我國糧食生產效率變化及其影響因素

摘 要： 糧食生產既是產生能量物質，也是消耗能源的過程。在當今全球性能源緊缺、能源供求矛盾突出的背景下，從能源視角研究我國糧食生產效率變化具有重要意義。因此，從能值核算出發，對主要投入的能源要素進行無量綱整合，在我國糧食生產的能源消耗演變特征進行分析的基礎上，基于全要素生產率研究框架，運用改進的隨機前沿（SFA）模型對糧食生產的能源效率變化進行實證分解，并進一步對糧食生產效率的影響因素、主要糧食生產能源效率變化進行解構分析，得出的主要結論有：近20年來我國糧食生產總能耗上升但相應能效卻呈現周期式下降；勞動力產出彈性的短期負作用會在長期農村勞動力流失中逐漸消失，能源要素產出彈性顯著，人力資本的提高、有效灌溉率的提高、糧食補貼政策的積累效應能對技術效率存在不同情況的促進作用；技術進步率、勞動和土地替代變化率的變化對我國糧食生產的能源效率的發揮起著主要作用。

關鍵詞：能源；糧食生產；生產效率

中圖分類號：F323.11 文獻標識碼：A 文章編號：1009-9107（2014）06-0103-09

一、研究背景與文獻綜述

糧安天下，糧食的穩定足量供給對社會和經濟的穩定發展有著重要作用。目前，一方面是我國土地資源稀缺、農業生產的能源需求增加，另一方面是全球性能源供應緊張、價格不斷上漲，因此如何合理配置糧食生產要素結構以提高糧食生產效率和能源效率，來實現糧食生產的可持續發展，成為我國糧食安全供應保障的重要途徑。基于全要素能源效率視角對能源效率結構的變化進行逐年分解，對于劃分糧食生產的能源效率不同階段，并找出各階段的主要影響因素，為我國未來的糧食生產與能源效率的發展方向與相關政策制定有著重要的指導意義。

在經濟發展這種從外延式的經濟發展模式向內涵式的經濟發展模式的轉變過程中，國內外學者開始關注全要素生產率的提高，郭慶旺等在分析比較了四種全要素生產率測算方法的基礎上，認為全要素生產率對我國的經濟增長的貢獻率較低，我國仍屬于要素投入性的增長模式[1]，進一步采用非參數Malmquist指數方法對我國技術產業全要素生產效率的分析認為，技術進步是主要的貢獻因素[2]。而我國宏觀經濟轉型與增長的趨勢也影響到了能源經濟問題[3]。通過狀態空間模型的分析表明技術進步、經濟結構、能源消費結構和能源價格是產生能源效率變化的重要因素[4]，在運用IDA方法對我國能源消耗變化分析中，也同樣認為技術進步是影響能源消耗強度變化的主要原因[5]。孫廣生等結合原有DEA分析框架，進一步從能源視角重新對全要素生產率的分解分析結果表明，通過將能源效率的變化分解為技術進步、技術效率變化與投入替代效率的變化，認為其他投入要素替代的變化也是影響能源效率發揮的關鍵因素[6]。結合我國農業發展與糧食安全的現狀及已有的全要素生產效率測算方法和能源效率分析思路，從能源視角對我國糧食生產的全要素生產效率的測算，并在此基礎上對相應的能源效率進行解構，分析歸納影響因素，對指導未來農業與能源的可持續性發展有重要意義。在對1990～2004年對我國玉米全要素生產率、技術進步與技術增長變化的實證分析表明，技術進步是全要素生產率增長存在差異性的主要因素[7]；而基于宏觀VAR模型的實證分解也證明了該觀點[8]；在進一步的省級分品種糧食生產技術效率的研究中，亢霞等運用1992～2002年的數據并應用隨機前沿分析方法（SFA）的測算分析表明，擴大土地經營規模對糧食產量增加有積極作用，但進一步增加肥料、種子和機械投入的增產潛力極為有限[9]；曹芳萍等進而就1991～2009年我國各地區的糧食生產全要素化肥效率以及東中西地區的效率差異分布進行了研究[10]，這種差異并未呈現長期明顯的β收斂趨勢[11]；師博等將知識存量納入生產函數，從市場分割視角進行了省際全要素生產效率框架系的能源效率變化的影響因素實證分析，認為市場分割是效率差異化的主要原因[12]。值得注意的是，全面完整的能源視角的生產效率測算需要將化肥、農藥納入原有機械能源投入后的廣義能源消耗體系，而由于這些能源要素投入單位不一，因此需要引入能值核算方法，徐鍵輝的研究采用了這種能值核算方法，并基于DEA分析方法比較分析了2004～2008年各糧食主產區的能源效率變化[13]。

