灌溉設施水平對中國水稻綠色生產率的影響研究

(南京農業大學 經濟管理學院,江蘇 南京210095)

農業是國民經濟的基礎,是國民經濟其他部門賴以存在和發展的基礎。水稻是我國最重要的糧食作物之一,其種植總面積約占糧食作物種植面積的30%,產量接近糧食總產量的1/2,在農業生產中具有很高的地位。2014年，中央經濟工作會議指出我國經濟發展已進入新常態,正從高速增長轉向中高速增長,經濟增長方式從粗放型增長轉向集約型增長。我國“十三五”規劃明確將綠色發展納入五大發展理念,強調加快改善生態環境質量。2018年“中央一號”文件提出加強農業面源污染防治,開展農業綠色發展行動,實現投入品減量化、有機肥替代化肥,推進鄉村綠色發展,打造人與自然和諧共生發展新格局。本文以可持續發展理論為基礎,研究水稻的綠色發展情況。

隨著我國城鎮化進程的加快,農村勞動力大量向城市轉移,造成了農村人力資本不足。目前農村老齡化的問題日趨嚴重,我國社會中的“人口紅利”逐漸消失。此外,國內農業生產成本快速攀升,各種農業生產資料、土地資金、農業勞動力價格不斷上漲。鑒于種種原因,只能依靠提高生產效率來轉變生產方式,走產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代農業發展道路。從20世紀80年代以來,隨著土地資源的稀缺,從事農業的勞動力數量不斷下降,導致化肥投入急劇增加,我國迅速成為化肥生產量和消費量最多的國家。然而,由于不合理施用化肥所帶來的面源污染問題、農產品質量安全問題,對農業發展和農民生活帶來了巨大沖擊。隨著農業環境問題越來越嚴重,我國逐步認識到不合理施用化肥對農業可持續發展的影響越來越大。水資源是影響我國農業發展的重要因素，高效節水灌溉有助于提高農業生產效益,節約水資源,保障農產品增產增收。然而,高效節水灌溉或選擇合理的灌溉方式是否有助于減少氮磷流失、提高化肥的利用率、減少化肥使用量,以減輕化肥污染、緩減農業環境問題仍有待考察。

近年來,眾多學者對環境約束下的全要素生產率進行了大量研究,并將其定義為綠色全要素生產率。陳詩一將CO2排放量作為投入要素測算了我國工業38個行業的環境效率,發現考慮環境約束的實際全要素生產率比傳統不考慮環境因素的估算值低[1];潘丹將我國30個省份分為中、東、西三個部分,測度了1998—2009年的農業綠色全要素生產率,發現我國東部的綠色生產率水平高于中西部,中西部地區呈現出農業經濟發展緩慢和資源消耗、環境破壞的“雙重惡化”情況[2];吳傳清運用SBM模型和GML指數測度了1997—2015年長江經濟帶農業綠色生產率,并對其影響因素作了實證分析,發現長江經濟帶農業綠色全要素生產率有所提升,但低于全國水平,機械化水平、人力資本存量和財政支出水平對長江經濟帶農業綠色全要素生產率具有顯著正向影響[3];展進濤測度了考慮氮磷流失的農業綠色生產率,并檢驗了農業綠色全要素生產率與糧食安全保障程度之間的關系,發現農業綠色全要素生產率與糧食安全存在雙向因果關系[4]。

現有文獻雖然取得了一些豐碩的成果,但仍存在著不足,本文在此基礎上做了一些改進:①現有研究大多對農業綠色全要素生產率、工業綠色全要素生產率等做了整體測度,極少有學者研究某一具體農作物的綠色全要素生產率,本文將研究視角聚焦于水稻的綠色全要素生產率。②現有研究僅僅將灌溉設施水平作為其中一個變量進行回歸檢驗,對灌溉設施水平與綠色全要素生產率的內在關系并沒有進行深入探討,本文著重分析了灌溉設施水平對水稻綠色全要素生產率的內在影響。

鑒于此,本文首先對我國2004—2016年水稻化肥投入造成的環境成本進行測算,基于我國18個省份的面板數據進行實證分析,運用ML指數測算我國不同主產區水稻綠色全要素生產率的變動與差異情況。其次，運用面板OLS回歸模型探討灌溉設施水平對水稻綠色全要素生產率的影響。最后，根據研究結果提出基于綠色視角下促進整個水稻產業生產效率提升的合理建議,提出必要的約束措施,落實可持續發展觀念。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

