資源環(huán)境約束下農(nóng)業(yè)用水效率及成本分析

甘天琦，李波(中南民族大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院&湖北全面小康建設(shè)研究院，武漢 430074)

長期以來，在小規(guī)模、粗放式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、薄弱的環(huán)保意識和滯后的環(huán)境治理措施等多重因素疊加下，大量地下水受到不同程度的污染. 這種持續(xù)的強人類活動大大改變了流域水循環(huán)演變的結(jié)構(gòu)、路徑和驅(qū)動力，后者又反過來影響著人類生存發(fā)展的用水安全[1]. 根據(jù)2018年水資源公報顯示，全國26.2萬km的河流水質(zhì)狀況中，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)河流長度占81.6%，劣Ⅴ類水質(zhì)河流長度占比5.5%；在全國544個重要省界斷面中，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類、劣Ⅴ類斷面比例分別占評價斷面總數(shù)69.9%、21.1%和9%，農(nóng)業(yè)端排放成為水污染主要來源已經(jīng)是不爭的事實. 與此同時，我國的水資源短缺已經(jīng)嚴重影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，數(shù)據(jù)顯示我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的灌溉面積達到9.05億畝，用水缺口超過了3600億m3，農(nóng)業(yè)水資源短缺與污染相互交織，成為制約農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)與經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要因素.

大量的研究證明農(nóng)業(yè)源污染已成為水體污染的主要來源之一，如太湖流域的總氮和總磷含量分別約有31.57%和15.05%來源于農(nóng)業(yè)[2]，而長江、黃河、珠江、巢湖和滇池等流域農(nóng)業(yè)面源污染的排放甚至占據(jù)到總排放量的一半以上[3-4]，嚴峻的環(huán)境污染給用水問題帶來了巨大的壓力，部分學(xué)者分析農(nóng)業(yè)用水時，在水資源定價[5-6]、水價政策[7-10]及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[11]等方面進行了研究，卻少有學(xué)者在農(nóng)業(yè)水資源的分析框架內(nèi)納入農(nóng)業(yè)面源污染的因素. 事實上，單獨考慮農(nóng)業(yè)用水價格問題容易忽略面源污染可能帶來的成本增加效應(yīng)，而且僅對微觀單元的分析忽視了社會總體農(nóng)業(yè)用水成本. 為彌補可能存在的不足，本文通過構(gòu)建環(huán)境約束下的農(nóng)業(yè)用水效率和用水成本分析框架，并嘗試回答以下問題：第一，環(huán)境約束對農(nóng)業(yè)用水效率是否存在顯著的影響. 第二，環(huán)境約束對農(nóng)業(yè)用水成本是否存在顯著的影響. 第三，影響農(nóng)業(yè)用水成本的關(guān)鍵因素有哪些. 本文主要的邊際貢獻在于：一方面，在農(nóng)業(yè)用水效率及農(nóng)業(yè)用水成本的分析框架內(nèi)納入農(nóng)業(yè)面源污染的因素，能同時考察農(nóng)業(yè)用水過程中資源與環(huán)境的雙重約束；另一方面，通過數(shù)據(jù)模擬分析了影響農(nóng)業(yè)用水效率與農(nóng)業(yè)用水成本的關(guān)鍵因素，能為農(nóng)業(yè)用水政策制定提供參考.

1 分析框架與數(shù)據(jù)說明

1.1 環(huán)境生產(chǎn)函數(shù)的構(gòu)建

根據(jù)方向距離函數(shù)分析框架，設(shè)置環(huán)境規(guī)制強度更加嚴格的方向向量：g1=(gy,-gb)，表示“好產(chǎn)出”在增加一單位時，“壞產(chǎn)出”減少一單位，則在t期技術(shù)條件下可以得到方向性距離函數(shù)如公式(1)：

(1)

根據(jù)盧綸伯格(Lueberger)短缺函數(shù)的思想構(gòu)建出方向性環(huán)境產(chǎn)出距離函數(shù)[12-13]，如公式(2)：

(2)

在該產(chǎn)出距離函數(shù)中，可以將生產(chǎn)函數(shù)表示為方向性距離的函數(shù)，為公式(3)：

(3)

1.2 農(nóng)業(yè)水資源成本效應(yīng)的分析框架

1.2.1 方向向量----水資源子向量函數(shù)的構(gòu)建

(4)

