黃河流域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中水土資源優(yōu)化配置研究*

劉 靜，梅旭榮，連煜陽，薛 莉※

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學院，北京 100081；3.國家統(tǒng)計局北京調(diào)查總隊，北京 100054）

0 引言

黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，也是脫貧攻堅與鄉(xiāng)村振興銜接的重點區(qū)域，推進黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，事關我國經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)安全，事關黃河沿岸人民美好生活愿望的實現(xiàn)，是黨中央回應社會重大關切，保障黃河長治久安做出的重要部署。黃河流經(jīng)的9個省區(qū)，流域總人口4.2 億，占全國30.3%；地區(qū)生產(chǎn)總值23.9 萬億元，占全國26.5%；全域涉及多個國家重點生態(tài)功能區(qū)及農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，糧食和肉類產(chǎn)量約占全國1/3，推動黃河流域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展是實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的題中應有之義，也應成為踐行黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的首善之舉。

實現(xiàn)黃河流域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，首先要深刻把握質(zhì)量的問題。從內(nèi)涵上來說，高質(zhì)量發(fā)展是更好滿足人民不斷增長的物質(zhì)文化需求的生產(chǎn)方式、結構、動力狀態(tài)[1]。從外延上來看，黃河流域高質(zhì)量發(fā)展不僅要提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的產(chǎn)品質(zhì)量和效率，更要保障生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展。當前，農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的根本矛盾仍然是農(nóng)業(yè)資源利用與生態(tài)環(huán)境脆弱性的矛盾。由于黃河流域上中下游自然條件和農(nóng)業(yè)資源分布的巨大差異，解決農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展問題需要在保護生態(tài)環(huán)境的底線上進行全域統(tǒng)籌，直面農(nóng)業(yè)資源的剛性約束，按照習近平總書記的要求，“從實際出發(fā)，宜水則水、宜山則山，宜糧則糧、宜農(nóng)則農(nóng)，宜工則工、宜商則商，積極探索富有地域特色的高質(zhì)量發(fā)展新路子”。

水資源是黃河流域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，也是制約黃河流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的最大短板之一[1]。黃河流域大部分處于干旱與半干旱地區(qū)，水資源條件先天不足，加之數(shù)千年來對水資源的大規(guī)模開發(fā)利用，使得黃河流域的地表植被、水資源數(shù)量以及生態(tài)環(huán)境問題日益加劇，已經(jīng)超出了流域的生態(tài)環(huán)境承載力，水資源保障形勢嚴峻。黃河流域總人口占全國的30%，但黃河流域水資源總量僅為全國的2%，人均占有量僅為全國平均水平的27%，而水資源開發(fā)利用率高達80%，遠超一般流域40%的生態(tài)警戒線。水資源利用較為粗放、農(nóng)業(yè)用水效率不高是推進黃河流域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展亟待解決的問題。

堅持“以水而定、量水而行”，著力實現(xiàn)水資源的合理配置和高效利用是黃河流域推進農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的原則遵循。在水資源成為農(nóng)業(yè)發(fā)展剛性約束的現(xiàn)實條件下，水土資源優(yōu)化配置是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基礎，也是破除農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展難題的一劑良方，如何實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水土資源的優(yōu)化配置是值得研究的關鍵問題。回答這一問題對于黃河流域水資源優(yōu)化利用，特別是黃河上游生態(tài)脆弱地區(qū)水資源節(jié)約高效利用具有重要的現(xiàn)實意義。經(jīng)典農(nóng)業(yè)生產(chǎn)函數(shù)中，水資源是外生給定且無限供給的，進入生產(chǎn)函數(shù)的只是土地、勞動力和資本，尤其是土地資源優(yōu)化利用決定著整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制度的選擇。在這樣的基礎上，經(jīng)濟學家認為土地資源優(yōu)化是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決定性因素。但是，對干旱地區(qū)而言，水資源的稀缺性凸顯，成為決定農(nóng)業(yè)產(chǎn)量最為重要的生產(chǎn)要素，這一特征意味著，水資源必須作為內(nèi)生變量納入生產(chǎn)函數(shù)，農(nóng)業(yè)資源的優(yōu)化配置問題，需在水資源剛性約束下加以考量。文章選擇以水資源剛性約束最為凸顯的黃河流域上游寧夏北部到河套地區(qū)同屬干旱半干旱草地荒漠過渡帶M 縣為例。該縣年降水量均不足200mm，平均海拔基本在1 000~1 400m，戈壁荒漠面積比重大，年均氣溫7~9℃，地勢平坦，農(nóng)業(yè)灌溉條件優(yōu)越，人均耕地面積在0.3hm2以上。與M 縣水土資源氣候條件類似區(qū)域約占黃河上游流域面積的50%，總流域面積的1/4，M 縣是黃河流域干旱半干旱地區(qū)的典型代表。該文運用M 縣1 933 份農(nóng)戶實地調(diào)研數(shù)據(jù)，重點聚焦黃河流域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中水土資源優(yōu)化配置問題，按照政府管控與市場調(diào)節(jié)相結合的資源配置研究思路，考慮采取調(diào)整配水方案與調(diào)整水價提高水資源利用效率，對農(nóng)業(yè)用水方案調(diào)整和節(jié)水潛力進行情景分析與測算，為落實黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略提供實踐路徑。