根據Chung[5]等學者的研究方法,引入動態效率Malmquist-Luenberger(ML)指數,見式(1)。與傳統的Malmquist指數相比,ML指數可測算考慮環境污染引起的非期望產出下的全要素生產率。本文將化肥作為環境污染物,測算化肥環境成本下的水稻全要素生產率。

(1)

(2)

1.2 數據來源

本文選取我國水稻主產區三大區域中的18個省份2004—2016年的統計數據進行分析。根據《全國優勢農產品區域布局規劃(2008—2015年)》中的劃分方法,我國目前水稻主產區可分為三大區域:長江流域、東南沿海、東北平原。長江流域包括河南、江蘇、安徽、湖北、湖南、江西、重慶、四川、貴州、云南10個省市；東南沿海包括浙江、福建、廣東、廣西、海南5個省區；東北平原包括吉林、遼寧、黑龍江3個省。選取的投入—產出變量數據來自相關年份的《全國農產品成本收益資料匯編》、《中國統計年鑒》和《中國農村統計年鑒》等。

1.3 描述性分析

水稻種植的化肥投入施用量變化:首先是化肥施用結構變化。從表1可知,2016年與2004年相比,氮肥總施用量減少了30.5%,磷肥比2004年減少了約3/4,鉀肥的施用量減少了約17.6%,但復混肥卻比2004年增加了約70.2%,導致化肥總施用量增長了約22.2%。因此,化肥的施用結構雖然發生了變化,但化肥的總施用量在近年仍以年均1.7%的速度呈現上升的態勢。

表1 2004—2016年氮肥、磷肥、鉀肥、復混肥、化肥總施用量(萬t)

年份氮肥磷肥鉀肥復混肥化肥總和20041031.17202.59151.97391.351777.0820051009.88214.72179.70544.761949.062006960.41172.68172.28630.161935.532007969.36154.55178.16704.112006.182008955.41158.58130.96722.671967.622009963.33137.20119.87792.402012.802010933.71118.80124.06895.872072.442011912.16111.45121.88930.722076.212012866.98100.73120.57988.122076.402013819.9982.13119.231050.262071.612014847.8980.35131.901121.962182.092015822.5263.14129.631228.692243.972016789.9549.36129.221315.252283.78

注:數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編》，表2同。

我國三大主產區化肥施用強度變化:由表2可知,我國三大主產區中,東南沿海年均化肥施用強度最高,年均化肥施用強度為3.50kg/hm2,其次是長江流域,為3.06kg/hm2,東北平原最低,年均化肥施用強度為1.40kg/hm2。東南沿海屬于我國經濟發達地區,土地要素稀缺,農民傾向于增加化肥的要素投入來提高產量；長江流域施用強度近年來逐漸升高,可能是由于長江流域稻區的病蟲害偏重發生,且發生范圍廣、程度重、影響大,因此化肥的施用量在近年日益增加；東北平原自然環境條件好、水資源充沛、土地資源豐富，化肥施用強度較低。

表2 2004—2016年中國三大主產區化肥施用量(kg/hm2)

水稻常用的灌溉方式:我國具有復雜的地貌和特殊的氣候,這些自然條件決定了我國必須走灌溉農業的發展道路。水稻屬于習水農作物,對水的需求非常高,其用水量約占農業用水總量的70%[6]。發展水稻節水栽培,實現稻作可持續發展對我國糧食安全供應和社會穩定具有十分重要的意義[7]。節水灌溉技術多種多樣,目前在水稻生產上常用的灌溉技術主要有濕潤灌溉、干濕交替灌溉、水稻強化栽培體系、覆蓋旱種等。

1.4 指標計算方法

投入變量:根據既有文獻和數據的可獲得性,本文選擇水稻播種面積、勞動用工量、總物質與服務費用三個投入指標。水稻播種總面積比耕地面積更準確,因為它考慮了重復播種情況,反映土地投入狀況更為準確[8]。為剔除價格因素的影響,本文使用各地區綜合生產資料價格指數對每公頃物質與服務費用進行平減。由于勞動用工量、總物質與服務費用數據各省沒有單獨統計,因此本研究采用如下的處理方法:勞動用工量按每公頃用工數量乘以水稻播種面積計算,物質與服務費用按每公頃物質與服務費用乘以水稻播種面積計算。

