山西省农产品虚拟水含量计算与分析

2015-12-15王建云

海河水利 2015年1期

关键词：经济作物山西省农作物

王建云

（山西省吕梁市水文水资源勘测分局，山西吕梁033000）

山西省农产品虚拟水含量计算与分析

王建云

（山西省吕梁市水文水资源勘测分局，山西吕梁033000）

合理计算农产品虚拟水含量是有效推进农业结构调整和虚拟水贸易的重要基础。利用基于对不同产品类型进行区分的农产品虚拟水含量的计算方法，以山西省为例计算其农产品虚拟水含量。结果表明：山西省农产品虚拟水总量的多年平均值为162.98亿m3，其中粮食作物和经济作物分别为158.25亿和4.73亿m3；2000—2011年除谷子、豆类、麻类与烟叶的虚拟水含量的变化幅度较大外，其余农作物的虚拟水含量及生产结构变化不大。研究成果对实现水资源的高效利用和农业经济的可持续发展具有重要的指导意义。

农产品；虚拟水；虚拟水含量；山西省

1 引言

水资源是人类生存和发展的基础，是经济社会可持续发展的重要物质保障，水资源危机己经成为全球关注的焦点问题[1]。山西省人均水资源量381 m3，是全国平均水平的1/6，在水资源严重短缺的同时，农业用水仍然是第一用水大户，2010年用水量为47.1亿m3，占总用水量的62.6%。农业生产过程中需要消耗大量水资源，属于水密集型的产品。虚拟水贸易作为提高全球水利用效率和缺水地区获得水安全的一个重要工具，利用人口、粮食和贸易之间的特殊连接关系，为水资源短缺地区提供了在更大的范围内找寻缓解水资源短缺的新途径[2-5]。山西省农业虚拟水含量的计算与分析，将为满足区域水资源紧缺的水资源需求“开源”同时也为“节流”提供新的思路，对制定山西省水资源安全战略的保障措施及政策具有借鉴作用，对实现水资源的高效利用、农业结构调整和社会经济可持续发展具有重要的现实意义。

2 基本资料

山西省地处黄河中游、黄土高原东部，北界长城与内蒙古自治区接壤，西隔黄河与陕西省相望，南抵黄河与河南省为邻，东依太行山与河南、河北两省毗连。省境轮廓大体呈平形四边形，介于东经110° 15′～114°33′、北纬34°34′～40°43′，南北长628 km，东西宽385 km，总面积15.62万km3，约占全国总土地面积的1.63%。山西省现有耕地369.25万hm2，主要粮食作物有小麦、高粱、豆类和薯类；经济作物有棉花、烟叶、甜菜、胡麻、油菜籽等，大同、太原、忻州、临汾和运城等盆地是山西省的主要农作区。

各种农作物所涉及到的气象气候数据来源于中国气象科学院网站、CLIMWAT 2.0和山西省气象信息网，农作物经济指标数据来源于山西省历年统计年鉴以及中国统计年鉴，农作物系数来源于Chap⁃again。以山西省2000—2011年的各种农作物为研究对象，包括谷物、稻谷、小麦、玉米、谷子、高粱、豆类、薯类、油料、棉花、麻类、甜菜、烟叶13个品种，粮食、经济作物（糖类、油料）2大类。山西省2000—2011年农产品产量统计，见表1。

3 虚拟水含量计算方法

产品和服务的生产通常都需要使用一定的水量，尤其是农产品及其加工产品生产过程中使用的水量更多。产品所含虚拟水的量化一直是虚拟水研究关注的重点，产品虚拟水含量具有两个属性值：一个从消费者的角度，将虚拟水假设为在产品消费地生产这种产品所需的水量；另一个是从生产者的角度，将产品虚拟水含量定义为实际生产单位产品所耗费的水量[6，7]。目前，农产品虚拟水含量计算方法有两种：一种是Zimmer和Renault基于对不同产品类型进行区分的计算方法；一种是Chapagain和Hoekstra提出的研究不同产品生产树的方法[8，9]。笔者在虚拟水计算上选用Zimmer和Renault基于对不同产品类型进行区分的农产品虚拟水含量计算方法，将农作物产品类型分为初级产品、加工产品、副产品及非耗水产品4种主要类型。

