基于超效率SBM的中國農業(yè)水資源環(huán)境效率評價及影響因素分析

劉 渝，宋 陽

(武漢工程大學 管理學院，湖北 武漢 430205)

水資源短缺和水污染排放問題是中國農業(yè)發(fā)展面臨的難題。目前中國農業(yè)用水量超過總用水量的60%，是最主要的水資源消耗產業(yè)部門，但受地域和氣候差異的影響，農業(yè)水資源稟賦分布均勻，水資源短缺嚴重影響缺水地區(qū)的農業(yè)發(fā)展。與此同時，豐水地區(qū)的狀況也不容樂觀，農業(yè)已成為水污染的重要源頭，2015年中國農業(yè)化學需氧量排放量(COD)和氨氮排放量達1068.6、72.6萬t，分別占COD排放總量和氨氮排放總量的48%、32%。根據(jù)國務院“水污染防治行動計劃(水十條)”的節(jié)水要求，一方面要控制全國用水總量以緩解用水緊張，另一方面要大力發(fā)展農業(yè)節(jié)水，擴大節(jié)水灌溉面積，提高灌溉效率；與此同時，十九大報告中明確提出要加快水污染防治。為此，在環(huán)境約束條件下準確評價農業(yè)水資源效率及其影響因素，可為水污染防治和水量控制找到精準著力點。

前期研究評價產業(yè)用水效率的方法主要包括隨機前沿分析法(SFA)和數(shù)據(jù)包絡分析法(DEA)，兩種方法都屬于全要素生產率模型。陳關聚等[1]、雷玉桃等[2]運用SFA測度了中國省區(qū)工業(yè)用水效率，發(fā)現(xiàn)其效率值呈逐年增長趨勢，并表現(xiàn)為由東向西遞減的空間分布特征。買亞宗等[3]、姜蓓蕾等[4]、沈滿洪等[5]均采用DEA模型測算了中國工業(yè)用水效率，李靜等[6]發(fā)現(xiàn)東、中、西部地區(qū)工業(yè)用水效率在群組前沿下差異不明顯，但東部地區(qū)工業(yè)用水效率在共同前沿下高于中、西部地區(qū)。SFA和DEA方法在農業(yè)用水效率領域內均有應用，耿獻輝等[7]、許朗等[8]采用SFA方法測算了農業(yè)灌溉用水效率，發(fā)現(xiàn)灌溉用水效率和技術效率均未達到技術有效水平。然而，應用DEA方法的研究結果表明區(qū)域間的效率存在顯著差異，楊騫等[9]采用DEA發(fā)現(xiàn)全國過半省區(qū)農業(yè)水資源效率未達到前沿水平，地區(qū)分布上，北部沿海地區(qū)的農業(yè)水資源效率最高，西北地區(qū)最低；佟金萍等[10]采用超效率DEA模型發(fā)現(xiàn)農業(yè)全要素用水效率呈東、中、西部依次遞減格局。

隨著環(huán)境污染問題的突出，國內外學者對產業(yè)與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展問題日益關注，因此將環(huán)境因素納入到效率測算中是非常必要的。Nanere et al.[11]、陳詩一[12]指出不考慮環(huán)境因素會給生產率度量帶來有偏的結果。較SFA方法而言，DEA方法不需要設定生產函數(shù)形式，更適用于包含非期望產出的多投入、多產出模型[13]。在非期望產出指標的設置上，李靜等[14]考慮農業(yè)水污染的情況，運用DEA方法計算了玉米、水稻、小麥的用水效率，將作物生產過程中帶來的水污染中氮、磷排放量作為非期望產出。楊騫等[9]將農業(yè)廢水中的COD排放量和氨氮排放量視為非期望產出納入非徑向方向性距離函數(shù)模型中，測算了污染排放約束下的農業(yè)水資源效率。岳立等[15]提出非期望產出中的環(huán)境污染物包括COD、氮、磷和碳排放量。李靜等[16]等用農業(yè)COD、總氮和總磷的排放總量表示非期望產出，并估算了各污染物的減排效率和潛力。