Di(w,x;y,b)>1表示第i決策單元DMU的生產(chǎn)過程是無效率的，Di(w,x;y,b)=1表示第i個決策單元DMU的生產(chǎn)過程是有效率的. 因此，求解公式(5)即可得到環(huán)境約束下農(nóng)業(yè)用水距離函數(shù)：

(5)

1.2.2 環(huán)境約束下的農(nóng)業(yè)水資源成本效應(yīng)

(1)水資源的約束成本 根據(jù)子向量距離函數(shù)Di(w,x;y,b)，從水資源的角度定義t時期環(huán)境成本公式(6)：

(6)

類似的，可以得到t+1時期的環(huán)境成本如式(7)：

(7)

(8)

環(huán)境約束下的農(nóng)業(yè)水資源成本效應(yīng)如公式(9)：

(9)

根據(jù)上式進行分解可得公式(10)：

(10)

(2)環(huán)境約束下農(nóng)業(yè)水資源成本的DEA分解 引入t時期和t+1時期的農(nóng)業(yè)實際用水量作比，定義為環(huán)境約束下農(nóng)業(yè)用水成本效應(yīng)，如公式(11)：

(11)

考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的四大要素投入：勞動(X1)、土地(X2)、機械動力(X3)和肥(X4)料；“好”產(chǎn)出為農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值(Y)；“壞”產(chǎn)出為農(nóng)業(yè)面源污染，包含總氮(TN)、總磷(TP)和農(nóng)業(yè)COD排放量，對農(nóng)業(yè)用水成本效應(yīng)進一步分解如式(12)：

TE×TC×ICx1×ICx2×ICx3×ICx4×OC×OB×SC.

(12)

(13)

(14)

1.2.3 數(shù)據(jù)來源及基礎(chǔ)統(tǒng)計分析

根據(jù)上述方法框架，本文使用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入、產(chǎn)出及面源污染數(shù)據(jù)構(gòu)成30個省份18年的平衡面板數(shù)據(jù)，其中，生產(chǎn)要素投入包含農(nóng)林牧漁業(yè)從業(yè)人員、農(nóng)業(yè)耕地面積、農(nóng)業(yè)機械總動力投入、農(nóng)用化肥施用折純量及農(nóng)業(yè)用水量，好產(chǎn)出為農(nóng)業(yè)增加值，以1998年為基期做價格平減；壞產(chǎn)出根據(jù)單元調(diào)查法計算農(nóng)田化肥、農(nóng)田固體廢棄物、禽畜養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖的排放，得到農(nóng)業(yè)面源污染(三個主要評判指標,總氮、總磷、化學(xué)需氧量)數(shù)據(jù). 相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《改革開放三十年匯編》、《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》、EPS數(shù)據(jù)庫，部分缺失數(shù)據(jù)使用差值法補全，相關(guān)基礎(chǔ)統(tǒng)計指標如表1.

表1 中國農(nóng)業(yè)投入、產(chǎn)出的基礎(chǔ)統(tǒng)計量Tab.1 Basic statistics of agricultural input and output in China

2 結(jié)果與分析

2.1 不同約束情況下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的差異

2.1.1 水資源約束對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的影響

如圖1所示，左右兩圖分別為農(nóng)業(yè)環(huán)境技術(shù)效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛在產(chǎn)出的核密度函數(shù)圖，同時為檢驗兩組數(shù)據(jù)之間的差異程度，引入秩和檢驗比較兩個獨立樣本之間的差異，通過檢驗，H1=1、P1=0，H2=1、P2=0，兩組數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果均拒絕原假設(shè)，因此，可以從統(tǒng)計上得出是否存在水資源約束對于農(nóng)業(yè)環(huán)境效率和農(nóng)業(yè)潛在產(chǎn)出有顯著的影響.

圖1 核密度函數(shù)圖Fig.1 Kernel density function

2.1.2 環(huán)境約束對水資源利用效率的影響

對比存在農(nóng)業(yè)環(huán)境約束和不存在農(nóng)業(yè)環(huán)境約束的情形(圖2)，通過秩和檢驗兩組數(shù)據(jù)之間的差異，H3=1，P3=0，統(tǒng)計上得到是否考慮農(nóng)業(yè)面源污染對于農(nóng)業(yè)潛在產(chǎn)出存在顯著的影響.

