地下水超采區農業灌溉用水效率影響因素分析

許朗 陳玲紅

摘 要：在水資源短缺的背景下，提高地下水超采區的灌溉用水效率意義重大。通過對地下水超采的重點治理區域津冀地區井灌農戶玉米的生產與灌溉情況進行調研，運用隨機前沿模型（SFA）與TOBIT模型，測算玉米種植的農業生產技術效率以及灌溉用水效率，從農民自身及家庭特征、農業生產特征、灌溉特征以及用水管理情況4個維度分析農業灌溉用水效率的影響因素。結果表明：與其他地區相比，地下水超采區玉米生產技術效率較高，但灌溉用水效率較低，有一定的節水潛力。對于地下水超采的井灌區，農民年齡、受教育年限、農業勞動人數、農業收入占家庭收入的比重以及灌溉方式對灌溉用水效率產生顯著的影響;而農業生產特征、水資源緊缺認知程度、對節水灌溉技術的了解程度以及用水管理情況受井灌以及地下水超采的影響，對灌溉用水效率沒有顯著的作用。對于地下水超采的井灌區，應從農民自身以及家庭特征出發，發揮農戶在灌溉中的能動作用，提高灌溉用水效率。

關鍵詞：灌溉用水效率;SFA;TOBIT;地下水超采區

中圖分類號：F323.213 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.032

Abstract：Under the background of water shortage， the objective is to improve the efficiency of irrigation water use in groundwater over-exploitation areas. Based on the investigation of corn production and irrigation of well irrigated farmers in Tianjin and Hebei Province， which is the key area of groundwater overdraft， the agricultural production technology efficiency and irrigation water efficiency of corn planting were calculated by using the stochastic frontier. The influencing factors of agricultural irrigation water use efficiency were divided into four dimensions of farmers and family characteristics， agricultural production characteristics， irrigation characteristics and water management and analyzed by Tobit model. The results show that the overall production technology efficiency is higher， but the irrigation water efficiency is lower， and there is a certain water saving potential. For the well irrigation area where groundwater is over-exploited， the age of farmers， the years of education， the number of agricultural workers， the proportion of agricultural income in household income and the way of irrigation have a significant impact on the efficiency of irrigation water use. However， the production conditions of farmers， the degree of water shortage， the understanding of water-saving irrigation technology and the situation of water management have no significant impact on the efficiency of irrigation water use due to the influence of well irrigation and groundwater overdraft. For the well irrigation area with over-exploitation of groundwater， countermeasures are put forward from the characteristics of farmers themselves and their families， so as to play the active role of farmers in irrigation and improve the efficiency of irrigation water use.

Key words： irrigation water efficiency; SFA; TOBIT; over-exploitation area of groundwater

我國是水資源貧乏的國家，人均水資源量僅為世界平均水平的1/4。同時，我國的水資源時空分布不平衡，黃淮海流域糧食產值占全國的三成，但平均水資源量不到全國的1/10，地下水超采現象較為普遍。

在壓減地下水超采量的當下，作為地下水超采重點治理區域的津冀地區，地下水開采比例較大，而農業灌溉又是用水大戶，所以減少津冀地區農業灌溉用水量、提高農業灌溉用水效率顯得尤為重要。

目前對農業灌溉用水效率的測算以及影響用水效率的因素研究主要從微觀尺度和宏觀尺度2個層面展開。宏觀尺度研究主要是基于全國或省級的農業生產統計數據[1-5]，研究結果表明我國整體用水效率低下，各地區用水效率差異較大。這些研究主要從水資源稟賦、經濟社會發展、農田水利設施建設、供水結構、供水成本、種植結構等方面探究農業用水效率低下的原因。微觀尺度研究主要基于農戶調研數據，如韓宇平等[6]認為農戶的年齡、文化程度、灌溉水價、收入來源等對灌溉用水效率有顯著的影響;劉七軍等[7]對內陸干旱區的民樂縣與臨澤縣農戶的玉米種植灌溉用水效率進行測算，認為農戶經營規模與灌溉用水效率呈現同向變動趨勢;王昕等[8]認為農戶對水資源稀缺性的感知可通過超采行為、水利設施維護或節水技術的應用等間接影響地下水利用效率;于智媛等[9]通過西北地區的調研，得出高效節水灌溉技術可以提高用水效率;馬超等[10]認為合理調整水價可有效促進用水主體的節水行為;阿布都熱合曼·阿布迪克然木等[11]發現棉農參與灌溉管理可顯著提高棉花的灌溉用水效率。