綜上所述，針對我國長期以來主要糧食品種，從廣義能源視角對全要素生產效率進行系統性的影響因素與能源效率變化分析的文獻尚屬少見。本文將在對1985～2010年我國糧食生產的能源要素進行廣義能值核算的基礎上，運用改進隨機前沿生產函數模型（以下簡稱SFA）對全要素生產效率進行測算，并就測算結果進行我國糧食生產效率的影響因素，以及各類糧食生產的能源效率變化在技術進步、技術效率變化、投入替代變化層面上進行解構分析，進而得到相關結論。

二、我國糧食生產的能值核算及效率的歷史演變與現狀

我國作為土地資源稀缺、勞動力資源豐富的國家，生物型與機械型技術的共同發展是我國農業生產的發展路徑[14]。目前，我國正處于經濟結構轉型的重要時期，不斷開發與加強糧食生產中的生物性技術與機械性技術的擴散應用，在提高了傳統農業生產要素配置與產出效率的同時，也必然伴隨著農業生產中的能源消耗量與消耗結構的不斷演變。

（一）能源類要素生產性投入變化

本文研究的糧食界定為包括稻谷（早秈稻、中秈稻和粳稻、晚秈稻）、小麥、玉米和大豆的主要糧食作物品種。糧食生產的過程既是生產能量物質的過程，同時也是消耗自然能源與投入能源的過程。前者主要指對于自然界中太陽能的消耗，后者的能源消耗方式則可以分為直接消耗與間接消耗，直接消耗主要是指農業機械所消耗的各種石油制品和電能，間接消耗則主要是指化肥、農藥、農膜等投入品的使用。為全面展現農業生產的能源消耗情況，本文將后者所包含的直接與間接能源投入要素均定義為廣義能源要素作為研究對象，并按照相應能值體系進行轉化核算與無量綱加總。

隨著糧食生產技術與社會經濟結構的不斷發展，化肥、農藥、電力以及機械柴油等主要能源類要素的投入量與投入結構也在發生著變化。從圖1中能看到能源類要素的在每畝糧食作物投入的實際投入量與結構的演變過程。從相互的變化趨勢上看，化肥、農藥與柴油的投入與電力投入存在互補性。糧食生產中主要的電力投入體現在排水和灌溉上，因此其投入量也在一定程度上反應了每畝水資源的投入，其每畝投入的提高說明我國農田灌溉基礎設施的逐漸完善。從投入量的演變角度看，電力投入量先上升，后基本達到穩定狀態的小幅波動階段，于2005年基本穩定在160千瓦時的水平上；農藥和柴油的每畝投入量在穩步增加，且柴油的投入量增加幅度較大、有繼續增大投入量的趨勢，而農藥的投入量則基本穩定；每畝化肥投入量從1985～1990年小幅增加，隨后從1991～2000年開始呈階段性下降趨勢，從2001年開始，投入量上升并基本穩定在每畝135千克左右。從單位能源消耗結構上看，糧食單位生產的農藥與柴油投入比重在增加，而化肥與電力投入則基本達到該階段的穩定狀態。

（二）糧食生產的能值核算及能源消耗量變化

隨著保障糧食生產的相關政策的不斷升級，糧食生產與管理技術的不斷推廣發展，使得我國糧食種植面積雖然存在1991～1994年和1999～2003年的小幅下降，但整體糧食種植面積從2004年開始逐年上升，到2010年達到8 663萬公頃，糧食總產量也已實現了連續的增長。

