我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率評價

王 震, 吳穎超, 張娜娜, 閔興華, 曹 磊, 趙言文

(南京農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院, 江蘇 南京 210095)

我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率評價

王 震, 吳穎超, 張娜娜, 閔興華, 曹 磊, 趙言文

(南京農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院, 江蘇 南京 210095)

摘要：[目的] 研究我國糧食主產(chǎn)區(qū)13個省份2001—2011年農(nóng)業(yè)水資源利用效率，旨在明確各省份農(nóng)業(yè)水資源利用效率提升的潛力。[方法] 采用DEA(數(shù)據(jù)包絡(luò)分析)交叉評價模型。 [結(jié)果] (1) 2001—2011年我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率普遍偏低，且各省份之間的差異較為顯著； (2) 吉林、內(nèi)蒙古、湖北、湖南、山東、遼寧和黑龍江省(區(qū))屬于“低投入低產(chǎn)出”類型，四川、河南、安徽、江西、河北和江蘇省屬于“高投入高產(chǎn)出”類型； (3) 我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率整體處于“低投入低產(chǎn)出”階段，農(nóng)業(yè)水資源利用效率具有很大的提升空間。[結(jié)論] DEA交叉效率評價模型實現(xiàn)了對所有決策單元效率的完全排序和效率評價；虛擬決策單元的引入明確了研究區(qū)域內(nèi)各單元農(nóng)業(yè)水資源利用的提升潛力和改進方向。

關(guān)鍵詞：糧食主產(chǎn)區(qū); 農(nóng)業(yè)水資源; DEA; 交叉評價

2011年我國水資源總量為2.30×1012m3，其中地表水2.22×1012m3，地下水7.20×1011m3。水資源分布特點表現(xiàn)為總量并不豐富，人均占有量更低，我國水資源總量居世界第6位，人均占有量為2 240 m3，約為世界人均的1/4，在世界銀行連續(xù)統(tǒng)計的153個國家中居第88位；空間分布不均，水土資源配置錯位，由于南北氣候上的差異，我國降水量從東南沿海向西北內(nèi)陸依次遞減，長江流域及其以南地區(qū)國土面積只占全國的36.5%，其水資源量占全國的81%，淮河流域及其以北地區(qū)的國土面積占全國的63.5%，其水資源量僅占全國水資源總量的19%；年內(nèi)年際分配不勻，旱澇災害頻繁，大部分地區(qū)年內(nèi)連續(xù)4個月降水量占全年的70%以上，連續(xù)豐水或連續(xù)枯水較為常見；農(nóng)業(yè)用水短缺，浪費嚴重，農(nóng)田灌溉水的利用效率只有30%～40%，每生產(chǎn)1 g糧食要補充水1.23 m3,比美國、加拿大高出1.76倍。農(nóng)業(yè)是我國最大的用水戶，占總用水量的65%左右，我國糧食主產(chǎn)區(qū)屬農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)，農(nóng)業(yè)是支柱產(chǎn)業(yè)，但農(nóng)業(yè)單位產(chǎn)值耗水量很高，屬典型資源拉動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展地區(qū)。隨著工業(yè)和城市化進程的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水競爭加劇，可供利用的農(nóng)業(yè)用水量將進一步降低，加大了農(nóng)業(yè)水資源不足的矛盾。在農(nóng)業(yè)和工業(yè)、城市用水的競爭中，農(nóng)業(yè)用水顯然處于不利地位，農(nóng)業(yè)用水被擠占將不可避免。從工業(yè)化國家的發(fā)展規(guī)律來看，農(nóng)業(yè)用水量所占比例一般會隨著經(jīng)濟發(fā)展逐步減少，農(nóng)業(yè)用水將面臨更趨嚴峻的形勢。因此如何解決農(nóng)業(yè)灌溉用水問題，已成為當今人們面臨的迫切任務。

水資源是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，提高水資源利用效率已成為擺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及糧食安全面前亟待解決的問題。很多學者[1-7]采取不同研究方法從不同層面、不同尺度研究了水資源利用效率，研究方法包括神將網(wǎng)絡(luò)法、遺傳投影尋蹤法、GIS軟件、比值分析法、包絡(luò)分析法(DEA)、生產(chǎn)函數(shù)法及層次分析法等。

