環(huán)洞庭湖農(nóng)業(yè)種植區(qū)水資源環(huán)境效率空間差異研究

鄧麗萍，鄧正華，湯小紅，楊玉梅

（湖南理工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖南 岳陽 414000）

一、引言和文獻(xiàn)回顧

2018年4月，習(xí)近平視察洞庭湖華龍碼頭時提出做好長江（洞庭湖）水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工作，守護(hù)好一江碧水。2019年國家發(fā)展改革委與水利部出臺《國家節(jié)水行動方案》，強(qiáng)調(diào)以大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和優(yōu)化調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)措施，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水增效，提高農(nóng)業(yè)水資源的利用效率。受長江上游三峽工程水量調(diào)蓄影響，近年來洞庭湖流域出現(xiàn)湖泊萎縮、水沙失衡和調(diào)蓄功能下降的問題，水生態(tài)與水環(huán)境問題凸顯[1]。作為中國重要的水稻主產(chǎn)區(qū)，洞庭湖區(qū)（洞庭湖平原、湘資沅澧等支流流域）2019年糧食灌溉用水191億立方米，占全年總用水量的63.6%；廢水總氮、總磷排放量分別達(dá)3.4萬噸和0.19萬噸，農(nóng)業(yè)廢水總氮總磷是洞庭湖水環(huán)境污染的主要來源。由于環(huán)洞庭湖區(qū)主要農(nóng)業(yè)用地類型經(jīng)濟(jì)效率、水資源利用、濕地或林地生態(tài)資源差異，不同農(nóng)業(yè)用地類型的環(huán)境效率存在空間差異[2]，因此在保證洞庭湖區(qū)糧食有效供給和適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)回報的條件下，提高糧食生產(chǎn)農(nóng)業(yè)水資源利用的環(huán)境效率是當(dāng)前亟需解決的問題。本研究選用基于方向距離函數(shù)的Luenberger生產(chǎn)率模型研究環(huán)洞庭湖16個縣（市、區(qū)）4種種植模式農(nóng)業(yè)水資源利用的經(jīng)濟(jì)回報與環(huán)境壓力之間的權(quán)衡關(guān)系，深入探討不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源利用的環(huán)境效率空間差異，為洞庭湖區(qū)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)水資源利用提供決策依據(jù)，對維護(hù)洞庭湖區(qū)糧食安全和水生態(tài)安全具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

環(huán)境效率的研究最早由Schaltegger和Sturm在1990年首次提出，環(huán)境效率包含經(jīng)濟(jì)與環(huán)境兩個維度，其核心思想是追求經(jīng)濟(jì)價值最大化同時，實現(xiàn)環(huán)境影響程度的最小化?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要采用生命周期評價法、投入產(chǎn)出模型、CGE模型、DEA模型等方法研究環(huán)境效率評價。Chambers、Chung等在謝波德距離函數(shù)基礎(chǔ)上，引入方向性距離函數(shù)，創(chuàng)造性地將曼奎斯特生產(chǎn)率指數(shù)發(fā)展成為曼奎斯特－盧恩伯格生產(chǎn)率指數(shù)[3-4]；劉渝等利用DEA模型對湖北省所轄的17個市、州農(nóng)業(yè)水資源效率進(jìn)行排序，并且具體分析了相關(guān)地區(qū)水資源利用效率水平低下的原因所在[5]；Fuji將非期望產(chǎn)出因素結(jié)合Luenberger環(huán)境指標(biāo)，用來測算中國鋼鐵行業(yè)的環(huán)境敏感性生產(chǎn)率[6]；廖虎昌等運(yùn)用DEA-Malmquist指數(shù)方法對西部12省2007年和2008年的水資源利用效率進(jìn)行分析和評價，然后應(yīng)用Malmquist指數(shù)方法對1999—2008年西部12省的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析[7]；馬海良等利用DEA模型，測算出各省全要素水資源利用效率，通過Malmquist指數(shù)測算出技術(shù)效率、技術(shù)進(jìn)步和全要素生產(chǎn)率，測度了技術(shù)效率和技術(shù)進(jìn)步對水資源利用效率的影響[8]；劉金萍基于Luenberger指數(shù)分析我國工業(yè)行業(yè)二氧化碳排放績效[9]；李谷成等在中國省級面板數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用以方向性距離函數(shù)為表述的全要素生產(chǎn)率模型對考慮環(huán)境影響的技術(shù)效率進(jìn)行了重新排名[10]；李小勝等基于Luenberger指數(shù)分析中國碳排放效率與全要素生產(chǎn)率[11]；張強(qiáng)基于Luenberger指數(shù)法研究中國交通運(yùn)輸業(yè)碳排放效率[12]；何吾潔等SBM-DDF模型和Luenberger指數(shù)測算綠色稅收對制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的效應(yīng)[13]。

