品质，规模化的种植区其农作物的单位虚拟水价值却不一定最高。仅从虚拟水价值视角研究农作物的种植布局，在规划农作物的种植布局时应结合当地的资源条件等实际情况。新疆棉花产量高，品质好，成为棉花天然的优良生产基地。但是棉花属于高耗水型农作物，因此应该综合考虑，在调整外显性种植布局的同时注重内涵式品质的提升，对于虚拟水价值相对不高却具有农作物种植优势的地区，应着力发展特色优质品种，同时推广节水技术，提高灌溉效率。

5 结 语

(1)主要农作物的单位虚拟水价值在种类与区域上存在显著差异，6种农作物中，薯类的单位虚拟水价值最高，其次是甜菜、玉米、小麦、水稻，棉花最低。因此，新疆这样极度干旱地区想要打破农业缺水的瓶颈，可以将虚拟水价值的空间差异列入调整农作物种植布局的影响因素中。

(2)不同农作物的种植规模与种植偏好存在差异。对应分析显示具有农作物种植偏好的地区，其种植规模不一定很大，但是大部分农作物种植偏好较小的地区，其种植规模也小。从更加微观的县际层面分析，六种农作物虚拟水价值较高的主产县与自治区种植业“十三五”规划中“重点创建优质高产高效区”的契合度较高。

(3)种植业结构调整后总产值增加。从虚拟水价值视角分析，各类农作物种植在虚拟水价值最高区比最低区虚拟水总产值增加601.25 亿元。说明调整农作物的种植布局可以带来产值的增加，提高缺水地区水资源的利用价值。