考慮到既往的評價方法都有其局限性，本研究在綜合考慮傳統(tǒng)DEA評價模型優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，引入DEA交叉評價模型，克服傳統(tǒng)DEA無法區(qū)分有效單元之間優(yōu)劣的不足，以期能夠較好地實現(xiàn)對所有決策單元效率的完全排序和效率評價。并運用該模型，對我國糧食主產(chǎn)區(qū)(包括河北、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、江蘇、安徽、江西、山東、河南、湖北、湖南和四川等省區(qū))13個省份2001—2011年期間農(nóng)業(yè)水資源利用效率進行評價，對各省區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用情況對比分析，及時發(fā)現(xiàn)差距和問題，并引入4類虛擬決策單元，明確了我國糧食主產(chǎn)區(qū)各省份農(nóng)業(yè)水資源利用目前所處階段以及未來發(fā)展?jié)摿透倪M方向，研究結(jié)果對于提高各省份農(nóng)業(yè)水資源利用效率、提高農(nóng)業(yè)競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力具有重要意義。

1研究方法

1.1　DEA交叉評價模型

考慮到實際問題中，采用傳統(tǒng)DEA模型分析方法較多DMU都能取到最大效率值1，無法對DMU的優(yōu)劣進行有效區(qū)分。為此，引入對抗性交叉評價(aggressive cross-evaluation)機制[8]：

首先，給定i∈{1,2，…，n}，k∈{1，2，…，n}求解線性規(guī)劃：

(1)

式中主對角線元素Eii為自我評價值，非對角線元素Eik(i≠k)為交叉評價值。E的第i列是諸決策單元對DUMi的評價值，這些值越大，說明DUMi越優(yōu)。因此，將E的第i列的平均值ei作為衡量DUMi優(yōu)劣的一項指標，ei越大說明DUMi越優(yōu)，從而有效地實現(xiàn)傳統(tǒng)DEA有效DUM的區(qū)分問題。

1.2　指標選取

農(nóng)業(yè)水資源利用指標體系是由若干相互聯(lián)系、互相補充、具有層次性和結(jié)構(gòu)性的指標組成，是衡量農(nóng)業(yè)水資源高效利用各截面及其指標的有機集合，必須能夠綜合反映農(nóng)業(yè)水資源的利用水平[9]。指標選取遵循科學性、系統(tǒng)性、代表性和數(shù)據(jù)可獲取性等基本原則[9-10]。本研究在參考相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上[1,9,11]，以我國糧食主產(chǎn)區(qū)13個省份為研究對象，綜合考慮農(nóng)業(yè)水資源利用資金、人才、資源和技術(shù)等各方面投入，根據(jù)《中國水資源公報》《中國統(tǒng)計年鑒》以及各省份水資源公報和統(tǒng)計年鑒，選取投入指標主要包括：農(nóng)作物播種面積、農(nóng)田灌溉用水量、農(nóng)田灌溉耗水量反映自然資源投入，農(nóng)業(yè)固定資產(chǎn)投資反映資本投入，農(nóng)業(yè)在崗職工人數(shù)反映勞動力投入，化肥施用量、有效灌溉面積、節(jié)水灌溉面積反映技術(shù)要素投入。產(chǎn)出指標選擇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、農(nóng)村居民人均農(nóng)業(yè)收入、農(nóng)作物產(chǎn)量綜合反映物質(zhì)成果及非物質(zhì)成果(表1)。

表1　農(nóng)業(yè)水資源效率評價指標體系

1.3　數(shù)據(jù)來源

以我國糧食主產(chǎn)區(qū)13個省份為研究對象，以2001—2011年歷年《中國水資源公報》《中國統(tǒng)計年鑒》以及各省歷年水資源公報和統(tǒng)計年鑒為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；贒EA交叉模型對我國糧食主產(chǎn)區(qū)2001—2011年農(nóng)業(yè)水資源利用效率計算和分析，以便對糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率進行正確的評價，為農(nóng)業(yè)水資源利用效率的提高提供有力的數(shù)據(jù)參考。

2結(jié)果與分析

2.1　農(nóng)業(yè)水資源利用概況

通過對我國糧食主產(chǎn)區(qū)13個省份2001—2011年農(nóng)業(yè)水資源投入要素統(tǒng)計分析得出，近年來我國糧食主產(chǎn)區(qū)不斷加大農(nóng)業(yè)水資源利用資金、資源以及技術(shù)等方面投資，大力推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)進程，積極開發(fā)耕地資源，不斷引進先進農(nóng)業(yè)灌溉、生產(chǎn)推廣技術(shù)，農(nóng)業(yè)固定資產(chǎn)投資、農(nóng)作物播種面積、農(nóng)業(yè)機械總動力、有效灌溉面積、化肥施用量、節(jié)水灌溉面積呈逐年遞增趨勢。

