我國農業區水資源-能源-糧食系統協調適配與農業產出
——基于人力資本門檻效應的實證

陳軍飛，晏霄云

(1.河海大學商學院；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098)

1 研究背景

水資源、能源、糧食是人類賴以生存和發展的戰略基礎資源。隨著工業化和城市化進程加快，我國面臨的水資源短缺、能源需求增加、糧食供給的不確定性問題愈加嚴重。2011年在德國波恩召開了“水資源-能源-糧食系統安全會議”，首次將水資源安全、能源安全和糧食安全三者之間的關系視為一種“紐帶關系”，提出利用“紐帶關系”解決全球資源、環境面臨的許多挑戰[1]。2014年聯合國糧食及農業組織[2]和國際可再生能源機構[3]相繼發表了關于WEF系統紐帶關系的報告。此外，農業作為支撐我國國民經濟建設與發展的基礎產業，農業的可持續發展，對保障我國國家糧食安全具有重要的戰略意義。

近年來，我國對農業的發展高度重視，廣受矚目的中央一號文件大量涵蓋了農業生產中要素配置、資源利用和農業產出等問題，如2019年提出“夯實農業基礎，保障重要農產品有效供給，落實農業農村優先發展”；2017年提出“提高土地產出率、資源利用率、勞動生產率，促進農業發展由過度依賴資源消耗、主要滿足量的需求，向追求綠色生態可持續、注重滿足質的需求轉變”。但是我國當前的農業發展還存在諸多協調性和適配性問題，主要表現為：農業資源粗放開發、農業投入品過度消耗、農業要素錯配以及投入產出效率偏低等問題。信桂新等[4]在人地矛盾突出的情況下，從生產、生活與生態三重空間探討了人與土地的結構優化與空間整合的模式與技術途徑；周曉林等[5]、賀正楚等[6]運用DEA模型分別評價了我國農地和農業的生產效率，發現整體效率不高，農業生產的投入結構存在問題，大多數省份的投入要素(土地、勞動力等)存在不同程度的冗余；朱喜等[7]發現要素配置扭曲現象在我國是比較嚴重的，東、西部是資本配置扭曲問題，而中、西部是勞動配置扭曲問題；龔斌磊[8]解析了投入要素和生產率對我國農業增長的貢獻程度，發現投入要素的貢獻率逐漸降低，而生產率的貢獻率卻在逐步增強。大量的農業相關文獻表明，要素的投入量和利用效率決定了農業經濟發展的路徑，農業系統內部合理的要素配置對農業產出有重要作用。

人力資本的質量對農業產出的影響也有一些相關的研究。Schultz[9]將人力資本投資歸為農業產出增長的首要因素；Wegren[10]論述了俄羅斯的農村人力資本存在勞動力緊縮、技術工人短缺、青年勞動力外流等諸多缺陷，嚴重影響到了糧食生產；Wouterse等[11]評估了人力資本在布基納法索小農戶技術變化中的作用，這個國家特別是農業部門受到低水平人力資本發展的影響。通過研究發現，人力資本引導了技術的變化，更健康的工人能夠獲得更高的土地回報，而更正式的教育使工人變得更富有生產力。

WEF系統是一個復雜系統，目前其紐帶關系的研究大多從以下幾個方面開展。一是探討WEF系統在管理相關資源中的協調或者整合作用，包括調配優化流域資源[12]，預測城市未來WEF系統的變化趨勢[13]，整合區域資源部門的利用效率[14]。二是探討WEF系統在不同領域不同場景下的實踐， 包括調解極端氣候對城市WEF系統安全造成的風險[15]，滲透能在水處理的運用[16]，肉牛的可持續生產模式[17]。三是構建涵蓋水、能源和糧食等多種要素的紐帶框架或者綜合模型，研究區域的可持續發展。De Vito等[18]基于“足跡”的概念構建了WEF系統紐帶框架，在綜合考慮環境和經濟的影響下，提出了灌溉實踐多維綜合評價方法；Zhang等[19]開發了一個集成的模型分析框架WEFO，以支持WEF系統關系管理的決策；Li等[20]在農業系統WEF資源有限約束條件下，構建了可持續管理的綜合模型AWEFSM。WEF系統關系是一個綜合的視角，用于分析決策過程中水-能源-糧食三方的相互依賴關系。當前，紐帶框架及方法的應用傾向于技術評估，以提高生產力、優化協同效應，從而為自然資源治理提供有效信息。

