1.3　国内外相关理论研究进展综述

1.3.1　虚拟水的基本理论

1.3.1.1　虚拟水的概念

1.虚拟水的初步萌芽

进入20世纪末，经济全球化已成为各个国家与地区经济社会发展进程中的一大重要趋势，与此同时，资源配置的全球化亦成为当地经济政策与环境政策中的关键环节。作为具有社会公益与经济价值双重属性的特殊商品，水资源的合理配置逐渐成为了学术界与政策界关注的焦点。伴随着水资源分布严重不均与短缺程度的加重，水资源商品化与资源配置全球化的趋势成为虚拟水概念应运而生的现实背景。

在虚拟水的概念正式提出之前，虚拟水贸易的思想就已经在一些缺水国家开始萌芽。20世纪80年代，以色列的经济学家通过研究指出，出口水资源密集型的产品对于严重缺水的以色列来说并不合理[10]，并就缓解国内水资源压力的难题，提出了通过粮食贸易减少国内水资源消耗的方法。后经有关学者实证得出，在1970—2000年的30年间，以色列每年的粮食进口以10%的速率递增，20世纪90年代其农产品贸易达到国内总消费量的1/3，成为全球最大的农产品进口国。尽管这一想法当时并未引起国内外学术界的足够重视，但却与后来提出并快速发展的虚拟水思想不谋而合。

2.虚拟水的正式提出

1993年，英国伦敦大学的Tony Allan教授在SOAS的一次讨论会上正式提出了虚拟水（Virtual Water）的概念，并相继对虚拟水及虚拟水贸易的含义进行了界定。他认为，虚拟水是指体现在国际粮食作物贸易中的水，因为粮食商品的生产需要消耗水资源，粮食贸易的背后隐含着看不见的水资源交易，这一部分水被称为虚拟水。之前，Allan曾使用过“嵌入水”的概念[11-12]，但这一思想当时并未引起水管部门的关注。作为水和粮食贸易的创造性的暗喻，虚拟水逐渐成为水问题和农业研究领域讨论和研究热点。最初，Allan认为，虚拟水是指生产农产品所需要的水资源量[13]，因而常与粮食安全问题联系起来，水资源短缺的国家可在国际市场上购买部分粮食产品替代本国生产，以缓解本国的水资源短缺，尤其当国际市场上粮价低于水资源缺乏国家的粮食生产成本时，更能够凸显这一战略的经济价值。

随着虚拟水概念的不断深化，国外学者Haddadin和世界银行的经济学家McCall也曾经分别提出“外来水”（Exogenous Water）和“水、粮食及贸易的结合体”（Water Food and Trade Nexus）[14]，旨在表达同样的含义，但与Allan曾使用的“Embedded Wate”的概念一样，都未引起水问题专家的注意。此外，Merrett将虚拟水定义为粮食出口中的作物需水量（Crop Water Requirements of Food Export）[15]，但定义中只涉及了水资源与农作物的生产，并未体现粮食进出口对于水资源体制与贸易政策的影响，因此稍显片面与狭窄。

3.虚拟水的内涵体系

尽管虚拟水概念提出的初衷是为了指出贫水国家和地区可以通过水资源密集型的农产品贸易来减少水赤字，但虚拟水的应用领域却并不局限于农业部门。Bouwer认为，虚拟水的概念可用于分析农业之外的生产活动，缺水国家可以通过进口高耗水型商品、低耗水型商品突破自身资源禀赋的制约，扩大对外贸易并促进经济发展[16]。于是，在Hoekstra等学者进一步的深入研究中[17]，虚拟水的概念不断得到延伸，从最初专指生产农产品中所需要的水资源量拓展到生产商品和服务所需的水资源数量。虚拟水贸易则是指缺水国家或地区通过贸易的方式从富水国家和地区购买水密集产品来缓解本国或本地区的水资源压力，实现当地的水资源安全及食品安全。

2000年，在荷兰海牙举行的第二次世界水论坛上，发布了《21世纪水安全——海牙部长级会议宣言》，共享水资源与用水安全成为论坛的重要议题：促进和平合作，发展不同用水户之间的协调；对于同流域或跨流域的项目通过持续性流域管理或其他方式展开合作。尽管当时虚拟水的概念未得到专题讨论，但其思路无疑为实现水资源安全和水资源共享提供了全新思路。除了虚拟水概念的提出和完善，已有学者针对中东、东非地区就虚拟水展开实证研究，但研究深度和研究成果尚处于起步阶段。

2002年年底，国际虚拟水贸易专家会议在荷兰代夫特（Delft）举行，标志着虚拟水的概念从此成为国际学术界的关注焦点。会议目的在于交流与虚拟水贸易主题相关的科学知识，回顾这一领域的发展，并就虚拟水的未来研究议程展开讨论[18]。

2003年3月，在日本举行的世界水论坛上，虚拟水贸易问题又一次成为学者讨论的焦点，议题涉及虚拟水、世界范围的虚拟水贸易及地区间的虚拟水贸易、水足迹、水管理政策以及日本虚拟水研究案例。4月份，世界水论坛组织了虚拟水贸易与地缘政治学电子会议，就之前论坛的主题深入讨论，主要围绕在四个方面，即虚拟水贸易对于改进水资源的可得性有无作用；虚拟水对于依赖贸易的国家有无影响；虚拟水及水足迹对水资源消费的作用机理；虚拟水概念的推广等。两次国际会议肯定了虚拟水贸易在解决全球水安全方面的作用，同时也标志着虚拟水概念的成熟。

4.虚拟水的概念拓展

至今，虚拟水已成为一个被广泛使用的科学概念。随着虚拟水概念的不断深化，相关的子概念也被逐渐派生出来。我国学者程国栋最早引入虚拟水及虚拟水战略[19]，认为虚拟水理论是保证我国水资源安全的新思路和新方法。此后，我国学者也对虚拟水的概念进行了相应研究，如刘保勤通过大量的文献综述，从虚拟水含量、虚拟水出口量、虚拟水进口量、虚拟水流、虚拟水平衡五个方面阐述了虚拟水的概念体系[20]。

（1）虚拟水含量（Virtual Water Content）是指生产该产品或者该项服务所需要的水资源数量。根据不同的研究需求，虚拟水含量可以按照从产品实际生产地生产该产品所需要的水资源数量来计算，也可以假设为如果在产品消费地生产该产品所需要的水资源数量。

（2）虚拟水出口量（Virtual Water Export）是指一个国家或地区其出口产品或者服务中所含的虚拟水资源，也就是生产用于出口的所有产品或者服务所需要的水资源数量。

（3）虚拟水进口量（Virtual Water Import）是指一个国家或地区其进口的产品或者服务中所含的虚拟水资源，即出口国家或地区生产这些产品所需要的水资源量。对于进口国家或地区来说，这部分水资源是一种具有“外来”性质的资源。

（4）虚拟水流（Virtual Water Flow）是指不同国家或地区间由于贸易而导致的相互间的虚拟水流动，它具有矢量的特点，既有大小又有方向，从出口国家或地区指向进口国家或地区。国内文献[21]中首次使用了虚拟水流的概念，研究了金融危机前后我国农产品贸易中的虚拟水流动变化格局。

（5）虚拟水平衡（Virtual Water Balance）可定义为一个国家或地区在一定时间段上的虚拟水净进口量，即总的虚拟水进口量减去总的虚拟水出口量，正平衡意味着从其他国家或地区有虚拟水流净入，负平衡则说明存在着虚拟水净流出。

虚拟水概念的提出结合了农业科学和经济学的思想，强调了水是农业生产乃至整个经济社会发展的关键因素。农业科学关注的是生产粮食需要消耗水，而经济学则更多关注于粮食生产用水的机会成本，投入粮食生产的水可以用于其他用途，如生产替代作物或供应城市、工业和娱乐活动用水等。两方面涵义的结合意味着虚拟水概念追求合理的水资源管理，在综合考虑影响水资源供求的各方面因素基础上优化其配置[22]。

1.3.1.2　虚拟水的分类

虚拟水的概念提出之后，部分学者根据实体水的用途结构将虚拟水概念进一步细化分类，这不仅使得虚拟水的概念更加丰富，并且将虚拟水的研究领域从水量的多少拓展到水质的优劣，从水资源的数量拓展到水生态环境质量。现有研究对于虚拟水的分类主要有以下几种。

1.绿虚拟水、蓝虚拟水和稀释虚拟水

A.K.Chapagain等将虚拟水分为绿虚拟水、蓝虚拟水和稀释虚拟水[23]。其中，绿虚拟水和蓝虚拟水分别指农业生产过程中消耗的绿水和蓝水，而稀释水则是指农产品在生产过程中产生的污水稀释到达标水时的用水数量，因此被常用来评价一个国家或地区的水污染状况。在对棉花种植用水的实证中，研究得出棉花在种植过程中主要产生的是绿虚拟水和蓝虚拟水，而稀释虚拟水则主要产生于农作物的加工过程。这说明，对于主要进行原材料出口贸易的国家或地区来说，由于大量的绿虚拟水和蓝虚拟水被出口国外，原材料的出口将不利于该国或该地区的水资源节约。而依靠加工原材料出口的国家则由于产品在国内的加工而产生大量虚拟水，水资源总量受到的影响程度较小，但对水质将产生较大影响。A.K.Chapagain等的计算结果表明，与棉花产品有关的国际贸易中蓝虚拟水占43%，绿虚拟水占40%，稀释虚拟水占17%。

