糧食主產區農業用水效率及其影響因素

呂蘇榆，崔冰燕，李亞潔

(河海大學商學院，江蘇 南京 211100)

我國糧食主產區包括：河北、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、江蘇、安徽、江西、山東、河南、湖北、湖南、四川，共13個省(自治區)。糧食主產區在土地、勞動力以及資本要素方面擁有其他省市無可比擬的農業生產條件優勢[1]。2020年，糧食主產區以全國69%的農業用地和55.6%的農業用水生產出78.6%的糧食產量，優越的農業生產條件決定了糧食主產區是中國農業產出的重要組成部分。農業技術進步帶動糧食產量穩步增收，然而農業用水總量下降速度并不明顯，水資源利用效率不足制約著農業可持續發展[2]。

國家發展改革委、水利部印發的《“十四五”節水型社會建設規劃》明確到2025年節水型社會建設取得顯著成效。2021年中央一號文件在加快推進農業現代化中指出發展節水農業和旱作農業。農業用水問題一直以來都是學界關注的焦點，包括水價、水權交易、節水機制等方面的研究[3]，農業用水效率的測算及影響因素分析也得到了廣泛研究[4]。從研究對象看，大部分文獻集中于全國層面展開研究，部分學者已從區域著手，研究長江經濟帶[5]、黃河流域[6]的農業用水。從研究方法看，農業用水效率的測算大量采用數據包絡分析法(DEA)和隨機前沿模型，DEA模型并非建立在函數形式的基礎上，因此測算結果更加客觀，但是易受異常點影響，造成測算結果不穩定性[7]。從研究問題看，現有文獻主要集中討論農業用水的空間分布特征、影響因素、空間交互性及時空差異[8]。

目前關于糧食主產區的農業用水問題研究較少，作為我國糧食產量的主要“貢獻者”和農業發展的“排頭兵”，糧食主產區的用水處于何種水平，受到哪些因素影響，如何提升用水效率有待研究與解答。糧食主產區具有示范效應，能夠帶動其他地區發展節水農業，促進農業用水效率的提升。

1 糧食主產區農業用水效率測評

1.1 農業用水效率測評模型

本文農業用水效率是指農業灌溉經濟效率，即從投入產出角度衡量農業單位用水量的最大產出或最大收益[9]。提升農業用水效率是實現農業綠色可持續發展、實現節水社會和節水農業的重要途徑。此處擬采用SFA模型測算糧食主產區農業生產技術效率以及農業用水效率。在該生產函數中，被解釋變量為農業產值[10-11]，選取農業用水、化肥施用量、第一產業勞動力、節水灌溉類機械、農業機械總動力、水庫數以及農藥使用量為生產要素投入。

構建以下隨機前沿生產模型：

Yij=f(Xij,Wij,β)exp(νij-μij)

(1)

式中：i為省份；j為年份；Yij、Wij、Xij分別為i省在j年的農業產值、農業用水的投入和農業用水以外的生產要素投入；β為待定系數；νij為包含氣候、自然災害等不可控因素；μij為農業生產過程中的技術效率損失。

由于變量間存在多重共線性，因此選用柯布-道格拉斯生產函數作為SFA模型生產函數的表達式，將Xij所代表的生產要素代入，等式兩邊取對數后展開，可表達為

lnYij=β0+βwlnWij+βflnFij+βllnLij+βklnKij+βmlnMij+βrlnRij+βplnPij+νij-μij

(2)

省份i農業生產技術效率ET,ij的估計公式為

(3)

同理，經過適當的數學推導，在技術水平一定的前提下，當產出與其他要素不變，農業用水效率EA,ij可表示為

(4)