1 文獻回顧

黃河流域的生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展問題歷來備受關注，特別是隨著黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展確立為國家重大發(fā)展戰(zhàn)略，圍繞黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的學術研究不斷深入。現(xiàn)有研究重點探討了黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)涵、面臨的突出問題及推進方略。

1.1 黃河流域高質(zhì)量發(fā)展內(nèi)涵

黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)涵豐富，主要包括3個層面：一是經(jīng)濟增長的穩(wěn)定性。高質(zhì)量發(fā)展意味著在繼續(xù)壯大經(jīng)濟總量的同時，更要提升經(jīng)濟增長的質(zhì)量和效益[1]，從而保持經(jīng)濟增長的穩(wěn)定。隨著市場的逐漸飽和，穩(wěn)定的經(jīng)濟增長需要進一步優(yōu)化經(jīng)濟結構，充分利用資源配置的效率[2]。經(jīng)濟的內(nèi)在驅(qū)動力不應只是粗放式的投入，更要通過科技創(chuàng)新提升技術效率，補充新的經(jīng)濟增長點[3]。二是社會發(fā)展的均衡性。黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的基本特征是全面兼顧，需要全域視角下的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。過往以行政區(qū)域為地理單元的發(fā)展存在一定局限性，產(chǎn)生了廣泛的發(fā)展不均衡的問題。因此，以自然地理或生態(tài)系統(tǒng)為單元的發(fā)展對于均衡發(fā)展有重要的意義。就黃河流域來說，均衡的社會發(fā)展需要進一步發(fā)揮地區(qū)比較優(yōu)勢，“宜山則山、宜水則水”，積極探索地區(qū)特色的高質(zhì)量發(fā)展道路[4]。三是生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性。保持良好的生態(tài)環(huán)境是黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的根本保障，也是市場經(jīng)濟發(fā)展的剛性約束[5]。一個基本的理念導向是，黃河流域的高質(zhì)量發(fā)展要從工業(yè)文明過渡到生態(tài)文明，關注人和社會關系的同時，還要關注人與自然的關系[6]。也即，市場經(jīng)濟的生產(chǎn)要素不僅包括傳統(tǒng)的土地、勞動力、資本，還要囊括生態(tài)生產(chǎn)要素，并正視其稀缺性。由于生態(tài)保護通常難以通過市場機制來實現(xiàn)，黃河流域市場經(jīng)濟的發(fā)展也依賴公共經(jīng)濟的發(fā)展[7]。

1.2 黃河流域高質(zhì)量發(fā)展面臨的水土資源問題及水土資源優(yōu)化配置研究

黃河流域高質(zhì)量發(fā)展面臨資源剛性約束、空間開發(fā)失調(diào)、基礎設施與中心城市發(fā)展滯后、產(chǎn)業(yè)關聯(lián)不足、治理效率低下等多重制約[6]。黃河流經(jīng)的地區(qū)多為干旱半干旱地區(qū)，水資源量有限，而生態(tài)建設、經(jīng)濟發(fā)展、生活用水需求呈不斷增長趨勢，特別是水資源支撐生態(tài)修復和環(huán)境保護的需求凸顯，現(xiàn)有水資源配置格局難以滿足新需求，導致水資源供需矛盾突出[7,10]。除先天不足的資源性缺水問題外，黃河流域水資源還存在后天失養(yǎng)的問題，水資源利用粗放，水量調(diào)度效率不高，用水結構和方式不合理，水資源過度開發(fā)，超過國際生態(tài)警戒線，現(xiàn)有分水方案對水資源衰減狀況考慮不足，工農(nóng)業(yè)和生活用水對生態(tài)用水造成嚴重擠壓，生態(tài)用水保障不足，嚴重威脅全流域生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展[6,8,11]。

