地下水超采區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率影響因素分析

許朗 陳玲紅

摘 要：在水資源短缺的背景下，提高地下水超采區(qū)的灌溉用水效率意義重大。通過對地下水超采的重點治理區(qū)域津冀地區(qū)井灌農(nóng)戶玉米的生產(chǎn)與灌溉情況進行調(diào)研，運用隨機前沿模型（SFA）與TOBIT模型，測算玉米種植的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)效率以及灌溉用水效率，從農(nóng)民自身及家庭特征、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征、灌溉特征以及用水管理情況4個維度分析農(nóng)業(yè)灌溉用水效率的影響因素。結(jié)果表明：與其他地區(qū)相比，地下水超采區(qū)玉米生產(chǎn)技術(shù)效率較高，但灌溉用水效率較低，有一定的節(jié)水潛力。對于地下水超采的井灌區(qū)，農(nóng)民年齡、受教育年限、農(nóng)業(yè)勞動人數(shù)、農(nóng)業(yè)收入占家庭收入的比重以及灌溉方式對灌溉用水效率產(chǎn)生顯著的影響;而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征、水資源緊缺認(rèn)知程度、對節(jié)水灌溉技術(shù)的了解程度以及用水管理情況受井灌以及地下水超采的影響，對灌溉用水效率沒有顯著的作用。對于地下水超采的井灌區(qū)，應(yīng)從農(nóng)民自身以及家庭特征出發(fā)，發(fā)揮農(nóng)戶在灌溉中的能動作用，提高灌溉用水效率。

關(guān)鍵詞：灌溉用水效率;SFA;TOBIT;地下水超采區(qū)

中圖分類號：F323.213 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.032

Abstract：Under the background of water shortage， the objective is to improve the efficiency of irrigation water use in groundwater over-exploitation areas. Based on the investigation of corn production and irrigation of well irrigated farmers in Tianjin and Hebei Province， which is the key area of groundwater overdraft， the agricultural production technology efficiency and irrigation water efficiency of corn planting were calculated by using the stochastic frontier. The influencing factors of agricultural irrigation water use efficiency were divided into four dimensions of farmers and family characteristics， agricultural production characteristics， irrigation characteristics and water management and analyzed by Tobit model. The results show that the overall production technology efficiency is higher， but the irrigation water efficiency is lower， and there is a certain water saving potential. For the well irrigation area where groundwater is over-exploited， the age of farmers， the years of education， the number of agricultural workers， the proportion of agricultural income in household income and the way of irrigation have a significant impact on the efficiency of irrigation water use. However， the production conditions of farmers， the degree of water shortage， the understanding of water-saving irrigation technology and the situation of water management have no significant impact on the efficiency of irrigation water use due to the influence of well irrigation and groundwater overdraft. For the well irrigation area with over-exploitation of groundwater， countermeasures are put forward from the characteristics of farmers themselves and their families， so as to play the active role of farmers in irrigation and improve the efficiency of irrigation water use.

Key words： irrigation water efficiency; SFA; TOBIT; over-exploitation area of groundwater

我國是水資源貧乏的國家，人均水資源量僅為世界平均水平的1/4。同時，我國的水資源時空分布不平衡，黃淮海流域糧食產(chǎn)值占全國的三成，但平均水資源量不到全國的1/10，地下水超采現(xiàn)象較為普遍。

在壓減地下水超采量的當(dāng)下，作為地下水超采重點治理區(qū)域的津冀地區(qū)，地下水開采比例較大，而農(nóng)業(yè)灌溉又是用水大戶，所以減少津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量、提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率顯得尤為重要。