表1 山西省2000—2011年农产品产量统计t

3.1 初级产品的虚拟水计算

初级农产品是指直接从作物身上提取的产品，包括谷物、蔬菜、水果等。初级农产品生产需要的水资源主要取决于农作物的类型，生长区域的自然地理条件、灌溉条件和管理方式等。单一农作物产品虚拟水含量首先采用参考作物需水（ET0）乘上作物系数的调整得到作物需水（Kc），然后通过单位作物需水除以作物产量得到单位初级产品的虚拟水含量。其计算公式如下：

式中：SWD[n，i]为n区域i农作物产品虚拟水含量（m3/t）；CWR[n，i]为n区域i农作物产品需水（m3）；CY[n，i]为n区域i农作物产品的单位面积产量（t/hm2）。

作物需水指作物在生长发育期间蒸发蒸腾所消耗的水资源量，通常采用联合国粮农组织推荐的标准彭曼公式进行计算。农作物蒸发蒸腾所消耗的水量采用参考作物的需水（ET0）乘以作物系数（Kc）进行计算。其计算公式如下：

式中：Kc为作物系数；ET0为参考作物潜在蒸散量（mm/d）；ETc为作物蒸散量（mm/d）。

式中：Rn为农作物表面冠层净辐射（MJ/m2/d）；△为饱和水气压与温度相关曲线的斜率（kPa/℃）；G为土壤通量（MJ/m2/d）；T为平均空气温度（℃）；γ为干湿常数（kPa/℃）；es为饱和水气压（kPa）；ed为实测水气压（kPa）；U2为2 m高的风速（m/s）。

3.2 加工产品的虚拟水计算

加工产品是以初级产品为原料进行加工后的产品，如糖（原材料为甘蔗、甜菜）、植物油（原材料为菜籽、胡麻、花生等）、面粉、加工饲料、酒精饮料（原材料为粮食）等。加工产品的虚拟水含量取决于加工中初级产品的投入比例，通常按照初级产品投入重量比例加权得到，同时考虑加工转化效率。如，小麦转化为面粉的转化效率为0.79，从而1 kg小麦的虚拟水含量是1 kg面粉的0.79倍；生产1 kg菜籽油需要2～3 kg的油菜籽，从而1 kg菜籽油的虚拟水含量是1 kg油菜籽的2～3倍。加工产品的虚拟水计算如果涉及到与其他农作物产品一起加工处理时，就需要采用价值构成比例和产品重量比例因子来进行虚拟水含量分配计算。

3.3 副产品的虚拟水含量计算

副产品是指该类农产品的生产主要是为了其他目的而不是他们的营养价值，副产品的虚拟水可以采用副产品价值量比例、所有副产品重量比例和营养均衡规律等不同方法进行计算分配。

第一种方法是按照提供副产品的价值量比例进行分配，这种方法在应用上经常被优先考虑，但因为经济价值是随着时空而发生变化的，副产品的经济价值通常比较低，又经常不能为其他产品所替代。

第二种方法是按照提供的所有副产品的重量比例来分配虚拟水，如1 kg棉花可提供0.625 kg的纤维和0.375 kg的种子，则纤维和种子的虚拟水含量就可以按照这种重量比例关系进行分配。

第三种方法是按照营养均衡规律来进行分配，不考虑实际生产过程用水量，如棉油的虚拟水计算可用其他植物油的虚拟水含量代替。

3.4 非耗水产品虚拟水含量计算

考虑到非耗水产品计算的难度，非耗水产品通常采用营养均衡规律计算方法，或者运用营养物质均衡规则用同样营养价值的替代产品中的虚拟水含量来代替。农作物产品生产需要的水资源主要取决于农作物的类型、生长区域的自然地理条件、灌溉条件和管理方式等，因此农产品的虚拟水估计只是特定地点的一种粗略估计。如，一些动物是用作物秸秆和家庭生活的残余物喂养的，中国80%的猪肉（4.54亿头）生产就是这种类型。还有水产品类和海产品不消耗淡水，这类产品生产的虚拟水消费量计算相当困难，可以通过计算提供同样能量和蛋白质的替代动物的虚拟水含量估计测度出非耗水产品的虚拟水含量。这类产品生产的虚拟水消费量的计算相当困难，但是这部分动物产品占虚拟水消费总量的份额较小，对整个消费量的影响不大。

