中國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間差異與模式分類

劉濤

摘要：界定農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的內(nèi)涵，建立了農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率評(píng)估指標(biāo)體系，并使用SBM-Undesirable超效率模型對(duì)2011—2013年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率及其區(qū)域差異進(jìn)行測算。研究發(fā)現(xiàn)，我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體偏低，且有下降趨勢。純技術(shù)效率和規(guī)模效率的雙重低效共同導(dǎo)致我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體偏低；考慮污染排放負(fù)效應(yīng)后，農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率由高到低的排名為西部地區(qū)、東北地區(qū)、中部地區(qū)和東部地區(qū)，農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間差距明顯；根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率與農(nóng)作物播種面積分布圖，農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間模式可以分為6類。今后農(nóng)業(yè)水資源的利用在考慮數(shù)量增長的同時(shí)，更應(yīng)該注重生態(tài)化效率；國家應(yīng)從總體上糾正漫灌式、污染式的農(nóng)業(yè)用水方式，建立起節(jié)水灌溉、生態(tài)灌溉的農(nóng)業(yè)用水方式；各省份需著重解決本省農(nóng)業(yè)生態(tài)用水中的短板，通過區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化、投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善其農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率。

關(guān)鍵詞：污染排放；農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率；空間差異；模式；SBM-Undesirable超效率模型

中圖分類號(hào)： F323.213 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0443-03

水資源是農(nóng)業(yè)發(fā)展的命脈，農(nóng)業(yè)的發(fā)展與水資源的投入息息相關(guān)。改革開放以來，由于我國農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)投入加大，我國農(nóng)業(yè)用水的供給能力不斷增強(qiáng)。根據(jù)《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)，2000年我國農(nóng)業(yè)用水總量為3 783.5億m3，此后逐年增長，到2013年農(nóng)業(yè)用水總量達(dá)到3 921.5億m3，增長了3.6%，有效地保障了我國糧食作物持續(xù)增產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。然而，我國農(nóng)業(yè)水資源的利用效益比較低，水資源所產(chǎn)糧食不足1.2 kg/m3，小于世界發(fā)達(dá)國家的 2 kg/m3，農(nóng)業(yè)水資源利用方式比較粗放。同時(shí)由于我國農(nóng)業(yè)水資源利用不合理，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)水污染問題非常嚴(yán)峻。2012年農(nóng)業(yè)廢水的化學(xué)需氧量（COD）排放量占全國廢水COD排放總量的47.6%，農(nóng)業(yè)廢水的氨氮排放量占全部廢水中氨氮排放量的3179%，2013年2項(xiàng)指標(biāo)所占比重分別為47.9%、31.72%。嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)水污染進(jìn)一步惡化了我國農(nóng)業(yè)水資源的短缺。節(jié)約用水的同時(shí)如何保護(hù)水資源的清潔，對(duì)于保障農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)水資源管理具有重大意義。因此，研究農(nóng)業(yè)用水效率時(shí)必須要考慮農(nóng)業(yè)水污染問題，將農(nóng)業(yè)水污染排放納入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分析我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率成為農(nóng)業(yè)水資源利用研究的重要課題。

目前理論界用不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)農(nóng)業(yè)用水效率進(jìn)行了大量研究，如劉渝等運(yùn)用DEA方法測算了1999—2006年我國29個(gè)省份農(nóng)業(yè)水資源利用效率[1]，張雄化等運(yùn)用MFA、SFA和DEA方法測量我國糧食生產(chǎn)灌溉水資源的資源生產(chǎn)率、技術(shù)效率和全要素資源效率[2]。趙凱等以楊凌示范區(qū)為例測算了滴灌技術(shù)下的農(nóng)業(yè)用水配置效率[3]。此外，部分學(xué)者嘗試引入環(huán)境污染變量測算農(nóng)業(yè)用水效率，如楊騫等引入農(nóng)業(yè)廢水中的氨氮排放量和COD排放量，利用非徑向方向性距離函數(shù)模型分析了2011—2012年污染排放約束下中國分省份及區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源效率[4]。李靜等在產(chǎn)出變量中引入作物生產(chǎn)過程帶來水污染中氮排放量和磷排放量，利用窗式DEA方法測算了2003—2012年產(chǎn)糧區(qū)糧食生產(chǎn)用水效率[5]。