產出變量:①期望產出。本文選取水稻總產量為期望產出。②非期望產出。本文選取化肥施用的總環境成本為非期望產出。環境污染損失計算的方法有很多種,經過幾十年的研究,形成了一系列從不同角度、不同經濟理論評估環境損失的方法,如直接市場法、替代市場法、支付意愿法、能值分析法等。本文根據賴利[9]的研究,基于能值分析理論,采取劑量影響法對我國水稻種植化肥施用的環境成本測算進行估算。

對化肥施用的污染進行分類,在此基礎上對各種可能存在的污染物的產生途徑、污染方式進行歸納。本文將化肥對環境的影響分為三類,具體有大氣污染、土壤污染和水體污染三類。其中,大氣污染主要有NH3、N2O、NOx,土壤污染主要有硝酸鹽、硫酸鹽、重金屬元素鎘,水體污染主要有硝態氮、磷酸鹽。

歸納國內外有關農田氮磷素運移轉化比例和污染物產生劑量的研究成果數據(表3),對我國化肥施用的營養物質流向和污染產生物的影響劑量進行分析,計算公式為:

Dosei=M×Cei×(We/Wf)

(3)

式中,Dosei為污染物i的產生劑量(t);M為氮肥或磷肥的施用折純量(t);Cei為營養元素的流轉系數;We為所產生污染物的分子量;Wf為N或P2O5的分子量。

表3 氮肥、磷肥的養分運移轉化比例(%)

對大氣、土壤和水體等環境質量影響采用傷殘調整生命年法,估算化肥施用帶來污染物所造成的人類健康影響,計算方法為:

DALYi=Cdi×Dosei

(4)

式中,DALYi為污染物i造成的損害年累計數(a);Cdi為單位污染物引致的生命損害年數(a/kg);Dosei為污染物i的產生劑量。

依據國內外有關單位勞動力的能值消費數據,乘以生命損害年累計數,估算化肥施用對環境質量影響的能值,最后匯總得出化肥環境影響的總能值。

(5)

式中,U為化肥環境影響的總能值成本，單位為sej;Emergyi為污染物的能值成本;Cm為單位勞動力的年能值消費量;DALYi為某種污染物造成的損害年累計數。

依據我國各年份的能值貨幣比率數據,折算化肥施用的綜合環境成本,計算公式為:

Emdollar=U/Cg

(6)

式中,Emdollar為化肥環境影響的宏觀經濟價值，單位為￥;Cg為當年的能值/貨幣比率,即一國家或地區單位時間內使用的能值與GDP之比，單位為sej/￥;U為化肥環境影響的總能值成本，單位為sej。通過上述公式逐步計算,結果見表4。

表4 水稻種植化肥施用環境污染的宏觀經濟價值

2004—2016年,我國水稻化肥施用的總環境成本,即宏觀經濟價值,以年均5.9%的速度快速增加,表明由于化肥不合理施用造成的環境污染日益加劇,化肥不合理施用的問題仍存在,因此必須更加重視化肥不合理投入及其帶來的對環境質量的影響。水稻綠色生產率測度投入—產出變量的描述性統計見表5。

表5 水稻種植化肥施用投入—產出變量的描述性統計

2 結果及分析

2.1 環境因素對全要素生產率測度影響

本文采用Malmquist-Luenberger指數研究考慮化肥環境成本下水稻全要素生產率的變動率。比較考慮化肥環境成本前后水稻全要素生產率值,發現大多數地區化肥環境成本下全要素生產率值(ML)低于不考慮化肥環境成本下全要素生產率(M)的值,說明我國水稻發展是以不合理施用化肥為基礎的,如果忽視環境作用,M指數會高估水稻的全要素生產率。

表6 2004—2016年考慮環境因素前后水稻全要素生產率指數結果

2.2 我國水稻綠色生產率指數結果分析

對三大主產區而言(表7),東北平原施肥強度最低,水稻綠色生產率均值明顯高于長江流域和東南沿海,說明東北平原能有效協調水稻生產和環境保護的關系,是三大主產區中水稻綠色生產率唯一達到有效的產區,貫徹了水稻生產環境友好型發展。長江流域由于病蟲害影響較嚴重,施肥強度較高,因此水稻綠色生產率均值沒有達到有效。但從數據看,近三年來長江流域水稻綠色增長率一直處在生產前沿面上,表明有意識地控制了化肥的施用強度,提高了水稻綠色生產率。東南沿海地區經濟發達、農業生產占社會總生產比重小、土地資源稀缺,因此只能依靠增加化肥、農藥等要素來增加水稻產量,未實現勞動力、土地、資源等要素的有效配置,水稻綠色生產率最小。因此，東南沿海地區應深化技術改革,提升化肥的利用效率,選育抗病蟲害高效的品種,這才有利于促進水稻發展由粗放加快向集約轉型。

