基于ＳＢＭ－Ｕｎｄｅｓｉｒａｂｌｅ模型的省際農業用水效率比較及節水潛力研究

王普查 瞿彤 金姍姍

摘要：為緩解中國農業用水短缺與污染狀況，落實國家水安全戰略和保證糧食安全，運用考慮非期望產出的SBM-Undesirable模型，比較研究了中國省際農業用水效率和農業用水優化路徑。從全要素的角度出發，在識別主要影響農業用水效率因素的基礎上，設計模型的投入指標并測算2011—2014年中國大陸31個省（區、市）的農業用水效率。結果表明，中國農業用水效率總體呈上升趨勢，但仍然具有較大的提升空間，各個省（區、市）的農業用水效率呈現不同的發展趨勢，新疆、江蘇、廣東等省份的農業用水效率提升空間大，具有很大的節水潛力。基于農業用水效率的實證結果和污染排放指標，對未達到農業用水效率有效前沿面的25個省份進行聚類分析，將25個省份的農業用水方式分為低農業用水效率-低污染排放、低農業用水效率-高污染排放類型、高農業用水效率-低污染排放類型和高農業用水效率-高污染排放類型四類，并分別提出了農業用水優化策略。

關鍵詞：非期望產出;農業用水效率;節水潛力;SBM-Undesirable模型;聚類分析

中圖分類號：F323.21? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）22-0171-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.22.044? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： To alleviate agricultural water shortage and pollution and ensure food security， this paper use the SBM-Undesirable model to estimate the agricultural water use efficiency for Chinas 31 provinces from 2011 to 2014. Some conclusions are as follows：During research period， the agricultural water use efficiency in China is rising，but still has a large space to improve.The trend of efficiency of different provinces is various and Xinjiang，Jiangsu and Guangdong have great water-saving potential.Then we cluster 25 provinces which are not achieving the effective frontier into four categories by clustering analysis. Respectively，the optimization strategy of agricultural water are put forward.

Key words： undesirable outputs; agricultural water use efficiency; water-saving potential; SBM-Undesirable model; cluster analysis

中國正處于經濟飛速發展階段，對水資源的需求日益增加。水源型缺水和水質型缺水已經嚴重影響到國民經濟的健康發展，成為制約中國社會經濟發展的瓶頸[1]。農業是用水大戶，對水資源的依賴性極強。近年來，農業用水短缺和污染狀況日益嚴重。一方面，不合理的農業水價機制、多年形成的粗放型用水習慣等導致農業用水浪費嚴重的同時，工業化和城市化進程的快速推進占用了大量農業用水，農業用水短缺狀況日益嚴重;另一方面，農業廢水的排放日益增加，農業廢水污染物中的化學需氧量和氨氮排放量的比重居高不下。根據《全國環境統計年報》（2014年）統計，2014年全國廢水排放總量716.2億t，廢水中化學需氧量排放量2 294.6萬t，其中農業源化學需氧量排放量為1 102.4萬t，占比48.04%;廢水中氨氮排放量238.5萬t，農業源氨氮排放量為75.5萬t，占比31.66%，農業廢水污染形勢嚴峻。面對中國日益突出的農業水資源問題，2017年中央1號文件《中共中央、國務院關于深入推進農業供給側結構性改革加快培育農業農村發展新動能的若干意見》明確提出推行綠色生產方式，增強農業可持續發展能力，推進農業清潔生產，大規模實施農業節水工程，充分體現了國家對農業水資源管理的戰略需求和制度安排。

1? 文獻綜述

針對水資源短缺和水質不斷惡化的現狀，研究在農業生產中如何提高農業用水效率和減少污染物排放對于落實國家用水安全戰略至關重要。此外，各個省（區、市）的經濟發展水平、水資源豐裕程度和人們用水習慣等方面的不同，農業用水效率會呈現出不同的特征。通過研究不同省（區、市）農業用水效率的差異，提出科學的用水建議，對于提高農業用水效率，增強國家的農產品安全保障能力和保證農業經濟的可持續發展以及國家全局性和長期性的發展具有重要意義。因此，科學評價污染排放下中國各個省（區、市）的農業用水效率，探討有差異、有重點的農業水資源利用策略[2]成為當前提高農業用水效率理論與實踐亟待解決的課題。