隨著農(nóng)業(yè)機械化、產(chǎn)業(yè)化體系的逐漸完善，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員冗余問題日益突出，農(nóng)業(yè)在崗職工數(shù)量得到合理優(yōu)化裁剪，呈現(xiàn)下降趨勢。但隨著農(nóng)作物播種面積的增加農(nóng)田灌溉用水量、農(nóng)田灌溉耗水量基本保持不變，這就使得農(nóng)田灌溉出現(xiàn)一定的用水短缺現(xiàn)象，特別是內(nèi)蒙古、河南、湖北和湖南地區(qū)農(nóng)田灌溉用水、耗水已成下降趨勢的省區(qū)，農(nóng)業(yè)用水短缺現(xiàn)象尤為嚴重。解決農(nóng)業(yè)灌溉用水問題、提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，已成為當今人們面臨的迫切任務。

2.2　農(nóng)業(yè)水資源利用效率自我評價

利用傳統(tǒng)DEA自我評價模型[12-14]，運用Matlab軟件對我國糧食主產(chǎn)區(qū)13個省份2001—2011年農(nóng)業(yè)水資源利用效率進行自我評價(表2)。

表2　我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率自我評價

從表2可以看出，2001—2011年我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率總體保持相對平穩(wěn)的發(fā)展態(tài)勢。2001—2011年農(nóng)業(yè)水資源利用效率DEA有效的省份數(shù)目分別為8，10，11，8，9，7，10，11，7，9，8。其中，吉林、湖北、湖南、山東、黑龍江和江西省始終處于DEA有效，說明其農(nóng)業(yè)水資源投入產(chǎn)出處于合理狀態(tài)；其他省份部分年份保持DEA有效，部分年份處于DEA無效，這些省份應當借鑒吉林、湖北、湖南等省份農(nóng)業(yè)水資源利用經(jīng)驗，優(yōu)化農(nóng)業(yè)水資源利用結(jié)構(gòu)，保持合理投入產(chǎn)出水平。

2.3農(nóng)業(yè)水資源利用效率交叉評價

通過表2可以初步了解我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率的基本情況，但是，傳統(tǒng)DEA方法對于DEA有效的DMU之間如何區(qū)分和各DMU農(nóng)業(yè)水資源利用效率提高的潛力空間等問題均無法做出進一步回答。為此，采用交叉評價機制，以實現(xiàn)DEA有效的DMU之間的排序，并引入虛擬DMU，以明確各DMU提升的空間。虛擬DMU的投入產(chǎn)出構(gòu)建方法為:DMUA={maxX1j，maxX2j，…，maxXmj，minY1j，minY2j，…，minYsj}

DMUB={minX1j，minX2j，…，minXmj，maxY1j，maxY2j，…，maxYsj}

DMUC={maxX1j，maxX2j，…，maxXmj，maxY1j，maxY2j，…，maxYsj}

DMUD={minX1j，minX2j，…，minXmj，minY1j，minY2j，…，minYsj}

式中：j=1，2，…，n; maxXmj，minXmj——第m個投入變量中的最大值和最小值; maxYsj，minYsj——第s個產(chǎn)出變量中的最大值和最小值； DMUB——理想決策單元； DMUA——高投入低產(chǎn)出類決策單元； DMUC——高投入高產(chǎn)出類決策單元；DMUD——低投入低產(chǎn)出類決策單元。虛擬決策單元的增加則給諸決策單元提供了理想的參照物，雖然虛擬決策單元是理想化的決策單元，它的映射不具有實際指導意義，但是指明了各決策單元農(nóng)業(yè)水資源利用效率提升的潛力。

根據(jù)交叉評價模型的定義，運用Matlab軟件對2001—2011年我國糧食主產(chǎn)區(qū)13個省份及4個虛擬DMU的農(nóng)業(yè)水資源利用效率進行交叉評價。同時，以4個虛擬決策單元為參照物，采用SPSS軟件對交叉評價的結(jié)果進行聚類分析。