此外，學界在水土資源優(yōu)化配置研究方面已形成了大量研究成果，對該文展開“黃河流域水土資源優(yōu)化配置研究”具有重要借鑒意義。水土資源優(yōu)化配置的研究方法經(jīng)歷了較長的發(fā)展歷程，最初的研究方法多為單一的數(shù)學規(guī)劃法，主要有動態(tài)規(guī)劃法[12]、隨機動態(tài)規(guī)劃[13]、線性規(guī)劃[14]、機會約束線性規(guī)劃[15]、非線性規(guī)劃[16]。隨著1982 年在美國舉行的“水資源多目標分析”會議和1987 年“可持續(xù)發(fā)展”概念的提出，多目標規(guī)劃被相繼用于水資源優(yōu)化配置中以協(xié)調(diào)經(jīng)濟、社會、環(huán)境、生態(tài)等系統(tǒng)的發(fā)展[17]，常見的多目標優(yōu)化方法有目標權重法、灰色分析法、妥協(xié)約束法、熵權系數(shù)法、模糊優(yōu)選理論、有序度熵模型、進化算法等[18-20]。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，新的優(yōu)化算法應運而生，包括粒子群算法[21]、遺傳算法[22]、人工魚群算法、模擬退火算法[23]、蟻群算法[24]等。農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置問題涉及到自然條件、水土資源開發(fā)利用的政策要求、國家和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境改善等，含有大量的不確定性因素，運用不確定性的優(yōu)化理論進行研究是較為合理的做法。現(xiàn)有研究多以典型地區(qū)案例為載體，利用不同的方法對水土資源優(yōu)化配置進行測算。Huang[25]研究團隊開發(fā)了一系列水土資源優(yōu)化配置多重不確定性模型及相應解法；Li 等[26]根據(jù)灌區(qū)實際情況，詳細闡述如何利用ITSP 模型對各作物進行優(yōu)化配水，并將整合的模糊隨機規(guī)劃方法應用于灌溉水量優(yōu)化配置實例研究中；張展羽等[27]在人工魚群算法的基礎上，利用多階段人工魚群算法對建立的農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置模型進行求解；雷鳴等[28]應用多元優(yōu)化模型及遺傳算法，在土地面積、宏觀計劃約束、糧食產(chǎn)量約束、市場約束等條件下，追求流域水資源平衡，同時保障糧食產(chǎn)量最大化，得到黃淮海平原區(qū)土地利用結構優(yōu)化方案；李茉[29]以黑河中游綠洲為研究對象，構建適合不同尺度的農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置不確定性模型體系并探討其解法；趙建明[30]以民勤縣3個灌區(qū)為研究對象，從水資源合理利用的角度出發(fā)重點研究灌區(qū)尺度多要素協(xié)同提升的農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方法與模型。

1.3 推進黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的對策

生態(tài)環(huán)境脆弱和資源環(huán)境的高負載是黃河流域的基本態(tài)勢，流域整體水資源匱乏將是常態(tài)，節(jié)約高效用水既是當前面臨的突出問題，也將是長期存在的嚴峻形勢[31]。破解黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的關鍵在于實施好水戰(zhàn)略，做好水資源的保護、水生態(tài)恢復、水環(huán)境改善、水災害治理以及水監(jiān)管[9]，平衡好保護和發(fā)展、當前和未來，以及區(qū)域與行業(yè)間的需求[32]。促進黃河流域水資源合理利用需要多管齊下：一是統(tǒng)籌考慮生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水以及地下水資源的分配，既要保障產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合理需求，又要預留足夠的生態(tài)需水，根據(jù)資源環(huán)境承載力及生態(tài)修復保護的需求，調(diào)整現(xiàn)有黃河水資源配置方案，優(yōu)先保障生態(tài)用水[10,11,33]。二是大力發(fā)展節(jié)水產(chǎn)業(yè)和技術，推進精準深度節(jié)水，特別是農(nóng)業(yè)節(jié)水[7,8,10]，提高糧食、能源行業(yè)的全要素生產(chǎn)率，減少水資源浪費[2]，推動用水方式由粗放向節(jié)約集約轉變。三是建立水權交易制度，制定差異化的水價體系，提高水資源利用效率[4,11,32]。四是實施最嚴格的水資源管理制度，抑制不合理用水需求[6]；加強黃河流域的空間管控，調(diào)整種植業(yè)結構，提高水土資源開發(fā)效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置[34]。五是協(xié)調(diào)好人地關系[4]，實施資源型調(diào)水，以及防范水資源環(huán)境風險[6]。六是以區(qū)域功能確定水資源利用模式，推行適水發(fā)展，上游地區(qū)承擔著水源涵養(yǎng)生態(tài)功能，要重點強化生態(tài)治理，中下游地區(qū)重點治理水土流失、環(huán)境污染等問題，提升重點城市群和區(qū)域的高質(zhì)量發(fā)展水平[5,6,8,32]。七是推動節(jié)水目標下農(nóng)業(yè)水價改革，創(chuàng)新農(nóng)業(yè)水價定價模式，推動多方參與水價形成機制，加強水費收繳管理，實現(xiàn)水價節(jié)水激勵機制[35-38]。

現(xiàn)有研究圍繞黃河流域高質(zhì)量發(fā)展面臨的形勢與問題，重點從宏觀層面提出了生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展要求下黃河流域發(fā)展策略。基于現(xiàn)有研究的分析，可以明確黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的最大瓶頸是水資源，實現(xiàn)水資源的合理利用是推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的首要任務。現(xiàn)有研究結論提示，促進水資源合理利用的著力點可以聚焦于兩方面，一是合理調(diào)度水資源，匹配黃河流域面臨的形勢與高質(zhì)量發(fā)展的新要求，調(diào)整生產(chǎn)生活生態(tài)配水方案，優(yōu)化水資源配置；二是節(jié)約高效利用水資源，發(fā)揮市場調(diào)控作用，轉變水資源粗放利用方式，抑制不合理用水需求。推進黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，做好水的文章是關鍵，現(xiàn)有研究基于宏觀層面的分析為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展把脈定調(diào)發(fā)揮了積極作用，但怎么利用好有限的水資源？針對黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的要求，如何調(diào)整水資源配置？具體實踐層面的研究較為欠缺。特別是在黃河流域生態(tài)治理緊迫性凸顯，生態(tài)用水需求強烈的形勢下，如何發(fā)揮各行業(yè)的節(jié)水潛力，為生態(tài)用水提供更大的空間是迫切需要研究的問題。

