基于非期望產出的河北省耕地生態效率時空演變及收斂性分析

王建鵬, 尹 士, 馬立軍, 甘天琦, 徐 磊,4

(1.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071001; 2.河北農業大學 經濟管理學院, 河北 保定 071000; 3.中南民族大學 經濟學院, 武漢 430074； 4.河北省農田生態環境重點實驗室，河北 保定 071000)

1992年生態效率被德國學家Schaltegger和Sturn提出后，受國內外眾多不同領域學者的青睞，被用于不同的領域[3-4]。國內外的研究主要集中在產品[5]、行業[6]、城市[7-8]及區域等[9]方面，而對農業生態效率，特別是耕地生態效率的研究相對較少。這與農業相較于其他產業更易受到輕視有關。隨著對農業的重視和可持續發展的必然要求，國內逐漸開展對耕地生態效率的研究，并取得顯著的成果。從研究內容的視角上，研究主要集中于生態效率的測度[10-12]、時空特征[13-15]、影響因素[16-18]、收斂性等[19-21]方面。除此之外，還有學者對以低碳視角來分析耕地生態效率的研究，如劉麗欽[22]將碳排放和碳匯納入耕地生態效率中進行測度等。從研究單元尺度視角上，耕地生態效率的研究可分為宏觀、中觀和微觀，并有逐步向微觀研究方向發展的趨勢[16]。宏觀上，即以省為研究單元，如潘丹等[23]對全國各省的農業生態效率進行測度和分析；中觀上，即以市為研究單元的研究，如張紅梅等[4]采 用DEA模型和協調發展模型分析黑龍江省各市耕地生態效率；微觀尺度上，即以縣鎮為研究單元，如王玲[24]對西吉縣各鄉鎮的耕地生態效率進行分析。從研究的方法上，關于耕地生態效率的測度有DEA模型[4]、SBM模型[23]、超效率SBM模型[15]、混合方向性距離函數模型等[25]方法進行測度。

綜上所述，已有耕地生態效率的研究成果較為豐富，為本文的選題與寫作提供了堅實的理論基礎和參考。對于耕地生態效率的研究有以下特征：從研究單元尺度上，大多從中宏觀角度考慮，以縣為研究單元研究耕地生態效率的研究還比較鮮見；從研究方法上，應用SBM模型測度耕地生態效率已經比較成熟，但考慮生態效果，即低碳減排將CO2作為非期望產出，并同時考慮社會經濟效益將農業產值和糧食產量作為期望產出的研究相對較薄弱；從研究內容上，相關研究大多分析耕地生態效率時空特征和影響因素，針對耕地生態效率收斂性的研究還較為欠缺，而分析耕地生態效率收斂水平有助于分析不同區域間耕地生態效率是否存在差異，并剖析該區域差異是否會隨時間而消失。區域內及區域之間耕地生態效率差異擴大，不僅加劇耕地生態效率較低地區的資源浪費和環境負外部效應，而且不利于農業生產的協調發展，甚至阻礙地區鄉村農業發展的步伐。基于此，本文運用MATLAB軟件，采用基于規模報酬可變的非徑向SBM模型，對2000—2017年河北省137個縣級單元耕地生態效率在考慮經濟效應、社會效應、生態效應下進行測算，并結合GIS空間分析技術，從中宏觀尺度(省域和各市，其中省域和各市的數據均為其范圍內的各縣平均值)和微觀尺度(縣級單元)出發，分析河北省耕地生態效率的時空特征，并通過收斂性分析，探究河北省全省的耕地生態效率的收斂情況，以期尋求河北省縣域耕地生態效率提升的內在機制和演變規律、縮小地區及區域間耕地生態效率的差距，為促進河北省農業向低排放、低消耗、高產出的方向發展提供決策依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

河北省位于36°03′—42°40′N，113°27′—119°50′E，其下設11個地級市，共有49個市區、21個縣級市、91個縣。東鄰北京、天津，是京津冀地區重要組成部分，北與遼寧省和內蒙古自治區接壤，西與山西省交界，南緊鄰河南省和山東省。河北省屬于大陸性季風氣候，轄內地形多樣，有平原、高原、山地和丘陵，是華北地區產糧大省[26]。市區耕地較少，而縣域耕地更具研究價值。因此，本文將137個縣域(包括縣，縣級市以及一些近幾年才劃入市區的市區)作為研究區。

1.2 數據來源

本文利用河北省縣域單元的面板數據，主要來源于2001—2018年《河北農村統計年鑒》《中國縣(市)社會經濟統計年鑒》，部分缺失數據采用插值法或相鄰兩年均值來替代。此外，為了剔除價值變動的影響，農業產值全部換算成基期為2000年的可比數據。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