2.淡水虚拟水和污水虚拟水

伴随虚拟水的概念从农产品扩展到所有商品和服务业的范畴，Guan Dabao等将虚拟水分为淡水虚拟水和污水虚拟水两类[24]。其中，淡水虚拟水是指商品在生产过程中所消耗的淡水资源。而污水虚拟水则是指国家进口商品和服务所能避免产生的污水数量，这是由于商品和服务在生产过程中不可避免地产生一定数量的污水。由此看来，对于商品进口国，淡水虚拟水就是进口水资源，而污水虚拟水也是相当于间接进口了淡水资源，有利于保护本国的环境与生态安全。

1.3.1.3　虚拟水贸易的理论支撑

1.资源流动理论（Resources Flows）

人类活动离不开对物质和资源的利用和消耗，经济过程和环境通过物质和能源流动联系起来，这种流动成为了环境问题的主要根源，如生态有害物质的效应、物理化学变化（酸雨等）、营养效应（富营养化及采矿引起的地下水危机）、机械损失（挖掘等）和结构变化（如景观变化）等[25]。准确地估算区域维持正常经济运转所需要的自然资源量，正确地理解自然资源的社会代谢过程，即自然资源在经济社会中的流动过程，不仅有助于了解经济活动与自然环境的关系，认识区域的资源自给能力和经济的对外依赖性，而且能够为制定提高自然资源利用效率、控制环境污染提供政策参考[26]。许多发达的工业化国家已经从物质流或资源流的角度结合社会经济实践开展了大量实证研究，并成为指导当地经济发展的科学依据。

资源流动是指在人类活动作用下，资源在产业、消费链条或不同区域之间所产生的运动、转移和转化，包括资源在不同地理空间资源势的作用下发生的空间位移（横向流动）和资源在原态、加工、消费、废弃这一链环运动过程中形态、功能、价值的转化过程（纵向流动）。资源流动研究涉及生态学、社会学、经济学等多学科内容，体现了资源生态系统动态性、整体性、综合性的特点。区域间资源不平衡分布和经济发展对资源需求程度的差异是资源流动的驱动因素[27]。基于生态经济学理论，强调供给驱动和需求驱动的资源流动过程，前者强调资源供给对生产的影响及生态过程对自然过程的影响，后者则注重用户需求对产品生产的影响，即经济驱动作用。英国科学家系统分析了与国家经济活动密切相关的资源流动过程，构建了资源流动研究的概念框架，目前已被学术界广泛接受，成为资源流动理论的基本框架[28]，如图1-2所示。

资源流动涉及的资源包括原材料或产品，原材料开采后可直接消费或与其他物质或产品相结合生产最终产品。对物质和产品的消费产生废料和废气。资源流动同时包含隐形流动，即没有直接被消费或形成产品的资源。资源存储指在经济活动中保留的资源量，也就是流入、流出某特定经济过程的资源量之差。

目前，虚拟水的理论已成为资源流动研究的重要领域，其研究从水资源利用过程和机理入手，通过准确估算区域社会经济运转所需要的水资源量，分析水资源在国家或区域间的空间流动以及水资源在社会经济各产业间的纵向流动过程，揭示社会经济活动对水资源系统的影响，从而为解决区域水资源短缺、提高区域水资源利用效率、制定合理的水资源安全战略提供科学依据。

2.资源替代理论（Resources Substitution）

从可持续发展的角度分析，技术进步的意义是实现资源的替代。经济的进步是建立在不断发现新的资源和更加有效地利用资源的基础上的，是资源开发利用和资源替代交织的发展进程。社会生产发展过程的总体趋势是：生产结构的升级意味着自然资源分别被劳动力、物质资本、技术知识所替代；劳动力可以替代自然资源，但又可被物质资本、知识所替代；物质资本可替代自然资源、劳动力，但又可被技术知识所替代；知识可以替代自然资源、劳动力和资本。同种资源有多种用途，各种用途在社会和经济发展中发挥的作用不同，其重要程度也不同，由此可将其使用领域划分为重要领域、次要领域与一般领域。对资源应用领域进行排序，应首先满足社会经济重要领域的应用，其次满足次要领域的应用，最后满足一般领域的应用。由此看来，“资源替代”意味着在生产规模扩大当中，外部的资源替代自身资源、较高层次的资源取代着较低层次资源所起的作用[29]。

在水资源管理的研究中，有关水资源替代方面的成果较为少见。这是因为传统的观点认为，水资源在人类社会经济发展中的作用具有不可替代性。但就某个国家或区域来说，尽管水作为一种稀缺性资源，同样具有可替代性。一方面，缺水地区可以通过跨地区调水，用其他地区的水资源来替代本地区的水资源；另一方面，根据姚治君的观点，水资源仅仅是生产要素中的一种，提高农业科技水平，调整和优化全要素的投入及农业产业结构，就能大大提高水资源的生产效率，起着替代水资源的作用。虚拟水理论的提出突破了传统水利观点的束缚，结合了农业科学与经济学的思想，不仅分析水资源在生产过程中的消耗，同样关注水资源在社会经济中的机会成本，如投入粮食生产的用水可以用于工业和服务业等其他用途。从其现实意义分析，缺水国家或者地区可以通过虚拟水贸易直接获得需要用水资源进行生产的产品，从而节约本国或本地区参与生产消耗的那部分水资源，实现水的资源替代，而这种替代已不再是资源本身的替代，而是资源功能的替代。

3.比较优势理论（Comparative Advantage）

比较优势理论是国际贸易理论的基石，是以A·斯密的绝对成本论为基础，以D.李嘉图的比较成本论为核心，经赫克歇尔-俄林的要素禀赋论的补充和完善而形成的理论体系。绝对优势学说认为一国应该生产处于绝对成本优势的产品，通过国际贸易交换处于绝对成本劣势的产品。但该理论无法解释先进国与落后国之间的贸易现实，即使一国在所有的产品上处于完全的绝对成本优势，也不应该全部生产，而应该有选择地生产更有相对优势的产品，这样通过国际贸易获得的利益更大。比较优势理论则倡导如果一个国家集中专业化生产、出口其具有比较优势的产品和服务而进口处于比较劣势的产品和服务，那么这个国家则将从贸易中获益。贸易产品是国家或区域间虚拟水流动的主要载体，因此，作为国际贸易的基本理论之一，比较优势理论也必然基于水资源角度反映和揭示着虚拟水贸易实施动力与机制。

虚拟水的概念被提出以来，大量学者都指出了虚拟水贸易与比较优势理论之间的诸多联系。Allan教授在论述国际贸易在全球范围内传输虚拟水中的作用时，提到国际贸易使虚拟水从水资源量具有比较优势的国家流向水资源相对缺乏的国家，而虚拟水概念在某种程度上是由比较优势理论衍生而来[30-31]；Wichelns也认为虚拟水是比较优势理论的应用，只是特别强调了水资源而已[32]；Lant也提出了近似的观点，类似于比较优势理论，虚拟水概念也是经济地理学基本原理的应用[33]。经济系统是一个受多种要素约束，需要实现多种目标的有机系统。经济发展中实施虚拟水战略需要考虑多种因素，在生产和消费的选择中运用比较优势理论进行分析较为合理，但这种比较优势是基于多种因素综合分析的基础得出的，而Allan教授等很多学者虽已涉及用比较优势理论解释虚拟水战略的政策合理性，但仅强调水资源禀赋方面的比较优势，而没有将技术等其他因素纳入考虑是其中的不足。

为此，只有通过区域间水资源利用比较优势的分析，增强虚拟水的经济、政策关联性，才可能使虚拟水这个无形的工具在缓解水资源短缺、保障水资源安全方面发挥效用。田贵良通过文献综述指出上述研究的不足，并从多种资源要素、生产技术水平差异等方面设计多种情形，运用比较优势理论分析各情形中两地区的生产和消费选择，研究得出，完善的虚拟水战略应立足于经济目标和水资源问题的协调，以比较优势作为决策依据，具体地，通过从水资源禀赋条件、生产技术水平和机会成本等方面综合考虑，才能使虚拟水战略更具理论魅力和实践的可操作性[34]。