測算灌溉用水效率的方法主要分為兩大類，一是以數據包絡分析（DEA）為代表的非參數分析方法，二是以隨機前沿分析（SFA）為代表的參數分析方法。DEA分析方法最先由Farrel于1957年提出，其在多投入、多產出的生產過程中有絕對的優勢。隨機前沿分析方法最早由 Aigner等于1977 年提出，該方法無法處理多產出的生產過程，但能夠有效處理樣本中的異常點問題，因此多用于分析微觀數據[5]，而且將生產無效的因素分為可控和不可控因素，即將誤差項分為可控因素的技術非效率誤差和不可控的隨機誤差，可估計外部因子對效率的影響。本文研究外部因素對灌溉用水效率的影響，因此采用SFA方法更為合適。

現有對灌溉用水效率以及影響因素的研究中，較少考慮具體糧食作物灌溉特征、農戶對灌溉行為的能動作用以及地下水資源開采對灌溉的影響，因此筆者選擇地下水超采的典型區域津冀地區作為研究區域，測算井灌農戶玉米灌溉用水效率，從農民自身及家庭特征、農業生產特征、灌溉特征以及用水管理情況等4個維度分析影響灌溉用水效率的因素，以期對地下水超采區提高灌溉用水效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

河北省位于華北平原，環京津地區，是傳統的農業大省，也是我國重要棉糧產區。多年平均降水量為521.1 mm，近50 a全省降水量呈下降趨勢[12]，近10 a中有7 a降水量不足多年均值。水資源量較少，且其中3/4為地下水，是我國典型的缺水省份。2018年水資源公報顯示，全省地下水的資源量為124.41億m3，占全省水資源總量的75.84%。地下水全年供水量為105.15億m3，占地下水資源總量的84.51%，占總供水量的58.19%。2018年全年平原區的淺層地下水位平均下降0.13 m;深層地下水位，邢臺中東部平原下降4.54 m，衡水市下降5.58 m。

天津市2017年末耕地面積37.14萬hm2，有效灌溉面積為30.53萬hm2。全年糧食產量為212.27萬t，其中玉米119.29萬t，占糧食總產量的59.20%。2017年的供水總量為27.49億m3，地下水供水量為4.61億m3，農業用水量為10.72億m3。

1.2 數據來源

文中數據來自對津冀地區地下水超采區井灌農戶進行的實地調研。根據地理條件以及經濟社會發展情況，選取河北省的灤南縣、玉田縣、滄州市以及天津市靜海區作為調研區域。河北省調研采用分層抽樣與隨機抽樣相結合的方式，每個縣抽取2個村莊，每個村莊隨機抽取35個農戶;天津市靜海區總共抽取50個農戶。共發放260份問卷，回收有效問卷252份，有效率96.9%。調研對象為每戶從事農業生產且有決策能力的農業勞動人員。

問卷設計主要涉及四部分。第一部分為農民自身及家庭基本信息，包含年齡、性別、受教育年限、本村職務等;第二部分為農業生產情況，包含農田土質特征、耕地面積、地塊數等農田基本情況，以及糧食作物的成本、收益情況;第三部分為灌溉條件，即地下水位、水泵功率，灌溉方式的采用和認知情況，包括對灌溉方式的了解程度、設備安裝與使用難易程度、使用效果的滿意程度以及相關技術的培訓等;第四部分為用水管理情況，包括灌溉費用總額、灌溉費用的構成、農戶的灌溉費用承受能力、參加用水協會以及水權交易情況等。