農業用水效率即可通過以農業生產技術效率為底，農業用水彈性系數的倒數為指數計算得出[11]。

1.2 農業用水效率測評結果

表1給出了采用柯布-道格拉斯生產函數的SFA模型測算出的變量待定系數以及標準差,樣本數為195，單邊誤差檢驗值為242.212 86。根據估計結果，除了農藥使用量的系數通過了5%水平下的顯著性檢驗，農業用水、水庫數、節水灌溉類機械、第一產業勞動力、農業機械總動力這5個變量的系數都通過1%水平下的顯著性檢驗，即在1%的置信水平下，這4種變量對農業用水效率的影響顯著，是不可以剔除的變量。除此之外，農業用水、節水灌溉類機械、農業機械總動力的投入彈性為正，即對農業產值有積極的影響，增加這3種投入可以提高產出。對于整個模型來說，γ的值為0.71，介于0.1～0.9之間且通過1%的顯著性檢驗,符合隨機前沿生產函數模型適用條件。

表1 隨機前沿生產函數估計結果

通過Fronter4.1對農業生產技術效率進行測算得出結果，并將結果代入式(4)。以農業生產技術效率為底，農業用水彈性系數的倒數為指數計算農業用水效率。表2為農業生產技術效率以及農業用水效率結果的均值、最大值、最小值以及標準差。在研究期內，農業生產技術效率值和農業用水效率值均小于1，表明糧食主產區農業生產技術效率和農業用水效率都存在較大潛力，因此研究農業用水效率值及其影響因素十分有必要。

表2 糧食主產區農業生產技術效率和農業用水效率統計

根據表2可知，糧食主產區農業生產技術效率均值是0.51，即糧食主產區實際產出僅為該條件下最大產出的51%，通過技術效率的提高，農業產值的提升潛力為49%。技術效率值最大是0.90，最小是0.21，不同地區之間農業生產技術效率差距較大。除此之外，農業生產技術效率的標準差略小于農業用水效率的標準差，也就是說，相較于農業用水效率，各個省(自治區)的農業生產技術效率更集中。

糧食主產區農業用水效率普遍低于生產技術效率，換言之，農業用水投入效率低于所有投入的平均效率值，其均值僅為0.32，即生產相同的農業產值，提高農業用水效率可以最大節約68%的農業用水。用水效率最大值是0.83，最小值是0.06，可見糧食主產區農業用水地域差異大、浪費現狀嚴重，具有顯著的節約潛力。本文測算的農業用水效率與劉維哲等[12]的陜西關中地區小麥測算結果一致，低于王學淵等[11]針對我國用水效率的測算結果，可能是由所選地域不同，各地區節水意識、要素稟賦、生產技術等因素各有不同導致。

本文測算了2005—2019年糧食主產區13個省(自治區)的農業用水效率，表3以5 a為一階段，分別列出了2005年、2009年、2014年、2019年糧食主產區的13個省(自治區)的測算結果。計算出15 a各省(自治區)農業用水效率的平均值及年均增長率，并對各個省(自治區)的農業用水效率均值排序。13個省(自治區)中大于農業用水效率平均值的有6個省(自治區)，小于農業用水效率平均值的有7個省(自治區)，總體分布較均勻。

表3 2005—2019年糧食主產區農業用水效率測算值

按照排序來看，農業用水效率均值處于0.5～1之間的只有遼寧、湖北和四川，其他各省(自治區)的農業用水效率均值低于0.5，其中農業用水效率最低的是安徽，僅有0.117。農業用水效率相對較低的省(自治區)主要集中分布在我國的華中和華北地區，且效率均值集中在0.1～0.3，說明糧食主產區農業用水效率具有很大的提升潛力。2005—2019年糧食主產區農業用水效率呈現逐年增長的走勢，效率值從2005年的0.24增長到2019年的0.40，年均增長率為5.16%。其中安徽省年均增長率最高，達到8.45%。

2 實證分析

2.1 變量選擇與數據來源

2.1.1變量選擇

我國的農業用水中91%用于農田灌溉，少部分用于農村牲畜飲用，因此本文主要考慮農田灌溉用水效率的影響因素。鑒于之前眾多國內外學者對農業用水效率影響因素的研究，結合糧食主產區現狀，本文將可能存在的影響因素分為氣候條件、生產要素、技術水平、結構因素4大類[13]。

a.氣候條件。我國糧食主產區13個省(自治區)經緯跨度大，各地氣候差異較大且水資源分布不均，氣候條件存在明顯的地域性差異。農業生產中水資源利用與氣候條件相關，因此選取主要地區日照時長(Z1)、主要城市平均氣溫(Z2)作為氣候條件指標。