耕地生態效率的研究旨在盡可能降低資源投入，不斷提高期望產出水平，同時降低非期望產出。本文評價耕地生態效率的投入指標參考劉海龍等[16]研究成果，分別取土地、勞動、機械、化肥、農膜作為資源投入。考慮社會和經濟上的影響，期望產出指標選擇糧食產量和農業產值。農業生產的糧食產量關乎社會的穩定，農業產值則關乎從事農業生產人員的收入水平。考慮生態影響，非期望產出指標選取農業碳排放。參考已有文獻[16,27-28]，結合數據可獲性及口徑一致性的原則，構建河北省耕地生態效率測度指標體系，見表1。

表1 耕地生態效率測度指標

2.2 非期望產出SBM模型

DEA作為研究組織效率的模型已被廣泛運用，并延伸到各個領域。其采用帕累托最優原理，追求一種效率境界，即只有增加投入或減少其他項產出，產出項的產量才能增加或是只有減少產出量或者增加其他投入項的量，投入項才能減少[29]。DEA測算效率也有其弊端，國內外學者不斷修正和完善，如麥氏DEA、SBM、超效率SBM，也早已將其用于農業生態效率的測算，并取得眾多學術成果[2-3,29-30]。

本文采用非期望SBM模型，其是Tone[31]在前人的基礎上提出的一種可以處理非期望產出的并考慮松弛性的模型，公式為：

(1)

(2)

式中:p為耕地生態效率值；m，a，b分別為投入、期望產出、非期望產出個數；x，yg，yb分別為投入、期望產出以及非期望產出值；λ為投入產出權重；s-，sg，sb分別為投入、期望產出、非期望產出的松弛變量。從嚴格意義來說，函數p關于s-，sg，sb單調遞減，且0≤p≤1，當且僅當p=1時決策單元效率相對有效。

2.3 空間自相關模型

耕地生態效率可能受到空間關系的影響。為了探究效率的空間關系，本文運用全局空間自相關模型分析其空間集聚特征，其公式為：

(3)

3 結果與分析

3.1 基于SBM模型的耕地生態效率分析

3.1.1 河北省省域及市域耕地生態效率分析

(1) 河北省省域耕地生態效率分析。如圖1所示，2000—2017年河北省耕地生態效率整體呈現震蕩起伏的過程，其趨勢為波動下降再波動上升。這說明18 a來河北省耕地生態效率整體上有所提升，但考慮到歷年均未達到0.8，說明河北省耕地生態效率還具有很大的提升空間。大體呈現先下降后上升的原因可能是隨著經濟的發展，各種農藥化肥等的投入使耕地生態效率降低，但又隨著環保意識和認知的提升等因素致使耕地生態效率有所提升。

圖1 2000-2017年河北省耕地生態效率變動趨勢

(2) 河北省市域耕地生態效率分析。考慮到數據可比性和可視化，運用ArcGIS 10.6軟件中的自定義分類法，分別對2000年、18 a年均和2017年各市耕地生態效率數據分為5類，分類區間分別(0.5,0.6]，(0.6,0.7]，(0.7,0.8]，(0.8,0.9]，(0.9,1.0]，為了便于描述，對應的區間分別賦予差、較差、良、較優、優5種描述方式，其結果見圖2。根據4幅圖以及數據得出以下兩點結論。

圖2 河北省各市耕地生態效率時空演變

① 2000—2017年各市耕地生態效率差距在縮短，整體上有所提升。2000年唐山市耕地生態效率整體處于優的狀態，廊坊市、滄州市、秦皇島市3市耕地生態效率處于差的狀態；由年均數據可知，唐山市耕地生態效率的狀態由優到較優的轉變，而廊坊市則從差到較差發展；從2017年數據可知，處于較差狀態的滄州市和秦皇島市也已提升到更高的狀態，各市耕地生態效率為0.6～0.9。

② 耕地生態效率在空間上具有差異性，體現在以下兩個方面：一方面具有區域差異，即河北中部3市(保定市、廊坊市、滄州市)的耕地生態效率明顯比北部4市(張家口市、承德市、唐山市、秦皇島市)以及南部4市(石家莊市、邢臺市、邯鄲市、衡水市)的差，但差距在縮小，中部3市耕地生態效率提升較快。2000年北部4市、中部3市和南部4市耕地生態效率處于較優及以上的狀態分別占50%，33.3%，50%，處于較差及以下的狀態分別占25%，66.6%，0%；從年均可知，北部4市、中部3市和南部4市耕地生態效率處于較優及以上的狀態分別占50%，0%，0%，處于較差及以下的狀態分別占25%，66.7%，50%；2017年僅有北部秦皇島市耕地生態效率處于較差狀態，其他各地耕地生態效率則均處于一般或較優的狀態。