1.3 生產技術效率指標選取與測算模型

結合學者們對技術效率的界定，本研究從產出角度界定技術效率。生產技術效率是指在現有的市場價格和技術水平下，農戶實際產出與現有的各要素投入所能達到的最大產出之比。

對單位面積的玉米投入產出進行分析，產出變量為玉米產量Y，投入變量包括種子投入S、化肥投入F、農藥投入C、機械成本M、勞動投入L以及灌溉用水量W。實地調研中，灌溉用水量無法精確計量，調研地區為井水灌溉，采用水泵提水，可用耗電量和水泵的抽水功率等數據計算得到。

1.4 灌溉用水效率測算模型

借鑒有關學者對灌溉用水效率的測算方法，灌溉用水效率界定為：在維持其他要素投入不變的條件下，達到技術有效時所需要的最小用水量與實際用水量之比。最小灌溉用水量是指技術充分有效的、不存在任何效率損失條件下的灌溉用水量。

灌溉用水效率的測算思路如圖1所示。假設第i個農戶的灌溉用水量為Wi，其他投入要素投入為xi，此時農戶的生產技術無效率，存在效率損失，該農戶生產技術效率為TEi=OC/OA。根據上述用水效率的定義，同樣的產出所需要的最小用水量為OW2，則該農戶灌溉用水效率為TEWi=OW2/OWi。

2.2 生產技術效率與灌溉用水效率測算

應用Fronter4.1軟件對隨機前沿模型進行極大似然估計（見表2），模型中的σ2值與γ值在1%水平下通過了顯著性檢驗。如果γ接近1，說明實際產出與生產前沿面之間的差距主要是由技術非效率引起的。本文γ值為0.956，說明復合誤差項σ2中95.6%是由農業生產的技術效率損失引起的，模型擬合較好。

種子投入、機械成本、勞動力投入以及灌溉用水量等項的系數為正，說明增加其投入量可以使產量增加，且種子投入、機械成本、勞動力投入以及灌溉用水量對玉米產量的影響顯著。

化肥投入與農藥投入項的系數均為負，化肥投入在10%的顯著性水平下影響顯著，農藥投入沒有通過顯著性檢驗，表明農戶在玉米生產過程中，化肥投入相對較多，農藥的投入沒有產生明顯的影響，其原因是調研區域的玉米生產過程中蟲害的類型少以及受災面積小、程度輕，能夠有效控制。

應用Fronter4.1軟件對農戶的生產技術效率以及灌溉用水效率進行測算，結果見表3。從表3可以看出，生產技術效率主要集中在70%至100%之間，占總戶數的86.9%，集中分布在高效階段，其均值為0.841 9，最大值為0.978 5，最小值為0.566 7;灌溉用水效率均值為0.358 4，最大值為0.882 6，最小值為0.038 2。

總的來說，津冀地區生產技術效率較高，但灌溉用水效率整體處于低端水平，灌溉用水效率差距較大，有較大的提升空間。

2.3 灌溉用水影響因素描述性統計

從表4可以看出，玉米種植農戶中主要為中老年，基本擁有初中教育水平，每戶平均兩個勞動力參與務農勞動，每戶平均耕地面積為0.541 hm2，平均地塊數約為4塊，平均每塊地約0.137 hm2。調研農戶中主要采用的灌溉方式是地埋管道，對地區水資源的緊缺性認知程度較高，對節水灌溉技術了解程度也比較高。調研的農戶大部分沒有聽說過用水協會，只有極少的人參加。灌溉成本為單位面積的灌溉費用與相應的灌溉用水量之比，費用中包含電費、管理費以及維修費等。有的地區只收取電費，有的地區收取電費、維修費以及管理費等，導致灌溉成本差距較大。

