基于三階段超效率SBM-Malmquist指數(shù)分解的洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率研究

鄧正華，鄧麗萍，何姣，高小玲

（湖南理工學院 經濟與管理學院，湖南 岳陽 414000）

近年來，受降水時空不均、長江三峽工程水量調節(jié)的影響，作為長江中游的調蓄湖泊，洞庭湖入湖徑流量逐年減少，2011—2019 年洞庭湖入湖水量由604.1 億立方米下降為508 億立方米，洞庭湖區(qū)作為湖南農業(yè)的主要耕作區(qū)，農業(yè)用水約占洞庭湖區(qū)總水量的65%，洞庭湖區(qū)農業(yè)用水供求矛盾日益凸顯。2019 年洞庭湖區(qū)萬元農業(yè)增值耗水達154 立方米，灌溉用水利用系數(shù)僅0.3～0.4，距《湖南省“十四五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》要求的0.57[1]存在較大差距。因此，確保洞庭湖區(qū)糧食安全前提下，進一步提升農業(yè)水資源綠色效率對于實現(xiàn)洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源經濟效益與環(huán)境效益協(xié)調發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

1 文獻回顧

在農業(yè)水資源利用效率的早期研究中，部分學者僅以農業(yè)總產出作為唯一產出指標，佟金萍等[2]基于超效率DEA 和Tobit 模型對中國農業(yè)用水效率及影響因素進行了研究；屈曉娟等[3]基于DEA-Malmquist 指數(shù)模型對西部地區(qū)農業(yè)用水效率進行分析；陳洪斌[4]運用三階段DEA 和空間計量模型對區(qū)域農業(yè)用水效率測評與溢出效應進行了研究；盧曦等[5-6]運用三階段DEA 測度了長江經濟帶用水效率。隨著農業(yè)生產對水環(huán)境污染日益嚴重，部分學者將農業(yè)用水的非期望產出納入指標體系測度農業(yè)用水效率。李鴻雁等[7]、孫付華等[8]、甘天琦等[9]、劉渝等[10]、方琳等[11]、陳紅等[12]將化肥施用量、化學需氧量和氨氮排放量作為非期望產出，采用數(shù)據(jù)包絡擴展模型和全要素生產率指數(shù)模型研究特定區(qū)域或流域農業(yè)用水效率及其影響因素。

研究表明，基于前沿面理論的數(shù)據(jù)包絡分析法（DEA）或隨機前沿分析法（SFA）及其擴展模型為農業(yè)水資源利用效率測度提供了可靠的方法，但傳統(tǒng)數(shù)據(jù)包絡分析法側重于選用截面數(shù)據(jù)，無法識別農業(yè)水資源利用效率的時間演化規(guī)律，沒有考慮非期望產出對農業(yè)水資源利用效率的影響。針對以上問題，本文采用三階段超效率SBM 剔除環(huán)境因素和隨機誤差項對農業(yè)水資源綠色效率測度的影響，運用Malmquist 指數(shù)分析洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率的動態(tài)變化，通過對洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率進行靜態(tài)和動態(tài)分析，對洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、水資源保護與利用提出相應的對策建議。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域

洞庭湖區(qū)農業(yè)經濟發(fā)達，是我國糧食、棉花、油料和淡水魚等重要農產品生產基地。2019 年洞庭湖區(qū)農作物總播種面積占全省總播種面積的28.04%，糧食總產量占全省糧食總產量的27.32%，2019 年洞庭湖三市（岳陽、常德和益陽）農業(yè)總產值達到1 868.61 億元。近年來，洞庭湖面臨湖泊日益萎縮、生態(tài)環(huán)境惡化和發(fā)展相對滯后等一系列問題。洞庭湖湖區(qū)農業(yè)用水供需矛盾突出，提高洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率是亟待解決的問題。洞庭湖區(qū)包括湖南省的岳陽市、常德市、益陽市、長沙市望城區(qū)和湖北省的荊州市，共33 個縣（市、區(qū)）。本文研究的是狹義的洞庭湖區(qū)，選取包括岳陽、常德和益陽三市下轄的24 個縣（市、區(qū)）作為研究區(qū)域。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所涉及的洞庭湖區(qū)農業(yè)生產相關基礎數(shù)據(jù)來源于2012—2020 年的《湖南農村統(tǒng)計年鑒》《湖南統(tǒng)計年鑒》，岳陽、常德和益陽三市統(tǒng)計年鑒以及Wind 數(shù)據(jù)庫；農業(yè)用水數(shù)據(jù)來源于2011—2019 年《湖南省水資源公報》以及岳陽、常德和益陽三市水資源公報，部分年份缺失的數(shù)據(jù)利用插值法和加權平均法估算而得。

