污染排放約束下中國水稻生產用水效率與影響因素分析

薛 超，周 宏

(南京農業大學經濟管理學院，江蘇 南京 210095)

在水資源日益緊缺和農業用水不斷被擠占而用水需求卻持續加大的背景下，實現農業水資源的高效利用是保障水安全和糧食安全的根本途徑[1-4]。為提高水資源的利用效率，需要對當前狀況下水資源的利用效率進行測度，目前對農業用水效率進行測算的方法有隨機前沿分析和數據包絡分析(data envelopment analysis，DEA)等方法[5-8]，一些學者在此基礎上采用非徑向方向性距離函數模型和考慮非期望產出的松弛變量度量(slack based measure，SBM)模型等方法測算了環境約束下水資源的使用效率[9-11]。此外，有學者采用Tobit模型、Bootstrap斷尾回歸模型等方法對農業水資源利用效率的影響因素進行分析，發現農業用水效率受到自然因素、經濟因素、制度因素多個方面的共同作用[12-13]。

水稻作為中國最重要的糧食作物，其生產不僅是農業產業的重要組成部分，也是維系國計民生的根本，亦是保障國家糧食安全的主力軍。相比于其他作物，水稻對水資源的依賴程度更高，屬于水資源密集型農作物。水稻作為“第一大用水大戶”，其用水效率的提高對確保整個農業用水的安全以及整個社會的用水安全具有非常大的作用。基于此，本文將借助于考慮非期望產出的SBM超效率模型，將水稻用水量、勞動力、土地和資本作為輸入，將水稻產量作為期望產出，水稻生產過程中的氮排放和磷排放作為非期望產出，測度中國2004—2014年23個水稻生產省(市、自治區)水稻生產過程中的用水效率，并進一步分析影響水稻生產用水效率的因素。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

水稻產量和水稻土地投入及水稻播種面積的數據可通過《中國農村統計年鑒》直接獲得；水稻生產過程中的氮排放量和磷排放量是通過水稻生產過程中氮肥和磷肥(折純)的使用量乘以相應的氮肥和磷肥的流失率計算而得。其中氮磷頃均施用量(折純量)的范圍分別為30～225 kg和0.15～52.5 kg；氮磷排放系數的范圍分別為5%～35%和1%～10%，其中氮肥、磷肥使用量來源于《全國農產品成本收益匯編》，各地區的氮肥和磷肥的流失率參照賴斯蕓[14]的相關研究成果；水稻生產用水量是根據文獻[15]中各地區每公頃水稻的生產用水量乘以各地區水稻播種面積估算得到，水稻生產用水量的范圍為3 000～20 000 m3/hm2；勞動力與物質資本投入是由各地區頃均投入乘以水稻播種面積得到，頃均投入的數據由《全國農產品成本收益匯編》得到。在測算水稻生產用水效率后，進一步分析影響水稻生產用水效率的因素。選取了農村居民人均純收入、人均水資源擁有量、有效灌溉面積占比、節水灌溉面積占比、水稻播種面積占比、水稻機械化水平等變量作為水稻用水效率的影響因素，這些數據可從《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國農業機械工業年鑒》中獲取。各變量的描述統計見表1。

1.2 研究方法

本文的水稻用水效率是指水稻用水的技術效率，即將水稻生產用水作為農業生產的投入要素之一，在生產函數的基礎上計算水稻生產用水的技術效率，水稻用水效率就是指在農業要素投入量不變的情況下，農業最大的產出值或者產出一定條件下，最小的生產用水量與實際用水量的比值。為測算基于非期望產出的水稻生產用水效率，本文構建考慮非期望產出的SBM超效率模型[16]，其具體形式為

表1 變量描述統計

將水稻生產投入向量X分離出水稻生產用水量和其松弛變量，記為Xw和sw。則水稻的生產用水效率可以表示為

Eit=(Xwit-swit)/Xwit

(2)

式中:Eit為i地區t時期的水稻生產用水效率；Xwit和Swit分別為i地區t時期水稻的生產用水量及松弛變量。

2 污染排放約束下水稻的生產用水效率

根據考慮非期望產出的SBM超效率模型通過MaxDEA軟件測算出中國23個水稻生產地區2004—2014年的水稻生產用水效率(表2)。由表2可知，在污染排放約束下各地區的水稻生產用水效率存在明顯的差異。其中，黑龍江、浙江、江西、湖北、湖南和重慶等地的水稻生產用水效率較高，效率值基本上都在0.8以上，有些省份在部分年份已達到了前沿面，尤其是在2014年，這些省份均達到了前沿面。而河北、福建、廣東、海南、云南和陜西等地的水稻生產用水效率一直都比較低。此外，本文還根據水稻播種面積和產量選出9個水稻主產省，從表2可以發現這9個水稻主產省中除了廣東和廣西兩省的水稻生產用水效率較低外，其余各省的水稻生產用水效率都比較高，說明水稻主產省在水稻生產用水效率方面具有一定的優勢。