b.生產要素。對于我國糧食主產區，降水量、農業用水、地下水資源是農業水資源主要來源。因此選取主要城市年均降水量(Z3)、農業用水占總用水量的比例(Z4)、地下水資源(Z5)作為水資源投入的指標。

c.技術水平。技術進步對農業用水效率地提升具有積極的作用，有效灌溉面積是衡量農業生產單位和地區水利化程度的指標，因此選用有效灌溉面積(Z6)作為技術條件的指標進行分析。

d.結構因素。不同農作物生產過程中對水資源的需求程度和需求階段不同，選取稻谷占農作物播種面積的比例(Z7)、小麥占農作物播種面積的比例(Z8)以及玉米占農作物播種面積的比例(Z9)作為結構因素的指標[14]，探討種植結構對農業用水效率的影響。

此外，本文試圖探討農業節水政策是否對農業用水效率產生影響。2011年中央一號文件首次提出“三條紅線”，明確用水效率控制紅線，因此選取2011年為時間節點，檢驗“三條紅線”政策發布前后糧食主產區用水效率是否發生較大的改變，于是引入以下虛擬變量：

(5)

2.1.2數據來源

本文所使用的是2005—2019年糧食主產區的數據，選取氣候條件、技術水平、生產要素、結構因素4方面的9個變量以及1個虛擬變量，進行農業用水效率影響因素的研究。數據來源于《中國農村統計年鑒(2005—2019)》《中國統計年鑒(2005—2019)》、中國水資源公報(2005—2019)以及各省(自治區)部分年鑒和水資源公報。采用主要城市年均降水量、日照時長以及平均氣溫的均值代替糧食主產區省份數據。所有投入產出變量的描述性統計見表4。

表4 投入產出變量的描述性統計

2.2 模型設定

將測算得到的2005—2019年糧食主產區每年的農業用水效率值平均值作為被解釋變量，進一步研究農業用水效率的影響因素。參考相關文獻[15]，得到Tobit模型如下：

(6)

式中：EA,i為第i年糧食主產區農業用水效率，當效率值小于等于0時取0，當效率值大于等于1時取1；α0為常數項；Zi為第i年糧食主產區影響農業用水效率的解釋變量，包括年均日照時長、年均氣溫、年均降水量、農業用水占總用水量的比例、地表水資源、有效灌溉面積、稻谷占農作物播種面積地比例、小麥占農作物播種面積地比例以及玉米占農作物播種面積地比例；D為時間虛擬變量；αi為投入要素的待定系數；αD為虛擬變量的待定系數；εi為隨機擾動項，服從正態分布。

2.3 實證結果與統計分析

運用Eviews10.0進行Tobit模型估計，結果見表5。

表5 Tobit模型估計結果

a.從氣候條件來看，主要城市日照時長的年變化量不具有規律性，因此日照時長對農業用水效率的提升并沒有顯著的作用，而主要城市平均氣溫的升高導致土壤干旱，加快了灌溉用水的下滲率，增加農作物的吸收，進而增加了用水效率值。

b.從生產要素來看，主要城市降水量對糧食主產區農業用水效率有負向關系，但結果并不顯著，可見農業用水效率與自然降水量無明顯聯系。農業用水占總用水量的比例對效率值有正向影響，即農業用水占比的增加會提高效率值，與現實規律相符。地下水資源對效率值有正向影響，相較于其他農業用水來源，地下水資源可隨時獲得并使用，因此地下水資源的增加會提高效率值。

c.從技術水平來看，有效灌溉面積的增加可以顯著提高農業用水效率值。隨著農業技術的發展進步，噴灌、滴灌等新型節水灌溉方式得到推廣，大型農場配備節水灌溉設施，很大程度上減少了漫灌引發的農業用水浪費，提高了效率值[16]。

d.從結構因素來看，稻谷占農作物播種面積的比例對用水效率的正向影響不顯著、小麥占農作物播種面積的比例和玉米占農作物播種面積地比例對效率值的影響為正，這可能是由于水稻是喜水作物，易造成水資源大量浪費，而小麥和玉米生長過程對于水的需求量較少，因此其播種面積占比的增加會提升效率值。時間虛擬變量方面，回歸系數數值很小，由此猜測2011年“三條紅線”政策的發布沒有精準落實到農業用水方面，農業生產者對于國家政策并不敏感，農民節水意識的培養仍需加強。