我國的灌溉用水消耗量位列世界第2，農業用水占全國用水總量的62%，同時水資源和能源都是糧食生產的關鍵投入，農業中水資源、能源和糧食三大基礎資源存在著密不可分的關聯關系。由于資源短缺和對糧食需求增加而產生的壓力加大了對WEF系統關系進行優化管理的必要性。因此，本文試圖從WEF資源協調適配這一角度解讀農業區經濟發展差異的原因，探索我國農業區WEF系統三大主要資源的協調適配程度對農業產出的影響。其次，考慮到WEF系統的協調適配需要一定的人力資源相匹配，才能有效發揮出促進農業產出的作用。本研究隨著人力資本的變化，利用面板門檻模型探討WEF系統的協調適配與農業產出的非線性作用關系，以期為我國農業區的協調可持續發展提供理論依據和決策參考。

2 數據來源及模型構建

2.1 研究區域劃分及數據

本研究的農業區劃分參考我國農業部、國家發展改革委員會、科技部等部門制定的《全國農業可持續發展規劃(2015—2030年)》，具體農業分區范圍如表1。數據來源于2013—2017年《國家統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國人口和就業統計年鑒》和涉及到的省統計年鑒以及地級市統計年鑒，為使數據具有可比性，對數據進行標準化處理。

表1 農業可持續發展分區情況表[21]

2.2 水資源和能源投入與糧食產出協調適配性評價模型

2.2.1 評價指標體系

農業投入產出涉及諸多要素，本文側重于分析水資源、能源和糧食之間的紐帶關系。由于以農業為研究背景，為保證研究的完整性和科學性，土地投入作為農業投入中不可或缺的一部分，將其納入資源投入。依據上述思路構建的評價指標體系見表2。水利投入從實際的農業用水量與改善農業生產條件的角度選取了農業用水量和有效灌溉面積兩個指標；土地投入反映了農業生產中實際的耕作面積，用農作物播種面積來表征，同時土地投入與糧食產出相對應，選取了玉米、小麥、稻谷和豆類四種主要的糧食作物；能源投入參考已有文獻中能源投入結構的定義[22]。

表2 水資源和能源投入與糧食產出協調適配性評價指標體系

2.2.2 協調適配性評價模型

從系統論的角度，耦合并非是兩個或以上的子系統的結構與功能的簡單加和，而是內部多要素相互作用與相互影響而形成的結構性的特定功能。農業區“水資源和能源”投入子系統和“糧食”產出子系統通過內部要素彼此產生作用，在空間邏輯上具有一定的耦合性。本文借助耦合綜合評價模型，對農業區三大主要資源的協調適配性進行評價分析。

(2)耦合度函數。建立農業區“水資源和能源”投入與“糧食”產出相耦合的系統，定義C為兩個子系統的耦合度，得到二維耦合系統的耦合度計算公式為：

C=2{(U·V)/[(U+V)2]}1/2

(1)

由(1)可知，0≤C<1。C值越接近1，耦合程度越高，子系統間離散程度越低，其要素是協調有序發展的，反之亦然。

(3)協調適配度函數。耦合度衡量了各子系統間或者系統內部要素間有序程度的大小，

但其計算方式在多系統的發展水平均偏低且數值相近時，結果只能反映系統的同步狀態，無法良好表征系統的實際耦合質量。因此，構造一個能夠反映U和V時空動態協調和發展水平的函數，即U和V耦合的協調適配度函數：

(2)

為使評價結果直觀反映系統間的動態耦合協調發展水平，參考楊麗霞等[23]的研究成果，按協調適配度的高低以及投入產出的相對關系劃分為三級評價：一級評價包含三個等級；二級評價對各等級進行不同協同狀態的劃分；三級評價對投入和產出子系統的相對關系進行了評價，因此形成多層次的評價體系，如表3所示。

表3 多層次的協調適配度評價與對應等級

2.3 面板門檻模型

2.3.1 模型的設定和估計方法

運用Hansen提出的面板門檻模型考察WEF系統的協調適配性對農業產出的效應，利用不同組別的數據估計自變量與因變量之間的關系是否發生了結構性的變化，克服了人為劃定門檻值隨意的缺點。在存在單一門檻值的情況下，模型設為：