3 研究方法

3.1 投入、產出以及環(huán)境變量指標選取

（1）投入產出變量選取。借鑒相關學者研究成果[4,8,12]，結合數(shù)據(jù)的可獲得性和洞庭湖區(qū)農業(yè)用水現(xiàn)狀構建投入產出指標體系，其中資本投入包括勞動力、土地、農業(yè)用水投入；技術投入包括農業(yè)機械和化肥投入；期望產出指標選用農業(yè)總產值；非期望產出指標選用農業(yè)面源污染綜合指數(shù)間接代替，農業(yè)面源污染主要包括農藥、化肥和農用塑料薄膜使用對水環(huán)境產生的壓力。本文運用面板熵值法計算農業(yè)面源污染綜合指數(shù)，結合已有的研究成果[13-14]，化肥流失率為65%，農藥產生的污染50%和農用塑料薄膜產生的污染為10%。

（2）環(huán)境變量選取。農業(yè)水資源綠色效率不僅受生產要素投入的影響，還受經濟、社會和自然資源稟賦等外部因素的影響，借鑒已有研究成果[4-5,8,12]以及數(shù)據(jù)的可獲得性，本文選取人均水資源量、人均GDP、政府農林水事務支出3 種指標表征水資源稟賦、地區(qū)經濟發(fā)展水平和農田水利建設投入。洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率投入、產出和環(huán)境變量指標解釋見表1。

表1 洞庭湖區(qū)農業(yè)生產投入、產出以及環(huán)境指標

3.2 三階段超效率SBM模型

傳統(tǒng)DEA 模型CHARNES 等[15]在1978 年首次提出，該方法主要用于相同部門相對效率的評價，但未能考慮非期望產出對效率值的影響，以及無法識別同處于效率前沿面的決策單元。FRIED 等[16]提出三階段DEA模型，此模型可以區(qū)分環(huán)境因素、隨機誤差項和管理無效率帶來的效率損失[17-19]。TONE[20]在2002 提出超效率SBM 模型，該模型一方面可以識別同處于效率前沿面的決策單元，另一方面可以考慮投入和產出的松弛變量。因此，本文采用三階段超效率SBM 模型對洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率進行測度。三階段超效率SBM模型農業(yè)水資源綠色效率測度思路見圖1。

圖1 三階段超效率SBM 農業(yè)水資源綠色效率測度思路

第一階段：通過超效率SBM 計算效率值和投入松弛變量。具體公式為：

式中：δ表示效率值；m表示投入個數(shù)，i=1,2,…,m；n表示決策單元的個數(shù)，j=1,2,…,n；s表示產出個數(shù)，其中s1表示期望產出的個數(shù)，s2表示非期望產出的個數(shù)。

第二階段：SFA 回歸。確定型前沿模型把所有可能產生影響的因素均作為管理無效率項來處理，使測度結果與實際有一定的偏差，通過構造隨機前沿函數(shù)對第一階段計算的松弛變量進行回歸，去除外部因素影響，得到相對真實的農業(yè)用水效率值。

（1）檢驗“無效率”μij項是否存在，SFA 檢驗的似然比接受存在無效率的原假設，則進行SFA 回歸。構造SFA 回歸函數(shù)，基于投入導向的SFA 回歸函數(shù)形式為：

（2）運用公式分離管理無效率項μ。

（3）計算隨機誤差項v的值。

（4）剔除外部環(huán)境因素和隨機誤差項的影響，得到新的投入值。

第三階段：將第二階段調整后的投入值和原始產出值代入超效率SBM 模型中，得到相對真實的洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率值。