國內(nèi)外學(xué)者在全要素生產(chǎn)率框架下采用DEA-Malmquist-Luenberger模型對環(huán)境效率變化研究，把生態(tài)和經(jīng)濟(jì)兩個系統(tǒng)的相互聯(lián)系納入統(tǒng)一的分析框架，揭示了農(nóng)業(yè)資源利用、農(nóng)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境三者所構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律。Chambers、Chung等提出的Luenberger生產(chǎn)率指數(shù)既可以用來估計生產(chǎn)單元在一段時間內(nèi)環(huán)境效率變化，也可以單獨(dú)使用評價系列生產(chǎn)單元的環(huán)境效率差異。Malmquist-Luenberger模型是一個基于比率的指數(shù)，主要用于評估生產(chǎn)單元的環(huán)境效率變化。Luenberger生產(chǎn)率指數(shù)是一個基于差異的指數(shù)，由于各地區(qū)水資源供給、種植結(jié)構(gòu)以及污染排放總量存在差異，各地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效率和環(huán)境效率可能存在較大差異，目前鮮有文獻(xiàn)運(yùn)用Luenberger指數(shù)模型研究某一區(qū)域主要種植模式農(nóng)業(yè)水資源環(huán)境效率空間差異問題。

本研究選用2019年環(huán)洞庭湖區(qū)不同種植模式的水資源投入總量、生產(chǎn)費(fèi)用（不含水）作為投入指標(biāo)，選用不同種植模式收入總額、農(nóng)業(yè)廢水氮磷排放總量作為產(chǎn)出指標(biāo),采用基于方向距離函數(shù)Luenberger環(huán)境生產(chǎn)率指數(shù)模型計算2019年環(huán)洞庭湖區(qū)16個縣（市、區(qū)）4種典型種植模式的環(huán)境效率，確定16個縣（市、區(qū)）4種典型種植模式最小環(huán)境效率得分值的（市、區(qū)）作為參考單元，將其他不同地區(qū)的生產(chǎn)單元環(huán)境效率與同一參考單元進(jìn)行比較，比較分析環(huán)洞庭湖區(qū)不同種植模式的相對環(huán)境績效（LEI）。

二、研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

（一）研究區(qū)域

洞庭湖是我國第二大淡水湖，素有“長江之腎”的美譽(yù)，是長江流域重要的調(diào)蓄性湖泊，在調(diào)節(jié)長江徑流、維護(hù)生態(tài)平衡、保護(hù)生態(tài)多樣性和促進(jìn)區(qū)域發(fā)展等方面具有重要的作用。洞庭湖區(qū)位于湖南省北部、長江中游荊江南岸，處在東南季風(fēng)和西南季風(fēng)交錯地帶，總流域面積為25.72萬平方千米，境內(nèi)雨水充沛，河網(wǎng)密集，年平均降雨量1 200～1 450mm。本研究以湖南省環(huán)洞庭湖區(qū)岳陽、常德、益陽3市16個縣（市、區(qū)）作為研究區(qū)域，2019年3市16縣水稻種植面積1 562×103hm2，占湖南省糧食作物總種植面積31.2%，水稻總產(chǎn)量818萬噸，占湖南省水稻總產(chǎn)量的33%，一季稻+油菜，一季稻+龍蝦，雙季稻+冬閑，一季稻+蔬菜等是環(huán)洞庭湖區(qū)的主要種植模式。環(huán)洞庭湖區(qū)典型農(nóng)業(yè)縣（市、區(qū)）如圖1所示。

圖1 環(huán)洞庭湖區(qū)典型農(nóng)業(yè)縣（市、區(qū)）

（二）數(shù)據(jù)來源

1.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

環(huán)洞庭湖區(qū)種植業(yè)投入產(chǎn)出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2019年《湖南農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《湖南省水資源公報》以及岳陽市、常德市和益陽市3市的水資源公報。

2.微觀調(diào)查數(shù)據(jù)

2020年10月，湖南岳陽鄉(xiāng)村發(fā)展研究中心通過專家座談和實地調(diào)查等形式，廣泛收集了環(huán)洞庭湖區(qū)土地利用類型、主要種植模式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況、地質(zhì)、水文以及農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀等資料。