基于上述研究得出，SFA和DEA模型測算的農業(yè)水資源效率結果差異較大；不考慮非期望產出與考慮非期望產出的效率水平的對比研究較少。在上述背景下，鑒于環(huán)境約束條件的重要性，以及效率值的可比性，將采用測算效果穩(wěn)定度、精細度更高的超效率SBM模型，并將農業(yè)主要污染排放物(COD排放量和氨氮排放量)作為超效率SBM模型中的非期望產出，試圖評價環(huán)境約束下中國各省區(qū)的農業(yè)水資源效率，在分析其區(qū)域差異的基礎上，構建面板Tobit回歸模型，實證分析環(huán)境約束條件下農業(yè)水資源效率的影響因素，最終為提升中國農業(yè)水資源效率、解決農業(yè)對水環(huán)境的污染問題提供理論支持和決策參考。

1 研究方法與模型構建

1.1 模型構建

超效率SBM(Super-efficiency Slacks-based Measure)模型由Tone于2002年提出[17]，該模型結合了超效率DEA模型和SBM模型的優(yōu)點，一方面能夠彌補傳統(tǒng)DEA模型不能區(qū)分多個有效決策單元DMU的缺陷，另一方面能解決非期望產出問題[18-20]。

(1)

1.2 指選取與數(shù)據(jù)說明

基于數(shù)據(jù)的可獲取性，農業(yè)廢水污染排放數(shù)據(jù)只能追溯到2011年，所以本研究的時間跨度是2011-2015年。關于投入和產出要素的選擇，遵循可獲取和可操作原則，選取農業(yè)用水量、農業(yè)從業(yè)人數(shù)、農業(yè)機械總動力、農作物播種面積、化肥施用量作為投入要素，以農林牧漁總產值(折算為2011年不變價格)作為期望產出，以農業(yè)的氨氮排放量和農業(yè)COD排放量為非期望產出。需要說明的是，因國家統(tǒng)計部門未專門統(tǒng)計農業(yè)從業(yè)人數(shù)，所以選取農林牧漁從業(yè)人數(shù)替代農業(yè)從業(yè)人數(shù)。

農業(yè)從業(yè)人數(shù)、農業(yè)機械總動力、農作物播種面積、化肥施用量、農業(yè)產出值數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒(2012-2016)》，農業(yè)用水數(shù)據(jù)來源于《中國水資源公報(2012-2016)》，農業(yè)廢水中的COD和氨氮物排放數(shù)據(jù)來源于《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒(2012-2016)》。運用DEA模型評估DMU的效率時， DMU的數(shù)量不能低于投入產出指標項數(shù)總和的兩倍，否則會導致所有DMU的效率值偏向于有效值1[21]，以中國31個省區(qū)作為DMU，樣本數(shù)據(jù)符合模型的數(shù)理特性。投入與產出指標的描述性統(tǒng)計結果見表1。

表1 投入產出指標的描述性統(tǒng)計結果Tab.1 Descriptive statistics of input and output indicators

注：樣本容量為155。

2 農業(yè)水資源環(huán)境效率測算結果

運用MaxDEA軟件，并根據(jù)公式(1)運用超效率SBM模型，測算得到2011-2015年中國31個省區(qū)不考慮和考慮非期望產出的農業(yè)水資源效率值，具體結果見表2。

表2 2011-2015年各省區(qū)農業(yè)水資源效率的評價結果Tab.2 Evaluation of the agricultural water resources efficiency for provinces from 2011 to 2015

2.1 分省測算結果

在全國均值層面，由表2可得，2011-2015年，農業(yè)水資源效率的全國均值在兩種情況下都表現(xiàn)為非DEA有效，但全國均值的時間序列呈遞增趨勢，不考慮非期望產出的農業(yè)水資源效率值總體上高于考慮非期望產出的效率值。佟金萍等[10]等采用未考慮環(huán)境污染的超效率DEA模型測算得到的農業(yè)水資源效率值高于本文測算的效率值，與本文研究結果一致，即在不考慮環(huán)境污染條件下的農業(yè)水資源效率值會高于考慮環(huán)境污染下的效率值，說明傳統(tǒng)的效率測算方法的會高估中國農業(yè)水資源效率水平。2011-2015年，兩種情況下全國均值的發(fā)展趨勢呈收斂效應，2015年有近半數(shù)省區(qū)考慮非期望產出下的效率值甚至高于不考慮非期望產出下的效率值，說明2015年許多省區(qū)的農業(yè)水環(huán)境污染問題有所緩解。