3 結論與建議

3.1 結論

a.農業生產技術效率大于農業用水效率。農業生產技術效率和農業用水效率大多分布在0.2～0.8之間，且所有效率值均小于1，表明糧食主產區農業生產技術效率和農業用水效率都具有較大的節水潛力。但是農業用水效率普遍低于農業生產技術效率，即農業用水投入效率低于所有投入的平均效率值。糧食主產區農業用水效率隨著時間呈上升趨勢，效率值從2005年的0.24增長到2019年的0.4，年均增長率為5.16%。農業用水效率均值是0.32，即在平均農業產值水平下，農業用水效率的提升潛力達到了68%。此外，糧食主產區農業用水還存在地域差異大、浪費現狀嚴重的問題，農業用水效率值較高的省(自治區)主要分布在東北平原，相對較低的省(自治區)主要分布在我國的華中和華北地區，最低的是安徽省。

b.農業用水效率受多種投入要素影響。對農業用水效率影響因素的研究發現，大部分變量都通過了1%置信水平下的顯著性檢驗。主要城市年均氣溫、農業用水占總用水量的比例、地表水資源、有效灌溉面積、小麥占農作物播種面積的比例以及玉米占農作物播種面積的比例這六個變量數值的增加對效率值有顯著的正向影響。而2011年“三條紅線”政策對農業用水效率的促進作用并不明顯，究其原因可能是農民節水意識薄弱，新型節水灌溉方式和先進的灌溉設備的推廣難度大，成效小，分散化、粗放化的家庭式耕種模式使得農業生產的規模效應難以充分發揮，農業用水浪費現象嚴重。

3.2 提高糧食主產區農業用水效率的建議

a.創新農業用水分配方式。大部分農業用水屬于公共資源，水資源產權不明導致農業用水浪費現象頻發，易造成公地悲劇，農業用水效率提升難度大。因此創新農業用水分配方式是提高農業用水效率的關鍵。我國應在保證公平的基礎上綜合考慮水權分配和水量分配，給予農戶剩余水的處置權，并在信息對稱的前提下適當進行政府干預。

b.高效利用和及時引進農業節水設施。糧食主產區的節水灌溉類機械占全國總量的63.52%，但對農業產值的影響系數僅為0.13，可見盲目增加節水灌溉類機械數量不能持續性提高農業生產效率。地方政府應組織修繕、改造節水灌溉類機械設施，減少因設備老化造成的水資源浪費。此外，還應加大宣傳力度，增強農戶節水意識，通過“以舊換新”、“低息購買”等方式鼓勵農戶購買先進節水灌溉機械。

c.增加農業水資源供給。糧食主產區存在農業用水緊缺、用水效率相對較低、面源污染嚴重等問題，為保障糧食主產區穩產以及國家糧食安全，需盡量增加糧食主產區農業用水供給。一方面，針對河北省、內蒙古自治區以及遼寧省等水資源匱乏的地區，應科學規劃南水北調未開工路線，加大對以上省份的水資源供給，緩解生活、工業用水對農業用水的擠占。另一方面，須加強農業面源污染綜合治理，克服農村環境基礎設施短板，積極推進農村生活污水處理設施的規劃與建設工作。

d.因地制宜優化種植結構。各糧食主產區應基于所在區域的水資源狀況，調整、優化農作物種植結構，探索新型種植模式。水資源充沛的地區可優先種植耗水量較高的農作物，水資源匱乏地區則應種植耗水量較少的農作物。此外，需充分考慮糧食主產區特殊的氣候特征，力求建立農作物需水周期與降水時期相匹配的節水型種植結構，從而實現“適水高效種植”之目標。