當(dāng)前理論界對(duì)污染排放約束下農(nóng)業(yè)用水效率進(jìn)行了一些探索研究，但是已有文獻(xiàn)并未提出農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的理念，也未專門對(duì)我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率進(jìn)行研究。農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率是指農(nóng)業(yè)水資源利用的生態(tài)投入與生態(tài)產(chǎn)出的比例關(guān)系，與農(nóng)業(yè)用水效率的區(qū)別在于產(chǎn)出指標(biāo)中不僅要考慮“好產(chǎn)出”還要考慮“壞產(chǎn)出”?！皦漠a(chǎn)出”越小，農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率越高?；诖耍狙芯客ㄟ^建立農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率評(píng)估指標(biāo)體系，使用SBM-Undesirable超效率模型，對(duì)2011—2013年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率及其區(qū)域差異進(jìn)行測算分析，這對(duì)于推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)水資源的管理工作具有重大的指導(dǎo)價(jià)值。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的評(píng)估框架

1.1 SBM-Undesirable超效率模型

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法（即DEA方法）是用于評(píng)價(jià)具有相同類型的多個(gè)投入、多個(gè)產(chǎn)出的若干決策單元是否相對(duì)有效的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法[6]。近年來DEA方法逐漸成為效率測度研究的主流方法，傳統(tǒng)的CCR、BCC等模型所設(shè)定的產(chǎn)出指標(biāo)一般為期望的“好產(chǎn)出”，但是沒有考慮農(nóng)業(yè)水資源利用過程中產(chǎn)生的污染排放等非期望的“壞產(chǎn)出”，因而其測算的效率值是不準(zhǔn)確的。為了解決非期望的“壞產(chǎn)出”問題，理論界研究了多種處理方法，包括正向?qū)傩赞D(zhuǎn)換法、投入產(chǎn)出轉(zhuǎn)置法以及方向性距離函數(shù)法，但是這些處理方法都沒有考慮投入產(chǎn)出變量的松弛問題。為此，Tone提出了SBM模型的處理方法，他在2001年提出的考慮投入產(chǎn)出變量松弛問題的SBM模型基礎(chǔ)上，建立了處理非期望產(chǎn)出的SBM模型[7]。利用Tone的思路，我們構(gòu)建了準(zhǔn)確測算污染排放約束下我國農(nóng)業(yè)用水效率的SBM-Undesirable模型。

基本原理如下：假定農(nóng)業(yè)水資源利用系統(tǒng)有n個(gè)決策單元（DMU），并且每個(gè)決策單元都包括3個(gè)投入產(chǎn)出向量，即投入向量、期望產(chǎn)出向量以及非期望產(chǎn)出向量，他們分別表示成x∈Rm，yg∈RS1，yb∈RS2。我們定義3個(gè)矩陣，即X、Yg、Yb，其公式分別為：X=（xi，j）∈Rm×n，Yg=（ygij）∈RS1×n，Yb=（ybij）∈RS2×n。其中，X>0，Yg >0，Yb>0，生產(chǎn)可能性集合P可以定義為：

其中Si-、Srg、Srb分別為第i0個(gè)DMU的投入冗余量、期望產(chǎn)出不足量和非期望產(chǎn)出超標(biāo)量；λ為權(quán)重向量；目標(biāo)函數(shù)ρ* 為嚴(yán)格遞減的，且0≤ρ*≤1。當(dāng)ρ*=1，即S-=0，Sg=0，Sb=0 時(shí)，決策單元是有效率的；當(dāng)ρ*<1時(shí)，決策單元是無效率的，需要對(duì)投入產(chǎn)出進(jìn)行改進(jìn)。該模型是一個(gè)非線性規(guī)劃模型，可以根據(jù)Charnes-Cooper的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行求解。

但是該模型還是不能區(qū)分有效決策單元效率的大小，為了能對(duì)有效決策單元的效率高低進(jìn)行比較，Andersen等提出了超效率DEA模型。其基本思想是：評(píng)價(jià)某個(gè)決策單元時(shí)，將其排除在決策單元集合之外[9]。本研究結(jié)合SBM-Undesirable模型和超效率DEA模型的優(yōu)點(diǎn)，綜合為SBM-Undesirable超效率模型，對(duì)2011—2013年污染排放約束下我國農(nóng)業(yè)用水效率進(jìn)行了測算分析。