2.2 八大區(qū)域測算結果

綜合考慮水資源的流域屬性，從流域角度分析效率值的差異，本文采用國務院發(fā)展研究中心的八大區(qū)域劃分法(八大區(qū)域包括北部沿海地區(qū)(北京、天津、河北、山東)、東部沿海地區(qū)(上海、江蘇、浙江)、南部沿海地區(qū)(福建、廣東、海南)、東北地區(qū)(黑龍江、吉林、遼寧)、長江中游地區(qū)(江西、安徽、湖北、湖南)、黃河中游地區(qū)(山西、內蒙古、河南、陜西)、西南地區(qū)(廣西、重慶、四川、貴州、云南)、西北地區(qū)(西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆)。)，綜合比較八大區(qū)域的地區(qū)差異(表3)。2011-2015年間，非期望產出下的效率均值，東部沿海(0.876)和南部沿海(0.751)效率值最高，其次是西南地區(qū)(0.723)、北部沿海(0.648)、西北地區(qū)(0.585)、東北地區(qū)(0.549)、黃河中游(0.533)，長江中游(0.476)效率值最低。東部沿海和南部沿海地區(qū)農業(yè)用水技術和管理技術較為先進，西南地區(qū)降水充足可以滿足糧食灌溉需求，因此效率水平高于其他地區(qū)。黃河中游地區(qū)降水量少、農業(yè)用水技術和管理經驗落后，導致其水資源效率水平偏低。長江中游地區(qū)水資源稟賦充足，但其農業(yè)灌溉技術和管理制度落后，水資源效率長期低于全國均值水平。

表3 八大區(qū)域考慮非期望產出的農業(yè)水資源環(huán)境效率值Tab.3 The agricultural water resources efficiency including undesirable outputs for the eight regions

八大區(qū)域的時序變化，總體上呈遞增趨勢且地區(qū)間差異明顯。長江中游地區(qū)2015年增幅最大，主要原因是長江中游地區(qū)部分省份(湖北、湖南)在2014年頒布了嚴格的水資源政策，水資源環(huán)境效率在短期內得到有效提升。西北地區(qū)效率增幅最小，由于西北地區(qū)常年干旱少雨、蒸發(fā)量大，水資源短缺問題難以解決，且用水技術和管理技術發(fā)展長期滯后，導致其水資源環(huán)境效率提升難以找到突破口。

3 農業(yè)水資源環(huán)境效率影響因素分析

3.1 變量選擇與數(shù)據(jù)來源

由于考慮非期望產出測算得到的農業(yè)水資源環(huán)境效率更符合實際水平，因此在超效率SBM模型基礎上將農業(yè)水資源環(huán)境效率作為被解釋變量，進一步分析效率的影響因素，以期把握效率提升的方向。借鑒前期研究，對變量選取和數(shù)據(jù)處理作了改進，將變量區(qū)分為核心解釋變量和控制變量，其中核心解釋變量包括水資源稟賦和農作物種植結構?？刂谱兞糠譃楣?jié)水技術類(供水結構、節(jié)水農業(yè)發(fā)展水平、機械化程度)和外部環(huán)境類(對外開放程度、環(huán)境規(guī)制)兩類。變量說明及數(shù)據(jù)來源見表4，變量具體解釋如下：

(1)水資源稟賦。大量學者研究認為水資源稟賦對水資源效率存在顯著影響，張力小等[22]、楊騫等[9]發(fā)現(xiàn)水資源稟賦對水資源效率有負向影響?；跀?shù)據(jù)的可獲取性，選取人均水資源量和人均供水量來表示水資源豐裕程度。