2 模型設定與數(shù)據(jù)來源

2.1 模型設定

農(nóng)業(yè)水土資源的優(yōu)化問題已有較為豐富的研究，但大多是將水資源優(yōu)化配置和土地資源優(yōu)化配置兩者分開進行研究，研究學者多為水利工程相關專業(yè)，主要從水土資源管理角度，構建水土資源優(yōu)化配置模型，研究方法多為工程管理領域應用的計量方法。該文從經(jīng)濟學角度切入，基于柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物生產(chǎn)單方用水收益最大化實現(xiàn)條件，推導出“以水定土、以土量水”的水土資源優(yōu)化模型。在對其進行實地調(diào)研的基礎上，計算主要農(nóng)作物成本收益，測算不同配水方案及水價情景下，農(nóng)作物的最優(yōu)種植面積，同時，測算不同節(jié)水目標下，農(nóng)作物種植面積的調(diào)整策略，以期為黃河流域水資源合理規(guī)劃、種植結構優(yōu)化布局提供決策參考。

2.1.1 農(nóng)作物生產(chǎn)模型

對每種農(nóng)作物生產(chǎn)，目標就是在給定生產(chǎn)用水價格和產(chǎn)品價格的條件下，如何合理調(diào)配生產(chǎn)用水及其他投入品的用量，使生產(chǎn)達到最優(yōu)。

滿足：

式（1）（2）中，i表示第i種農(nóng)作物；v表示生產(chǎn)用水價格；mi表示第i種農(nóng)作物生產(chǎn)用水量；wi表示用于第i種農(nóng)作物的除生產(chǎn)用水以外所有其他投入品的綜合價格；si表示用于第i種農(nóng)作物的除生產(chǎn)用水以外所有其他投入品的單位面積用量；Ei表示第i種農(nóng)作物的單位面積生產(chǎn)支出；Fi（vmi，wisi，Ei）表示第i種農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量函數(shù)；fi(mi，si)表示第i種農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量。

為簡單起見，假定用于各種農(nóng)作物的生產(chǎn)用水價格相同，每種農(nóng)作物生產(chǎn)中除生產(chǎn)用水以外所有其他投入品歸納為一種投入品；每種農(nóng)作物的生產(chǎn)函數(shù)簡化為生產(chǎn)用水量和其他投入品用量的函數(shù)，并進一步假定生產(chǎn)函數(shù)為柯布-道格拉斯函數(shù)，函數(shù)形式為：

此時，該規(guī)劃問題變?yōu)椋?/p>

滿足：

一階導數(shù)條件為：

式（5）（6）相除，可得：

即：αi與βi之比，等于單位面積生產(chǎn)用水支出與其他投入品支出之比。不失一般性，進一步假定αi+βi= 1，即規(guī)模報酬不變（constant return to scale），則αi即為生產(chǎn)用水支出的比重，βi即為其他投入品支出的比重。

從一階導數(shù)條件，可得：

2.1.2 農(nóng)作物總產(chǎn)模型

對于所有在生產(chǎn)過程中使用水的農(nóng)作物，目標就是給定生產(chǎn)用水使用總量，如何合理調(diào)整生產(chǎn)用水價格和各個作物的種植面積，在各種作物之間合理地分配生產(chǎn)用水量并使農(nóng)作物生產(chǎn)單方用水收益最大。

約束條件為：

式（11）至（13）中，M表示生產(chǎn)用水量；pi表示第i種農(nóng)作物的市場價格；Ai表示i種農(nóng)作物的總面積。

根據(jù)Fi(v，wi，E)函數(shù)的形式，問題可變?yōu)榍蠼猓?/p>

約束條件為：

則拉格朗日方程為：

得一階導數(shù)條件：

γ為生產(chǎn)用水量對農(nóng)作物生產(chǎn)的影子價格，即約束條件式（17）的松馳對農(nóng)作物生產(chǎn)總收益的邊際貢獻值。根據(jù)式（20）和式（22），γ與生產(chǎn)用水限量、每個作物的種植面積、每種農(nóng)作物的生產(chǎn)支出成反比，與生產(chǎn)用水的市場價格成正比，與所有作物生產(chǎn)用水支出的比重之和成正比，但與單個作物的生產(chǎn)用水支出的比重成反比。據(jù)此得出：放松對生產(chǎn)用水量的控制對農(nóng)作物生產(chǎn)總收益的邊際貢獻值隨生產(chǎn)用水量的遞增而遞減，隨每個作物的種植面積遞增而遞減，隨每個作物的生產(chǎn)支出遞增而遞減，也隨每個作物的生產(chǎn)用水支出的比重遞增而遞減；放松對生產(chǎn)用水量的控制對農(nóng)作物生產(chǎn)總收益的邊際貢獻值隨生產(chǎn)用水的價格遞增而遞增，也隨所有作物生產(chǎn)用水支出的比重之和遞增而遞增。