1.3.2　虚拟水的量化研究

虚拟水贸易研究是采用产品账户的方式来解释水资源在全球经济系统中的合理配置的尝试，其研究的前提和基础是实现产品和服务中虚拟水的量化。虚拟水的计量主要有两种途径：①从生产者（出口者）的角度，定义产品虚拟水含量为在生产地实际生产某种产品所消耗的水资源量，该计算方法要考虑生产条件，包括生产地、生产时期和水利用率等；②从消费者（进口者）角度出发，定义产品虚拟水含量为在产品消费地生产该种产品所需要的水资源量。前者主要反映的是产品生产地的生产条件和用水效率等因素，其计算结果能有效地指导当地的生产部门更好地做好水资源的配置和利用；后者的研究结论用以解释采用“进口替代”策略所能节约的水资源数量，以及对缓解区域水资源短缺的作用程度。但后者存在一定的缺陷，即进口地的生产条件无法生产该产品时，其虚拟水含量的准确计算就难以实现。对此，Renault提出了应用营养对等原则的计算方法，即根据生产有相同营养值的替代产品的虚拟水量来计算该产品的虚拟水量[35]。

1.3.2.1　农作物虚拟水量化方法

由于各种产品的特性差异以及各个国家和地区气候环境及生产技术的不同，不同产品在同一地区、相同产品在不同地区的虚拟水含量也存在较大差异。农业用水占据了全球用水总量的80%左右，这使得农产品的虚拟水量化成为虚拟水计算的主体。综合现有的研究进展，农产品虚拟水量化的计算方法主要有两种：①Chapagain和Hoekstra提出的研究不同产品生产树的方法[17]；②Zimmer和Renault基于对不同产品类型的区分的计算方法[36]。

1.产品生产树法

Chapagain和Hoekstra把农产品分为作物产品和牲畜及畜产品两类，分别计算其虚拟水含量。农作物产品生产需要的水资源主要取决于农作物的类型、生长区域的自然条件、灌溉条件和管理方式等，其主要影响因素包括降水、气温、风速、日照、水汽压等气候因素以及作物类型、种植时间、土壤条件等。因此，农作物的虚拟水含量只是特定地点的一种粗略估计。

对农产品的虚拟水进行量化首先要计算出该农产品在生长过程中的作物用水CWR（Crop Water Requirements），主要指作物在生长发育期间蒸发蒸腾所消耗的全部水资源量ETc（Plant Evapotranspiration），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ETc作为农作物总的需水量。ETc的计算公式如下：

式中，ET0为参考作物需水量，意指作物在生长发育期间蒸发蒸腾所消耗的全部水资源量，主要考虑气象因素对作物需水的影响；Kc为作物系数，主要反映实际作物与参考作物表面植被覆盖与空气动力学阻力以及生理与物理特征的差异，通常用作物高度、土壤表面反射率、覆盖层阻力和土壤蒸发四个区别于参考作物特征的综合指标来表示。农作物生长的不同阶段，植被覆盖、农作物植株高度以及叶片面积发生变化，导致水分蒸发蒸腾量的不同，因此Kc的取值也有所差别，如图1-3所示。

ET0的计算公式可以采用学术界普遍认可的联合国粮农组织（FAO）推荐并修正的标准彭曼-孟蒂斯公式（Penman-Montieth Equation）。具体的计算公式如下：

式中，ET0为参考作物生长期间的蒸发蒸腾量（mm/d）；Δ为饱和水汽压与温度相关曲线的斜率（kPa/℃）；Rn为作物表面的净辐射[MJ/（m2·d）]；G为土壤热通量[MJ/（m2·d）]；T为平均空气温度（℃）；U2为距离地面2m高的风速（m/s）；ea为饱和水气压（kPa）；ed为实测水气压（kPa）；γ为温度计常数。

目前，联合国粮农组织已经开发出了基于修正的标准彭曼公式的CROPWAT 4 for Windows模型软件，该软件通过输入各地的相关气候参数、土壤参数以及农作物参数，计算出参考作物蒸发蒸腾水量ET0，乘以农作物系数Kc，对其数值进行修正，即得到农作物每日实际蒸发蒸腾水量ETc，可近似认为得到农作物的实际需水量（CWR）。通过对农作物产量Yc进行统计，即可得到单位质量农产品的虚拟水含量。借助当地农产品贸易量的相关数据，就可以得到该地区农产品贸易中的虚拟水含量，整体的计算流程如图1-4所示。

2.产品类型区别计算法

Zimmer和Renault根据农产品生长特性及生产方式的不同，将农产品区分为以下六种：①初级产品，如农作物中的粮食、蔬菜和水果等；②加工产品，如食糖、植物油和酒精饮料等；③转化产品，通过消费初级产品而生产出来的产品，如绝大多数牲畜及其制品；④副产品，如棉花的棉籽；⑤多功能产品，如椰子树，很多牲畜产品；⑥低耗水或不耗水产品，如海洋鱼类及海洋食品。

对以上不同类型的产品采用不同的计算办法。如初级产品和加工品等前五种产品采用与ChaPagain和Hoekstra相同的办法；对第六种则采用营养等值原则，即营养价值相同产品所含虚拟水相同来计算[35]。

1.3.2.2　畜产品虚拟水量化方法

目前，国内外对牲畜及畜产品的虚拟水量化研究依然主要采用Chapagain和Hoekstra提出的生产树方法，但由于其计算结果更大程度上依赖于动物类型、饲养结构和动物成长的自然环境条件，因此量化过程较农作物产品更为复杂。文献[37-38]较为详细的总结了全球贸易中牲畜及畜产品虚拟水含量的计算流程，如图1-5所示。

在对牲畜及畜产品进行量化时，首先要对动物在存活期间（以下简称“活动物”）对水资源的消耗在不同的动物之间进行分配。简便分析起见，假设一国出口的畜产品其从生产到加工的整个过程都是在国内进行，即活动物消耗的全部是国内资源。

1.活动物虚拟水含量的计算

活动物虚拟水含量是指动物从生命开始到生命终结的整个时间段内，其生存生长所消耗的总水量。活动物虚拟水量包括了生产与加工饲料耗水，动物饮用耗水以及动物服务用水三个部分。具体的计算公式如下：

式中，VWCa[e，a]为国家或区域内e动物a的虚拟水含量；VWCfeed[e，a]为饲料消耗的虚拟水含量；VWCdrink[e，a]为动物饮用水的虚拟水含量；VWCserv[e，a]为动物服务用水的虚拟水含量，m3/t。

（1）VWCfeed[e，a]的量化。

消耗饲料中的虚拟水的虚拟水含量由两部分组成，第一部分是用来准备饲料的实体水，第二部分是不同饲料组成的虚拟水含量的总和。活动五消耗饲料中的虚拟水含量计算公式如下

式中，qmixing[e，a]为出口国家或地区e动物a混合饲料时需要的实体水，m3/d；C[e，a，c]为出口国家或地区e动物a对饲料c的消耗量，t/d；SWD[e，c]为出口国家或地区e作物c的虚拟水含量，m3/t；Wa[e，a]为出口国家或地区e动物a的平均重量，t。

而每个国家或地区e作物c虚拟水含量计算公式为

即可使用前面介绍的由FAO开发的CROPWAT模型进行计算。

（2）VWCdrink[e，a]的量化。

动物饮用水的虚拟水含量同于提供给动物饮水的总的水量，计算范围包含整个动物的生长周期，其计算公式如下

式中，VWCdrink[e，a]为动物饮用水的虚拟水含量；qd[e，a]为出口国或地区e动物a的饮用水每天的需水量，m3/d；Wa[e，a]为动物a整个生命周期的平均重量，t。

（3）VWCserv[e，a]的量化。

动物服务用水的虚拟水含量主要意指在动物的整个生命周期内清洁场院、清洁动物以及其他为保持环境卫生所必要的耗水总量。服务用水的虚拟水含量计算公式如下

式中，VWCserv[e，a]为动物赋予用水的虚拟水含量；qserv[e，a]为出口国或地区e动物a每日所需的服务水量，m3/t。

2.畜产品虚拟水含量计算

上述方法提供了活动物虚拟水含量的计算过程，但现实中的牲畜及畜产品的国际贸易多以畜产品的形式存在。因此需要在计算活动物虚拟水含量的基础上基对不同畜产品的虚拟水含量进行测算。这就需要将整个活动物的虚拟水含量在各类畜产品中进行合理的分配[39]，在此过程中，既不能出现遗漏计算的情况，又要避免重复计算的现象发生。

为计算畜产品虚拟水含量，应从系统、全面的角度出发，对所有畜产品的等级进行科学划分。直接由活动物提供的产品称之为第一类动物产品，如奶牛直接提供的牛奶、畜体和毛皮等；第一类产品经过第一步加工变成第二类动物产品，如奶酪、黄油、加工肉和香肠等。第一类动物产品的虚拟水含量包括活动物的虚拟水含量和未得到不同的第一类初级产品加工所需要的水资源数量。为了在不同的第一类产品间分配活动物的虚拟水含量和加工需水，引进了产品比例因子（Product Fraction）和价值比例因子（Value Fraction）进行测算。产品比例因子定义为从活动物得到的不同第一类动物产品的数量比例。例如，一头奶牛的体重有800kg，宰杀后得到400kg的畜体，则奶牛畜体的生产比例因子为0.5。价值比例因子是第一类产品的市场价值与所有第一类产品市场价值总和的比例。活动物的虚拟水和加工需水可以按这两类因子在不同的第一类产品之间进行分配。第二类动物产品的虚拟水由部分第一类产品的虚拟水和对其加工的用水构成，第二类初级产品间用水的分配可以采用与第一类动物一样的产品比例因子和价值比例因子来分配。第三类、第四类动物产品的虚拟水分配可按照同样的方法进行计算。现将由活动物加工而成的第一类畜产品的虚拟水含量计算过程介绍如下