從總體特征來看，交叉評價方法較好地實現(xiàn)了決策單元排序的問題，并且對于非DEA決策單元的排序沒有太大影響(表2—3)。吉林省在6個傳統(tǒng)DEA有效地DMU中農(nóng)業(yè)水資源利用效率更為突出，江蘇省則在所有DMU中農(nóng)業(yè)水資源利用效率最低。我國經(jīng)濟社會保持快速穩(wěn)定發(fā)展，但農(nóng)業(yè)水資源投入要素的利用不夠合理，農(nóng)業(yè)水資源利用效率相對于理想決策單元而言仍然處于較低水平，2001和2011年我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率僅達到理想DMU的26.8%和26.1%。如果加大力度改變現(xiàn)有的粗放的農(nóng)業(yè)水資源利用方式，積極開展節(jié)水工程，我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率將有很大的提升空間。

從聚類分析結(jié)果來看，吉林、內(nèi)蒙古、湖北、湖南、山東、遼寧和黑龍江等省區(qū)屬于“低投入低產(chǎn)出”類型，四川、河南、安徽、江西、河北和江蘇等省份屬于“高投入高產(chǎn)出”類型。四川、河南、安徽、江西、河北和江蘇省在改革開放以來，相對于其他省份而言在資金、人才、資源和技術(shù)的吸收引進方面具有一定的優(yōu)勢，所以，山東、河南、浙江、安徽、江西、河北和江蘇等省區(qū)處于“高投入高產(chǎn)出”階段。吉林、內(nèi)蒙古、湖北、湖南、山東、遼寧和黑龍江等省區(qū)近年來不斷加大農(nóng)業(yè)固定資產(chǎn)投資，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、機械化水平逐年提高，特別是吉林、遼寧和黑龍江等省份緊緊抓住國家大力實施東北老工業(yè)基地振興、高度重視保障國家糧食安全、全面推進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)等重大發(fā)展機遇，立足自身資源優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，不斷加大農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整，大力推進農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，突出發(fā)展優(yōu)質(zhì)糧食、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)和綠色食品產(chǎn)業(yè)等主導產(chǎn)業(yè)，農(nóng)田灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)配套完整，農(nóng)業(yè)在崗職工、農(nóng)業(yè)固定資產(chǎn)投資合理優(yōu)化，逐步形成了一套相對完整的、科學合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保障體系。吉林、內(nèi)蒙古、湖北、湖南、山東、遼寧和黑龍江等省區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率就投入、產(chǎn)出量來說較四川、河南等6個省份達到更合理水平，但同時也存在一定的問題：農(nóng)業(yè)投入相對不足，農(nóng)田水利先進基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，農(nóng)業(yè)科技應用水平偏低，同時受到氣候條件制約、土地資源條件限制，使得吉林、內(nèi)蒙古、湖北、湖南、山東、遼寧和黑龍江等省區(qū)處于“低投入低產(chǎn)出”階段。

表3　我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源效率交叉評價

3對策和建議

(1) 對于四川、河南、安徽、江西、河北和江蘇“高投入高產(chǎn)出”省份應合理控制農(nóng)業(yè)水資源利用量和勞動力的過多投入，實行灌溉預報和動態(tài)配水，做到適時、適量灌溉，并實時調(diào)整渠道流量和輪灌組合，避免渠道流量過大或者過小，減少輸水的損失，同時鼓勵技術(shù)創(chuàng)新，提高技術(shù)進步在農(nóng)業(yè)水資源利用中的貢獻。

(2) 對于吉林、內(nèi)蒙古、湖北、湖南、山東、遼寧和黑龍江“低投入低產(chǎn)出”省份應進一步加大農(nóng)業(yè)資金、人才、資源和技術(shù)的投入，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、機械化水平，完善農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施體系。特別是黑龍江地區(qū)應積極調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，研究并推行組合作物種植，根據(jù)地區(qū)特點選育需水的高峰與降水同期的品種，可充分利用光、熱、水資源并有利于提利于提高作物的復種指數(shù)。同時通過改良作物品種，減少高耗水作物的種植面積，減少灌溉定額，為灌區(qū)高效率利用水資源創(chuàng)造條件。