(2)農作物種植結構。佟金萍等[23]發(fā)現(xiàn)農作物種植結構對水資源效率有正向影響，但并不顯著。以農業(yè)種植赫芬達爾指數(shù)來表示農作物種植結構，不同農作物的耐旱程度和需水量差異較大，種植赫芬達爾指數(shù)能反映種植的多樣性，而種植的多樣性有助于農戶在有限時間內擇選合適的農產品種植品種，提高農作物的水分利用率。

(3)節(jié)水農業(yè)發(fā)展水平。節(jié)水灌溉技術的應用與普及有助于提高農業(yè)用水效率，目前學界對農業(yè)節(jié)水灌溉技術指標的選取尚未達成共識，因此以節(jié)水灌溉面積與播種面積的比值來反映節(jié)水農業(yè)發(fā)展水平，比值越大，表示節(jié)水灌溉技術應用程度越高。

(4)機械化程度。機械化播種和灌溉技術能有效減少水資源損耗，提高農業(yè)灌溉用水效率，因此采用農用柴油使用量來反映農業(yè)機械化程度[24]。

(5)供水結構。許朗等[8]和王學淵等[25]發(fā)現(xiàn)地下灌溉供水對水資源效率有正向影響。本文以地下供水占供水總量的比例表示供水結構，地下供水主要用于灌溉，地下供水渠道有利于減少灌溉損失和時間，提高用水效率。

(6)對外開放程度。佟金萍等[10]發(fā)現(xiàn)農業(yè)經濟開放性對水資源效率有顯著正向影響。對外開放對農業(yè)產業(yè)的影響機理主要體現(xiàn)在先進技術和國際標準兩個方面，節(jié)水灌溉、種植及管理技術對農業(yè)生產效率和用水效率有正向促進作用；農產品貿易的國際標準對生產者形成產品安全和環(huán)境污染約束。本文以農產品進出口總額指標表示農業(yè)對外開放程度。

(7)環(huán)境規(guī)制。楊騫等[9]認為環(huán)境規(guī)制有利于提升水資源效率。由于缺乏直接的農業(yè)污染排放量的數(shù)據(jù)，相關研究多采用農業(yè)COD排放量和氨氮排放量之和間接表示農業(yè)生產造成的污染程度。將農業(yè)化學需氧量和氨氮排放量的總和除以農業(yè)總產值，以該比值作為環(huán)境規(guī)制的逆指標，比值越小表征環(huán)境規(guī)制力度越大。

表4 農業(yè)水資源環(huán)境效率影響因素的變量說明Tab.4 Variable description of influencing factors of the agricultural water resources efficiency

3.2 模型設定

由于超效率SBM模型測度的效率是大于0的受限變量，因此本文選取面板Tobit回歸模型分析農業(yè)水資源環(huán)境效率的影響因素。其中，efficiencyi,t表示i省份和t時間的效率水平，模型1中Xi,t表示核心解釋變量的集合，包括人均水資源量、人均供水量和農作物種植結構。在模型1的基礎上加入控制變量得到模型2，Yi,t表示節(jié)水技術類控制變量集合，即節(jié)水農業(yè)水平、機械化程度和供水結構，Zi,t表示外部環(huán)境類控制變量集合，包括對外開放程度和環(huán)境規(guī)制。

模型1：efficiencyi,t=C+αXi,t+εi,t

模型2：efficiencyi,t=C+αXi,t+βYi,t+θZi,t+εi,t

3.3 實證結果

模型估計結果如表5所示。

表5 農業(yè)水資源環(huán)境效率影響因素的估計結果Tab.5 Estimation of influencing factors of the agricultural water resources efficiency

注：***、**和*分別表示在1%、5%和10%水平上顯著。

(1)核心解釋變量的結果，人均水資源量的回歸系數(shù)顯著為正，而人均供水量的回歸系數(shù)為-0.455。可能的原因是，一方面水資源豐富的地區(qū)農作物用水需求容易得到滿足；另一方面水資源豐富的地區(qū)節(jié)水意識相對較差，存在水資源浪費的現(xiàn)象。農作物種植結構的回歸系數(shù)為-0.33，表明農作物種植結構降低了效率。此外，在考慮控制變量后，核心解釋變量對水環(huán)境效率的影響程度在下降。