根據(jù)式（20）和式（22），可得：

式（25）給出了生產(chǎn)用水量M、每種作物的種植面積Ai、生產(chǎn)用水價格v、每種農(nóng)作物的生產(chǎn)支出Ei、每種農(nóng)作物生產(chǎn)用水支出的比重αi和所有作物生產(chǎn)用水支出的比重之和的關系。據(jù)此關系式，可以根據(jù)不同的條件，給出相應的農(nóng)作物最優(yōu)用水方案和最佳種植面積方案。

進一步考慮生產(chǎn)用水價格的影響，根據(jù)式（25），用每種作物的播種面積對生產(chǎn)用水價格求導，并進行類似的“斯拉茨基分解”為：

2.2 數(shù)據(jù)來源

依據(jù)上述模型計算方法，測算每種農(nóng)作物最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模，需要每種農(nóng)作物詳細的生產(chǎn)成本投入和效益數(shù)據(jù)。為了掌握真實有效數(shù)據(jù)，保證模型測算結果，該研究將調(diào)查問卷分為大田作物、設施作物和種草養(yǎng)畜三大類，在該縣17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共收集農(nóng)戶調(diào)查問卷1 933份，表1詳細列出了每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)大田、設施和種草養(yǎng)畜的問卷數(shù)。大田作物問卷894份，主要涵蓋小麥、玉米、葵花、茴香、西瓜、葫蘆（白瓜籽）；設施作物問卷517 份，主要涵蓋蕃茄、人參果、蜜瓜、西瓜、沙蔥、小乳瓜、辣椒、西葫蘆等13 種農(nóng)作物；種草養(yǎng)畜問卷520 份，苜蓿種植245 份，養(yǎng)羊273 份，養(yǎng)牛2 份。問卷作物分布詳細情況見表2。

表1 M縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)問卷分布

表2 M縣作物問卷分布

3 實證結果與分析

3.1 設施作物與大田作物成本收益

根據(jù)農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)，M縣設施作物主產(chǎn)品單產(chǎn)水平為79 277.85kg/hm2，大田作物主產(chǎn)品單產(chǎn)水平為9 113.25kg/hm2；設施作物單位面積總收入達25.52 萬元/hm2，大田作物單位面積總收入為3.86萬元/hm2，設施作物單位面積收入約為大田作物的6.61 倍；設施作物單位面積收益為14.03 萬元/hm2，大田作物單位面積收益為2.39萬元/hm2，設施作物單位面積收益約為大田作物的5.87 倍；設施作物單位面積成本為11.48 萬元/hm2，其中，水費支出占總成本的2%，種苗費占總成本的22%，肥料費占總成本的25%，大棚及設備折舊費占總成本的24%；大田作物單位面積成本為1.47 萬元/hm2，其中，水費支出占總成本的25%，種苗費占總成本的11%，肥料費占總成本的25%。設施作物總用水量為6 123.45m3/hm2，大田作物總用水量為9 210.3 m3/hm2，大田作物用水量約為設施作物用水量的1.5 倍；設施作物單方水收入為41.67 元/m3，大田作物單方水收入為4.19 元/m3，設施作物單方水收入約為大田作物的9.9 倍；設施作物單方水收益為22.92元/m3，大田作物單方水收益為2.60元/m3，設施作物單方水收益約為大田作物的8.8倍（表3）。

表3 M縣設施作物和大田作物成本收益

3.2 多情景最優(yōu)種植規(guī)模測算

M 縣灌溉水源主要來自于渠灌和井灌，其中，渠灌水價為0.35 元/m3，井灌水價為0.43 元/m3。M縣農(nóng)田灌溉配水總量為21 962 萬m3，其中，設施作物配水量為1 838.85 萬m3，大田作物配水量為20 123.15萬m3。