農業用水效率問題研究一直是學術界研究熱點。目前，國內外學者根據各國農業用水特點，相繼開展了各具特色的有關農業用水效率問題的理論和實踐探索[3]。有關農業用水效率的研究從微中觀農田、灌區角度擴展到宏觀農業生產過程角度。馬文軍等[4]、馬莉等[5]通過研究農作物水分利用效率，探究解決水資源缺乏和糧食需求增多的矛盾。朱正全等[6]通過分析灌區農業用水節水潛力，提高農業用水利用效率。張金萍等[7]構建了水資源高效利用核算模型，計算結果顯示平原區的水資源利用效率和效益主要和種植結構有關。王昕等[8]基于投入導向型的DEA模型測算中國省際農業用水效率，結果表明各地區具有很大的節水潛力。王克強等[9]基于多區域CGE模型模擬分析發現農業用水效率提升有利于國民經濟的增長，不同地區因地制宜選擇農業用水效率政策。評價指標體系從單一要素到全要素投入，測度方法多種多樣，主要包括隨機前沿分析（SFA）[10]、數據包絡分析（DEA）[11]。黎紅梅等[12]運用隨機前沿模型分析了中國糧食技術效率和灌溉用水效率，進而提出改進農業投入、調整灌溉水價和宏觀農業政策的建議以提高中國糧食生產水平。佟金萍等[13]基于長江流域10個省份的數據，運用超效率DEA對流域的農業用水效率進行了測度，進而提出保證農業可持續發展和保障糧食安全的節水政策建議。隨著宏觀政策和現實狀況的變化，對農業用水效率的測度范圍不斷拓寬。隨著國家最嚴格水資源管理制度的實施，學者們將用水效率紅線和限制納污紅線納入農業用水效率分析問題中，從宏觀角度探究農業產業結構、農業政策的調整對農業用水效率的影響，提升農業用水效率。佟金萍等[14]基于Malmquist指數法探究技術進步對農業用水效率的影響程度。楊騫等[15]運用DEA建立了非徑向方向性距離函數模型，測算了污染排放約束下中國各省份的農業用水效率，并對農業用水效率的影響因素進行了回歸分析。

然而，目前關于污染排放約束下農業用水效率的研究還比較少[16]，并且現有研究也沒有解決投入產出效率評價問題中的松弛問題。因此，本研究在考慮到現實農業經濟生產過程中存在非期望產出的情況，將農業污染排放物作為農業生產中的非期望產出納入農業用水效率評估問題中，采用SBM-Undesirable模型，測度了2011—2014年中國大陸31個省（區、市）的農業用水效率，并按照農業用水效率實證結果和農業廢水中污染物排放量進行聚類，對不同農業用水類型的省（區、市）實行有針對性的建議策略，以協調不同地區農業經濟的可持續發展。

2? 中國省際農業用水效率評價

2.1? SBM-Undesirable模型

數據包絡分析（DEA）是一種衡量多投入和多產出決策單元的效率的一種分析方法，主要思想是保持決策單元的投入與產出不變，并確定相對有效前沿面，將決策單元投影后，運用相對偏離程度評價相對有效性。DEA模型主要包括投入導向型和產出導向型等基本模型，自提出后被廣泛運用于效率評估問題中，但DEA無法準確描述投入產出系統運作過程，也無法解決投入產出問題中的松弛性問題，并且在傳統DEA模型的運用過程中，沒有考慮到非期望產出對于效率的影響，導致農業用水效率的高估。為了評價包含非期望產出效率問題，Tone[17]在DEA模型的基礎上，提出了考慮非徑向和非角度的SBM-Undesirable模型[18，21]。DEA模型一般分為規模報酬不變條件下的DEA模型和規模報酬可變條件下的DEA模型，由于本研究測度的是一定的產出水平下農業用水的投入，全國不同地區的投入和產出的規模報酬是可變的，所以選擇規模報酬可變條件下的DEA方法中的投入導向型模型。具體的線性規劃公式如下：

其中，ρ為某一時間內決策單元d的農業用水效率，當時，sk-=sn+=sm-=0，代表決策單元落在有效前沿面上，相對效率最優。K、N、M分別代表投入、期望產出和非期望產出的因素個數，sk-、sn+、sm-分別代表投入、期望產出和非期望產出的松弛量，xkd、ynd、umd分別代表投入、期望產出和非期望產出值;λ代表權重，xkj代表j決策單元第k種投入要素，ynj代表j決策單元第n種期望產出，umj代表j決策單元第m種非期望產出。

2.2? 農業用水效率和節水潛力

根據農業用水效率的定義，參考文獻[22-24]中關于效率的定義，農業用水效率可以表示為目標用水量和實際用水量的比值，具體的公式如下：

式中，TFWEj，t表示第t年第j個省份農業全要素用水效率，TFWEj，t的取值范圍為[0，1]，當TFWEj，t=1時，表示決策單元處于有效前沿面上;TWEj，t表示第t年第j個省份目標農業用水量，即處在有效前沿面上的農業用水量;WEj，t表示第t年第j個省份實際農業用水量;LWEj，t表示第t年第j個省份農業用水投入松弛量（冗余量），其大小代表著農業用水的節水潛力。因此，第t年第j個省份農業用水的節水潛力可以表示為APWEj，t，計算公式如下：