式中，PWR[e，a]为国家或区域内e加工每吨活动物a成第一类动物产品的需水量，m3/t；Qproc[e，a]为国家或区域e活动物a加工成第一类动物产品的总需水量，m3。

定义出口国或地区e产品p的生产系数为pf[e，p]为包含在每吨活动物初级产品的重量，公式如下

式中，Wp[e，p]为出口国或地区e从每个活动物a获得的初级产品p的重量；Wa[e，a]为出口国或地区e活动物a的平均重量。通常情况下，0＜pf[e，p]＜1。但有些产品是在动物的生长周期内获得的，如牛奶和鸡蛋，其生产系数可能会大于1。

价值系数vf[e，p]是指由国家或地区e某种动物生产的一种畜产品的市场价值与该动物生产的所有产品市场价值总和的比例，用公式表示为

式中，∑（v[p]·pf[e，p]）为动物a所有的初级产品的价值；v[p]为产品p的市场价格（元/t）。

由以上可以得出活动物a的第一类畜产品p的虚拟水含量：

同理，可以计算得出第二、第三、第四类畜产品的虚拟水含量。

1.3.2.3　工业产品虚拟水量化方法

工业产品虚拟水就是在工业产品生产和加工过程中所需用的水量。虚拟水理论产生以来，在全球各个领域，尤其是农业和畜牧业领域内得到了很大的发展。但是由于工业产品虚拟水贸易量仅占全球虚拟水贸易总量的10%，且相对于农业和畜牧业生产工艺复杂，迄今为止人们对工业产品虚拟水含量计算方法的研究仍处于起步阶段[40]，并成为国内外学者未来重点研究的方向。

项学敏等根据工业用水的消耗途径，在农畜产品虚拟水量化方法的基础上，基于生产者的角度提出了工业产品虚拟水的计算方法，并以辽河油田为例，计算出石油制品中的虚拟水含量[41]。计算思路如下：

1.3.2.4　虚拟水量化的实证研究

1.微观层面的实证

实证研究方面，Singh等计算了Gujarat[2]范围内不同地区作物的产量以及其虚拟水的含量，并从农业和经济两个方面评估了作物灌溉用水效率[42]。Chanpagain和Hoekstra A Y通过对茶和咖啡产品所产生的水生态足迹进行研究得出现，一杯咖啡的虚拟水含量为140L，而一杯茶的虚拟水含量为34L，荷兰在1995—1999年期间茶和咖啡的贸易中产生了大量的虚拟水量流动[43]。

在国内，曹建廷等分析了虚拟水概念出现的经济背景，总结介绍了与农作物和畜产品相关的虚拟水含量的计算方法，以及国际上虚拟水贸易的基本情况，揭示了虚拟水在提高水资源效率、制定水资源战略的作用，以及对社会经济、水资源管理等方面的重要影响[44]。

罗贞礼等利用产品生产树法，以红三角地区为例，分析了郴州市、韶关市、赣州市主要农产品的演变特征，计算了主要农产品的虚拟水含量及消费情况。在此基础上探讨了红三角地区农产品的战略性调整和水资源有效配置的政策意义[45]。姚蓝对动植物的虚拟水含量进行分析，对我国西北4省的粮食、油料和棉花等农作物中虚拟水的含量进行了计算，并引入数据包络分析理论（DEA）选取8个国家对其虚拟水状况进行实证研究[46]。王树谦则从ET与农作物产品中虚拟水含量的关系着手，就目前国际上较为先进的ET技术和虚拟水战略理论的概要进行解释，并研究得出，ET减少会导致最终产品其虚拟水含量的减少，最后提出了农业结构战略性的调整和区域水资源管理的有效措施及建议。王红瑞等在归纳畜产品虚拟水贸易计算方法的基础上，对中国畜产品虚拟水含量分省市进行了分析和研究，计算出中国各省市畜产品虚拟水含量历年来的变化情况及各类畜产品的现状分布，并与各地的水资源分布进行了对比研究[38]。此外，他通过对国内外有关虚拟水问题的研究进展分虚拟水理论研究进行归纳与总结指出，由于农作物生长所消耗的水资源会受到当地气候条件的影响，从微观方面考虑，在计算区域虚拟水含量的过程中根据气候条件从生长机理上进行量化，通过模型根据不同地区情况调整气候参数准确计算各类作物虚拟水量，将成为虚拟水研究的重要方向[47]。肖玲首先提出虚拟水指数的概念，利用不同产品类型的区分的计算方法，制定了等级划分标准，并对陕西省1989—2004年的虚拟水含量进行了时空变异分析[48]。

2.宏观层面的实证

不同产品的生产环境和流程不同，计算其虚拟水含量过程的复杂程度不一，尤其是在计算加工品（如一次加工、二次加工、三次加工等）虚拟水时，上述计算方法就显得十分繁杂。因此，目前对产品虚拟水含量的计算主要针对具体产品的表观消费，且集中于对农作物和动物产品中虚拟水的测算，而工业产品的虚拟水含量由于计算过于复杂通常被放弃，因此难以从整个国民经济系统把握各种产品虚拟水间的流动关系，并且在衡量进出口贸易时存在重复计算的风险。而虚拟水贸易和消费的投入产出分析（I-O）方法则可以有效地克服以上不足，由于投入产出分析方法可以从产业层面上将虚拟水测算扩展到包括农产品、工业品和服务产品在内的所有行业产品，近年来，国内外一些学者开始尝试利用投入产出模型研究虚拟水的量化。

IHE以产品生产地为基础对国家间的虚拟水贸易流进行了实证研究，结果显示，1995—1999年全球虚拟水贸易流量为每年1.04万亿m3，其中67%体现在农作物产品的贸易中，23%为动物和动物产品的贸易，10%为工业产品的贸易[49]。WWC和FAO以产品使用地为基础计算出2000年全球的虚拟水贸易流量为1.34万亿m3，其中60%体现在农作物产品贸易中，14%体现在鱼类和海洋产品中，26%体现在动物产品（包括）肉类的贸易中。日本研究组则基于生产地和消费地两个角度，分别对全球2000年虚拟水贸易的流量进行了计算。采用生产地方法测算的全球虚拟水贸易流量为0.683万亿m3/年，采用消费地方法估计的全球虚拟水贸易流量为1.138万亿m3/年，因其考虑的产品数量较少，其结果分别低于IHE、WWC和FAO的计算结果。而由于上面的3种估计都没有完全包括所有的产品，因此都可以认为是一种保守的估计，加上其使用的方法和数据来源相同，因此其结果可以认为较为接近。三个研究都表明了主要的虚拟水出口国是美国、加拿大、澳大利亚、阿根廷和泰国，最大的虚拟水净进口国分别为日本、斯里兰卡、意大利、中国和德国。

2005年，德国发展学会（GDI）建立了全球虚拟水贸易工作站。与此同时，Chapagain、Hoekstra等人对由于国际贸易产生的水资源节约及各国水资源节约的计算方法展开研究[50]。根据Hoekstra和Chapagain的研究结果，在1995—1999年间，我国通过粮食贸易的虚拟水净进口量为200亿m3。2006年，Frankfurt建立了虚拟水贸易工作站，实证范围开始逐渐扩展到中东、埃及、黎巴嫩、南非发展联盟、日本等国家和地区[18]。Dietzenbacher利用投入产出模型，计算了西班牙安达卢西亚（Andalusia）地区的虚拟水贸易状况[51]。Hanato和Okuda引入投入产出模型，对我国黄河流域各省的虚拟水流向进行了实证研究[52]。Guan和Hubacek采用扩展的投入产出模型对中国北方地区（河北、山东、山西和河南以及京津）和南方地区（广东）的虚拟水贸易分别进行了核算，其中还考虑了污染物的虚拟水贸易，结果显示北方地区虽然缺水却是虚拟水的净出口区域，而南方地区水量丰富却是虚拟水净进口区域。至今，国外虚拟水贸易的研究达到了空前的快速发展阶段。