圖1 1985～2010年我國每畝糧食生產的能源類要素消耗

數據來源：根據1986～2011年《全國農產品成本收益資料匯編》、《中國物價年鑒》中數據，以1985年為基期，剔除了價格因素，進行整理計算得到（實際使用量）

注：由于單位不統一，電力采用折線的次坐標表示，而其余采用比例柱狀圖的主坐標

圖2 1985～2010年我國糧食生產能源消耗結構

數據來源：根據1986～2011年《全國農產品成本收益資料匯編》、《農業技術經濟手冊》計算得到

圖2展示了1985～2010年的糧食的細分品種的能源消耗的結構趨勢。總體上看，我國各類糧食生產的能源消耗均呈現不明顯的周期上升趨勢，尤其是1995年基本開始呈現穩定的上升趨勢。從細分糧食品種的能源消耗量看，中稻（中秈稻和粳稻）、玉米、大豆的能源消耗量呈現上升的趨勢；早秈稻和晚秈稻的能源消耗呈現下降趨勢；小麥的能源消耗呈現有波動的上升趨勢。這除了與糧食自身的能源需求特性有關，更與我國居民生活水平提高帶來的糧食消費需求的提升是分不開的，即居民糧食需求總量增長與高質量糧食品種的需求的結構性增長。另外，隨著玉米生物質能源用途逐漸被開發出來，大豆的補貼以及價格的逐漸提升，相應的生產積極性被調動起來，玉米及大豆的種植面積進而生產所需的總能耗在上升。

（三）各類糧食生產能源效率變化

作為衡量能源對于產出的貢獻效率的主要指標，長時間跨度的糧食能源效率（產出與能源投入比）變化則展現了在不斷加大能源類要素投入以提高糧食生產效率的過程中的實際利用效率的變化。如圖3所示，我國糧食生產過程總體能源效率在1985～1994年、1995～2008年存在兩次平緩的U型全周期變化，而且近一周期的絕對能源效率水平較上一周期有所降低。從各類糧食能源效率的角度看，大豆的能源效率顯著高于其他品種，波動較大，在1997年存在較大的下降，隨后能源效率穩定在相對低的水平上；早稻、玉米、晚稻和中稻依次較高于平均能源效率，而小麥則低于其平均水平，且均存在與總體能源效率相同的演變趨勢，其中早稻、玉米和晚稻的能源效率波動較大，中稻和小麥的波動較小。從2001～2007年，總體上看，各類糧食生產的平均能源效率基本處于穩定狀態。其中，中稻、小麥的能源效率基本穩定在各自的水平上，早稻仍在下降，玉米仍在大幅波動中，大豆則在有波動的上升中；2005年之后晚稻能源效率在達到低谷之后逐漸穩定。2009年的整體性能源效率下降則預示了現有情況下的，更低水平的能源效率時代的到來。

圖3 1985～2010年我國各類糧食生產的能源效率

數據來源：根據1986～2011年《全國農產品成本收益資料匯編》、《中國農村統計年鑒》計算得到

注：由于差異較大，大豆采用折線的右側次坐標表示，而其余采用主坐標

三、理論模型：TFP與能源效率的變化的分解

目前，測算全要素生產率（以下簡稱TFP）的主要方法包括隨機前沿生產函數估計方法（參數型模型法）以及曼奎斯特生產率指數方法（非參數型模型方法）。目前，前者主要采用Frontier系列軟件進行生產函數的經濟學模型系數的估算，而后者主要采用DEAP進行數據包絡分析方法的數學方法估算。在分解TFP，進而分解能源效率的過程中，兩種方法在思路上都是將TFP分解成TP（技術進步）、TE（技術效率）以及SE（規模效率），所使用的基本數理框架是共通的，只是實證處理的方法不同。

（一）全要素生產率變化的分解

根據曼奎斯特指數方采用距離函數對于TFP的變化率進行分解的最終公式如下：

xt+1其中，xt=（xt1，xt2 …xtn）代表t時期的主要投入要素，yt代表t時期的產出，Tt代表t時期的生產技術水平；同理，xt+1、yt+1、Tt+1分別代表t+1時期的主要投入要素、產出與技術水平。公式（1）中的三項分別代表引起TFP變動的技術效率變化、技術進步變化以及投入規模變化。