2.4 灌溉用水效率 Tobit回歸模型分析

從表5可以看出，農民自身及家庭特征中，年齡、農業勞動人數對灌溉用水效率有負向影響，受教育年限、農業收入占家庭收入比重對灌溉用水效率有正向影響。年齡越小、受教育年限越長、農業勞動人數越少、農業收入占家庭收入比重越大，灌溉用水效率就越高。農民自身及家庭特征中的變量都對灌溉用水效率的影響顯著。

農業生產特征中，耕地面積對灌溉用水效率有正向作用，地塊數對灌溉用水效率有負向作用。

灌溉特征中，灌溉方式對灌溉用水效率有顯著的影響，水資源緊缺認知程度以及對節水灌溉技術了解程度對灌溉用水效率有正向作用，但影響不顯著。

用水管理情況中，灌溉成本對灌溉用水效率有負向作用，參加用水協會對灌溉用水效率有正向作用。

3 討 論

3.1 灌溉用水效率

該地區灌溉用水效率平均值為0.358 4，這與之前學者對全國整體層面的研究結果有差別，普遍低于以往研究成果的平均值。其原因是灌溉方式的多樣化：本次研究中共收集252份有效樣本，其中47戶農戶采用的節水灌溉技術為渠道防滲，154戶農戶采用地埋管道，51戶農戶采用噴灌，灌溉方式多樣化，不同灌溉方式的用水量之間有較大的差異（見表1），灌溉方式的多樣性導致灌溉用水效率均值較低。

3.2 灌溉用水效率的影響因素

農民自身及家庭特征中，年齡對灌溉用水效率產生負向作用。這與許朗等[13]研究結果相反，與耿獻輝等[14]研究結論相同。農戶年齡開始增加時，會有一定的生產經驗以及技術積累，起正向作用，但之后隨著年齡的增加，生產的經驗以及技術達到一定的水平后，將不再產生顯著的影響，此時農戶身體素質、生產目的等因素導致生產積極性降低，進而效率降低。受教育年限越長，學習能力越強;農業收入占家庭收入比重越大，農業生產越受重視，會提高灌溉用水效率。農業勞動人數對灌溉用水效率產生負向作用，主要原因是玉米生產種植過程中勞動力需求較少，家庭農業勞動人數的投入過多，反而降低了效率。

灌溉特征中不同的灌溉方式對灌溉用水效率有顯著的影響，這與馮保清等[15]研究結果相一致。水資源短缺程度雖對灌溉用水效率有正向作用，但影響不顯著。地下水超采區井灌農戶常年依靠地下水灌溉，對地下水位的變化、機井水抽取量的改變等反映水資源短缺程度的現象有較清楚的認知，出于可持續發展的需要，能做到合理灌溉。因為農戶的認知程度整體偏高，所以進一步提升農戶的認知程度對灌溉用水效率的影響不大。

用水管理特征中，灌溉成本對灌溉用水效率沒有顯著的影響，這與王文浩等[16]指出水價調高可產生節水效應的研究結果不同。在調研區域，灌溉成本均值為0.25元/m3，最大值為0.36元/m3，灌溉成本整體水平較低，在農戶承受范圍之內。

缺水對玉米產量影響較大，在玉米生長中后期需水量較大，灌溉成本即使較高，為保證玉米產量，農戶寧愿提高灌溉投入，因此玉米灌溉成本的上升并不能顯著影響灌溉行為。參加用水協會對灌溉用水效率有正向的影響，但不顯著。調研區域機井大部分采用私人承包的管理方式，承包人承擔管理和維護的責任，不利于用水協會的發展，無法發揮其作用，而且受機井位置的限制，不易建立水權以及市場機制。

4 結 論

對津冀地下水超采嚴重的井灌區農戶開展調研，發現調研區域玉米的生產技術效率整體水平較高，均值為0.841 9，但灌溉用水效率水平相對較低，均值為0.358 4，有一定的節水潛力。