表2 各省(市、自治區)水稻生產用水效率

注：其中標*的省份為根據水稻播種的面積和產量確定的水稻主產省(區),其標準為水稻播種面積大于1 000 hm2且水稻產量大于1 000萬t的省份(區)。以2014年的水稻生產數據確定了湖南、江西、黑龍江、江蘇、安徽、湖北、廣西、四川和廣東9個省(區)為水稻主產省(區)。

為進一步分析各地區之間水稻生產用水效率的差異，按照地區特征將23個水稻生產省份劃分為東北地區(黑龍江、吉林、遼寧和內蒙古)、華北地區(河北、山東、河南、陜西和寧夏)、長江中下游地區(江蘇、安徽和湖北)、南方地區(浙江、湖南、江西、福建、廣東、廣西和海南)和西南地區(四川、重慶、貴州和云南)，測算這5個地區水稻生產用水效率(圖1)。由圖1可知，這5個地區2004—2014年水稻生產用水效率呈不斷上升的趨勢，其中長江中下游地區、南方地區和華北地區上升的趨勢比較明顯，而東北地區和西南地區的水稻生產用水效率的年度波動幅度較大。長江中下游地區水稻生產用水效率最高，而華北地區隨著水稻生產用水效率在不斷上漲，但一直都處在最低的水平。

圖1 2004—2014年各地區水稻生產用水效率

通過以上對各地區水稻生產用水效率的測度與分析可以發現各省(市、自治區)之間、不同地區之間以及不同時間段上的水稻生產用水效率均存在一定的差異，而且很多省份的水稻生產用水效率還比較低，還有很大的提升空間。

3 水稻生產用水效率的影響因素分析

影響各地區水稻生產用水效率的因素不僅包括自然條件，還包括經濟、社會、文化等因素，為分析影響的具體原因，本文通過構建實證模型來分析。由于水稻生產用水效率值處于0～1的范圍內，且明顯偏向0.5～1這部分，因此采用Tobit模型進行回歸分析。回歸方程的具體形式為

(3)

根據已有的文獻和經驗，本文在分析污染排放約束下的水稻生產用水效率的影響因素過程中主要選擇了農業經濟發展水平、水資源豐裕程度、農田水利設施、節水農業發展水平和水稻播種面積占比以及水稻機械化水平等因素。其中以用農村居民人均純收入作為農業經濟發展水平的代理變量，以人均水資源擁有量表示水資源豐裕程度,而農田水利設施用有效灌溉面積占農作物播種總面積的比來表示，節水農業發展水平用節水灌溉面積占農作物播種總面積的比來表示。根據LR檢驗結果強烈拒絕“H0：σu=0”，故認為存在個體效應，所以使用隨機效應的面板Tobit回歸模型進行回歸估計，詳細結果見表3。

表3 Tobit模型回歸結果

注：*、**和***分別表示估計系數通過0.1、0.05和0.01的顯著性檢驗；Wald檢驗結果和LR檢驗結果中括號里是相應的p值。

由表3 可知，農村居民人均純收入對水稻的用水效率有顯著的正向影響，隨著農村經濟社會的發展和人們收入水平的不斷提高，人們會關注到水資源的緊張和水污染的狀況，會采用先進的節水技術來提高水稻的生產用水效率；人均水資源擁有量對水稻用水效率有負向的影響，但影響并不顯著；農田水利設施和節水農業發展水平均的回歸系數均沒有通過顯著性水平檢驗，可能的原因在于我國水稻的種植主要集中在南方以及長江流域水資源比較豐富，多以雨養農業為主，而灌溉條件并不是這些地區生產水稻的必要條件；此外，我國農田水利設施的建設還不夠完善、農業節水灌溉技術相對比較落后，并沒有發揮出節約用水的效果，尤其是水稻的節水灌溉技術發展緩慢，因此對水稻生產用水效率的提升并沒有起到作用。水稻播種面積占比在1%的顯著性水平上顯著正向影響水稻用水效率，水稻播種面積占農作物播種面積的比在一定程度反映了水稻種植的集中程度，集中程度較高的地區水稻在用水上更容易發揮規模效應，因而有利于提高水稻的生產用水效率；水稻機械化水平也在1%的顯著性水平上顯著正向影響水稻的生產用水效率，機械化水平的提高有利于提高水稻的產量和生產效率，在用水量不變的情況下，產量的提高可以提高水稻的用水效率。

4 結 語

首先通過考慮非期望產出的SBM超效率模型測算了我國23個水稻生產省(市、自治區)的水稻生產用水效率，發現雖然各地區的水稻生產用水效率在不斷提升，但很多地區的水稻用水效率沒有達到生產的前沿面，還有很大的提升空間。從水稻生產區域來看，長江中下游地區的水稻生產用水效率最高，而華北地區的水稻生產用水效率多年來一直最低。在水稻生產用水的影響因素分析中發現，農村居民人均純收入、水稻播種面積占和水稻機械化水平對水稻生產用水效率有顯著的正向影響，而水資源豐裕程度、農田水利設施和節水農業發展水平對水稻用水效率并沒有顯著的影響。

水稻作為農業用水大戶，其用水效率的提升對提高整個農業的用水效率有著非常重要的作用，而且在消減農業污染排放方面也具有很重要的意義。目前，各地區的水稻生產用水效率還有很大的提升空間，可以通過提升水稻機械化水平、大力推廣水稻的節水灌溉技術等多種手段來提升水稻的用水效率。

參考文獻：

[1]KHAN S,HANJRA M A.Footprints of water and energy inputs in food production:global perspectives[J].Food Policy,2009,34(2):130-140.