從式（2）和式（3）可以看出，TFWEj，t+APWEj，t=1，TFWEj，t越大，表示農業用水效率越高，農業用水效率提升空間和節水潛力越大。

3? 結果與分析

3.1? 投入產出指標的選取和描述性統計

由于國家統計局自2011年開始才將農業廢水中化學需氧量（COD）排放量和氨氮排放量納入統計，因此，本研究時間起點為2011年，具體的樣本數據為2011—2014年全國大陸31個省（區、市）的面板數據。在SBM-Undesirable模型中，借鑒全要素的思想建立指標體系，選取各個省（區、市）的農業增加值（億元）作為期望產出指標，選取各個省份的農業廢水中COD排放量（萬t）和氨氮排放量（萬t）作為非期望產出指標，在投入方面，選取農作物播種總面積（千hm2）、農用化肥施用折純量（萬t）、農林牧漁業從業人員（萬人）、農業用水總量（億m3）和農業機械總動力（萬kW）作為投入指標。以上全部的數據來源于2012—2015年《中國統計年鑒》《中國農業統計年鑒》《中國水資源公報》《全國環境統計年報》和各省環境統計年報。相關變量的描述性統計見表1。

由表1可看出，中國農業增加值處于穩定增長狀態，而COD排放量、氨氮排放量等處于穩定減少狀態，而農作物播種總面積、農用化肥施用折純量、農業用水總量、農業機械總動力等均值也處于穩定增長。但從最大最小值可以看出，全國各地指標差異較大，節水效率有待提高，節水潛力較大。

3.2? 實證結果分析

運用SBM-Undesirable模型對2011—2014年31個省份的農業用水效率進行了分析，測算結果見表2。從全國范圍看來，2011—2014年中國農業用水效率總體上呈波動上升狀態，表明中國農業用水效率得到提高。農業用水效率提高的主要原因是一方面由于國家對于自然環境保護的重視，各地區對節能減排的重視程度增加，農業廢水污染物排放量得到控制;另一方面，隨著農業節水技術和政策的推廣和應用，人們的節水意識逐漸提高，改善了傳統的粗放型灌溉方式。此外，2011—2014年每年的農業用水投入的冗余量在1 000億m3，表明中國農業用水效率還存在很大的提高空間。根據效率的測算結果，2011—2014年農業用水效率每年都處于有效前沿面的省份為河北、浙江、福建、海南、重慶和四川，內蒙古、青海、河南、遼寧、貴州、湖北、山東和陜西在部分年份處于有效前沿面，剩余其他省份每年在不同程度上都存在著投入冗余。

不同省份的農業用水效率存在著差異，其節水潛力也不同。根據表2的結果，節水潛力最大的前3個省份分別為新疆、江蘇和廣東。其中，節水潛力最大的省份為新疆，其2011—2014年的農業用水冗余量均大于385億m3;江蘇省和廣東省2011—2014年的農業用水冗余量均在75億m3以上，并且冗余量逐年減少，說明其農業用水效率雖然有所提高，但是提升空間很大。此外，2011—2014年江西省、廣西省、安徽省和寧夏的農業用水冗余量占全國平均農業用水冗余量超過30%，農業用水效率提升空間和節水潛力較大。其他省份的農業用水效率雖然沒有達到有效前沿面，但其可節約的農業用水量有限，農業用水效率較高。

根據SBM-Undesirable模型測算的各個省（區、市）的農業用水效率值，以及各個省（區、市）2011—2014年的農業廢水中COD排放量和氨氮排放量的樣本數據進行聚類分析，根據聚類分析的結果，將2011—2014年農業用水未達到有效前沿面的25個省（區、市）分為四類，分別為低農業用水效率-低污染排放類型（DD型）、低農業用水效率-高污染排放類型（DG型）、高農業用水效率-低污染排放類型（GD型）和高農業用水效率-高污染排放類型（GG型）。

低農業用水效率-低污染排放類型包括寧夏和西藏，DD型省（區、市）的農業用水效率低，農業用水冗余量占目標值比例大，這主要是由于其單位農作物播種面積所耗用水量大，而農業增加值較小導致的。寧夏和西藏的農業廢水COD排放量和氨氮排放量總體很小，污染帶來的環境壓力小。因此，對于DD型省份，主要任務是提高農業用水效率，節約農業用水，合理配置水資源。