(3)

其中，i表示省域農業區，t表示年份，GAPit和cdit分別為被解釋變量(農業總產值)和核心解釋變量(WEF系統的協調適配度)。xit為一組對農業總產值有影響的控制變量，解釋變量中不包括門檻變量eduit，γ為特定門檻值，I為一指標函數，μi用于反映省域農業區域的個體效應，εit為隨機干擾項。

使用門檻模型時，有兩個需要解決的問題。第一步是模型的估計。為了得到參數的估計量，需要進行組內去心，所有變量按照此方法進行處理，然后累疊所有觀察值，統一采用矩陣形式展現。

其中β的估計值可以采用OLS法得到：

(4)

(5)

從計量的角度看，可能出現多門檻。當存在雙門檻時(多門檻類比雙門檻構造)：

2.3.2 變量說明

(1)被解釋變量(農業產出)：采用農業總產值進行表征，為了剔除價格變動的影響，采用農業總產值指數對其進行調整。

(2)解釋變量(農業區資源的協調適配性)：采用協調適配和投入產出兩個視角對農業區資源的協調適配性進行衡量。

(3)門檻變量(農村人力資本)：考慮到人力資本會直接或間接影響資源的協調適配性進而影響農業產出的作用機制，因而采用農村人力資本作為門檻變量。農村人力資本代表著從事農業生產者的文化技術水平，文化技術水平的提高會促進其在農業技能、管理方式、農業規劃等多方面的提升，使其可以優化資源配置方式，提高資源的利用效率，進而增加農業產出。參考已有研究成果[25]，采用平均受教育程度來代理人力資本，具體按照受教育年限進行劃分：未上過學、小學、初中、高中、大專及以上對應的教育年限分別是0年、6年、9年、12年和15.5年。

(4)控制變量。1)農業機械水平和農業人力水平。除了水資源和能源，影響農業產出的還有農業機械水平和農業人力水平兩大類要素[26]，分別采用農業機械總動力和第一產業從業人數來代理。2)農業財政支持力度。用政府對農林水事務的支出額占一般公共預算支出的比例來估計政府對農業的支持力度。3)基礎設施狀況。農業區地域面積相差懸殊，為了使各農業區的基礎設施具有可比性，借鑒羅斯炫等[27]的研究成果，計算公路基礎設施密度。4)農作物受災情況。用受災面積來估計農作物的受災情況。

3 實證結果及分析

3.1 基于面板數據的WEF系統協調適配性評價及結果分析

利用2012—2016年度的面板數據，對全國40個農業區水資源和能源投入子系統與糧食產出子系統所組成的耦合系統的協調適配性進行測度，評價結果如表4。

表4 2012—2016年我國各農業區水資源、能源投入與糧食產出平均協調適配度測評結果

從全國7大區維度分析，我國農業區WEF系統的協調適配性明顯偏低，處在臨界適配區間的農業區域共11個，處在耦合失諧區間的共24個，而處在協調適配區間的僅有5個，即不可接受區間的區域所占比重最大。農業區協調適配度均值為0.339 9，且，說明我國農業區的WEF系統整體上輕度耦合失諧，并且屬于產出損益型。即使在農業發展成熟的東北區域，協調適配度也僅有0.525 5，屬于勉強協調適配的評價等級，而其他6個大區總體評價(黃淮地區 0.448 4、長江中下游區 0.427 8、華南區 0.291 2、西北及長江沿線0.293 2、西南區 0.319 6、青藏區 0.073 8)均不同程度地處于耦合協調性失諧的狀態。此外，WEF系統的協調適配度呈現出顯著的區域差異，最大值是最小值的26倍，差距達到0.736 8，說明農業區的資源利用效率存在明顯差異，發展不平衡。