1.2 評(píng)估指標(biāo)與數(shù)據(jù)來源

比較借鑒已有指標(biāo)體系建立了我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的評(píng)估指標(biāo)體系。其中投入指標(biāo)包括農(nóng)業(yè)用水量（億m3）、化肥施用量（萬t）和農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力（萬kW），3個(gè)指標(biāo)可以很好地度量農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的投入狀況。產(chǎn)出指標(biāo)綜合考慮“好產(chǎn)出”和“壞產(chǎn)出”2個(gè)方面，“好產(chǎn)出”選取農(nóng)作物播種面積（×103 hm2），“壞產(chǎn)出”選取農(nóng)業(yè)廢水的化學(xué)需氧量COD排放量（t）和農(nóng)業(yè)廢水的氨氮排放量（t），3個(gè)指標(biāo)較全面反映了農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的產(chǎn)出狀況。

為了使得決策單元具有可比性，參照2014年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》中農(nóng)作物播種面積，將農(nóng)作物播種面積在400萬hm2以上的省份作為比較對(duì)象，從而確定了20個(gè)比較對(duì)象。2011—2013年我國農(nóng)業(yè)用水效率的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)來源于歷年《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)劃分，東北地區(qū)包括黑龍江省、吉林省、遼寧省，東部地區(qū)包括江蘇省、廣東省、山東省、河北省，中部地區(qū)包括安徽省、河南省、湖北省、湖南省、江西省，西部地區(qū)包括甘肅省、廣西壯族自治區(qū)、貴州省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、四川省、新疆維吾爾自治區(qū)、云南省。

2 考慮污染排放負(fù)效應(yīng)的中國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率實(shí)證分析

利用Maxdea Pro 6軟件，使用SBM-Undesirable超效率模型，測算了2011—2013年我國20個(gè)省份農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的變動(dòng)狀況（表1）。

2.1 我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的基本特征

我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體偏低，且有下降趨勢。2011年我國20個(gè)省份農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率為0.781，小于1，離有效前沿面有較遠(yuǎn)的距離，表明農(nóng)業(yè)水資源生態(tài)化利用不合理。2012年農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率下降為0.766，減少了0.015，2013年雖然有所增加，但也僅為0.771，小于2011年的總體水平，農(nóng)業(yè)水資源生態(tài)化利用不合理狀況進(jìn)一步惡化。

我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體偏低的主要原因在于純技術(shù)效率和規(guī)模效率都比較低。2011年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水的規(guī)模效率高于純技術(shù)效率，但都未達(dá)到有效前沿面，使得農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體上處于無效狀態(tài)。2012年農(nóng)業(yè)水資源的生態(tài)化管理有所改善，純技術(shù)效率高于2011年，但是規(guī)模效率下滑比較大，最終使得2012年的農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體上低于2011年。2013年農(nóng)業(yè)生態(tài)用水的管理改善很大，與2012年相比，純技術(shù)效率提高了很多，但是規(guī)模效率小幅下降，導(dǎo)致2013年的農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體上雖高于2012年，但仍低于2011年（表1）。由此可見，我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水的純技術(shù)效率雖逐年提高，但是現(xiàn)有的用水規(guī)模與最優(yōu)規(guī)模的差距越拉越大，純技術(shù)效率和規(guī)模效率的雙重低效共同導(dǎo)致我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體偏低。

2.2 我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間差異

從4個(gè)主要地區(qū)來看，3年間農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率由高到低依次為西部地區(qū)、東北地區(qū)、中部地區(qū)和東部地區(qū)，西部地區(qū)與東部地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的絕對(duì)差額有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢。2011年二者的絕對(duì)差額為0.271，2012年上升為 0.299，2013年雖略有下降，為0.284，但仍高于2011年?？傊?，考慮污染排放負(fù)效應(yīng)后，2011—2013年農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率由高到低的排名為西部地區(qū)、東北地區(qū)、中部地區(qū)和東部地區(qū)，農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間差距明顯。

從達(dá)到有效前沿面的省份變化來看，2011—2013年間農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率均值達(dá)到有效的省份有4個(gè)，分別為貴州省、黑龍江省、甘肅省、云南省。雖然2011年的河南省、2012年的四川省、2013年的江西省農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率都達(dá)到了有效，但是3年平均下來，農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率達(dá)到有效的省份只有4個(gè)，其余16個(gè)省份都沒有達(dá)到有效。從純技術(shù)效率來看，3年間均值達(dá)到有效的?。▍^(qū)）有8個(gè)，分別為貴州省、黑龍江省、河南省、四川省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、新疆維吾爾自治區(qū)、云南省，雖然2013年江西省純技術(shù)效率達(dá)到了有效，但是3年平均下來，純技術(shù)效率達(dá)到有效的省份只有8個(gè)，其余12個(gè)省份都沒有達(dá)到有效。從規(guī)模效率來看，雖然2011年的廣西壯族自治區(qū)、江西省、吉林省、江蘇省，以及2013年的江西省都達(dá)到了有效，但是3年平均下來，只有云南省達(dá)到了有效，其他19個(gè)?。▍^(qū)）都未達(dá)到有效前沿面。