3.指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)說明

借鑒文獻(xiàn)研究成果[3,7]，結(jié)合洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)用水情況、不同種植模式的投入產(chǎn)出以及農(nóng)業(yè)面源污染狀況，遵循數(shù)據(jù)的可獲取和可操作性原則，模型選取水資源利用量、生產(chǎn)成本作為主要投入指標(biāo)，選取收入總額作為合意產(chǎn)出，農(nóng)業(yè)廢水氮磷排放總量作為非合意產(chǎn)出。主要投入指標(biāo)選取單位面積4種主要種植模式下環(huán)洞庭湖區(qū)各縣域的農(nóng)業(yè)用水量，除灌溉用水成本的其他投入作為生產(chǎn)成本投入（生產(chǎn)成本包括土地流轉(zhuǎn)費(fèi)、人工費(fèi)、水電費(fèi)、土地耕整、收割機(jī)械、烘干費(fèi)用以及種子、農(nóng)藥、肥料等生產(chǎn)資料的費(fèi)用）。根據(jù)湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心提供的洞庭湖水環(huán)境檢測報告，洞庭湖農(nóng)業(yè)水環(huán)境污染主要體現(xiàn)為氮磷排放總量超標(biāo)，因此本研究非期望產(chǎn)出指標(biāo)主要選取單位面積農(nóng)業(yè)廢水氮、磷排放總量指標(biāo)，用氮、磷排放量指標(biāo)來衡量農(nóng)業(yè)面源污染對水環(huán)境的壓力。洞庭湖區(qū)主要種植模式投入產(chǎn)出指標(biāo)及其均值見表1。

表1 主要種植模式經(jīng)濟(jì)變量和環(huán)境變量的平均值

三、區(qū)域方向性環(huán)境距離函數(shù)的生產(chǎn)率模型（DEDF模型）

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法（DEA）是由美國運(yùn)籌學(xué)家Charles等于1978年根據(jù)Farrel的非參數(shù)分析理論提出的一種系統(tǒng)分析方法，主要原理是在保持決策單元（DMU）的輸入和輸出不變的情況下，借助數(shù)學(xué)規(guī)劃將決策單元（DMU）投影到前沿面上，然后通過比較DMU距離前沿面的遠(yuǎn)近程度來評價他們的相對有效性，數(shù)據(jù)包絡(luò)法無需事先確定函數(shù)關(guān)系，采用非主觀賦權(quán)的方法從而避免了主觀DMU距離因素的影響，且不用考慮輸入和產(chǎn)出的量綱，就能實現(xiàn)多投入多產(chǎn)出的水資源利用效率測度，很好地克服了主成分分析法和隨機(jī)前言法的缺點(diǎn)。

Chambers等提出的Luenberger生產(chǎn)率指標(biāo)是基于方向距離函數(shù)構(gòu)造的，在效率模型中使用方向距離函數(shù)使我們能夠測量生產(chǎn)單元的效率，同時考慮了生產(chǎn)技術(shù)的理想輸出和不理想輸出[1]。生產(chǎn)可能性集合p(x)滿足4個條件：閉集和凸集、投入與“好”產(chǎn)出可自由處置性、聯(lián)合弱可處置性以及零結(jié)合性。假設(shè)我們研究的對象包括k個生產(chǎn)單位的樣本，每個單位使用一個輸入向量,產(chǎn)生一個期望輸出向量,非期望產(chǎn)出，β表示期望產(chǎn)出增長與非期望產(chǎn)出最大可能值。本研究的方向距離函數(shù)以地區(qū)為單位，以2019年環(huán)洞庭湖16縣（市、區(qū)）截面數(shù)據(jù)代替時間序列數(shù)據(jù)，a區(qū)域的方向距離函數(shù)可以寫成：

時期t和時期t+1的Luenberger生產(chǎn)率指數(shù)的表達(dá)式為：以a區(qū)為參照，b區(qū)以產(chǎn)出為導(dǎo)向的Luenberger環(huán)境指標(biāo)表示為：

Luenberger環(huán)境指標(biāo)四個組成部分的計算公式可表示為：

Luenberger環(huán)境指標(biāo)的其他分量可以用以下線性規(guī)劃模型來估計。

上述四個線性規(guī)劃給出的是在規(guī)模報酬不變下的情形，研究對象包括16個決策單元，每一個決策單元有兩個投入向量，一個期望產(chǎn)出向量，一個非期望產(chǎn)出向量，β為目標(biāo)函數(shù)值，即方向性距離值，變量zk(k=1,...,K）是強(qiáng)度變量，它們表示在構(gòu)建生產(chǎn)可能性邊界時分配給單個觀測值的權(quán)重。將上述四個線性規(guī)劃方程的計算引入Luenberger環(huán)境指數(shù)的表達(dá)式，可以計算環(huán)洞庭湖典型生態(tài)區(qū)的四種主要種植模式的相對環(huán)境效率。