從全國40個農業區域維度分析，黑龍江和河南2個區域的評價結果為“中級協調適配”，均屬于投入滯后型，即之前年份的資源投入可能在當前年份發揮了作用，當年產出效益高于資源投入；山東、江蘇、安徽3個區域的評價結果為“初級協調適配”，均屬于產出滯后性，即當年資源投入并沒有帶來與之匹配的糧食產出，資源投入可能在之后的年份繼續發揮作用；湖南大部的評價結果為“勉強協調適配”，屬于產出滯后型；評價結果為“瀕臨耦合失諧”的10個，其中湖北、河北中南部、江蘇北部、江西、云南大部、廣東、新疆、遼寧8個區域屬于產出損益型，即一定的資源投入并沒有獲得相應數量的糧食產出，資源投入大于糧食產出；吉林、內蒙古東部2個區域屬于投入損益型，即糧食產出沒有與之匹配的資源投入，資源產出大于資源投入；廣西、安徽中南部、浙江、山西、甘肅大部、陜西中北部6個區域的評價結果均為“輕度耦合失諧”，均屬于產出損益型；評價結果為“中度耦合失諧”的7個，貴州、福建、內蒙古中西部、湖南西部、河北北部5個區域屬于產出損益型，重慶屬于投入產出共損型，四川東部屬于投入損益型；評價結果為“重度耦合失諧”的6個，天津、寧夏、海南、上海、陜西南部5個區域屬于產出損益型，云南西北部屬于投入損益型；評價結果為“極度耦合失諧”的5個，青海、西藏、北京3個區域屬于產出損益型，甘肅藏區、四川西部2個區域屬于投入損益型。

從農業區域資源投入與產出指數分析，我國40個農業區域中，U≤V的僅有7個區域，而其余33個區域均為U>V，可見大部分區域的糧食產出與資源投入不匹配，投入資源利用效率較低。例如浙江省，以0.354 5的D值排名19，處于中間位置，但是其U值為0.226 6明顯高于全國農業區0.173 8的平均投入水平，而值為0.069 7卻低于全國0.137 3的平均產出水平。這進一步說明僅靠資源的大量投入并不能獲得相匹配的糧食產出。進一步觀察浙江省u10～u19指標，發現其“農村用電量”“化肥施用量”“農藥使用量”3個指標顯著高于全國農業區均值，這一方面折射出浙江省的資源水平相較于我國農業區均值具有比較優勢，但另一方面，卻也反映出對資源的使用效率較低。具有相似表現特征的還有廣東省。不同的是，廣東省是以“農業用水量”“稻谷播種面積”“農村用電量”3個指標占優，除了反映出外部資源利用效率較低之外，也反映出土地資源利用效率偏低。農業區域的協調適配度分析主要反映出糧食產出與資源投入不協調的問題，主要表現為資源投入過量，產出效益不明顯。

3.2 門檻模型檢驗與回歸結果分析

3.2.1 門檻效應檢驗與門檻值估計

為研究農業區WEF系統的協調適配性與農業產出的關系，繪制2012—2016年40個農業區域WEF系統的協調適配度與農業總產值之間的散點圖如圖1所示。可以看出，兩者之間不是簡單的線性關系，而是呈現出非線性的特征，這一現象提示WEF系統的協調適配度在農業產出中可能存在門檻效應，因此下面將采用面板門檻模型研究WEF系統的協調適配性與農業產出的關系。

圖1 農業區WEF系統的協調適配度與農業總產值散點圖

首先檢驗面板門檻效應，確定是否存在門檻值以及具體的個數，并明確模型的形式。以農村人力資本為門檻變量，采用自舉法得到統計量F、P值和臨界值如表5。

表5 門檻效果檢驗

注：1)P值和臨界值均使用“自舉法”(Bootstrap)反復抽樣300次獲得;2)***、**和*分別表示在1%、5%和10%水平下顯著,下同。

由表5可以得出，單門檻、雙門檻和三門檻效應均通過了5%顯著性水平的檢驗，且三門檻95%置信區間內包含雙門檻。由此說明，解釋變量農業區資源適配性對農業產出確實存在基于農村人力資本的門檻效應。綜合門檻效果檢驗、門檻估計值以及置信區間，最終選擇雙門檻模型對實證結果進行進一步討論。雙門檻的估計值及其95%置信區間如表6所示。

表6 門檻估計結果

門檻估計值即似然比統計量LR為零時的取值，本文門檻因子農村人力資本的雙門限值分別為5.607和 9.356。根據這兩個門檻值將農業從業人員的受教育程度劃分為較低水平(Edu≤5.607)、中等水平(5.6079.356)三種等級。