情景一：以M 縣現(xiàn)狀為基準，保持現(xiàn)行水價及配水方案不變。在當前農(nóng)田配水總量下，根據(jù)單方水收益最大化實現(xiàn)條件，計算得出，設施作物種植面積為1.10 萬hm2，單位面積用水量為1 670.55m3/hm2；大田作物種植面積為7.27 萬hm2，單位面積用水量為2 769m3/hm2；即總種植面積為8.37 萬hm2時，單方水收益達到最大值，其中，設施作物單方水收益為85.14 元/m3，大田作物單方水收益為9.61 元/m3（表4）。測算結果顯示，實際用水量遠大于單方水收益最大化的用水量，其中，設施作物實際用水量比單方水收益最大化的用水量高4 452.90m3/hm2，大田作物實際用水量比單方水收益最大化的用水量高6 441.3m3/hm2；而實際單方水收益顯著低于最優(yōu)單方水收益，其中，設施作物實際單方水收益比最優(yōu)收益低62.22 元/m3，大田作物實際單方水收益比最優(yōu)收益低7.01 元/m3。通過對比可看出，實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在水資源低效利用，或在同等收益下，過量投入水資源的問題，M 縣具有較大節(jié)水空間和水資源利用效率提升空間。以水資源節(jié)約利用為目標，農(nóng)田灌溉配水量依次減少20%、30%、50%，計算實現(xiàn)單方水收益最大化，設施作物和大田作物適宜的種植面積。結果顯示，設施作物種植面積調(diào)減至0.88萬hm2，大田作物種植面積調(diào)減至5.81 萬hm2，總種植面積減少至6.69 萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少20%；設施作物種植面積調(diào)減至0.77 萬hm2，大田作物種植面積調(diào)減至5.09 萬hm2，總種植面積減少至5.86 萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少30%；設施作物種植面積調(diào)減至0.55 萬hm2，大田作物種植面積調(diào)減至3.63 萬hm2，總種植面積減少至4.18 萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少50%，同時，可保證原收益水平不變。

表4 情景一不同配水量最優(yōu)種植規(guī)模測算

情景二：保持M縣現(xiàn)行水價不變，改變配水方案，使設施作物配水量增加一倍，由目前的1 838.85萬m3增加為3 677.7 萬m3；大田作物配水量由20 123.15 萬m3減少至18 284.3 萬m3。在現(xiàn)行農(nóng)田配水總量下，根據(jù)單方水收益最大化條件，計算設施作物與大田作物合適的種植面積。此時，設施作物種植面積增至2.20 萬hm2，大田作物種植面積下降至6.60 萬hm2，總種植面積比基準水平①以情景一現(xiàn)狀水平為基準增加至8.80 萬hm2（表5）。按照情景二的配水方案，農(nóng)田灌溉配水量依次減少20%、30%、50%，計算實現(xiàn)單方水收益最大化，設施作物和大田作物適宜的種植面積。結果顯示，在該配水方案下，設施作物種植面積比基準面積調(diào)增至1.76萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至5.28萬hm2，總種植面積比基準面積減少至7.04萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少20%；設施作物種植面積比基準面積調(diào)增至1.54萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至4.62 萬hm2，總種植面積比基準面積減少至6.16 萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少30%；設施作物種植面積保持基準面積1.10 萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至3.30 萬hm2，總種植面積比基準面積減少至4.40萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少50%，同時，仍可保證總收益水平不變。

表5 情景二不同配水量最優(yōu)種植規(guī)模測算

情景三：保持M 縣配水方案不變，水價提高一倍，渠灌水價由0.35 元/m3提高至0.7 元/m3，井灌水價由0.43元/m3提高至0.86元/m3。在現(xiàn)行農(nóng)田配水總量下，根據(jù)單方水收益最大化條件，計算設施作物與大田作物合適的種植面積。此時，設施作物的種植面積減少至0.68萬hm2，大田作物的種植面積減少至4.53萬hm2，總種植面積比基準水平減少至5.21 萬hm2（表6）。按照情景三的水價方案，農(nóng)田灌溉配水量依次減少20%、30%、50%，計算實現(xiàn)單方水收益最大化，設施作物和大田作物適宜的種植面積。結果顯示，在該水價方案下，設施作物種植面積比基準面積調(diào)減至0.54萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至3.62 萬hm2，總種植面積比基準面積下降至4.17 萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少20%；設施作物種植面積比基準面積調(diào)減至0.47 萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至3.17 萬hm2，總種植面積比基準面積下降至3.64 萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少30%；設施作物種植面積比基準面積調(diào)減至0.34 萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至2.27 萬hm2，總種植面積比基準面積下降至2.60 萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少50%。需要注意的是，按照情景三的調(diào)整方案，設施作物用水量比基準水平增加至2 716.05m3/hm2，大田作物用水量比基準水平增加至4 442.10m3/hm2；而設施作物單方水收益下降至51.77元/m3，大田作物單方水收益下降至5.47元/m3。