(3) 各省份要以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水為目標，加大節(jié)水工程建設(shè)力度，利用先進技術(shù)促進經(jīng)濟向低耗水發(fā)展，因地制宜，大力發(fā)展噴灌、滴灌、微灌、地埋管道、渠道防滲等農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，根據(jù)水源狀況、種植結(jié)構(gòu)、地形地貌和經(jīng)濟條件，因地制宜，多措并舉開展節(jié)水工程建設(shè)。在地形復雜、水源條件差的地區(qū)，發(fā)展滴灌、滲灌等灌溉方式，并調(diào)整農(nóng)作物布局，選用耐旱高效品種，推廣秸桿、地膜覆蓋，提高土壤蓄水保墑能力；在開采地下水的井灌區(qū)，發(fā)展地下管道輸水；在以河水為水源的地表水灌區(qū)，發(fā)展混凝土防滲渠道，減少在輸送過程中的損失。大力發(fā)展節(jié)水灌溉，實施節(jié)約用水戰(zhàn)略，不斷提高水資源的利用效率，建立節(jié)水型社會，是緩解水資源供需矛盾、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的有效措施和根本出路。

4結(jié) 論

(1) 通過DEA交叉模型得出，我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率普遍較低，且各省之間的差異較為顯著，農(nóng)業(yè)水資源利用效率存在很大的提升空間。

(2) 通過引入4類虛擬決策單元聚類分析得出，吉林、內(nèi)蒙古、湖北、湖南、山東、遼寧和黑龍江等省區(qū)屬于“低投入低產(chǎn)出”類型，四川、河南、安徽、江西、河北和江蘇等省份屬于“高投入高產(chǎn)出”類型，我國糧食主產(chǎn)區(qū)整體處于“低投入低產(chǎn)出”類型。

(3) 本研究采用DEA交叉效率評價模型，實現(xiàn)了對所有決策單元效率的完全排序和效率評價，克服了傳統(tǒng)DEA無法區(qū)分有效單元之間優(yōu)劣的不足。同時，引入虛擬決策單元明確了研究區(qū)域內(nèi)各單元農(nóng)業(yè)水資源利用的提升潛力和改進方向，為今后各單元制定和調(diào)整農(nóng)業(yè)水利發(fā)展政策提供了科學依據(jù)?？紤]DEA交叉評價方法各要素之間的權(quán)重是采用內(nèi)生法確定的，但是農(nóng)業(yè)水資源利用效率各評價要素間是相互影響、相互制約的，如何合理有效地評價農(nóng)業(yè)水資源利用效率，是今后進一步研究的方向。

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Evaluation on Agricultural Water Utilization Efficiency in Major Grain Producting Areas

WANG Zhen, WU Yingchao, ZHANG Nana, MIN Xinghua, CAO Lei, ZHAO Yanwen

(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China)

Abstract：[Objective] Studing the agricultural water utilization efficiency of 13 provinces in major grain producing areas from 2001 to 2011 in order to further clarify the improvement potential of agricultural water utilization efficiency.[Methods] By using DEA(data envelopment analysis) cross-evaluation model, the article took 13 provinces in major grain producing areas in China as the objects.[Results] (1) The efficiencies of agricultural water utilization were generally low from 2001 to 2011, and had significant differences among these provinces; (2) Provinces or autonomous regions of Inner Mongolia, Hubei, Jilin, Hu’nan, Shandong, Liaoning and Heilongjiang belonged to “l(fā)ow input and low output” type; provinces of Sichuan, He’nan, Anhui, Jiangxi, Hebei and Jiangsu belonged to the “high input and high output” type. (3) The efficiency of agricultural water utilization was overall in the “l(fā)ow input and low output” stage and has great improvement potentiality.[Conclusion] The DEA cross-evaluation performed well on the evaluation of utilization efficiency of all decision-making units; The potential utilization increments and ways of improvement were clarified by introducing virtual decision-making units.

Keywords:major grain producing areas; agricultural water resources; DEA; cross-evaluation model

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0292-05

中圖分類號：X821

通信作者：趙言文(1965—),男(漢族),江蘇省徐州市人,教授,博士生導師,主要從事環(huán)境生態(tài)學、生態(tài)農(nóng)業(yè),水土保持。E-mail:ywzhao@njau.edu.cn。

收稿日期：2014-03-02修回日期：2014-03-20
資助項目：國家自然科學基金重點項目“農(nóng)村發(fā)展中生態(tài)環(huán)境管理研究”(70833001)
第一作者：王震(1988—),男(漢族),山東省臨沂市人,碩士研究生,研究方向為生態(tài)農(nóng)業(yè)、水土保持、環(huán)境規(guī)劃與環(huán)境影響評價。E-mail:wangzhen200715@163.com。