目前對農(nóng)業(yè)灌溉用水效率的測算以及影響用水效率的因素研究主要從微觀尺度和宏觀尺度2個層面展開。宏觀尺度研究主要是基于全國或省級的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1-5]，研究結(jié)果表明我國整體用水效率低下，各地區(qū)用水效率差異較大。這些研究主要從水資源稟賦、經(jīng)濟社會發(fā)展、農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)、供水結(jié)構(gòu)、供水成本、種植結(jié)構(gòu)等方面探究農(nóng)業(yè)用水效率低下的原因。微觀尺度研究主要基于農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)，如韓宇平等[6]認(rèn)為農(nóng)戶的年齡、文化程度、灌溉水價、收入來源等對灌溉用水效率有顯著的影響;劉七軍等[7]對內(nèi)陸干旱區(qū)的民樂縣與臨澤縣農(nóng)戶的玉米種植灌溉用水效率進行測算，認(rèn)為農(nóng)戶經(jīng)營規(guī)模與灌溉用水效率呈現(xiàn)同向變動趨勢;王昕等[8]認(rèn)為農(nóng)戶對水資源稀缺性的感知可通過超采行為、水利設(shè)施維護或節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用等間接影響地下水利用效率;于智媛等[9]通過西北地區(qū)的調(diào)研，得出高效節(jié)水灌溉技術(shù)可以提高用水效率;馬超等[10]認(rèn)為合理調(diào)整水價可有效促進用水主體的節(jié)水行為;阿布都熱合曼·阿布迪克然木等[11]發(fā)現(xiàn)棉農(nóng)參與灌溉管理可顯著提高棉花的灌溉用水效率。

測算灌溉用水效率的方法主要分為兩大類，一是以數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）為代表的非參數(shù)分析方法，二是以隨機前沿分析（SFA）為代表的參數(shù)分析方法。DEA分析方法最先由Farrel于1957年提出，其在多投入、多產(chǎn)出的生產(chǎn)過程中有絕對的優(yōu)勢。隨機前沿分析方法最早由 Aigner等于1977 年提出，該方法無法處理多產(chǎn)出的生產(chǎn)過程，但能夠有效處理樣本中的異常點問題，因此多用于分析微觀數(shù)據(jù)[5]，而且將生產(chǎn)無效的因素分為可控和不可控因素，即將誤差項分為可控因素的技術(shù)非效率誤差和不可控的隨機誤差，可估計外部因子對效率的影響。本文研究外部因素對灌溉用水效率的影響，因此采用SFA方法更為合適。

現(xiàn)有對灌溉用水效率以及影響因素的研究中，較少考慮具體糧食作物灌溉特征、農(nóng)戶對灌溉行為的能動作用以及地下水資源開采對灌溉的影響，因此筆者選擇地下水超采的典型區(qū)域津冀地區(qū)作為研究區(qū)域，測算井灌農(nóng)戶玉米灌溉用水效率，從農(nóng)民自身及家庭特征、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征、灌溉特征以及用水管理情況等4個維度分析影響灌溉用水效率的因素，以期對地下水超采區(qū)提高灌溉用水效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

河北省位于華北平原，環(huán)京津地區(qū)，是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大省，也是我國重要棉糧產(chǎn)區(qū)。多年平均降水量為521.1 mm，近50 a全省降水量呈下降趨勢[12]，近10 a中有7 a降水量不足多年均值。水資源量較少，且其中3/4為地下水，是我國典型的缺水省份。2018年水資源公報顯示，全省地下水的資源量為124.41億m3，占全省水資源總量的75.84%。地下水全年供水量為105.15億m3，占地下水資源總量的84.51%，占總供水量的58.19%。2018年全年平原區(qū)的淺層地下水位平均下降0.13 m;深層地下水位，邢臺中東部平原下降4.54 m，衡水市下降5.58 m。

天津市2017年末耕地面積37.14萬hm2，有效灌溉面積為30.53萬hm2。全年糧食產(chǎn)量為212.27萬t，其中玉米119.29萬t，占糧食總產(chǎn)量的59.20%。2017年的供水總量為27.49億m3，地下水供水量為4.61億m3，農(nóng)業(yè)用水量為10.72億m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中數(shù)據(jù)來自對津冀地區(qū)地下水超采區(qū)井灌農(nóng)戶進行的實地調(diào)研。根據(jù)地理條件以及經(jīng)濟社會發(fā)展情況，選取河北省的灤南縣、玉田縣、滄州市以及天津市靜海區(qū)作為調(diào)研區(qū)域。河北省調(diào)研采用分層抽樣與隨機抽樣相結(jié)合的方式，每個縣抽取2個村莊，每個村莊隨機抽取35個農(nóng)戶;天津市靜海區(qū)總共抽取50個農(nóng)戶。共發(fā)放260份問卷，回收有效問卷252份，有效率96.9%。調(diào)研對象為每戶從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)且有決策能力的農(nóng)業(yè)勞動人員。