国内学者主要从区域及国家两个尺度对虚拟水战略中的虚拟水流动状况展开了研究。在区域间虚拟水流动方面，黄晓荣等在国内首次提出虚拟水量化的投入产出模型，并计算了2002年宁夏虚拟水贸易的输出量和虚拟水的消费利用状况[53]。曹静晖采用投入产出法对2000年张掖地区的虚拟水贸易量进行了估算，并指出投入产出法较之虚拟水量化的传统方法，其估算比较全面，计算方法相对简单，估算口径统一，可操作性强，估算结果比较准确[54]。马忠则使用地区水资源投入产出模型，剔除了外地调入品的影响，通过本地完全需水系数，以及完全需水量与直接用水量比较，计算了张掖市产业间虚拟水的净转移以及区域虚拟水的调入调出，并构造了产业间虚拟水转移矩阵，通过量化经济部门之间对水资源需求的数量关联效应，基于投入产出的视角为张掖市水需求管理提供了参考[55]。田贵良基于水资源投入产出技术建立社会最终需求对社会虚拟水总量引致作用的定量分析模型，选择我国典型的缺水地区——宁夏回族自治区，对区域虚拟水贸易量进行计算并对区域虚拟水贸易进行评价[56]。龙爱华[39]引入了虚拟水的概念，计算了2000年新疆、青海、甘肃、陕西4省（自治区）居民消费的虚拟水数量和人均虚拟水消费情况，并分析了虚拟水战略对西北地区解决水资源短缺问题的政策涵义，最后分析了虚拟水战略的优劣，并提出了西北地区应用虚拟水战略的前景和有关措施。王新华介绍了虚拟水含量的计算方法，并以河南、江西、湖南、湖北为例计算了四省的虚拟水贸易量，结果表明，河南省粮食产品的虚拟水含量较其他3省少，四省都是虚拟水净输出地区，虚拟水净输出量为151.37亿～476.47亿m3[57]。

部分学者对我国对外贸易中虚拟水的应用进行了研究。孙克虚拟水作为一种重要的生产要素，以中美农作物产品贸易为例讨论了比较优势理论在虚拟水贸易中的应用。结果表明，2004年中美农作物产品贸易基本符合虚拟水要素的比较优势原则，小麦和棉籽例外。如果中国变进口小麦和棉籽为出口小麦和棉籽，可为全球节水25.174亿m3。对研究结果的分析表明，要通过国际贸易节约全球有限的水资源，应充分考虑虚拟水要素比较优势，生产具有虚拟水要素比较优势的产品并出口，而进口比较劣势的产品。刘幸菡通过引入“虚拟水”和“虚拟水贸易”的概念，将关注点投向我国的对外贸易部门，并对2000—2002年我国农产品的虚拟水贸易量进行了研究与分析，就如何应用虚拟水战略来缓解我国水资源短缺和应注意的问题提出了若干政策性建议[58]。杨阿强使用联合国粮农组织推荐的彭曼公式，对2005年中国与东盟农产品贸易中虚拟水含量进行了测算，结果表明，当年中国在与东盟的农产品贸易中出口虚拟水36亿m3，进口43.3亿m3，净进口7.3亿m3[59]。赵旭等总结出基于投入产出分析技术的虚拟水贸易及消费的计算模型，并同时提出水足迹的计算模型，进而利用2002年中国投入产出表计算了当年中国的直接用水系数、虚拟水含量、最终消费的虚拟水量、水足迹以及虚拟水的进出口贸易量等指标[60]。朱启荣利用投入产出分析方法，测算了2002—2007年中国对外贸易的虚拟水水量，然后从节约水资源的角度，实证分析了目前中国对外贸易结构存在的问题[61]。研究发现，2002年以来，中国出口贸易向国外输出的虚拟水量大于进口贸易从国外输入虚拟水量，且由于前者的增长速度明显快于后者，导致我国对外贸易净输出水资源量迅速增长。

1.3.3　虚拟水贸易与粮食安全

1.3.3.1　国际虚拟水流动与粮食安全

传统研究中的水安全与粮食贸易是相互分离的，而虚拟水理论使两者有了切入点。虚拟水的社会交易性和转移便捷性决定了在国际和国内贸易的进出口商品中蕴含着大量虚拟水的流动。而根据荷兰的国际水文和环境工程研究所的研究结果，1995—1999年全球的虚拟水贸易有67%存在于农产品贸易，可见，粮食是国家（区域）间虚拟水贸易的主要载体，因此更多的学者在研究中将粮食安全与虚拟水贸易联系起来[62]。正如Turton A.R.指出的那样[63]，随着世界经济和贸易全球化趋势的凸显，粮食从富水国到贫水国的全球贸易也可以像石油产品从富油国到贫油国输送一样切实可行。

Greenaway研究得出，埃及在桔子、土豆、棉花和西红柿的种植方面具有比较优势，而在小麦、玉米和大豆的种植方面则处于相对劣势。另有研究表明，在埃及利用每单位的水资源，蔬菜和棉花所产生的价值比玉米、稻米和甜菜的高；而利用每单位的土地资源，稻米所产生的价值比小麦、玉米和蚕豆的高[64-65]。Yang H.和Zehnder A.J.B.对南部几个地中海国家粮食进口进行了实证研究（计算结果如表1-1所示）。结果表明，粮食进口能够有效地减少本地水资源消耗，水资源匮乏可以通过粮食进口得到补偿。

由表1-1可以看出，由于水资源缺乏，利比亚本国谷物的生产规模较小，但进口谷物比例较大，其进口的虚拟水与本国可更新水资源的比例高达5.66，对于缓解本国粮食生产不足和水资源短缺发挥了重要作用。Wichelns D.通过研究得出，虚拟水贸易促成了进口国的节水，2000年埃及通过玉米进口实现国内水资源节约27亿m3[67]。而首次估计表明，全球通过粮食贸易产生的虚拟水转移节水量高达3850亿m3。

柯兵利用虚拟水理论，分析了我国的农业用水和粮食安全问题，根据粮食进口变动趋势和国内外粮食生产条件估算出2010年和2020年我国进口的虚拟水量分别为880亿m3和950亿m3，并提出了通过进口虚拟水解决我国农业和粮食问题，从而实现我国水资源的可持续利用。研究对虚拟水的量化研究相对粗略，主要贡献在于将虚拟水理论引入农业用水及粮食安全问题。

马静等分析了我国31个省区的1999年主要农产品的生产、消费情况，结果表明我国1999年主要农产品在全国范围基本实现了供需平衡，但在区域上差别较大[68]。进而分析以粮食为载体的虚拟水国际、区际流量关系，描述了我国虚拟水贸易的基本格局。结果表明，地区以有限的水资源在支持其他区域发展、确保国家粮食安全方面发挥了不可替代的作用。未来30年中国将面临新增粮食需求1.4亿～2.0亿t的巨大压力，在保持较高自给水平的前提下，我国虚拟水贸易的格局不会发生重大变化。研究同时指出，外流域调水工程是保障国家粮食安全，维护社会稳定，促进可持续发展和造福中国人民的重大举措。虚拟水战略可作为跨流域调水的补充，在保障缺水地区水安全方面发挥重要作用。

国内学者张敦强计算了我国虚拟水进出口总量，认为我国粮食在基本依靠自给的同时，应该通过粮食进口实施虚拟水战略，但是对进口粮食的可行性没有展开进一步研究[70]。柳长顺在此基础上预测了我国未来30年的农业水资源缺口，得出了需要借助虚拟水贸易增加3000万t粮食进口的结论[71]。并从国际粮食市场、国内外汇储备能力以及农民收入方面论证了结论的可行性，将虚拟水战略与南水北调策略进行了初步的方案比较。最后得出，利用南水北调增大调水量来发展北方缺水地区的粮食在经济上难于运行，而虚拟水交易则可大大降低成本，在经济、环境和粮食安全方面都相对有利。

柳文华等从经济、政治方面分析了国家间虚拟水贸易实施的政策内涵，对1980—2000年我国农业虚拟水贸易对农业水资源与粮食安全的贡献进行了研究[72]，指出了虚拟水贸易在保障国家粮食安全方面的应用空间。并认为缺水国家（地区）可以在实施粮食进口的同时转变自身的农业模式，通过增加高价值农作物的种植规模寻求虚拟水贸易的经济贡献，但没有对此开展进一步的实证分析。

1.3.3.2　区际虚拟水流动与粮食安全

在国家间的虚拟水贸易中，出于粮食安全的考虑，国内学者基本达成一致的观点是，可以通过虚拟水贸易缓解国内部分粮食缺口，但不支持较大幅度的粮食进口，更多学者赞成利用国内区域间的粮食贸易解决我国北部水资源的不足。

孙才志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—2006年东中西三大地带、南北方的八大地区的农产品虚拟水和耕地资源空间差异进行分解，表明耕地资源而并非水资源禀赋是影响农产品虚拟水地区差异的最关键因素。另外，引入区域分离系数进行区域差异分析，得到南北方的区域分离系数表现出收敛趋同的空间分布特征，进而根据农业集约化发展程度划分成六种模式[73]。研究为不同区域的农业发展对策提供了理论依据，并对粮食产品虚拟水流量与区域资源经济要素的关系进行了初步探究，但实证方法及过程略显简单。