表6 情景三不同配水量最優(yōu)種植規(guī)模測算

情景四：同時改變M 縣水價及配水方案，水價提高一倍，設施作物配水量增加一倍，相應調(diào)減大田作物配水量。在現(xiàn)行農(nóng)田配水總量下，根據(jù)單方水收益最大化條件，計算設施作物與大田作物適宜的種植面積。此時，設施作物種植面積比基準水平增加至1.35 萬hm2，大田作物種植面積比基準水平減少至4.12 萬hm2，總種植面積比基準水平減少至5.47 萬hm2（表7）。按照情景四的水價及配水方案，農(nóng)田灌溉配水量依次減少20%、30%、50%，計算實現(xiàn)單方水收益最大化，設施作物和大田作物適宜的種植面積。結果顯示，在該方案下，設施作物種植面積比基準面積調(diào)減至1.08萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至3.29 萬hm2，總種植面積比基準面積下降至4.38 萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少20%；設施作物種植面積比基準面積調(diào)減至0.95 萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至2.88 萬hm2，總種植面積比基準面積下降至3.83萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少30%；設施作物種植面積比基準面積調(diào)減至0.68萬hm2，大田作物種植面積比基準面積調(diào)減至2.06萬hm2，總種植面積比基準面積下降至2.74萬hm2時，農(nóng)田灌溉配水量可減少50%。與情景三相同，情景四單位面積用水量比基準水平增加，單方水收益比基準水平下降。

表7 情景四不同配水量最優(yōu)種植規(guī)模測算

3.3 情景優(yōu)化選擇

基于水土資源優(yōu)化模型對多情景最優(yōu)種植規(guī)模進行的測算分析表明：情景一至情景四分別實現(xiàn)了方案目標下的最優(yōu)種植規(guī)模。一方面，節(jié)水是最重要的目標，也是解決黃河流域當前水資源短缺的關鍵，僅從節(jié)水目標來看，情景一至情景四均實現(xiàn)了節(jié)水，都可以作為優(yōu)化選擇方案；另一方面，水土資源優(yōu)化配置作為該研究的重要目標，不僅要實現(xiàn)節(jié)水目標，還要考慮到當?shù)赝恋刭Y源現(xiàn)實情況，節(jié)水不能以犧牲大量種植面積為代價，否則會影響到糧食生產(chǎn)和糧食安全，更不能以犧牲農(nóng)民收益為代價，否則會影響農(nóng)民福利和社會穩(wěn)定。首先，四種情景的方案一結果顯示，單方水收益最大化條件下的作物種植面積分別為8.37 萬hm2、8.80 萬hm2、5.21 萬hm2、5.47 萬hm2（表4~7），其中，情景三和情景四犧牲了大量的作物種植面積，很可能會影響到糧食生產(chǎn)和糧食安全，所以相對情景三和情景四而言，情景一和情景二更優(yōu)；其次，比較情景一和情景二的方案二至方案四可以看到，情景二相對于情景一，在分別達到20%、30%、50%減水方案時所減少的種植面積更少，同時情景二設施作物播種面積比例大于情景一，設施作物相對于大田作物，單位收益和節(jié)水效果更好，更符合農(nóng)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展的目標。所以，綜合考慮黃河流域資源稟賦、生態(tài)環(huán)境承載力和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等因素，情景二是更適合該地區(qū)的水土資源優(yōu)化配置方案。

4 研究結論與政策啟示

4.1 研究結論

該文基于柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物生產(chǎn)單方用水收益最大化實現(xiàn)條件，推導出“以水定土、以土量水”水土資源優(yōu)化模型。運用黃河流域西北干旱區(qū)M 縣1 933份農(nóng)戶實地調(diào)研數(shù)據(jù)，計算了不同配水方案及水價情景下，農(nóng)作物的最優(yōu)種植面積；同時，測算出不同節(jié)水目標下，農(nóng)作物種植面積的調(diào)整策略。測算結果表明，在現(xiàn)行水價及配水方案下，實際用水量遠高于單方水收益最大化的用水量，而實際單方水收益顯著低于最優(yōu)單方水收益，說明實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在水資源低效利用，或在同等收益下，過量投入水資源的問題，具有較大節(jié)水空間和水資源利用效率提升空間。進一步，在保持總收益水平不變的情形下，測算出調(diào)減設施作物和大田作物種植面積可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水目標。

實地調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，設施作物收益水平顯著高于大田作物，設施作物總用水量低于大田作物，單方水收益高于大田作物。從水資源利用的比較優(yōu)勢來看，適度側重發(fā)展設施作物有利于提高水資源利用效率和收益水平。基于這一判斷，該研究進一步測算了在保持總配水量不變的情形下，調(diào)整配水方案，增加設施作物配水量，壓減大田作物配水量，設施作物和大田作物種植面積的調(diào)整策略。研究結論顯示，調(diào)增設施作物種植面積，縮減大田作物種植面積，可在當前農(nóng)業(yè)用水量下，實現(xiàn)水資源利用效益的提升。

調(diào)節(jié)水價是水資源管理的重要措施之一。針對水資源利用效率低、存在浪費現(xiàn)象的情況，提高水價，增加用水成本，有利于用水方減少浪費，采納節(jié)水技術，提高水資源利用效率。基于此，該研究測算了水價提高情景下，作物種植面積調(diào)整策略。研究結論顯示，隨著水價的提高，作物種植面積顯著縮減，在農(nóng)田配水總量不變的情形下，單位面積用水量增加，而單方水收益下降。這一特征意味著，由于作物種植面積下降，按基準水平的單位面積用水量及單方水收益水平，農(nóng)田配水量可以減少。