3.2.2 門檻模型回歸分析

采用面板回歸模型研究WEF系統協調適配對農業產出的影響，在回歸分析中加入了農業產出(Agrout)，資源適配性(Rescd)、農業機械水平(Agrmech)、農業人力水平(Employ)、農業財政支持力度(Finan)、基礎設施狀況(Infra)、農作物受災情況(Dam)等變量。把估計出的門檻值代入雙門檻回歸模型，通過固定效應回歸的F檢驗得出P=0.000 0，表明在固定效應模型和混合回歸模型中應選擇固定效應模型。然后進一步通過豪斯曼檢驗，得出P值是0.000 0，應使用固定效應模型，排除使用隨機效應模型。回歸結果見表7。

表7 農村人力資本門檻模型回歸結果

表7(續)

隨著農業從業人員平均受教育程度的提高，WEF系統的協調適配性對農業產出的作用由負轉正，可能有以下幾個原因：(1)農業區WEF系統的協調適配性對農業產出確實存在門檻效應，只有當人力資本越過一定的門檻值后，資源的協調適配性對農業產出的正向效應才能體現。(2)農業從業人員受教育水平偏低時，大多沒有掌握配置資源的科學技術，很難有效運作大規模的農業并在資源配置和農業產出中起到良好的傳導作用，難以實現農業產出的穩定增長和可持續發展。(3)農業生產中普遍存在要素投入過量與產出不匹配的現象，因此，提高農業從業人員的受教育程度，對于提高資源的配置程度和利用效率，增加產出都有積極的作用。

在控制變量中，農業機械投入有利于提高農業產出但是效果還有待提升，未來應繼續加強農業技術；財政支持農業力度對農業產出呈現出不顯著的負向作用，表明應優化財政支農的資金和資源的配置方式；基礎設施情況對農業產出顯示一定的正向作用，但是不顯著，說明基礎設施建設有待進一步完善；自然災害有不顯著的負向作用，隨著我國的農業災害的預警和監控設施不斷完善，降低了自然災害對農業產出的不利影響；農業人力投入在這里用農業從業人數來表征，只是體現出數量，沒有體現出質量，因此過多的農業從業人數會類似于企業中的人浮于事，對農業產出有顯著的負向影響。

4 結論和政策建議

WEF紐帶關系的研究是全球熱點問題，本文從WEF系統的協調適配性角度分析了我國農業區農業產出的差異化原因，并對我國40個農業區域進行實證研究。結果表明，我國大部分農業區域處于臨界適配區間或者耦合失諧區間；農業區的WEF系統整體上輕度耦合失諧，并且屬于產出損益型，說明我國農業區的WEF系統未能形成良好有效的互動協同效應。除了黑龍江等7個農業區域外，全國其他農業區域的資源投入都呈現不同程度的冗余，數量規模上占優的資源投入并未對糧食產出產生相同比例的促進作用。基于構建的面板門檻模型定量分析了WEF系統的協調適配性對農業產出的影響，研究發現：WEF系統的協調適配性與農業產出會因為農業從業人員的平均受教育程度的差異而呈現出兩個門檻效應的非線性區間關系，WEF系統的協調適配性要發揮出促進農業產出的作用，需要一定的人力資本進行匹配。

為更好地促進農業產出以及農業的可持續發展，改善農業區資源的協調適配現狀，根據對我國40個農業區域的定量分析和評價，提出以下政策建議：

(1)提升資源的科技與管理水平，實現資源高效利用。基于區域不同的協調適配水平，政府應引導和支持發展節水灌溉技術，加速提升農業科技水平，借助科技進步的力量提高水資源和能源的利用效率。

(2)加強區域農業合作，實現資源共享協同發展。基于各農業區差異化的資源稟賦及農業經濟發展水平，臨近的區域應考慮農業生產互動，建立協同發展的合作機制。各農業區通過緊密合作，實現技術、管理、人才、資源等要素的流動和共享，引導各個區域科學地投入農業生產要素以此來提高要素配置效率，不斷提高農業產出效率。

(3)振興農村教育，吸引高素質人才落地。繼續加大農村教育的投入，加強教育基礎設施的建設和高素質教師隊伍的建設，提升農民及農業從業人員的文化水平。政府應通過實施鄉村振興戰略，提高農村教育投資的回報，吸引高素質的勞動力在農村落地。

(4)優化產業結構，促進多產業融合。在農業產業化發展過程中，需要綜合考慮經濟效益和生態效益，對傳統的農業結構和經營模式進行改造，促進一、二、三產業的融合發展，使農業產業鏈實現縱向與橫向的延伸。