董文福计算了1990—2002年我国各省区农产品的“虚拟水”，并将全国分成5大区域，在此基础上分析了农产品“虚拟水”的变化趋势[74]。就全国总体而言，中国农产品“虚拟水”是呈上升趋势，2002年比1990年增加了695.30亿m3。有利于增强我国农产品的自给能力。而通过对各大区水资源总量和农产品“虚拟水”的比较可以看出，华北、西北地区将是进口“虚拟水”的区域，西南地区是我国输出“虚拟水”最有潜力的区域。在当前，东北地区农产品“虚拟水”输出在我国占有重要的地位，而东南地区尽管水资源丰富，但目前仍然是我国“虚拟水”的输入区域。

文献[75]对从资源利用效率入手探讨中国的粮食安全问题，并得出与上述研究一致的结论。对区域间粮食贸易所隐含的虚拟水流动状况进行了估算，并对空间分布格局进行了多角度成因分析，通过利用改进的数据包络分析法计算粮食虚拟水的资源利用相对效率。分析结果表明，我国区域的水资源和耕地资源的空间分布极不匹配，尽管粮食区域贸易提高了全国的水土资源的生产效率，缓解了南方地区耕地资源稀缺的矛盾，无形中却拉大了区域水资源禀赋空间分布的不均衡程度。粮食贸易所引发的虚拟水流规模的逐渐扩大，将会进一步加剧水资源逆向配置的负向效应。同时研究也指出了“虚拟水战略”在解决中国的粮食安全与水安全问题方面的局限性，从区域水土资源分布和虚拟水流动的流动格局来看，“北粮南运”和“南水北调”共存仍是今后发展的方向。而实体水调度（如南水北调等）与虚拟水流动（如北粮南运等）的适度耦合才是解决我国粮食安全与水安全的根本措施。而在区域层面，改善节水技术水平以及提高水资源利用效益应成为我国虚拟水战略实施的主要手段。陈丽新基于上述思路利用最新数据对国内区域间虚拟水贸易格局进行了深化研究[76]，并从耕地资源、人口、经济驱动、国家政策和技术进步五个因素对其虚拟水贸易的机理展开了定性分析。

1.3.4　虚拟水贸易的实施研究

1.3.4.1　虚拟水贸易的影响因素

尽管虚拟水战略作为一种水资源短缺的方式被提出，并进而成为研究热点，然而虚拟水贸易的实施不仅仅涉及水资源的平衡问题，更涉及很多政治、经济、社会等因素[77]。虚拟水贸易理论的传统解释往往过分强调了水资源禀赋的作用，经济发展中虚拟水战略的实施显然受到多种要素的约束与影响，而由于资源禀赋、经济发展、社会条件以及文化背景等方面存在差异，也会导致虚拟水战略的实施对不同地区产生不同程度的影响。因此，在具体制定虚拟水贸易政策时，应根据不同国家（区域）其经济社会发展的差异区别对待。部分学者开始意识到传统理论的局限性，并着手对虚拟水贸易实施的影响因素进行分析。

国外学者研究发现，从所观察到农产品贸易格局与其虚拟水流量的相互关系来看，产品虚拟水含量并非决定国际农产品贸易格局的主要因素。如Feaiture De和Novo P.研究指出，贸易伙伴之间的水资源机会成本的差异、对农产品的国别差异化需求等因素会影响各国的农产品贸易策略，只不过当水资源匮乏的程度较高时，水资源的机会成本也相应较高，农产品贸易政策对虚拟水含量的考虑就越充分[78-79]。文献[80]则认为，对于虚拟水进口国而言，选择进口策略不仅仅意味着虚拟水对外依赖度的提高，还意味着对虚拟水出口国的依赖度增加，因此政治因素将对国际虚拟水贸易的实施产生重要影响。此外，虚拟水战略的实施要考虑本国的实际经济状况。另外，虚拟水战略的采用意味着本国高水耗农业生产的萎缩，如果没有相应低水耗农业的引进，农村的社会福利没有相应的保障，容易产生一系列的社会问题。Meissner在研究中特别强调了社会影响因素中的食品安全问题，并根据联合国粮农组织对食品安全的定义，从食品安全包含人们可以获得食品；人们可以获得足够的食品；在个人、家庭、国家、地区层次上食品供给是稳定的；食品品质可靠四个层次对食品安全的类型作了详细划分[81]。而Chapagain A.K.则分析得出，各国的政策制定者在具体制定农产品贸易政策时，往往要从本国政治安全、经济安全及水资源安全、生态安全等方面进行综合考虑[50]，因此不同的贸易政策也将对国际虚拟水贸易的实施产生不同程度的制衡。

Von Braun和Meinzen-Dick也得出了类似的研究结论，相对于水资源要素，经济发展的其他目标，如经济增长、就业、粮食安全等因素在更大程度上决定一国的贸易格局[82]。基于赫克歇尔-俄林定理框架的数理分析，Ramirez-Vallejo J.和Rogers P.发现农产品贸易格局独立于水资源禀赋，全面解释农产品贸易的实施，需要综合考虑一国人均收入、人口数量、农田灌溉面积、农业资金投入量等因素。在定性分析的基础上，Kumar M.D.和Singh O.P.以全球146个国家和地区为样本，对虚拟水贸易的影响因素展开了实证分析[83]。研究发现了丰水国进口粮食和贫水国家出口粮食的现象，由此得出土地资源禀赋、耕地使用效率、土壤的储水量等因素是农产品贸易格局的主要影响因素。

近几年，国内学者对虚拟水影响因素的研究主要围绕在虚拟水战略实施的驱动因子以及虚拟水战略实施的适宜性评价两个方面。刘红梅以农产品虚拟水国际贸易为研究对象，国内首次从政治、经济、社会、生态四方面对虚拟水贸易的影响因素进行系统分析，并对虚拟水贸易的实施提出对策建议。熊航对农产品贸易中的虚拟水要素比较优势进行了定性分析，并得出我国开展虚拟水贸易的若干对策建议，他在研究中提出了根据虚拟水要素的经济价值安排农业生产与分工的观点[84]。田贵良[35]通过建立比较优势理论的分析框架，论证了虚拟水战略的实施环境，研究指出虚拟水战略的实施应综合考虑水资源、其他限制性生产要素、生产技术水平以及生产的机会成本等因素。邹君国内首次提出虚拟水战略优势度的概念[85]，在分析虚拟水战略主要影响因素的基础上，从水资源禀赋、非农水资源需求、水资源管理和农业发展现状4个方面构建了一个包含12个指标的综合定量评价体系，进而运用综合指数法对我国内陆31个省级行政区虚拟水战略优势度进行了定量评价，最后得出了我国虚拟水战略优势度的空间分布格局及区域特征差异。黎东升则通过分析影响农产品虚拟水贸易的主要因素，建立了农产品虚拟水贸易实施条件评价模型，利用层次分析法评价实施农产品虚拟水贸易的适宜性[86]。分析得出，水资源总量、GDP总量、水资源人均量、水资源利用率、有效灌溉面积比例、外汇储备水平等因素是农产品虚拟水贸易能够实施的主要决定因素。存在的不足是各主要指标的权重确定主要参考国内外虚拟水贸易的实践经验，赋值带有较强的主观性。文献[87]则认为，中国虚拟水战略实施的深层次原因，归根于水土资源配置严重错位的格局[88]，而根本原因与我国国民经济的总体布局密切相关，是我国经济发展的必然。不足的是，尽管研究中对虚拟水战略的驱动因子作了一定分析，但对于我国实施虚拟水战略的适宜性未作深究。

1.3.4.2　虚拟水贸易的实施评价

1.虚拟水战略对水资源管理的作用

提高水资源的利用效率是虚拟水贸易研究中的重要课题。国内外学者[29，89]总结了水资源利用效率的三种改进方式：①通过调整水价、提高节水技术来提高当地水资源利用效率；②将水资源在各个部门之间进行有效分配，使单位水资源产生更高的价值；③利用虚拟水贸易对水资源的全球分布进行合理“调整”。

秦丽杰在其研究中详细分析了虚拟水战略对水资源安全的作用机理[90]：虚拟水贸易的实施，不仅可以缓解缺水地区的粮食需求，还可以大大缓解其水资源短缺，并能促进农业生产结构的调整和优化，同时水资源管理提供新的对策。严冬利用基于水量平衡理论的水资源模型计算农作物生产过程中的蒸散发量，从虚拟水角度对黑河中游农作物初级产品的虚拟水含量、虚拟水贸易、水资源利用率和农业发展代价分担等内容进行了评价，进而为当地农业水资源的利用提供对策建议。刘博则通过定额趋势法对可利用水资源量的预测，研究了虚拟水的引入对北京市水资源承载能力的影响[91-92]。实证研究方面，王红瑞初步计算了2000—2002年间我国农产品的虚拟水贸易量，发现我国农产品的虚拟水贸易一直存在着较大的逆差，虚拟水的净进口量约为每年40亿m3左右，意味着通过虚拟水贸易，我国每年从外部获得的虚拟水资源缓解了国内10%～15%的水资源短缺量[93]。马超等研究得出，受金融危机的影响，近几年我国在的农产品贸易中逆差不断增大，2005—2009年，我国平均每年约有900亿m3虚拟水输入，与刘幸菡（2005）基于2000—2002年数据的计算结果及前有学者的预测相比，我国的农产品虚拟水贸易实际净进口量有了较大提高。尽管水资源要素并非实施农产品贸易政策的唯一决定因素，但这将在一定程度上缓解我国的水资源短缺[21]。