Luenberger環(huán)境指標(biāo)（LEI）方法估算了環(huán)洞庭湖區(qū)主要種植模式的環(huán)境效率得分，使用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析DEA計算效率得分，使用傳統(tǒng)的Luenberger生產(chǎn)率指標(biāo)估計的結(jié)果可以是正的也可以是負(fù)的，正號表示生產(chǎn)率提高和大部分效率提高，負(fù)號表示生產(chǎn)率和效率隨時間的推移而下降，與傳統(tǒng)的Luenberger生產(chǎn)率指標(biāo)不同，本研究中的Luenberger環(huán)境指標(biāo)不產(chǎn)生負(fù)值，因為不同地區(qū)與一個參考單位（各地區(qū)表現(xiàn)最差的地區(qū)為參考單位）進(jìn)行比較，Luenberger環(huán)境指標(biāo)的正值意味著給定地區(qū)灌溉企業(yè)的的環(huán)境效率大于參考地區(qū)的環(huán)境效率。通過DEA對各地區(qū)的四種種植模式的效率值進(jìn)行計算，應(yīng)用DEA軟件對16個縣域每種種植模式的效率進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示，選取華容縣的一季稻+油菜、漢壽縣的一季稻+龍蝦、桃江縣的一季稻+蔬菜、赫山區(qū)的雙季稻+冬閑，作為各地區(qū)進(jìn)行環(huán)境效率比較的參考單元。

表2 參考縣域種植模式環(huán)境效率值

四、計算結(jié)果及分析

采用基于方向距離函數(shù)的Luenberger環(huán)境生產(chǎn)率指數(shù)模型，由公式（3）—（7）計算2019年環(huán)洞庭湖區(qū)16個縣（市、區(qū)）4種典型種植模式的環(huán)境效率（表3），再估算2019年環(huán)洞庭湖區(qū)16個縣（市、區(qū)）整體環(huán)境效率排名（表4）。實證研究結(jié)論如下：

表3 環(huán)洞庭湖區(qū)16縣4種典型種植模式的環(huán)境效率的得分值

表4 環(huán)洞庭湖區(qū)16縣整體環(huán)境效率排名

第一，環(huán)洞庭湖16個縣（市、區(qū)）4種典型種植模式環(huán)境效率（LEI）存在明顯差異。一季稻+油菜種植模式相對環(huán)境效率較好的是平江縣和湘陰縣，其環(huán)境效率得分值分別為0.943和0.916。一季稻+龍蝦種植模式相對環(huán)境效率較好的是湘陰縣和南縣，其環(huán)境效率得分值分別為0.972和0.912。一季稻+蔬菜種植模式相對環(huán)境效率較好的是君山區(qū)和湘陰縣，其環(huán)境效率得分值分別為0.923和0.906。雙季稻+冬閑種植模式相對環(huán)境效率較好的是澧縣和臨湘市，其環(huán)境效率得分值分別為0.764和0.726。某一種植模式在特定縣域LEI值較高，在其他縣域則相對較低，LEI得分值高的縣域，在不造成更大規(guī)模環(huán)境破壞的情況下，可以通過擴(kuò)大種植規(guī)模獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益，擁有低LEI分值的縣域造成相對較大的環(huán)境壓力或產(chǎn)生相對較低的經(jīng)濟(jì)回報。

第二，各縣（市、區(qū)）整體環(huán)境效率（LEI）依次為湘陰縣＞臨湘市＞平江縣＞汨羅市＞岳陽縣＞赫山區(qū)＞漢壽縣＞桃江縣＞臨澧縣＞君山區(qū)＞華容縣＞澧縣＞南縣＞沅江市＞津市市＞安鄉(xiāng)縣。受三峽水庫蓄水庫大壩清水下泄，長江中下游河道全線沖刷，上荊江河床下切水位降低，四口流域入湖徑流量明顯減少，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾比較突出，加之農(nóng)藥化肥等農(nóng)用物資的過量使用等因素影響，四口河岸地區(qū)環(huán)境污染嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)水資源相對環(huán)境效率較低。近年來湘、資、沅、澧、汩羅江等流域入湖徑流量水量未出現(xiàn)明顯變化，農(nóng)藥化肥等農(nóng)用物資使用量沒有明顯增加[14]，此外，湘陰縣、臨湘市、平江縣、汨羅市、岳陽縣、赫山區(qū)、漢壽縣、桃江縣和臨澧縣生態(tài)資產(chǎn)及水資源總量較四口河岸地區(qū)豐富，總體農(nóng)業(yè)水環(huán)境壓力較小，相對環(huán)境效率（LEI）較高。