(2)節(jié)水技術類控制變量中，節(jié)水農業(yè)發(fā)展水平和供水結構未通過顯著性檢驗，與楊騫等[9]的研究結果一致，可能的原因是國內農業(yè)用水灌溉技術和渠系系統(tǒng)比較落后，節(jié)水技術的正向效應并未有效發(fā)揮。機械化程度的系數(shù)值為-0.224，表明機械化對效率的作用未增反減。

(3)外部環(huán)境類控制變量中，對外開放程度的回歸系數(shù)正，對效率表現(xiàn)為顯著正向影響。對外開放程度越大，灌溉技術和種植技術引進步伐越快；同時，國內農產品參與國際競爭，提高用水效率以增強國際競爭力。環(huán)境規(guī)制在1%顯著性水平下回歸系數(shù)為-0.615，污染排放量作為環(huán)境規(guī)制的逆指標，所以污染排放量越大，環(huán)境規(guī)制力度則越小，說明環(huán)境規(guī)制對效率呈正向影響。農業(yè)污染環(huán)境規(guī)制強度越大，對效率的改善作用越明顯。環(huán)境規(guī)制對效率的影響效應顯著，未來可繼續(xù)加強環(huán)境規(guī)制力度。

4 結論與政策建議

運用超效率SBM模型評價了2011-2015年間中國各省區(qū)和八大地區(qū)的農業(yè)水資源環(huán)境效率，并利用面板Tobit模型分析了各省區(qū)農業(yè)水資源環(huán)境效率影響因素，得出以下結論：

(1)研究期間內，不考慮非期望產出和考慮非期望產出下的農業(yè)水資源效率均呈現(xiàn)增長趨勢，但不考慮環(huán)境因素會高估真實的效率水平。環(huán)境污染對農業(yè)水資源效率的負向影響有所緩解，兩種情況下的農業(yè)水資源效率值差距逐年縮小，效率存在環(huán)境收斂效應。

(2)水資源效率的區(qū)域差異顯著，東部沿海地區(qū)效率值明顯高于其他地區(qū)，長江中游地區(qū)均值水平最低，農業(yè)水資源環(huán)境效率提升的重點區(qū)域在黃河中游地區(qū)和長江中游地區(qū)。農業(yè)主產區(qū)屬于效率值落后區(qū)域，提升該區(qū)域效率對于促進糧食增產和保障糧食安全具有重要意義。

(3)從農業(yè)水資源環(huán)境效率影響因素測算結果來看，對外開放程度增進了效率水平，當前的作物種植結構降低了效率，節(jié)水技術類因素并未發(fā)揮作用，環(huán)境規(guī)制對效率提升呈現(xiàn)顯著正向影響。

基于以上結論，提出3點政策建議：①種植結構對農業(yè)水資源環(huán)境效率有顯著負向影響，因此應重點調整農業(yè)種植結構和規(guī)模，特別是黃河中游和長江中游地區(qū)是重要的糧食主產區(qū)，水資源負荷較大，技術效率較低，適當減少高耗水農作物種植面積，突破作物需水剛性約束；②現(xiàn)有節(jié)水技術并未發(fā)揮效率提升作用，各地區(qū)應該進一步大力推廣和普及節(jié)水技術，因地制宜地引進節(jié)水技術，提高機械化灌溉和耕種水平，完善地下供水體系；③環(huán)境規(guī)制對農業(yè)水資源環(huán)境效率發(fā)揮了顯著的正向作用，繼續(xù)推動水資源管理制度政策的制定與實施，加強生態(tài)脆弱地區(qū)和嚴重缺水地區(qū)的節(jié)水工程建設，同時劃定水資源效率控制紅線，控制農業(yè)面污染源，加強環(huán)境保護和治理工作。