2.虚拟水战略对社会经济的贡献

Hong Yang等对食品进口中的虚拟水含量进行量化，指出了农产品贸易在缺水国的食品安全和经济增长方面起着非常重要的作用，其中物化蕴含在农作物中的“虚拟水”对缺水国家或地区来说是一种有效利用有限水资源的方式[66]。Hong Yang建议中东南部地区的国家应该大力发展工业和服务业（特别是旅游业）而不应该将有限的水资源大量投入到耗水量很大的农业部门。对于农业部门内部，则应该将水资源更多投入到耗水量较少而经济价值很高的非谷类农作物。由于当时虚拟水的研究处于萌芽阶段，文献对于虚拟水贸易促进经济发展的效率研究并未涉及。

崔亚楠应用虚拟水理论，对2002年北京市主要农作物和动物产品中的虚拟水含量进行了计算与分析，并据此对北京市的地区用水结构进行评价[94]。研究得出，北京地区可观的虚拟水含量以及虚拟水的流动性为北京市的用水结构调整提供了空间，但这一空间会因为城市化进程及生态保护等受到限制。

徐中民以甘肃省为例，分析了不同的虚拟水消费模式带来的经济效益[95]，并得出结论：在仅考虑工农业经济效益差额影响前提下，假设从外区调入甘肃省全省城镇居民消费粮食的50%，并将节约下来的水资源用于经济效率更高的其他行业当中，对全省GDP的贡献大约在10.15%，可见虚拟水战略在增强区域经济能力与财政支付能力方面的巨大作用。虚拟水战略经济效益的评价流程如图1-6所示。

徐霖对北京市的水资源现状与虚拟水利用状况进行了量化调查和分析，设计了几种可能的产业结构调整模式，对北京市实施虚拟水战略的效益进行了模拟评估，据此探究北京市实行虚拟水战略的可行性。研究得出，如果北京市放弃生产1/2的冬小麦和1/20的蔬菜，将节约的水量用于工业生产，将对北京市的经济增长产生13.72%的贡献比例。需要说明的是，该研究基于较为苛刻的假设条件，即假设节约下来的水资源全部用于工业生产，且北京市工业用水的技术效率或技术条件不变，也不存在水资源投入的报酬递减。另外，工业增长不受水资源以外的其他资源的制约。尽管这在一定程度上影响了结果的合理性，但足以说明由于虚拟水的存在，水资源利用结构的调整将对经济发展产生巨大的影响。

3.虚拟水战略对生态系统的影响

在我国，水资源的短缺问题导致了生产、生活、生态用水的矛盾，也成为生态系统逆向演替的根本原因，水资源的合理利用是实现生态平衡的关键，虚拟水理论的提出为解决这一问题提供了新的思路。

杨振通过对节水、调水、移民等常规方案与虚拟水战略的对比分析后，指出了虚拟水贸易在拯救民勤绿洲上的战略优势[96]。他认为，应抓住当前国家粮食供应状况较好的有利时机，通过虚拟水贸易从外地进口更多的农产品，从而提高本地水资源的利用率，以保证区域生态环境建设与恢复所需的水资源量。另外，虚拟水战略的实施需要一系列的配套措施，如创新水资源管理机制、改变经济发展思路和建立国家生态补偿机制。王学全计算了2000年青海共和盆地城镇居民与农村居民的虚拟水消费量，从荒漠化地区的粮食安全、经济增长、产业结构和消费模式调整以及荒漠化防治工程的角度提出了虚拟水战略的应用思路[97]。对荒漠化防治工程来说，退耕还林（草）工程是重要的措施，而利用粮食库存较多的有利条件，对实施退耕还林（草）的农民一定的补贴，促进区域经济结构的优化调整，则是虚拟水战略的典型应用。与此同时，提高农业用水效率以及畜牧业的生产水平，从而增强区域经济能力，是虚拟水战略有利的政策保障。

龚新梅等学者利用虚拟水理论讨论了农业用水与生态用水之间的矛盾，并就新疆绿洲的生态系统恢复提供发展建议[98]。研究指出，如果将从进口的粮食中的虚拟水与绿洲粮食生产的水量进行比较，通过经济换算，适当压缩绿洲尤其是生态环境恶化较为严重的地区的农业种植规模，进而间接的增加生态用水量，将有利于绿洲地区的生态可持续发展，而目前正在实施的西部开发战略，将西北干旱区自然生态环境的恢复与建设作为重要切入点的同时，也为虚拟水战略的应用提供了广阔空间。文献[95]同样指出，虚拟水贸易通过减少居民对本省粮食的需求，有助于缓解区域水资源的压力和生态环境压力，在生态系统可持续发展方面发挥巨大作用。

赵军将虚拟水战略应用于河西走廊的生态环境建设[99]，并提出，运用虚拟水战略，从国内粮食生产富足的省份进口粮食实现区际粮食的供给平衡，相对地减少本区的水资源消耗，将被挤占的生态用水释放，以满足生态环境建设和恢复的水资源需求；降低土地垦殖程度，减少耕地面积，增加林草地面积，实现“藏粮于生态”。随着林草地面积的扩大和自然生态的改善，河西走廊的荒漠化将得到一定遏止，土地肥力也将得到相应恢复，从而形成自然资源逐渐恢复的良性循环局面。

1.3.4.3　虚拟水贸易的补偿机制

周俊菊指出，虚拟水贸易与实体水贸易一样，对缺水地区的生态建设和生态恢复会带来正面影响，尤其是对生态环境比较脆弱或生态环境因水资源短缺而不断退化的地区，为保证虚拟水贸易的顺利实施，从中央到地方都应制定相应的财政补贴政策[100]。田贵良在论述了黄河流域实施虚拟水贸易的必要性和可行性之后，针对虚拟水战略实施可能引发的中上游农业劳动力剩余和资金缺乏问题，提出转换农业生产结构、规范流域水权市场、实施生态补偿等解决措施和方案[101]。秦丽杰则认为，区域间虚拟水战略的实施造成了各区域承担的机会成本的不均衡进而引起社会的不公平，因此需要通过生态补偿手段加以解决以实现社会效益与生态效益的和谐统一。他从区域分工、建立生态补偿的政策、明确生态补偿的主体、补偿方式等方面探讨了虚拟水战略的实施地区应进行的生态补偿[102]。马超等基于经济学的角度建立起流域内各方利益主体行为的博弈模型并引入激励约束机制，研究了虚拟水战略实施中流域生态补偿机制[103]。分析博弈模型表明：个人理性与集体理性矛盾的存在将会导致“囚徒困境”与“智猪博弈”现象，从而造成流域生态补偿过程中地方政府的角色缺失，不利于虚拟水战略的顺利实施。指出虚拟水战略的实施打破了传统的粮食生产模式及农业用水模式，在改善流域内生态环境与保障水资源安全的同时，需要配套相应的生态补偿机制；个人理性与集体理性的矛盾会造成流域内各方利益主体的非合作博弈，通过设计相应的激励约束机制，建立合理的生态补偿模式，有助于保障我国流域内虚拟水战略的顺利实施。在此后的深入研究中，文献[181]将虚拟水贸易与水价改革两者联系起来，在梳理我国引调水工程水价政策现状的基础上，从定价主体、定价原则、核算体系、外部因素等方面分析目前引调水工程水价存在的问题，按照中央关于深化资源性产品价格改革的有关要求，提出了完善引调水工程水价政策的建议。特别是针对水价制定考虑的外部影响因素不够全面的问题，建议在充分考虑水源地和受水区之间的水资源“逆向”流动关系，在科学定价的基础上，对虚拟水净出口的受水区给予优惠政策，合理弥补虚拟水净流出带来的用水“牺牲”。总的来看，尽管学术界近年来对区域间虚拟水战略的研究发展迅速，针对虚拟水战略下流域生态补偿开展了初步的研究和分析工作，但受水资源实际特点和水利发展阶段等因素影响，目前研究的深度和范围相对不够。

1.3.5　水足迹研究

水足迹的思想源自于1992年加拿大经济学家William Rees提出的“生态足迹”理论，在虚拟水研究的基础上，2002年Hoekstra进一步提出了“水足迹”（Water Footprint）的概念，用以描述人类消费对水资源系统的影响。生态足迹理论依据为人类对土地的依赖性将人类活动对生态系统的影响归结为对土地面积的占用，其具体表征为在一定物质生活标准下，生产该特定人群所利用的资源和吸收这些人群资源消费所产生的废弃物所需的生物生产性面积和水域生态系统面积[104-105]。水足迹则是通过虚拟水概念的使用对人类消费对水资源系统的影响进行描述，是指在一定的物质生活标准下，生产一定人群（个体、城市或国家）消费的产品和服务所需要的水资源数量，其表征的是维持人类消费所需要的真实的水资源数量。作为一个综合性指标，水足迹通过揭示一个国家或地区的总需水量，可以粗略衡量人类消费对自然水环境产生的影响，从而为干旱缺水地区水资源合理开发利用、高效配置提供了新的视角。