4 计算结果与分析

运用联合国粮农组织（FAO）推荐的彭曼公式计算各作物的需水量，其运算量非常大。笔者采用的是FAO推荐的关于作物需水量的CROPWAT 8.0软件进行定量化研究。因加工产品、副产品及非耗水产品虚拟水含量较小，这里主要计算农作物初级产品的虚拟水含量，计算结果见表2。

表2 山西省2000—2011年农作物初级产品虚拟水含量亿m3

根据表2可知，多年平均情况下，山西省农产品虚拟水总量的平均值为162.98亿m2，其中粮食作物和经济作物分别为158.25亿和4.73亿m3。2000—2011年山西省农产品的虚拟水总量变化有一定的波动，呈先降低后增加的曲折性变动趋势，最大值为2007年的179.18亿m3，最小值为2001年的119.49亿m3。2000年全省的虚拟水总量为142.62亿m3，2001年虚拟水总量有所下降、变为119.49亿m3，至2004年增加到176.73亿m3，随后至2006年减少到156.25亿m3，自2007年后比较稳定。

从农产品的生产结构来看，多年平均情况下，粮食作物多年平均比重为97.1%，而经济作物仅为2.9%，粮食作物虚拟水生产量的生产结构比重较大的前3位为谷物、玉米和小麦，分别占34.1%、32.8%和20.2%。2000—2011年粮食作物虚拟水生产量的生产结构变化不大，2000年比重较大的前3种为谷物、玉米和小麦，分别占31.4%、22.5%和22.4%；2011年比重较大的前3种为玉米、谷物和小麦，分别占38.3%、37.3%和17.8%；其中，小麦和谷物分别上升5.9%和15.8%，而玉米下降4.6%。

对于经济作物而言，多年平均情况下生产结构比重较大的前3位为油料、棉花和甜菜，分别占50.3%、36.0%和8.4%。2000—2011年经济作物虚拟水生产量的生产结构变化不大，2000年比重较大的前3种为油料、棉花和甜菜，分别占70.8%、13.6%和8.3%；2011年比重较大的前3种仍为油料、棉花和甜菜，分别占40.8%、31.2%和20.8%；其中，棉花和甜菜分别上升17.6%和15.2%，而油料下降30.1%。

根据表1—2，可计算出山西省2000—2011年单位农产品虚拟水含量，见表3。

根据表3可知，从横向来看，各种作物单位农产品的虚拟水含量变化相差不大，单位农产品的虚拟水含量平均值为0.155 0万m3/t，粮食作物和经济作物分别为0.123 6万和0.186 4万m3/t。粮食作物中单位农产品虚拟水含量最大的为豆类、单位农产品平均虚拟水含量为0.247 8万m3/t，其次是谷子和高粱、均为0.150 5万m3/t；虚拟水含量较小的是薯类和谷物，分别为0.068 2万和0.061 1万m3/t。经济作物中单位农产品虚拟水含量最大的为麻类、单位农产品平均虚拟水含量为0.358 3万m3/t，其次是烟叶和棉花、分别为0.261 4万和0.188 5万m3/t；虚拟水含量较小的是油料和甜菜，分别为0.099 3万和0.024 4万m3/t。

表3 山西省2000—2011年单位农产品虚拟水含量万m3/t

从纵向来看，2000—2011年各粮食作物自身的虚拟水含量变化比较稳定，但谷子与豆类的变化幅度较大，最大值分别为2006年的0.256 4万m3/t和2009年的0.309 6万m3/t，最小值分别为2003年的0.087 4万m3/t和2006年的0.186 6万m3/t，分别相差了2.9倍和1.7倍；2000—2011年经济作物自身的虚拟水含量变化也比较稳定，但麻类与烟叶的变化幅度较大，最大值分别为2009年的0.415 7万m3/t和0.290 9万m3/t，最小值分别为2005年的0.289 8万m3/t和2011年的0.231 8万m3/t，分别相差了1.4倍和1.3倍；影响这几种作物变化较大的因素除与作物本身和自然条件的原因外，种值结构也是重要的因素。从另一方面看，尽管其他各作物单位农产品间的虚拟水含量存在差异，但没有与谷子、豆类、麻类和烟叶间的差异大。