問卷設(shè)計主要涉及四部分。第一部分為農(nóng)民自身及家庭基本信息，包含年齡、性別、受教育年限、本村職務(wù)等;第二部分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，包含農(nóng)田土質(zhì)特征、耕地面積、地塊數(shù)等農(nóng)田基本情況，以及糧食作物的成本、收益情況;第三部分為灌溉條件，即地下水位、水泵功率，灌溉方式的采用和認(rèn)知情況，包括對灌溉方式的了解程度、設(shè)備安裝與使用難易程度、使用效果的滿意程度以及相關(guān)技術(shù)的培訓(xùn)等;第四部分為用水管理情況，包括灌溉費用總額、灌溉費用的構(gòu)成、農(nóng)戶的灌溉費用承受能力、參加用水協(xié)會以及水權(quán)交易情況等。

1.3 生產(chǎn)技術(shù)效率指標(biāo)選取與測算模型

結(jié)合學(xué)者們對技術(shù)效率的界定，本研究從產(chǎn)出角度界定技術(shù)效率。生產(chǎn)技術(shù)效率是指在現(xiàn)有的市場價格和技術(shù)水平下，農(nóng)戶實際產(chǎn)出與現(xiàn)有的各要素投入所能達(dá)到的最大產(chǎn)出之比。

對單位面積的玉米投入產(chǎn)出進行分析，產(chǎn)出變量為玉米產(chǎn)量Y，投入變量包括種子投入S、化肥投入F、農(nóng)藥投入C、機械成本M、勞動投入L以及灌溉用水量W。實地調(diào)研中，灌溉用水量無法精確計量，調(diào)研地區(qū)為井水灌溉，采用水泵提水，可用耗電量和水泵的抽水功率等數(shù)據(jù)計算得到。

1.4 灌溉用水效率測算模型

借鑒有關(guān)學(xué)者對灌溉用水效率的測算方法，灌溉用水效率界定為：在維持其他要素投入不變的條件下，達(dá)到技術(shù)有效時所需要的最小用水量與實際用水量之比。最小灌溉用水量是指技術(shù)充分有效的、不存在任何效率損失條件下的灌溉用水量。

灌溉用水效率的測算思路如圖1所示。假設(shè)第i個農(nóng)戶的灌溉用水量為Wi，其他投入要素投入為xi，此時農(nóng)戶的生產(chǎn)技術(shù)無效率，存在效率損失，該農(nóng)戶生產(chǎn)技術(shù)效率為TEi=OC/OA。根據(jù)上述用水效率的定義，同樣的產(chǎn)出所需要的最小用水量為OW2，則該農(nóng)戶灌溉用水效率為TEWi=OW2/OWi。

2.2 生產(chǎn)技術(shù)效率與灌溉用水效率測算

應(yīng)用Fronter4.1軟件對隨機前沿模型進行極大似然估計（見表2），模型中的σ2值與γ值在1%水平下通過了顯著性檢驗。如果γ接近1，說明實際產(chǎn)出與生產(chǎn)前沿面之間的差距主要是由技術(shù)非效率引起的。本文γ值為0.956，說明復(fù)合誤差項σ2中95.6%是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)效率損失引起的，模型擬合較好。

種子投入、機械成本、勞動力投入以及灌溉用水量等項的系數(shù)為正，說明增加其投入量可以使產(chǎn)量增加，且種子投入、機械成本、勞動力投入以及灌溉用水量對玉米產(chǎn)量的影響顯著。

化肥投入與農(nóng)藥投入項的系數(shù)均為負(fù)，化肥投入在10%的顯著性水平下影響顯著，農(nóng)藥投入沒有通過顯著性檢驗，表明農(nóng)戶在玉米生產(chǎn)過程中，化肥投入相對較多，農(nóng)藥的投入沒有產(chǎn)生明顯的影響，其原因是調(diào)研區(qū)域的玉米生產(chǎn)過程中蟲害的類型少以及受災(zāi)面積小、程度輕，能夠有效控制。