（二）全要素生產率框架下的能源效率變化分解

（xt，yt）基于TFP變化的分解，仍然沿用分解框架，如果將主要的投入要素具體化為資本K、勞動力L、能源E，即=（Kt，Lt，Et，Yt），容易得到能源效率變化的分解式：

（2）式中，Eeff是能源效率的變化，集約形式表達的k=KE，l=LE，y=YE，τt是t時期的前沿生產面，并與（1）式建立起聯系，在全要素生產率框架保持不變的基礎上，第三項由投入規模變化轉變為集約形式的投入替代效應的變化[4]。

（三）能源效率變化在隨機前沿生產模型上的改進應用

基于以上已經成熟的能源效率分解，本文將上述的理論框架應用于SFA模型方法，在生產函數的經濟學基礎上，更加精確的對于各主要投入要素共同作用產生的TFP和能源效率的變化進行分解和估算。SFA模型相對于DEA是一種參數估計的前沿分析方法，主要優勢在于可以將在分解TFP的基礎上考慮技術的無效率性以及影響技術效率的變量。Battese和Coelli[15～18]先后對于隨機前沿生產函數形式和方法進行了改進，為其后的實證研究建立了模型方法的數理基礎。

其中，（5）式中第三項為替代能源變化率，反應單位能源投入的替代要素的產出效率的變化率；而第四項則是能源投入的規模積累效率變化率。前兩項則保留了全要素生產率的測算框架。

四、模型構建與實證分析

考慮到我國糧食生產全要素效率，不但取決于傳統的勞動力和土地、能源類要素投入，還取決于管理方式效率因素、生態環境因素、人力資源因素和宏觀糧食政策因素。

（一）變量設置與數據來源

根據以上對影響我國糧食產量的因素分析，本文將影響糧食生產的因素分為生產要素、生產條件、人力資本以及宏觀政策四類，分別以種植面積、勞動力、能源消耗，有效灌溉率、成災率，初中以上比例，是否有糧食直補、良種補貼以及最低收購價來表示。

其中，能源變量數值是根據能源類要素（化肥、農藥、電力以及柴油）在各類糧食生產中的消耗量，依據《農業技術經濟手冊》中的對應能值核算。本文在進行測算的過程中，采用數據均以糧食的細分品種，即早稻（早秈稻）、中稻（包含中秈稻與一季粳稻）、晚稻（晚秈稻）、小麥、玉米、大豆六大類糧食作為的投入產出的實際用量為研究對象，以1985年為基期剔除了價格指數。數據主要來源于1985～2011年《中國農村統計年鑒》、《中國物價年鑒》、《全國農產品成本收益資料匯編》、《新中國60年統計資料》。

（二）模型構建

本文采用超對數生產函數形式，采用Frontier41進行多階段的估算。所需構建的模型包括技術結構模型和技術非效率模型。具體地，本文將我國糧食生產隨機前沿函數模型設定為：

其中，K代表播種面積（千公頃），L代表勞動力投入量（用工天數），E代表能值核算后的能源要素投入（千卡）；β為生產函數方程中各變量的系數，除表1中給出的變量，i表示第i類糧食作物；t表示年份（t=1，2，3，…26）。vit-uit是復合誤差項，vit～iid（0，σ2v）表示設定誤差、測量誤差和隨機因素對前沿面的影響；uit表示技術非效率，相互獨立且非負，其技術效率函數部分設定如下：

其中，δ為技術非效率方程中，各解釋變量的估計系數。在解釋變量中，IRR代表有效灌溉率（%），DIS代表成災率（%），EDU代表初中以上學歷占比（%），Dfs（虛擬變量）代表糧食直補的實施情況，取值為1代表已實施該政策，取值為0代表尚未實施該政策，同理，Dss代表良種補貼的實施情況，而Dls代表最低收購價政策的實施情況。