3.3 Malmquist指數(shù)模型

Malmquist 指數(shù)模型可以對效率值進行動態(tài)測度，農業(yè)水資源全要素生產率指數(shù)ML 大于1，表示決策單元的生產率越高，反之生產率越低，ML 可以分解為技術進步（TC）和技術效率（EC），其中技術效率（EC）分解為純技術效率（PE）和規(guī)模效率（SE）。

4 結果分析

4.1 基于三階段超效率SBM模型實證分析

4.1.1 第一階段超效率SBM實證分析

運用DEA-SLOVER 軟件對洞庭湖區(qū)24 個縣（市、區(qū)）農業(yè)水資源綠色效率進行測度（表2），在忽略外部環(huán)境和隨機因素影響下，洞庭湖區(qū)整體綜合技術效率、純技術效率和規(guī)模效率平均值分別為0.633 2、0.822 1和0.768 7，表明洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率均未處于效率前沿面，洞庭湖區(qū)農業(yè)用水管理水平和生產規(guī)模不足制約了農業(yè)水資源利用效率的提升，洞庭湖區(qū)農業(yè)用水存在較大的節(jié)水潛力。此外，農業(yè)水資源利用綠色效率地區(qū)差異顯著，用水效率最高的華容縣（效率值為0.964 7），用水效率最低的武陵區(qū)（效率值為0.361 5），兩個縣域農業(yè)用水效率相差0.603 2。

表2 2011—2019年洞庭湖區(qū)各縣域農業(yè)水資源綜合技術效率、純技術效率和規(guī)模效率情況

4.1.2 第二階段SFA前沿回歸調整結果

將環(huán)境變量人均水資源量、人均GDP 和農林水事務支出作為解釋變量，分別表征水資源稟賦、經濟環(huán)境和社會環(huán)境，投入松弛變量作為被解釋變量，剔除環(huán)境因素對農業(yè)水資源綠色效率測度的影響。使用單邊的廣義似然比檢驗，LR值、σ2和γ均通過了顯著性檢驗，說明模型設置合理，SFA 回歸結果見表3，人均水資源量、人均GDP 和農林水事務支出均對洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率產生影響。

表3 SFA回歸估計結果

（1）人均水資源量。人均水資源量增加會帶來勞動力、土地、農業(yè)機械總動力、農業(yè)用水量投入的冗余，會減少化肥投入冗余，說明人均水資源的增加不利于其他農業(yè)資源的高效利用，可能的原因是水資源相對豐裕的地區(qū)，人均水資源量較多，農業(yè)生產對水資源投入存在路徑依賴[21]，農業(yè)水資源及其他資源的利用程度有待提高。

（2）人均GDP。人均GDP 增加會減少勞動力、土地、農業(yè)機械和農業(yè)用水量的冗余，會增加化肥施用量冗余且均顯著，人均GDP 代表地區(qū)經濟環(huán)境，人均GDP 越高的地區(qū)經濟發(fā)展水平越好，農業(yè)生產基礎設施以及灌溉設備較為先進，農業(yè)水資源集約利用，農業(yè)水資源利用效率較為高效。

（3）政府農林水事務支出。政府公共財政支出增加會減少勞動、土地、農業(yè)機械和農業(yè)用水量的冗余，都通過顯著性檢驗，可能的原因是政府用于農林水事務的財政支出增加，用于農田水利建設的投資占比較大，政府對該地區(qū)的農田水利基礎設施建設、利用與管護力度加大[22]，進而促使洞庭湖區(qū)農民提高農業(yè)用水效率。

4.1.3 第三階段超效率SBM實證分析

去除外部環(huán)境影響和隨機誤差項影響，洞庭湖區(qū)各縣域農業(yè)水資源綠色效率值見表4，相較第一階段測度的結果而言，第三階段洞庭湖整體綜合效率平均值由0.633 2降低到0.583 2，純技術效率平均值由0.822 1 增加到0.905 4，規(guī)模效率值由0.768 7 降低到0.646 6，說明綜合用水效率和規(guī)模效率被高估，純技術效率被低估，隨機誤差項和環(huán)境因素對農業(yè)水資源綠色效率測度產生顯著影響。