應(yīng)用Fronter4.1軟件對農(nóng)戶的生產(chǎn)技術(shù)效率以及灌溉用水效率進行測算，結(jié)果見表3。從表3可以看出，生產(chǎn)技術(shù)效率主要集中在70%至100%之間，占總戶數(shù)的86.9%，集中分布在高效階段，其均值為0.841 9，最大值為0.978 5，最小值為0.566 7;灌溉用水效率均值為0.358 4，最大值為0.882 6，最小值為0.038 2。

總的來說，津冀地區(qū)生產(chǎn)技術(shù)效率較高，但灌溉用水效率整體處于低端水平，灌溉用水效率差距較大，有較大的提升空間。

2.3 灌溉用水影響因素描述性統(tǒng)計

從表4可以看出，玉米種植農(nóng)戶中主要為中老年，基本擁有初中教育水平，每戶平均兩個勞動力參與務(wù)農(nóng)勞動，每戶平均耕地面積為0.541 hm2，平均地塊數(shù)約為4塊，平均每塊地約0.137 hm2。調(diào)研農(nóng)戶中主要采用的灌溉方式是地埋管道，對地區(qū)水資源的緊缺性認(rèn)知程度較高，對節(jié)水灌溉技術(shù)了解程度也比較高。調(diào)研的農(nóng)戶大部分沒有聽說過用水協(xié)會，只有極少的人參加。灌溉成本為單位面積的灌溉費用與相應(yīng)的灌溉用水量之比，費用中包含電費、管理費以及維修費等。有的地區(qū)只收取電費，有的地區(qū)收取電費、維修費以及管理費等，導(dǎo)致灌溉成本差距較大。

2.4 灌溉用水效率 Tobit回歸模型分析

從表5可以看出，農(nóng)民自身及家庭特征中，年齡、農(nóng)業(yè)勞動人數(shù)對灌溉用水效率有負(fù)向影響，受教育年限、農(nóng)業(yè)收入占家庭收入比重對灌溉用水效率有正向影響。年齡越小、受教育年限越長、農(nóng)業(yè)勞動人數(shù)越少、農(nóng)業(yè)收入占家庭收入比重越大，灌溉用水效率就越高。農(nóng)民自身及家庭特征中的變量都對灌溉用水效率的影響顯著。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征中，耕地面積對灌溉用水效率有正向作用，地塊數(shù)對灌溉用水效率有負(fù)向作用。

灌溉特征中，灌溉方式對灌溉用水效率有顯著的影響，水資源緊缺認(rèn)知程度以及對節(jié)水灌溉技術(shù)了解程度對灌溉用水效率有正向作用，但影響不顯著。

用水管理情況中，灌溉成本對灌溉用水效率有負(fù)向作用，參加用水協(xié)會對灌溉用水效率有正向作用。

3 討 論

3.1 灌溉用水效率

該地區(qū)灌溉用水效率平均值為0.358 4，這與之前學(xué)者對全國整體層面的研究結(jié)果有差別，普遍低于以往研究成果的平均值。其原因是灌溉方式的多樣化：本次研究中共收集252份有效樣本，其中47戶農(nóng)戶采用的節(jié)水灌溉技術(shù)為渠道防滲，154戶農(nóng)戶采用地埋管道，51戶農(nóng)戶采用噴灌，灌溉方式多樣化，不同灌溉方式的用水量之間有較大的差異（見表1），灌溉方式的多樣性導(dǎo)致灌溉用水效率均值較低。

3.2 灌溉用水效率的影響因素

農(nóng)民自身及家庭特征中，年齡對灌溉用水效率產(chǎn)生負(fù)向作用。這與許朗等[13]研究結(jié)果相反，與耿獻(xiàn)輝等[14]研究結(jié)論相同。農(nóng)戶年齡開始增加時，會有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗以及技術(shù)積累，起正向作用，但之后隨著年齡的增加，生產(chǎn)的經(jīng)驗以及技術(shù)達(dá)到一定的水平后，將不再產(chǎn)生顯著的影響，此時農(nóng)戶身體素質(zhì)、生產(chǎn)目的等因素導(dǎo)致生產(chǎn)積極性降低，進而效率降低。受教育年限越長，學(xué)習(xí)能力越強;農(nóng)業(yè)收入占家庭收入比重越大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越受重視，會提高灌溉用水效率。農(nóng)業(yè)勞動人數(shù)對灌溉用水效率產(chǎn)生負(fù)向作用，主要原因是玉米生產(chǎn)種植過程中勞動力需求較少，家庭農(nóng)業(yè)勞動人數(shù)的投入過多，反而降低了效率。