在水资源的消耗量中，实际生活用水通常是很小的，大部分的消耗都是以虚拟水的形式表现出来，因此虚拟水消费量是水足迹的最主要组成部分。自概念提出以来，国内外学者对水足迹的研究从不同角度进行研究，从而进一步充实了虚拟水相关理论的研究范畴。

1.3.5.1　国外研究进展

水生态足迹可以分为内部水生态足迹与外部水生态足迹两类。其中，内部水生态足迹是指本国（地区）水资源的用水数量；外部水生态足迹是指国家进口的产品和服务中所需要的来自其他国家或地区的用水数量。A.K.Chapagain等学者以棉花为例对水生态足迹计算进行实证研究[23]，将包括棉花原料消费到棉花产品消费的整个过程纳入分析范畴，从而提出稀释水的概念，试图量化棉花消费对水质的影响。文献[105]通过完善水生态足迹的概念，同样基于对国家水生态足迹的量化过程测算了内部水生态足迹与外部水生态足迹。并得出结论：消费量、消费形式、气候条件和农业方式都是国家水生态足迹的重要影响因素。

水足迹对于水资源管理的主要贡献在于，过往对于水资源的评价都是从生产角度出发的，而水生态足迹则是从消费角度展开，从各国对水资源的消费的来源来研究水资源的可持续性和利用效率。此外，水生态足迹也是评价国家水资源独立性的重要指标，通过外部水生态足迹和内部水生态足迹的概念不难看出，每个国家都从国际贸易中获得或支出了虚拟水，因而在水资源方面各个国家都对其他国家存在着不同程度的依赖。

1.3.5.2　国内研究进展

王新华等引入水足迹的概念，对水足迹的计算进行了实证研究[106]，结果表明：2000年我国水足迹的分布中，西北部省份水足迹较大，南部和中东部省份水足迹较小，青海省水足迹最大，年均数值为935.75m3/人，广西壮族自治区水足迹最小，其值为466.31m3/人，全国平均水足迹为601m3/人。马静等结合了虚拟水与水足迹的概念，在计算我国及各区域主要农产品的虚拟水含量的基础上，通过分析区域的农产品生产和消费关系，计算了我国国际和国内区域间的虚拟水流量，以及相应的水足迹和水的自给率，并进行了相关分析，得出了与王新华等一致的结论，即中国是一个水资源高度自给的国家，但区域间差别较大[107]。秦丽杰分析了以色列1999年的人均水足迹、总水足迹及其构成，并据此探讨了以色列水足迹对我国西北干旱区的有益启示，主要包括四个方面：为区域水资源管理和水资源配置开阔视野；调整产业结构，促进地区生态经济可持续发展；提高水资源利用效率，发展高效节水农业；加强水足迹概念的宣传，优化饮食结构[108]。

另有学者对我国部分地区进行了水足迹的实证分析，并提出当地基于虚拟水理论缓解水资源短缺的政策建议。孙才志等对1997—2007年中国各地区水足迹进行计算，并借助于基尼系数和锡尔指数的方法，研究中国11年来水足迹强度发展的空间格局变化规律[109]。王新华引入了水足迹的概念及计算方法，计算分析了2005年甘肃省的水足迹状况[110]。结果表明了甘肃省当前的水资源消费占用比例和自给率较高，对当地的生态环境造成了巨大的压力。赵红飞基于虚拟水的概念及计算方法计算了郑州市2006年的虚拟水消费量及水足迹[111]。结果表明，郑州市水资源承受了社会经济系统的巨大压力，并据此提出了缓解郑州市水资源短缺的合理化建议，为科学合理利用水资源提供了决策依据。此外，蔡燕采用投入产出分析的思想，对2002年我国黄河流域所经过的主要省区的水足迹进行了实证分析[112]。

龙爱华在计算2000年中国水足迹的基础上，对水足迹的影响因素进行了实证分析[113]。基于STIRPAT模型的计算结果表明，人口数量是当前我国水足迹的一个主要驱动因子，富裕程度的提高会增加人类对水资源的总消费，气候因素和区位条件对水足迹具有显著影响，而提高土地生产能力对减少水足迹具有重要作用。

1.3.6　国内外相关研究对本书的启示

1.虚拟水理论成为水资源需求管理领域的重要创新

虚拟水理论的提出及虚拟水贸易的发展将传统的水资源安全问题与粮食安全问题有效联系起来，基于农业科学与经济学思想的结合，从大水利的角度研究缺水地区的水资源配置与产业结构优化问题，赋予了水资源管理学者们以更为广阔的研究空间。

传统的水资源供给管理主要通过开辟水源、修建水利工程、调水工程来实现。尽管这些措施对我国社会经济的发展曾起到至关重要的作用，但试图通过供给管理改善水资源的时空分布以增加水资源数量，不仅受到高昂的工程成本及水资源总量的限制，而且对生态安全也构成了极大的威胁。相比之下，隶属于水资源需求管理范畴的技术性节水则突破了资源约束的限制，从提高水资源利用效率的角度缓解水资源短缺，成为目前我国解决水资源问题的重要技术手段。但缺点是该手段受制于技术上的可行性与经济上的合理性，一般来讲，节水效率的提高通常对应着极高的设施建设成本与维护费用，这类费用甚至超过了节水所带来的经济收益。水资源需求管理的另外一种手段则是社会化管理，即在正确把握水资源的社会属性的基础上，充分认识到水资源的商品属性，通过经济手段调节水资源的供给与需求，利用各种外部资源来缓解局部水资源的短缺，从而实现更大范围上水资源的供需平衡。可见，虚拟水贸易通过粮食贸易解决水资源短缺问题，无疑是水资源社会化管理中重要的应用思路。

2.过分注重水资源禀赋易造成虚拟水战略的片面应用

尽管关于虚拟水的理论支撑方面国内外学者已经做了大量研究，但更多的学者在虚拟水的经济学解释方面存在一定的误区，片面应用了比较优势理论，认为国际贸易使虚拟水从水资源量具有比较优势的国家（区域）流向水资源相对缺乏的国家（区域）。事实上，经济发展中虚拟水战略的实施显然受到多种要素的约束与影响，对虚拟水贸易理论的传统解释往往过分强调了水资源禀赋的作用。由于资源禀赋、经济发展、社会条件以及文化背景等方面存在不同，会导致虚拟水战略的实施对不同国家和地区产生的影响也互有差异。因此，在具体制定虚拟水贸易政策时，应全面分析并综合考虑虚拟水战略实施的影响因素，修正传统研究中过分强调水资源禀赋的片面国家，根据不同国家（区域）其经济社会发展的差异区别对待。

3.虚拟水贸易实施需实现资源节约与经济发展的双重贡献

在理论解释方面，虚拟水战略的出发点和立足点仅注重了水资源要素禀赋方面，忽略了经济系统中其他因素的影响，造成了虚拟水战略的片面理解与应用；实证研究方面，国内学者大多通过虚拟水的量化侧重分析虚拟水战略的实施对于水资源问题的贡献，也往往忽略了虚拟水战略实施对区域经济发展的作用。尽管虚拟水战略是从水资源需求管理角度解决水短缺问题的重要创新，然而作为多种要素约束下经济系统中的策略，其实施过程中要综合考虑多种因素，因此合理的立足点应该是经济目标和水资源问题的协调。即不仅分析水资源在生产过程中的消耗（虚拟水的节水效应），同样关注水资源在社会经济中的机会成本（虚拟水的经济价值）。虚拟水战略的实施中，两方面涵义的有效结合能够提供更为合理的水资源管理思路，在综合考虑各方面影响因素的基础上优化缺水国家（地区）的水资源配置，并增加其经济收益。

4.虚拟水贸易的有效实施应得到相应的政策保障

流域内实施虚拟水战略意味着将淘汰缺水地区的部分水资源密集型的产业，如通过实施退耕还林工程限制高用水产业的发展，尽管这些产业对该区域的经济拉动作用较小，但单纯从追求经济利益最大化的角度出发，势必会在一定程度上影响该区域的经济发展。即虚拟水战略追求的是经济利益与资源、环境效益的平衡，在部分区域经济利益有所损失的同时，带来了更大区域生态效益的改善。可见，虚拟水战略的实施带来了流域内部各利益主体个人理性与集体理性的利益冲突，而实施区域间虚拟水战略的根本目的，是通过上下游的合作分工以及合理的制度安排，实现水资源节约及生态环境得到改善，同时实现流域内部利益主体总体福利的帕累托改进。因此建立虚拟水贸易的补偿机制，在保障虚拟水贸易的顺利实施，实现流域水资源的高效利用、支撑经济社会的可持续发展显得尤为必要。此外，虚拟水战略的实施势必伴随水价的调整及水权转换，由此引发的农业水费负担及农民用水权益保障问题也值得引起学术界的关注。