表4 第三階段2011—2019年洞庭湖區(qū)各縣域農業(yè)水資源綜合技術效率、純技術效率和規(guī)模效率情況

從洞庭湖區(qū)縣域來看，去除外部環(huán)境和隨機誤差項影響前后，農業(yè)水資源綠色效率發(fā)生顯著變化，洞庭湖區(qū)60%的縣域綜合技術效率下降，其中洞庭湖區(qū)的大部分平原地帶和丘崗地帶純技術效率較第一階段有所提升，說明洞庭湖大部分平原地帶和丘崗地帶實際的管理技術水平較第一階段估計值要高。此外，24 個縣域規(guī)模效率較第一階段均有下降，說明洞庭湖區(qū)規(guī)模不足嚴重制約了農業(yè)水資源綠色效率的提升。

4.2 基于Malmquist指數(shù)模型農業(yè)水資源綠色效率的實證分析

為探究洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率時序變化規(guī)律，運用Malmquist 指數(shù)測度農業(yè)用水效率動態(tài)的變化情況（圖2），2011—2019 年洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源全要素生產率指數(shù)平均值為1.049，洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率呈上升趨勢，農業(yè)水資源全要素生產率變化與技術進步變化指數(shù)曲線走勢大致相同，表明全要素生產率主要受技術進步的影響。洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源全要素生產率指數(shù)經歷了上升—下降—上升三個主要階段：2015—2016 年農業(yè)用水全要素生產率指數(shù)達到峰值（1.088），2016—2017 年農業(yè)水資源全要素生產率指開始下降為（0.974），2018—2019 年農業(yè)用水全要素生產率指數(shù)再次達到峰值（其值為1.18）?？赡艿脑蚴嵌赐ズ皆貐^(qū)氣候溫和、水域廣闊和土地肥沃，具有一定的自然資源稟賦優(yōu)勢，2014 年洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)批復以來，特別是2018 年習近平總書記提出了“守護好一江碧水”“共抓大保護、不搞大開發(fā)”，洞庭湖區(qū)經濟發(fā)展遵循生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念，湖區(qū)各地方政府加強生態(tài)保護與修復，持續(xù)推動農業(yè)面源污染防治，農業(yè)生態(tài)環(huán)境明顯改善，農業(yè)水資源綠色效率提升顯著。

圖2 2011—2019年洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源全要素生產率指數(shù)及其分解指標趨勢

洞庭湖24 個縣（市、區(qū)）農業(yè)水資源綠色效率動態(tài)變化指數(shù)見表5，2011—2019 年洞庭湖24 個縣（市、區(qū)）農業(yè)水資源全要素生產率變化指數(shù)均大于1，洞庭湖平原和丘崗地區(qū)農業(yè)水資源綠色效率不斷提升，洞庭湖丘崗地區(qū)農業(yè)水資源綠色效率的提升主要源于技術進步，洞庭湖平原地區(qū)技術進步和技術效率協(xié)同促進農業(yè)水資源綠色效率的提升。同時湖區(qū)各縣域農業(yè)水資源利用全要素生產率變化存在一定的地區(qū)差異，相比洞庭湖區(qū)丘崗地區(qū)，近年來環(huán)洞庭湖區(qū)平原地區(qū)土地經營權流轉明顯加快，土地經營規(guī)模進一步擴大，進一步提升了農業(yè)勞動生產率、技術貢獻率和管理效率，從而優(yōu)化了農業(yè)生產資源的合理配置與利用水平。

表5 2011—2019年洞庭湖區(qū)各縣域農業(yè)水資源綠色效率的動態(tài)變化指數(shù)

5 結論與政策建議

5.1 結論

本文基于2011—2019 年農業(yè)水資源投入與產出相關數(shù)據(jù)，運用三階段超效率SBM-Malmquist 模型，剔除外部環(huán)境和隨機誤差項的影響，分析洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率的時序特征，探討其影響因素，結果表明：