圖2 核密度函數(shù)圖Fig.2 Kernel density function

2.1.3 農(nóng)業(yè)水資源的約束較強區(qū)域

由于地域遙遠，勞役繁重，耗費巨大，明宣宗宣德四年十二月壬辰(1430年1月14日)，當(dāng)宣德帝聽到“松花江造船運糧所費良重”，就“諭行在工部臣曰:‘造船不易，使遠方無益，徒以此煩擾軍民’。遂敕總兵官都督巫凱:凡亦失哈所赍頒賜外夷叚匹等物，悉于遼東官庫寄貯，命亦失哈等回京”。［5］翌年十一月庚戌(1430年11月28日)，“總兵官都督巫凱奏虜寇犯邊，請罷松花江造船之役。上曰:‘虜覘知邊實，故來鈔掠，命悉罷之’”，正式停止松花江造船事業(yè)。［6］

依據(jù)計算得到的數(shù)據(jù)，比較在加入農(nóng)業(yè)水資源約束條件之后各省份的農(nóng)業(yè)環(huán)境技術(shù)效率. 根據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境技術(shù)效率指標排序，定義排名順序上下浮動1位為基本無約束；將排名下降2位或以上為由好變壞，受水資源約束較強；將排名上升2位或以上定義為由壞變好，受水資源約束較弱.

通過整理得到表2. 可以看出，北京、上海、天津、浙江、廣東等11個省市農(nóng)業(yè)發(fā)展對于水資源的約束并不敏感，可以將其分為兩類. 第一類是農(nóng)業(yè)占比少的北京、上海、天津；第二類是浙江、遼寧、江西等地，這一類地區(qū)為農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，除農(nóng)業(yè)灌溉用水之外，降雨充足，因此對于農(nóng)業(yè)用水供給的敏感程度較低. 福建、江蘇、湖北、內(nèi)蒙古等8個省市農(nóng)業(yè)發(fā)展受水資源的約束較強，可以將其分為兩類. 第一類為湖北、福建、江蘇三地，雖然排名下降，但受到水資源的約束相比第二類較弱，下降幅度不大，如湖北僅下降3位、福建僅下降2位；第二類是內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江等5地，因降雨量少、農(nóng)業(yè)發(fā)展的水資源依賴性較強，所以在增加約束之后排名下降明顯. 重慶、山東、河南、山西、陜西等11個省區(qū)市受到水資源約束較弱.

表2 受到水資源約束條件下農(nóng)業(yè)綠色技術(shù)效率的變化Tab. 2 Changes of agricultural green technology efficiency under water resources constraints

2.2 環(huán)境約束下農(nóng)業(yè)用水成本效應(yīng)及分解

2.2.1 空間維度的靜態(tài)比較

總體而言，農(nóng)業(yè)水資源使用成本效應(yīng)為1.1122，用水成本依然處于上升趨勢. 空間維度上的靜態(tài)比較如圖3，上海、北京、天津、河北、遼寧和黑龍江等地處于平均水平以下，農(nóng)業(yè)水資源使用的成本稍小，原因在于上海、北京和天津三地農(nóng)業(yè)比重不高，而河北、遼寧、黑龍江等地可能在規(guī)?；N植上走在前列，因此用水成本效應(yīng)上稍低. 但內(nèi)蒙古、吉林、陜西、四川、青海等地用水成本逐漸提高，急需轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，實行農(nóng)業(yè)節(jié)水經(jīng)營.

圖3 各地區(qū)水資源成本效應(yīng)Fig.3 Cost effect of water resources in various regions

2.2.2 時間趨勢的動態(tài)分析

△CE從環(huán)境污染視角定義了農(nóng)業(yè)水資源的成本效應(yīng). △CE小于1時，認為維持現(xiàn)有的經(jīng)濟增長和環(huán)境污染水平，水資源使用的成本降低；反之，當(dāng)△CE大于1時，水資源使用的成本增加. 從圖4可以看出，在1998-2015年時間范圍內(nèi)，大體上可以2013-2014年為分水嶺. 第一階段為1998-2003年，用水成本整體呈現(xiàn)下降的趨勢；第二階段為2004-2015年，農(nóng)業(yè)用水成本維持在較高的水平，其中2004-2005、2006-2007、2010-2011、2014-2015幾個年度用水成本較高，雖然數(shù)據(jù)顯示農(nóng)業(yè)用水成本效應(yīng)為0.96，但從長期來看，2003年提出的節(jié)水農(nóng)業(yè)的政策實施的并不理想.