（三）測算結果與能源效率變化的分解

根據1985～2010年的數據進行實證的計量估算的結見表1。首先，從我國糧食生產的技術結構方程的各要素估計結果看，勞動力一次項系數顯著為負，二次方項系數顯著為正，與時間的交叉項系數為正，說明勞動力要素的單獨作用存在短期的冗余現象，而長期這種現象將會逐漸消失，產出彈性為負且程度遞減，但是長期存在正向的貢獻趨勢。而土地要素貢獻效果則不明顯，僅有土地與時間交叉項系數顯著為負，說明土地要素對投入產出貢獻存在逐步減弱的過程。能源要素一次項系數顯著為正，說明該要素的單獨作用對我國糧食產出有明顯貢獻。其次，從要素交叉作用的角度看，土地與勞動力交叉項系數顯著為負、能源交叉項系數顯著為正、勞動力與能源交叉項系數顯著為負，說明能源與土地投入存在技術進步上的互補性，而土地與勞動力、勞動力與能源要素的交叉作用則存在不同程度的替代性，這與生物化學型能源投入與土地要素的互補性和機械型能源投入與勞動力要素的替代性的假設相一致。

在技術非效率方程的測算中，負的系數代表其增長存在減少技術效率損失的作用，相反的，正的系數代表其增長存在增加技術效率損失的逆向作用。關于該方程的測算結果表明，初中以上的受教育程度項系數顯著為負，但是其與時間的交叉項系數顯著為正且系數值較小，說明其對技術效率在初始階段存在減少損失的作用，但這種作用在長期積累過程中存在微弱遞減效果。糧食直補、糧食良種補貼虛擬變量項系數顯著為正，但是其與時間的交叉項系數顯著為負，說明其對技術效率在初始階段存在資源配置下的技術效率的負向作用，但在長期，兩類補貼政策逐漸發揮出作用，對技術效率的提高起到了促進的作用。

本文進一步根據模型的估計結果帶入公式（5），進行能源效率變化的因素分解計算。根據公式（5），能源效率變化可以分解為全要素生產率框架下SFA分解得到的因素技術進步、單位能源消耗的其他要素投入的替代效率的變化、規模積累變化率以及其他制度與環境因素。從4～7圖總體來看，勞動替代變化率波動較大，基本主導著能源效率的變化趨勢。除大豆外的其他糧食技術進步的正向增長變化明顯且存在逐步提升的空間。

就圖4的水稻能源效率的結構分解上看，勞動替代變化率的波動最大，其次是土地替代的變化率。土地替代與能源效率一直呈現反向的替代式變動，但其變動幅度逐漸減弱，說明整個階段能源效率的發揮體現在與土地資源互補的生物化學型能源要素的投入上，但是隨著化肥使用量的逐漸增加，這種關聯性變化在逐漸弱化；而1999～2005年，勞動替代基本與能源效率呈現反向的替代式變動逐漸開始明顯，說明隨著種糧勞動力的不斷減少，誘致性機械型能源效率在逐漸地發揮出來。

其他種類糧食的能源效率結構也有類似相關變化趨勢，但仍有各自的特點。玉米與大豆的規模積累變化率都經歷了中間一段時期的較大幅度的波動，直到最終達到穩態，基本不變，說明玉米與大豆在中期階段的能源投入規模的不斷積累時期已經逐漸完成；玉米土地替代變化的反向互補作用較為明顯；前兩者整體能源效率波動有未來進一步擴張的趨勢，而后兩者則在一定范圍內波動。

五、主要研究結論

本文采用對于傳統的能源效率測算的改進方法，在全要素生產率的研究框架下，以能源要素的能值核算為基礎，運用改進的SFA模型對1985～2010年我國6類糧食品種在生產效率進行了實證分解，并根據測算結果對影響生產效率的因素進行了細致分析，并進一步將能源效率變化進行了分解分析。主要研究結論概括如下：

圖4 水稻能源效率變化結構

圖5 小麥能源效率變化結構

第一，我國糧食每畝投入的能源要素中，化肥和農藥的需求還在不斷擴張，而電力與化肥等投入則目前基本趨于穩定狀態；糧食生產的總能源消耗逐年增多，結構上尤以中稻和玉米消耗比重在不斷上升；糧食能源效率整體呈現周期型下降趨勢。