表7 2004—2016年中國三大主產區水稻綠色生產率指數結果

(續表7)

地區200520062007200820092010201120122013201420152016均值湖南0.8731.0081.0771.1331.2060.8301.0111.0110.9611.1281.0621.0491.024江西0.9111.0121.0280.9980.5262.0681.0341.0341.0751.1251.0800.9531.027長江流域0.9120.9541.0341.0080.9511.0200.9860.9970.9521.0391.0311.0030.990浙江0.9521.0180.9611.0370.9680.9901.0000.9780.9141.0060.9951.0030.985福建0.7610.8661.0000.9660.8130.8880.8100.7880.7840.8781.0000.9590.872廣東0.8130.9800.9370.9201.0080.9441.0460.7930.7731.0690.9680.9340.927廣西0.7690.9801.0780.9730.9840.9260.9080.9910.9731.0280.9181.0060.958海南0.4011.1360.9580.9590.9270.9071.0300.9830.8961.0200.9791.0170.910東南沿海0.7110.9920.9860.9700.9370.9300.9550.9020.8650.9980.9710.9830.930吉林0.9651.0020.9171.0320.7721.0211.0220.7800.9750.9981.0811.0070.959遼寧0.8420.7201.6880.9870.9540.7141.1191.0031.1151.1581.1161.0531.013黑龍江0.9871.1801.0440.9791.2201.1391.1010.9900.9971.0171.0141.0711.059東北平原0.9290.9481.1730.9990.9650.9401.0800.9181.0271.0551.0691.0431.010

2.3 灌溉設施水平對水稻綠色生產率的影響

灌溉對水稻綠色生產率的影響機理:考察灌溉設施水平對水稻綠色生產率的影響,需要從期望產出和非期望產出兩個方面來考慮。一方面，因灌溉能明顯抑制農田排水徑流量和滲漏量[10],同時改善土壤的通氣狀況,水稻在一定時期內處于水分脅迫狀態,限制了土壤有害物質的產生,高效控制了氮磷流失[11],提升了化肥的利用率,因此灌溉能減少化肥的施用量,從而減少化肥投入造成的非期望產出,會促進水稻綠色生產率的提升。另一方面,改善灌溉設施水平能保證水分的有效利用,從而保證期望產出的增加,會提升水稻的綠色生產率,機理見圖1。

圖1 灌溉對水稻綠色生產率的影響機理

實證分析:參考已有文獻和已有數據的可獲得性,分析節水灌溉對水稻綠色全要素生產率的影響,本文將選取農業經營規模、收入依賴程度、機械總動力、農村經濟發展水平作為控制變量。選取的變量為:①灌溉設施水平(ai)。用有效灌溉率表示,即有效灌溉面積占耕地面積的比重表示。②農業經營規模(as)。參照李燕的研究[12],用勞均耕地面積表示。③收入依賴程度(ae)。參照吉星星的研究[13],用家庭經營收入占家庭純收入比重表示。④農業機械化(am)。用農業機械總動力表示。⑤農村經濟發展水平(ad)。參照潘丹的做法[2],用農村居民純經營性收入對數表示。本文按照我國三大水稻主產區長江流域、東南沿海、東北平原分別進行檢驗,并選取以下面板OLS回歸模型。

TFPit=β0+β1aiit+β2asit+β3aeit+β4amit+β5adit+εit

(7)

式中,因變量TFPit為處理后的水稻綠色全要素生產率累積增長指數,本文測算的水稻綠色全要素生產率指數是以上一年為1的環比指數,參照李谷成的研究方法,將其轉化為2004年為1的累積增長指數,然后進行對數轉換作為被解釋變量,轉換公式為ln(1+TFP)[14]。模型中,i,t分別為省份和時間；β0為常數項；β1、β2、β3、β4、β5分別為各變量的待估計參數；εit為隨機擾動項。由Stata得出各變量的系數值。采用Stata進行實證分析,模型回歸結果見表8。