灌溉特征中不同的灌溉方式對灌溉用水效率有顯著的影響，這與馮保清等[15]研究結(jié)果相一致。水資源短缺程度雖對灌溉用水效率有正向作用，但影響不顯著。地下水超采區(qū)井灌農(nóng)戶常年依靠地下水灌溉，對地下水位的變化、機井水抽取量的改變等反映水資源短缺程度的現(xiàn)象有較清楚的認(rèn)知，出于可持續(xù)發(fā)展的需要，能做到合理灌溉。因為農(nóng)戶的認(rèn)知程度整體偏高，所以進一步提升農(nóng)戶的認(rèn)知程度對灌溉用水效率的影響不大。

用水管理特征中，灌溉成本對灌溉用水效率沒有顯著的影響，這與王文浩等[16]指出水價調(diào)高可產(chǎn)生節(jié)水效應(yīng)的研究結(jié)果不同。在調(diào)研區(qū)域，灌溉成本均值為0.25元/m3，最大值為0.36元/m3，灌溉成本整體水平較低，在農(nóng)戶承受范圍之內(nèi)。

缺水對玉米產(chǎn)量影響較大，在玉米生長中后期需水量較大，灌溉成本即使較高，為保證玉米產(chǎn)量，農(nóng)戶寧愿提高灌溉投入，因此玉米灌溉成本的上升并不能顯著影響灌溉行為。參加用水協(xié)會對灌溉用水效率有正向的影響，但不顯著。調(diào)研區(qū)域機井大部分采用私人承包的管理方式，承包人承擔(dān)管理和維護的責(zé)任，不利于用水協(xié)會的發(fā)展，無法發(fā)揮其作用，而且受機井位置的限制，不易建立水權(quán)以及市場機制。

4 結(jié) 論

對津冀地下水超采嚴(yán)重的井灌區(qū)農(nóng)戶開展調(diào)研，發(fā)現(xiàn)調(diào)研區(qū)域玉米的生產(chǎn)技術(shù)效率整體水平較高，均值為0.841 9，但灌溉用水效率水平相對較低，均值為0.358 4，有一定的節(jié)水潛力。

（1）調(diào)研區(qū)域玉米生產(chǎn)過程中，增加種子投入、勞動力投入、機械成本以及灌溉投入能夠有效提高玉米的生產(chǎn)技術(shù)效率。調(diào)研區(qū)域的化肥投入在生產(chǎn)過程中較多，可以適當(dāng)減少;玉米的病蟲害較輕，農(nóng)藥投入亦可適當(dāng)減少。

（2）在地下水超采的井灌區(qū)，灌溉用水效率主要受農(nóng)民年齡、受教育程度、農(nóng)業(yè)勞動人數(shù)以及農(nóng)業(yè)收入占家庭收入的比重等農(nóng)民自身及家庭特征和灌溉方式的顯著影響。年齡越小、受教育程度越高、農(nóng)業(yè)勞動人數(shù)越少、農(nóng)業(yè)收入占家庭收入比重越大、采用節(jié)水灌溉方式的比例越大，灌溉用水效率越高。不同灌溉方式中，渠道防滲灌溉用水量>地埋管道灌溉用水量>噴灌灌溉用水量，部分使用地埋管道節(jié)水技術(shù)的農(nóng)戶，單位面積的用水量低于噴灌用水量的均值。

鑒于井灌區(qū)機井位置和水資源現(xiàn)狀，水資源緊缺認(rèn)知程度、耕地面積、土地塊數(shù)都不對灌溉用水效率產(chǎn)生顯著的影響。

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【責(zé)任編輯 許立新】