多情景最優(yōu)種植規(guī)模測算結果表明，當前水資源利用水平下，至少有兩條途徑可提高水資源利用率：一是調(diào)整配水方案，根據(jù)比較效益，調(diào)增具有水資源利用比較優(yōu)勢作物的配水量，進而調(diào)整該類作物的種植面積，壓減水資源利用效益較低作物的配水量，進而減少此類作物的種植面積，有利于提高收益及資源利用效率；二是調(diào)節(jié)水價，根據(jù)水資源低效利用狀況，提高水價，增加用水成本約束，以降低不合理用水需求，激勵節(jié)水技術運用，進而提高水資源利用效率。相比而言，調(diào)整配水方案的方式，側重于在當前農(nóng)業(yè)用水量下，提高水資源的產(chǎn)出收益，由于具有比較優(yōu)勢的作物獲得更多的水資源分配量，種植面積大幅調(diào)增，使得作物總種植面積呈擴增趨勢；調(diào)節(jié)水價的方式，側重于通過增加用水成本，降低用水需求，可有效減少農(nóng)業(yè)用水量，但用水成本的增加，使得作物種植面積呈下降趨勢。兩種方式下，均可在保持單方水收益不變的情況下，通過調(diào)減作物種植面積，實現(xiàn)節(jié)水目標，其中，調(diào)整配水方案的方法，達到同等節(jié)水目標，作物種植面積下降幅度較小。

4.2 政策啟示

（1）堅持“以水而定、量水而行”，推進水資源節(jié)約集約利用。堅決不能把水當做無限供給的資源，必須把水資源作為最大剛性約束，合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)水土資源配置，按照水資源利用比較優(yōu)勢，調(diào)整種植業(yè)布局，調(diào)增耗水量小、產(chǎn)出效益高的作物種植面積，結合實際，盡可能壓減耗水量大、產(chǎn)出效益低的作物種植面積；大力發(fā)展節(jié)水技術，通過技術創(chuàng)新高效推進農(nóng)業(yè)節(jié)水，以最小的水資源投入量，爭取最大化的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益。既要保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展增值，又要盡最大限度地節(jié)約集約用水。

（2）完善水資源定價機制，堅決抑制不合理用水需求。實證研究結論顯示，在水資源極度稀缺地區(qū)，依然存在水資源浪費以及低效利用問題，加劇了資源短缺程度，必須堅決遏制。較低的水價導致需求方對用水成本不敏感，缺乏節(jié)約集約用水的緊迫感，進而難以形成節(jié)約集約用水的內(nèi)生動力。在面臨經(jīng)濟建設、生態(tài)保護、農(nóng)業(yè)發(fā)展等多重用水需求的情形下，水資源的競爭性凸顯，應充分發(fā)揮市場機制在競爭性資源配置中的決定性作用，使價格能夠反映資源的稀缺程度。由市場機制主導水資源合理優(yōu)化配置，對于具有基礎性、公益性的生態(tài)產(chǎn)業(yè)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)采取價外補貼等方式給予必要補償。

（3）推動設施農(nóng)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)水土優(yōu)化與高質(zhì)量并行。實證分析結果顯示，設施作物耗水量少于大田作物，但單位面積收入遠遠高于大田作物。黃河流域本身屬于干旱半干旱氣候，設施農(nóng)業(yè)改善了設施內(nèi)氣候條件，實現(xiàn)了多季作物，高效利用水資源的同時，增加了農(nóng)民收益。在不影響大田作物最基本糧食生產(chǎn)的基礎上，設施作物的發(fā)展，可以作為優(yōu)化水土配置、實現(xiàn)黃河流域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一個選擇。

（4）堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，著重發(fā)揮農(nóng)業(yè)的生態(tài)功能。黃河治理“重在保護、要在治理”，生態(tài)保護修復和建設應是黃河流域各項工作的重中之重，特別是黃河上游生態(tài)脆弱地區(qū)，應更為側重生態(tài)保護，以打造生態(tài)功能區(qū)為首要任務，為黃河全域的保護和治理做出貢獻。農(nóng)業(yè)本身也是生態(tài)環(huán)境的一部分，具有生態(tài)功能，在生態(tài)脆弱地區(qū)應更為注重開發(fā)農(nóng)業(yè)的生態(tài)功能，發(fā)揮農(nóng)業(yè)對生態(tài)環(huán)境的支撐和改善作用。實證研究顯示，在保持單方水收益不變的情況下，可通過調(diào)減作物種植面積，實現(xiàn)節(jié)水目標。以生態(tài)優(yōu)先為原則遵循，通過適當調(diào)減作物種植面積，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，為生態(tài)用水提供更大的空間，應是黃河流域生態(tài)脆弱區(qū)的重要策略選擇。大力推廣實施節(jié)水種植技術、休耕輪作技術，不以規(guī)模論發(fā)展，向技術、管理、質(zhì)量要效益，著力提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，走質(zhì)量興農(nóng)、綠色興農(nóng)、品牌強農(nóng)的農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展之路。