低農業用水效率-高污染排放類型包括江蘇、安徽、江西、廣東、廣西和新疆，DG型省份的農業用水效率低，農業用水浪費嚴重，從地理分布看，這主要與其豐富的水資源稟賦有關，長期的粗放型用水習慣導致農業用水的效率低下;同時，這些省份面臨著農業生產污染嚴重的問題，從農業廢水COD排放量和氨氮排放量來看，農業減排壓力較大。因此，對于DG型省（區、市），主要的任務是提高農業用水效率的同時，注重農業生產中的污染減排。

高農業用水效率-低污染排放類型包括北京、天津、山西、上海、貴州、云南、甘肅和青海，GD型省份的農業用水效率高，這主要是由于其水資源的缺乏或者先進的農業節水灌溉技術水平決定的。8省份農業生產的污染排放量低，污染排放防控壓力小。因此，對于GD型省（區、市），其主要任務是保持或者提高現有農業用水效率的基礎上，根據國家節能減排的要求，控制農業生產中的污染排放。

高農業用水效率-高污染排放類型包括內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、山東、河南、湖北、湖南和陜西，GG型省份的農業用水效率高，但是由于化肥和農藥的過度使用，面臨著嚴重的農業生產污染排放問題。因此，對于GG型省份，主要任務是保持高農業用水效率的同時加強農業污染的防控。

4? 結論

在考慮農業實際生產過程的基礎上，將農業生產的期望產出和非期望產出納入農業用水效率評估問題中，運用SBM-Undesirable模型測算了2011—2014年31個省（區、市）的農業用水效率，并根據聚類分析的結果針對不同的類別提出不同的用水方式的建議。

從全國范圍來看，2011—2014年中國農業用水效率總體上呈波動上升狀態，但仍然存在著很大的提升空間。各個省份的農業用水效率存在著差異，根據農業用水效率和農業廢水COD排放量和氨氮排放量將未達到有效前沿面的25個省份分為四類，DD型包括寧夏和西藏，DG型包括江蘇、安徽、江西、廣東、廣西和新疆，GD型包括北京、天津、山西、上海、貴州、云南、甘肅和青海，GG型包括內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、山東、河南、湖北、湖南和陜西。

根據實證分析的結果，必須改進不同地區的農業用水方式，提高中國農業用水效率，減少農業生產中的污染排放，提出的建議如下。

1）進一步加大農業節水灌溉力度和措施，注重節水意識的培養和制度的建設。投資農村水利設施建設，保證農村節水灌溉工程的運行維護。鼓勵節水灌溉技術的推廣應用，根據不同地區的實際情況選擇滴灌、噴灌等灌溉方式，避免不必要的水資源浪費。同時，積極開展節約用水的宣傳工作，培養農戶的節水意識，改變粗放型的用水習慣。同時，建立可持續發展的水價和水資源稅制度，在保證不降低農戶種植糧食的積極性的基礎上，制定科學的農業水價機制，引導農戶的節水意識和節水行為。

2）在農業生產中，注重農業廢水排放的防治。農業污染排放已經嚴重影響了環境質量，農業生產過程中污染的來源主要有農藥和化肥的過度使用和農業廢棄物的直接排放。因此，必須加強病蟲害的預報和及時防治，使用低環境污染型的農藥，提高農藥的使用效率，減少使用量。根據土質合理施肥，減少化肥使用量，鼓勵和推廣有機肥料的使用。政府有關部門需要完善有關的政策和法規，推進新能源和農業技術的開發和應用，減少農業廢棄物的直接排放，發展循環經濟和建設生態農業。同時，增強農戶的環保意識，農戶是農業生產的主體，農戶意識和行為的轉變將從根本上決定著農業污染防治的成敗。

3）根據農業用水效率和農業廢水污染排放量，因地制宜地采取農業用水優化策略。對于低農業用水效率-低污染排放類型的地區，在保持污染防治力度的基礎上，大力推廣節水灌溉技術的應用，完善農業水價制度建設，提高農業用水效率。對于低農業用水效率-高污染排放類型的地區，需要同時注重農業用水效率的提高和污染防治，節約用水，減少廢水排放，降低對環境的損害。高農業用水效率-低污染排放類型地區面臨的節水和減排壓力相對較小，在保持當前農業用水效率和污染治理水平的基礎上，進一步優化農業水資源的配置。對于高農業用水效率-高污染排放類型的地區，其農業用水策略是在節約農業用水的基礎上，上下結合地采取農業減排措施，達到高農業用水效率低污染排放的水平。

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