3.3 中國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間模式分類

根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率與農(nóng)作物播種面積分布圖（圖1），可以把20個(gè)?。▍^(qū)）的農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間模式分為6類：

第1類是農(nóng)作物播種面積大、技術(shù)效率高模式。該模式的主要特征為農(nóng)作物播種面積大于900萬hm2，技術(shù)效率大于0.9，主要包括黑龍江省、四川省。第2類是農(nóng)作物播種面積大、技術(shù)效率低模式。該模式的主要特征為農(nóng)作物播種面積大于900萬hm2，技術(shù)效率小于0.9，主要包括山東省、河南省。第3類是農(nóng)作物播種面積中等、技術(shù)效率高模式。該模式的主要特征為農(nóng)作物播種面積介于600萬～900萬hm2，技術(shù)效率大于0.9，主要為云南省。第4類是農(nóng)作物播種面積中等、技術(shù)效率低模式。該模式的主要特征為農(nóng)作物播種面積介于600萬～900萬hm2，技術(shù)效率小于0.9，主要包括安徽省、河北省、湖北省、湖南省、江蘇省、廣西壯族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)。第5類是農(nóng)作物播種面積小、技術(shù)效率高模式。該模式的主要特征為農(nóng)作物播種面積小于600萬hm2，技術(shù)效率大于 0.9，主要包括貴州省、甘肅省。第6類是農(nóng)作物播種面積小、技術(shù)效率低模式。該模式的主要特征為農(nóng)作物播種面積小于600萬hm2，技術(shù)效率小于0.9，主要包括新疆維吾爾自治區(qū)、江西省、吉林省、陜西省、廣東省、遼寧省。

3 主要結(jié)論

本研究界定了農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的內(nèi)涵，通過建立農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率評(píng)估指標(biāo)體系，使用SBM-Undesirable超效率模型，對(duì)2011—2013年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率及其區(qū)域差異進(jìn)行測算分析。研究表明，（1）我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體偏低，且有下降趨勢。我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水的純技術(shù)效率雖逐年提高，但是現(xiàn)有的用水規(guī)模與最優(yōu)規(guī)模的差距越拉越大，純技術(shù)效率和規(guī)模效率的雙重低效共同導(dǎo)致我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體偏低。（2）考慮污染排放負(fù)效應(yīng)后，2011—2013年農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率由高到低的排名為西部地區(qū)、東北地區(qū)、中部地區(qū)、東部地區(qū)，農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間差距明顯。（3）根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率與農(nóng)作物播種面積分布圖，可以把20個(gè)?。▍^(qū)）的農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率的空間模式分為6類：第1類是農(nóng)作物播種面積大、技術(shù)效率高模式，包括黑龍江省、四川省。第2類是農(nóng)作物播種面積大、技術(shù)效率低模式，包括山東省、河南省。第3類是農(nóng)作物播種面積中等、技術(shù)效率高模式，主要為云南省。第4類是農(nóng)作物播種面積中等、技術(shù)效率低模式，包安徽省、河北省、湖北省、湖南省、江蘇省、廣西壯族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)。第5類是農(nóng)作物播種面積小、技術(shù)效率高模式，包括貴州省、甘肅省。第6類是農(nóng)作物播種面積小、技術(shù)效率低模式，包括新疆維吾爾自治區(qū)、江西省、吉林省、陜西省、廣東省、遼寧省。

總之，我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率總體不佳，體現(xiàn)出我國農(nóng)業(yè)生態(tài)用水方式的粗放式特點(diǎn)。今后農(nóng)業(yè)水資源的利用在考慮數(shù)量增長的同時(shí)，更應(yīng)該注重農(nóng)業(yè)用水的生態(tài)化效率。為此，一方面，國家應(yīng)從總體上糾正漫灌式、污染式的農(nóng)業(yè)用水方式，建立起節(jié)水灌溉、生態(tài)灌溉的農(nóng)業(yè)用水方式。著力從政策設(shè)計(jì)、技術(shù)推廣、制度優(yōu)化等層面推進(jìn)集約式農(nóng)業(yè)生態(tài)用水方式。另一方面，各省份結(jié)合本省的實(shí)際，著重解決農(nóng)業(yè)生態(tài)用水中的短板，通過區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化、投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善其農(nóng)業(yè)生態(tài)用水效率。

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