[2]康紹忠.水安全與糧食安全[J].中國生態農業學報,2014,22(8):880-885.(KANG Shaozhong.Towards water and food security in China[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2014,22(8):880-885.(in Chinese))

[3]VANHAM D,BIDOGLIO G,BRANDER L.Does the water footprint concept provide relevant information to address the water-food-energy-ecosystem nexus?[J].Ecosystem Services,2015,17:298-307.

[4]蘇小姍,祁春節,田建民.水資源脅迫下基于糧食安全的現代農業技術創新趨勢及策略[J].農業現代化研究,2012,33(2):207-210.(SU Xiaoshan,QI Chunjie,TIAN Jianmin.Modern agricultural technological innovation trend and realization strategy based on food security under threaten of water resources[J].Research of Agricultural Modernization,2012,33(2):207-210.(in Chinese))

[5]TONE K.Variations on the theme of slacks-based measure of efficiency in DEA[J].European Journal of Operational Research,2010,200(3):901-907.

[6]許朗,劉金金.農戶節水灌溉技術選擇行為的影響因素分析：基于山東省蒙陰縣的調查數據[J].中國農村觀察,2013(6):45-51.(XU Lang,LIU Jinjin.Study on influencing factors of farmers choice behavior for water saving irrigation techniques：basedon survey data from Mengyin,Shandong Province[J].China Rural Survey,2013(6):45-51.(in Chinese))

[7]田旭,王善高.中國糧食生產環境效率及其影響因素分析[J].資源科學,2016,38(11):2106-2116.(TIAN Xu，WANG Shangao.Environmental efficiency and its determinants regarding China’s grain production[J].Resources Science,2016,38(11):2106-2116.(in Chinese))

[8]吳兆丹,趙敏,LALL U.基于多區域投入產出的我國省區虛擬水流動格局研究[J].河海大學學報(哲學社會科學版),2016,18(6):62-69.(WU Zhaodan,ZHAO Min,LALL U.Patter of provincial virtual water flow in China based on multi-regional input-output analysis[J].Journal of Hohai University(Philosophy and Social Sciences),2016,18(6):62-69.(in Chinese))

[9]李靜,馬瀟璨.資源與環境雙重約束下的工業用水效率：基于SBM-Undesirable和Meta-frontier模型的實證研究[J].自然資源學報,2014,(6):920-933.(LI Jing,MA Xiaocan.The utilization efficiency of industrial water under the dual constraints of resource and environment:an empirical study based on SBM-Undesirable and meta-frontier model[J].Journal of Natural Resources,2014(6):920-933.(in Chinese))

[10]楊騫,劉華軍.污染排放約束下中國農業水資源效率的區域差異與影響因素[J].數量經濟技術經濟研究,2015(1):114-128.(YANG Qian,LIU Huajun.Regional disparity and influencing factors of agricultural water resources efficiency with the constraint of pollution[J].The Journal of Quantitative & Technical Economics,2015(1):114-128.(in Chinese))

[11]李靜,孫有珍.資源與環境雙重約束下的糧食生產用水效率研究[J].水資源保護,2015,31(6):67-75.(LI Jing，SUN Youzhen.Study on efficiency of agriculture water utilization under dual constraints of resource and environment[J].Water Resources Protection,2015,31(6):67-75.(in Chinese))

[12]王學淵,趙連閣.中國農業用水效率及影響因素：基于1997—2006年省區面板數據的SFA分析[J].農業經濟問題,2008(3):10-18.(WANG Xueyuan,ZHAO Liange.Agricultural water efficiency and the causal factors:a stochastic frontier analysis based on Chinese provincial panel data:1997—2006[J].Issues in Agricultural Economy,2008(3):10-18.(in Chinese))

[13]FAN Y,WANG C,NAN Z.Comparative evaluation of crop water use efficiency,economic analysis and net household profit simulation in arid Northwest China[J].Agricultural Water Management,2014,146:335-345.

[14]賴斯蕓.非點源污染調查評估方法及其應用研究[D].北京：清華大學，2003.

[15]陳玉民,郭國雙.中國主要作物需水量與灌溉[M].北京：中國水利水電出版社,1995.

[16]COOPER W W,SEIFORD L M,TONE K.Data envelopment analysis:a comprehensive text with models,applications,references and DEA-Solver software[M].2nded.New York:Springer Science & Business Media,2007.