表8 灌溉設施水平對水稻綠色生產率的影響

注:*、**、***分別表示在10%、5%、1%的水平上顯著,括號里的數據為p值。

由表8可知,基于全樣本數據分析,灌溉設施水平、農業經營規模、收入依賴程度、農業機械化、農村經濟發展水平均通過了顯著性檢驗。其中,農業經營規模、收入依賴程度對水稻綠色全要素生產率均具有正向影響,但農業機械化對水稻綠色全要素生產率具有負面影響,原因在于我國幅員遼闊、地形復雜,導致水稻農作物生產的綜合機械化水平偏低。因此，要因地制宜推進農業生產機械化。農村經濟發展水平對水稻綠色全要素生產率具有負面影響,原因是在經濟發展的起初階段,為了增加水稻的收入與產出,人們往往依賴于自然資源的消耗和生產要素投入增加,忽視了對資源環境的保護,從而導致水稻綠色全要素生產率較低,這與潘丹[2]的結論相符。

從總體上看,主要解釋變量灌溉設施水平對水稻綠色生產率具有正向影響,灌溉設施水平每增加1%,水稻綠色生產率將在5%的顯著性水平下增加22.6%,表明節水灌溉對于水稻綠色增長率的提高具有顯著的促進作用。改善灌溉設施水平可提高灌溉用水效率,減少氮磷流失,緩解化肥的面源污染問題,提高水稻綠色生產率。總之,提高灌溉設施水平可緩解由于不合理施用化肥所導致的農業面源污染問題,促進水稻綠色生產率的提高。

從各主產區的模型結果看,長江流域和東北平原顯著為正,表明長江流域和東北平原灌溉設施水平每增加1%,水稻綠色生產率分別在1%和10%顯著性水平上分別增加38.3%和92.3%。然而,東南沿海顯著為負,灌溉設施水平每增加1%,水稻綠色生產率將降低33.4%。原因是：首先，東南沿海地區地形復雜,多為丘陵低山等,導致用水灌溉效率低；其次,災害繁多對節水灌溉設施損害嚴重,導致節水灌溉設施普遍較薄弱,用水灌溉效率低。因此,我國要加大東南沿海的節水灌溉設施力度,積極采用灌溉新技術,提升用水灌溉效率,積極抵御自然災害對農作物的影響。

3 結論

本文基于2004—2016年我國18個省份的面板數據,利用Malmquist-Luenberger指數測算了我國化肥環境成本下的水稻綠色生產率。在此基礎上,利用面板OLS回歸模型分析了灌溉設施水平對于水稻綠色生產率的影響。得出以下結論:①化肥施用結構雖然發生了變化,但化肥的總施用量在近幾年卻以年均1.7%的速度呈現上升的態勢。在我國三大主產區中,東南沿海地區年均化肥施用強度最高,其次是長江流域,最低的是東北平原。②東北平原是三大主產區中水稻綠色生產率唯一達到有效的產區,長江流域和東北平原均沒有實現水稻生產和環境的協調發展。③總體看,灌溉設施水平有助于提升水稻綠色生產率；從各個主產區來看,長江流域和東北平原的灌溉設施水平有助于提升水稻綠色生產率,東南沿海的灌溉設施水平對水稻綠色生產率的提升起到了阻礙作用。

4 建議

基于本文對2004—2016年我國18個三大水稻種植區域18個省份水稻綠色生產率的研究結論，本文從政府視角出發，提出以下三個方面的建議。

首先，灌溉種類繁多，政府應因地制宜地選擇和推廣農業節水灌溉技術。水稻灌溉種類主要分為滴灌、霧噴灌、膜下灌與滲灌4大類，應根據不同的地區的種植特點采用不同的灌溉方式，而不能都采取最普通的灌溉方式。在本文研究的三大主產區之中，東南沿海地區的灌溉設施水平最為薄弱，尤其需要注重節水灌溉技術在東南沿海地區的發展與應用。當地政府應加強完善水利設施，重視灌溉對于水稻發展的作用。

其次，加大農業科研投入，增加對灌溉、施肥技術、水稻品種等的研發，提升灌溉用水效率和化肥利用率，注重水肥合一，提升水稻的綠色生產率。隨著人們生活水平的提高，吃飯已經不再是人們的最主要訴求，健康、綠色、安全逐漸成為人們選擇稻米的標準，因此在提升水稻綠色生產率方面投入更多的科研顯得尤為重要。

第三，加強對資源環境友好的生產行為補貼。政府可以對秸稈還田、節水灌溉、施用農家肥等環境友好型生產行為給予一定的補貼，引導生產者改變生產方式，采納有利于農業資源環境的生產行為。此外，為響應國家號召，地方政府也應推出農作物垃圾分類回收的政策。例如，農藥包裝廢棄物的有償回收，不僅可以保護耕地環境與水資源，還可以節省農戶的種植成本。