圖4 環(huán)境約束下農(nóng)業(yè)水資源的成本效應(yīng)(1998-2015)Fig.4 Cost effect of agricultural water resources under environmental constraints (1998-2015)

2.2.3 環(huán)境約束下的農(nóng)業(yè)用水成本效應(yīng)分解

從全要素生產(chǎn)率的角度來看，技術(shù)效率(TE)的變化并未很好地改變農(nóng)業(yè)用水成本增加的趨勢，而技術(shù)進步(TC)則與之相反，能有效地降低農(nóng)業(yè)用水成本. 樣本期內(nèi)，大部分年份的技術(shù)效率雖不算太大，但也對于農(nóng)業(yè)用水成本的改善無益；技術(shù)進步(TC)指標在所有年份均小于1，顯示技術(shù)提升利于農(nóng)業(yè)用水成本的降低，這與基本事實相符(表3).

表3 農(nóng)業(yè)水資源成本效應(yīng)的分解(1998-2015)Tab.3 Decomposition of cost effect of agricultural water resources (1998-2015)

從產(chǎn)出水平的角度來看，所有年份的OC指標均大于1，產(chǎn)出增長的同時，農(nóng)業(yè)用水的實際需求量不斷增加.OC和SC指標較為相似，前者表示上期與當(dāng)期產(chǎn)出(包含期望產(chǎn)出與非期望產(chǎn)出)在當(dāng)期技術(shù)水平下的效率水平比值，后者表示上期與當(dāng)期產(chǎn)出水平之比(僅包含期望產(chǎn)出)，因此二者接近. 另外，農(nóng)業(yè)水資源的使用與農(nóng)業(yè)產(chǎn)出水平相輔相成，豐收年份的農(nóng)業(yè)用水量也相對較高，說明我國在保證糧食產(chǎn)量的同時實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展也是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的途徑之一.

從污染效應(yīng)來看，大部分年份OB指標大于或等于1，且波動不明顯，表明污染強度的增加會提高農(nóng)業(yè)用水成本，F(xiàn)RE[12]將此稱為污染治理的機會成本，意味著若控制農(nóng)業(yè)面源污染，農(nóng)業(yè)水資源的使用成本將會隨著產(chǎn)量的提高逐漸增加. 一系列研究成果表明，城鄉(xiāng)二元經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、治理成本高昂和農(nóng)戶生產(chǎn)行為等都是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因[15]，但造成面源污染的農(nóng)藥、化肥等也是提升農(nóng)作物產(chǎn)量的重要生產(chǎn)資料. 從社會福利的角度來看，農(nóng)業(yè)面源污染的加重抵消了水資源使用帶來的正效應(yīng)，因此合理用水、控制污染才是促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟綠色發(fā)展的有效途徑.

從規(guī)模效應(yīng)的角度來看，所有年份的SC指標均大于1，增長幅度明顯且增速維持在12.3%左右，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的增長對于水資源成本的提升較為明顯. 從另一角度也可以看出，農(nóng)業(yè)水資源的使用在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長中的重要地位. 因此，在目前經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的攻堅克難時期，進一步穩(wěn)增長、轉(zhuǎn)方式，促進改革成效顯得尤為重要.

3 結(jié)論

對農(nóng)業(yè)水資源使用效率的準確評價和影響用水成本因素的準確識別，是制定有效節(jié)水政策的前提條件. 本文通過DEA方向性距離函數(shù)及其分解方法對1998-2015年30個省區(qū)市的數(shù)據(jù)進行了研究性探索，主要結(jié)論如下：一是在農(nóng)業(yè)環(huán)境約束的情況下，農(nóng)業(yè)用水效率損失嚴重；二是技術(shù)效率水平低拉高了農(nóng)業(yè)用水的成本，是造成農(nóng)業(yè)用水持續(xù)增加的主要原因之一，技術(shù)進步是緩解農(nóng)業(yè)用水成本增加的主要途徑. 因此，從降低農(nóng)業(yè)用水成本，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長的角度提出以下對策建議. 首先，加大對綠色農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)的扶持力度，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，降低農(nóng)業(yè)用水成本. 從中長期發(fā)展來看，較好方法就是提升農(nóng)業(yè)用水效率，特別是在農(nóng)業(yè)用水效率較低的地區(qū)大力推進節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展. 其次，推動規(guī)模化生產(chǎn)和集約化經(jīng)營的生產(chǎn)方式，加強硬性技術(shù)進步. 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水需求較大的地區(qū)，更積極地推動規(guī)?；?jīng)營，加大農(nóng)用機械的應(yīng)用，有效降低用水成本. 最后，加大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)軟性技術(shù)的傳播和應(yīng)用. 加強農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣，培育新型職業(yè)農(nóng)民，有意識地改善工業(yè)產(chǎn)品的使用，從而降低農(nóng)業(yè)面源污染.