第二，從能源視角的全要素生產效率測算結果看，針對技術結構方程結果的分析表明，隨著農村勞動力的不斷轉出，勞動力要素的短期冗余現象將會逐漸消失，土地要素對投入產出貢獻也在逐步減弱，而能源產出彈性則顯著為正；說明能源與土地投入存在技術進步上的互補性，而土地與勞動力、勞動力與能源要素的交叉作用則存在不同程度的替代性。針對技術非效率方程結果的分析表明，初中以上教育對技術效率短期減損作用在長期積累過程中存在微弱遞減；糧食直補、糧食良種補貼對技術效率短期造成的負向作用會在長期，隨政策效果的逐漸發揮而減少技術效率損失。

圖6 玉米能源效率變化結構

圖7 大豆能源效率變化結構

第三，對能源效率結構分解分析表明：勞動替代變化率的存在較大的波動，對我國糧食能源效率變化情況起著主導的影響作用。除大豆，其他糧食技術進步的正向增長變化明顯且存在逐步提升的空間；生物化學型能源要素投入是該階段前期能效發揮的關鍵，而機械型能源要素投入則是該階段的后期能效發揮的關鍵；特殊地，玉米與大豆生產的能源投入規模積累時期已基本完成；玉米土地替代變化的反向互補作用較為明顯；水稻和小麥能源效率波動有未來進一步擴張的趨勢，而玉米和大豆的能源效率則在一定范圍內波動。

參考文獻：

[1] 郭慶旺，賈俊雪.中國全要素生產率的估算：1979～2004[J].經濟研究，2005（6）：5160.

[2] 馮鋒， 王明明.全要素生產率視角下的高技術產業效率提升——基于5大行業的面板數據實證分析[J].西北農林科技大學學報：社會科學版，2012，12（5）：9195.

[3] Fredrich Kahrl，David RolandHolst.Growth and Structural Change in China’s Energy Economy[J].Energy，2009（34）：894903.

[4] 孫廣生，黃祎，田海峰，等.全要素生產率、投入替代與地區間的能源效率[J].經濟研究，2012（9）：99111.

[5] 譚忠富，張金良.中國能源效率與其影響因素的動態關系研究[J].中國人口·資源與環境，2010， 20（4）：4349.

[6] Chunbo Ma，David I.Stern.China’s Changing EnergyIntensity Trend：A Decomposition Analysis[J].Energy Economics，2008（30）：1 0371 053.

[7] 楊春，陸文聰.中國玉米生產率增長、技術進步與效率變化：1990～2004年[J].農業技術經濟，2007（4）：3440.

[8] 平衛英.中國農業能源效率與能源價格、技術進步——基于VAR模型的實證分析[J].當代經濟管理，2012（9）：710.

[9] 亢霞，劉秀梅.我國糧食生產的技術效率分析——基于隨機前沿分析方法[J].中國農村觀察，2005（4）：2532.

[10] 曹芳萍，沈小波.我國糧食生產全要素化肥效率研究[J].價格理論與實踐，2012（2）：2627.

[11] 宋一弘， 魏瑋.中國農村全要素能源效率的變動分解[J].西北農林科技大學學報：社會科學版，2013，13（3）：3845.

[12] 師博，沈坤榮.市場分割下的中國全要素能源效率：基于超效率DEA方法的經驗分析[J].世界經濟，2008（9）：4959.

[13] 徐鍵輝.糧食生產的能源消耗及其效率研究——基于DEA方法的實證分析[D].浙江大學碩士學位論文，2010：12.

[14] 胡瑞法，黃季焜.中國農業技術發展方向研究[R].中國科學院農業政策研究中心，2001.

[15] Battese G E，T J Coelli.Frontier Production Functions， Technical Efficiency and Panel Data：With Application to Paddy Farmers in India[J].The Journal of Productivity Analysis，1992， 3： 153169.

[16] Battese，G. E，T.J.Coelli.A Stochastic Frontier Product ion Function Incorporating a Model for Technical Inefficiency Effects[Z].Working Papers in Econometrics and Applied Statistics No 69，Department of Econometrics， University of New England，Armidale，1993.

[17] Battese，G.E，T.J.Coelli.A Model for Technical Inefficiency Effects in a Stochastic Frontier Production Function for Panel Data[J].Empirical Economics，1995，20 （2）：325332.

[18] Kumbhakar.S.C，C.A.K.Lovell.Stochastic Frontier Estimation With Panel Data[J].Journal of Productivity Analysis，2000，7：187212.