（1）洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率均值為0.583 2，距離農業(yè)水資源利用的生產前沿面存在一定的差距，農業(yè)水資源綠色效率存在較大的提升空間。純技術效率與規(guī)模效率值均小于1，農業(yè)灌溉技術與土地經營規(guī)模是洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率提升的潛在制約因素。

（2）通過第二階段SFA回歸結果可知，人均水資源量、人均GDP 和政府農林水事務支出等外部因素對環(huán)洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率產生顯著影響。區(qū)域水資源占有量與農業(yè)水資源綠色效率呈反向關系，人均GDP 和政府農林水事務支出與農業(yè)水資源綠色效率呈正向關系。

（3）運用Malmquist 指數(shù)對洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率進行動態(tài)測度，2011—2019 年洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色全要素生產率的平均值大于1，洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率不斷提升，洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源全要素生產率指數(shù)經歷上升—下降—上升三個主要階段，農業(yè)水資源全要素生產率指數(shù)與技術進步變化指數(shù)基本同步。

（4）洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源利用全要素生產率變化存在明顯的地區(qū)差異，近年來洞庭湖平原地區(qū)農業(yè)用水全要素生產率增速較快，洞庭湖區(qū)平原地區(qū)土地經營權流轉明顯加快，土地經營規(guī)模擴大，進一步提升了農業(yè)勞動生產率、技術貢獻率和管理效率，從而優(yōu)化了農業(yè)生產資源的合理配置與利用水平。

5.2 政策建議

（1）推進高標準農田建設，改善農田生態(tài)環(huán)境。重點推進洞庭湖平原高標準農田建設，集中連片開展田塊整治、土壤改良、耕地碎片化和設施設備不配套等問題，提高農田水土利用效率。通過田塊整治、溝渠配套、節(jié)水灌溉、林網建設和集成推廣綠色農業(yè)生產技術改善農田生態(tài)環(huán)境，調整優(yōu)化農田生態(tài)格局，減少農田水土流失，降低農業(yè)面源污染，提高洞庭湖區(qū)農業(yè)水資源綠色效率。

（2）增加政府財政支出力度，加大農田水利工程建設。針對洞庭湖區(qū)農田基礎設施建設薄弱，灌排設施老化、毀損等一系列問題，增加政府農林水事務支出力度，大力引進和推廣先進適用工程技術和農業(yè)灌溉技術，加快實施大中型灌區(qū)節(jié)水改造、灌更新改造，強化抓好抗旱水源工程建設和節(jié)水灌溉技術推廣，將洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)建設成規(guī)?；母咝Ч?jié)水灌溉示范片區(qū)。

（3）優(yōu)化農業(yè)產業(yè)布局，推廣“水稻+”輪作種植模式。洞庭湖丘崗地帶（如平江縣和石門縣、安化縣）等地區(qū)根據(jù)水土匹配情況，在穩(wěn)定該區(qū)域水稻種植面積的前提下，合理規(guī)劃布局“水稻+油菜”復合農作物種植模式，推廣“水稻+油菜”標準化種植技術，實現(xiàn)糧油輪作綠色高產增效。洞庭湖平原地區(qū)推廣“水稻+水稻+油菜”“水稻+蔬菜”“水稻+龍蝦”，不斷優(yōu)化區(qū)域布局和品種結構，促使水稻生產向洞庭湖平原優(yōu)勢主產區(qū)集中。

（4）創(chuàng)新土地流轉形式，鼓勵糧食生產適度規(guī)模經營。洞庭湖糧食主產區(qū)承包農戶依法采取轉包、出租、互換、轉讓及入股等方式流轉承包地，鼓勵農民在自愿前提下采取互換并地方式解決承包地細碎化問題。通過糧食生產適度規(guī)模經營，培養(yǎng)一批善經營、懂技術、有影響的糧食生產經營主體，推進農業(yè)大規(guī)模農機作業(yè)，進一步提升農業(yè)物質裝備技術和農業(yè)社會化服務水平。