（1）調研區域玉米生產過程中，增加種子投入、勞動力投入、機械成本以及灌溉投入能夠有效提高玉米的生產技術效率。調研區域的化肥投入在生產過程中較多，可以適當減少;玉米的病蟲害較輕，農藥投入亦可適當減少。

（2）在地下水超采的井灌區，灌溉用水效率主要受農民年齡、受教育程度、農業勞動人數以及農業收入占家庭收入的比重等農民自身及家庭特征和灌溉方式的顯著影響。年齡越小、受教育程度越高、農業勞動人數越少、農業收入占家庭收入比重越大、采用節水灌溉方式的比例越大，灌溉用水效率越高。不同灌溉方式中，渠道防滲灌溉用水量>地埋管道灌溉用水量>噴灌灌溉用水量，部分使用地埋管道節水技術的農戶，單位面積的用水量低于噴灌用水量的均值。

鑒于井灌區機井位置和水資源現狀，水資源緊缺認知程度、耕地面積、土地塊數都不對灌溉用水效率產生顯著的影響。

參考文獻：

[1] 佟金萍，馬劍鋒，王慧敏，等.中國農業全要素用水效率及其影響因素分析[J].經濟問題，2014（6）：101-106.

[2] 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）：10-17.

[3] 楊騫，武榮偉，王弘儒. 中國農業用水效率的分布格局與空間交互影響：1998—2013年[J]. 數量經濟技術經濟研究，2017，34（2）：72-88.

[4] 楊揚，蔣書彬. 基于DEA和Malmquist指數的我國農業灌溉用水效率評價[J]. 生態經濟，2016，32（5）：147-151.

[5] 常明， 王西琴， 賈寶珍. 中國糧食作物灌溉用水效率時空特征及驅動因素：以稻谷、小麥、玉米為例[J]. 資源科學， 2019，41（11）：2032-2042.

[6] 韓宇平，周雯晶，代小平，等.綜合灌溉用水效率研究：以河北省成安縣為例[J].灌溉排水學報，2017，36（8）：89-94.

[7] 劉七軍，李昭楠.不同規模農戶生產技術效率及灌溉用水效率差異研究：基于內陸干旱區農戶微觀調查數據[J].中國生態農業學報，2012（10）：1375-1381.

[8] 王昕，陸遷.水資源稀缺性感知影響農戶地下水利用效率的路徑分析：基于華北井灌區1168份調查數據的實證[J].資源科學，2019，41（1）：87-97.

[9] 于智媛，梁書民.基于Miami模型的西北干旱半干旱地區灌溉用水效果評價：以甘寧蒙為例[J].干旱區資源與環境，2017，31（9）：49-55.

[10] 馬超，吳丹，石常峰，等.虛擬水視角下節水技術對區域經濟增長的傳導機制[J].科技與經濟，2016，29（4）：91-95.

[11] 阿布都熱合曼·阿布迪克然木，王巖，饒芳萍.參與式灌溉管理背景下棉農水資源利用效率影響因素研究：基于新疆阿瓦提縣的調研[J].干旱區資源與環境，2018，32（9）：183-189.

[12] 向亮，郝立生，安月改，等.51 a河北省降水時空分布及變化特征[J].干旱區地理，2014，37（1）：56-65.

[13] 許朗，黃鶯.農業灌溉用水效率及其影響因素分析：基于安徽省蒙城縣的實地調查[J].資源科學，2012，34（1）：105-113.

[14] 耿獻輝，張曉恒，宋玉蘭.農業灌溉用水效率及其影響因素實證分析：基于隨機前沿生產函數和新疆棉農調研數據[J].自然資源學報，2014（6）：934-943.

[15] 馮保清，崔靜.全國純井灌區類型構成對灌溉水有效利用系數的影響分析[J].灌溉排水學報，2013，32（3）：50-53.

[16] 王文浩，曹紅霞，蔡煥杰.灌溉水價與灌區灌溉用水量關系研究[J].灌溉排水學報，2013，32（1）：82-85.

【責任編輯 許立新】