五、結(jié)論及政策建議

（一）結(jié)論

選用2019年環(huán)洞庭湖區(qū)不同種植模式的水資源投入總量、生產(chǎn)費(fèi)用（不含水）作為投入指標(biāo)，選用不同種植模式收入總額、農(nóng)業(yè)廢水氮磷排放總量作為產(chǎn)出指標(biāo)，應(yīng)用基于方向距離函數(shù)的Luenberger環(huán)境生產(chǎn)率指數(shù)模型，估算洞庭湖區(qū)典型種植模式及各縣（市、區(qū)）相對環(huán)境效率，表3和表4的結(jié)果表明：第一，環(huán)洞庭湖16縣（市、區(qū)）4種典型種植模式環(huán)境效率（LEI）存在明顯差異。一季稻+油菜種植模式相對環(huán)境效率較好的是平江縣和湘陰縣；一季稻+龍蝦種植模式相對環(huán)境效率較好的是湘陰縣和南縣；一季稻+蔬菜種植模式相對環(huán)境效率較好的是君山區(qū)和湘陰縣；雙季稻+冬閑種植模式相對環(huán)境效率較好的是澧縣和臨湘市。第二，四口河岸地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源相對環(huán)境效率整體偏低。環(huán)洞庭湖區(qū)16縣（市、區(qū)）農(nóng)業(yè)水資源利用的環(huán)境效率依次如下：湘陰縣＞臨湘市＞平江縣＞汨羅市＞岳陽縣＞赫山區(qū)＞漢壽縣＞桃江縣＞臨澧縣＞君山區(qū)＞華容縣＞澧縣＞南縣＞沅江市＞津市市＞安鄉(xiāng)縣。

（二）政策建議

1）實施湖區(qū)種植業(yè)農(nóng)藥化肥減量增效。省級農(nóng)業(yè)、商務(wù)主管部門嚴(yán)格洞庭湖糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)藥化肥使用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合制訂農(nóng)藥化肥市場準(zhǔn)入清單；市縣級農(nóng)業(yè)部門牽頭實施測土配方施肥和農(nóng)作物病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治與全程綠色防控，積極引導(dǎo)環(huán)洞庭湖區(qū)種田大戶、農(nóng)業(yè)合作社和家庭農(nóng)場等新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體采用綠色高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

2）優(yōu)化湖區(qū)水稻+種植模式。按照綠色優(yōu)質(zhì)、生態(tài)高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，在四口流域水資源供需矛盾突出、環(huán)境效率得分值較低的縣市區(qū)，明確基本農(nóng)田區(qū)域土地利用優(yōu)先序，適量控制稻漁種植模式，繼續(xù)推廣水稻+油菜、水稻+蔬菜、雙季稻+冬閑種植模式。在環(huán)洞庭湖丘崗地區(qū)，積極開展水旱輪作及旱雜糧生產(chǎn)試點(diǎn)。

3）加強(qiáng)四口流域水利工程建設(shè)。爭取將四口流域水利專項整治工作納入國家長江流域水資源與水環(huán)境綜合治理工程，疏挖松滋河、虎渡河、藕池河和華容河主干河道，增加和恢復(fù)四口流域入湖徑流量，減少主干河道斷流時間；實施湖區(qū)垸內(nèi)溝渠清淤疏浚工程，恢復(fù)垸內(nèi)河湖溝渠連通性和輸水能力，解決水流不動、不暢及淤積嚴(yán)重的問題。

4）推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田節(jié)水灌溉。堅持“集中連片、設(shè)施完善、農(nóng)電配套、生態(tài)良好”的建設(shè)原則，堅持用規(guī)劃引領(lǐng)建設(shè)，做到湖區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計與規(guī)模經(jīng)營、種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)相結(jié)合，放大高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項目建設(shè)效益。按照《湖南省高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)總則》地方標(biāo)準(zhǔn)，加大洞庭湖區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田和節(jié)水灌溉設(shè)施建設(shè)項目傾斜和資金支持力度，制定洞庭湖河網(wǎng)平原高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田灌溉與給排水工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，充分合理利用水資源，實現(xiàn)洞庭湖河網(wǎng)平原高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)范化生態(tài)化。