另一方面具有市間差異，即各市間耕地生態效率發展差異較大，主要體現在各市級單元的耕地生態效率增幅隨時間變化呈現不同特征。對于耕地生態效率較好的市，其增幅相對較慢并呈現逐年下降的趨勢；而對于耕地生態效率較差的市，其增幅相對較快。2000—2017年唐山、石家莊、保定等市的耕地生態效率相對較好，但隨著時間的推移耕地生態效率反而出現緩慢下降的趨勢。對于唐山和石家莊而言，其原因可能與兩個城市的經濟水平和發展有著密切的關系(兩市的GDP常年處于全省第一和第二的水平)。其經濟發展水平較高，農業消費市場龐大和消費能力較強，使得更多的資源和資本流入到農業中，投入到耕地上，故其耕地生態效率長期處于較好狀態。但是經濟發展，使得農民不滿農業的低收入，為提高產量而加大對化肥、農藥、機械等資源的消耗使得耕地生態效率有所緩慢下降。對于保定和邢臺而言，其原因更多與區位有關。保定緊鄰北京，農業生產要受到北京農業技術和農業消費市場的影響，北京先進農業技術以及龐大的農業消費市場，使得保定的耕地生態效率處于較高水平，但張家口和廊坊等地農產品正不斷蠶食保定農產品在北京的消費市場份額，使得保定農業產出更多依賴產量的提升，而產量的提升則更多依賴石油等資源的消耗，故耕地生態效率有緩慢下降趨勢。而其他城市，尤其是起初耕地生態效率較差地區，如廊坊市和滄州市耕地生態效率的增幅較為明顯。這可能與其區位有關，廊坊市緊鄰北京、天津，滄州緊鄰天津并處于沿海地帶，更易使資本和資源以及先進技術和理念等優勢條件流入農業生產中，使得其提高耕種水平，形成低碳發展和農業人口轉型，促進優化投入產出配置，從而耕地生態效率提升較快。

3.1.2 河北省縣域耕地生態效率分析 為了便于直觀分析，本文利用ArcGIS軟件的自定義法和自然間斷點法，對2000年、18 a年均、2017年耕地生態效率和年均增幅數據結合遙感數據進行處理，制作可以反映河北省各縣耕地生態效率的地圖，見圖3。

圖3 河北省各縣耕地生態效率時空演變

就分析結果而言，除少數縣的耕地生態效率處于有效狀態，絕大多數縣的耕地生態效率均處于無效狀態，有待進一步改善。容城縣、欒城區等15個縣級單元無論是2000年或是2017年，還是年均耕地生態效率均為1，即處于有效狀態。這表明這些縣級單元的耕地生態效率在河北省長期處于相對最前沿的位置。當然，其數量僅占總研究單元的10.9%，也就是說絕大多數縣級單元處于無效，甚至是低效狀態。有些縣級單元耕地生態效率雖然從年均上看處于無效狀態，但其值接近于1，如孟村回族自治縣、內丘縣等13個單元。這些地區的耕地生態效率僅有個別年份處于無效，大部分處于有效，即投入產出配置與產出效果處于河北省同縣域單元的前沿水平。但是還有占總研究單元的79.6%，即109個縣級單元，其耕地生態效率在絕大多數年份都處于無效狀態，甚至低效率水平，并且有占15.3%，即21個縣級單元耕地生態效率長期低于0.5。這進一步說明河北省各縣的耕地生態效率有很大的改善空間。

各縣耕地生態效率的時間演變分析。整體上各縣生態效率水平有所提升，特別是耕地生態效率較差的縣級單元的提升顯著，但各縣的耕地生態效率依然大多處于無效狀態，有待提升。其中，2000年、18 a年均、2017年耕地生態效率最低的縣，其值分別為0.319，0.266，0.357，且2000年排倒數第一的縣，即撫寧區年均水平和2017年水平分別已排到134名和118名，撫寧區耕地生態效率的提升主要得益于撫寧區糧食單產的提高，2000年其糧食單產為2.16 t/hm2，到了2017年糧食單產為3.09 t/hm2，造成2000年撫寧區耕地生態效率無效的原因是很多投入和產出指標的冗余或產出不足，其中糧食產出不足是造成耕地生態效率低下的最大的制約因素，經過18 a的發展，可能受當地培育種植耐堿糧食品種、土地平整等積極因素影響，期望產出中的糧食產量已達到有效水平，因此撫寧區耕地生態效率有所提升；2000年、18 a年均、2017年排倒數前10的縣耕地生態效率值平均水平為0.374，0.353，0.388，導致其耕地生態效率先下降后上升的原因是最初這些地區投入的農藥和農膜的過量使用造成冗余增加，期望產出的糧食產量增幅效果不大，產出不足率較高。隨著時間的發展，糧食產量的大幅提升，大大降低糧食產量的產出不足率，因此耕地生態效率得以提升。無論是撫寧縣還是耕地生態效率最低的10個縣都受制于其他投入和非期望產出冗余或是期望產出不足，尤其是農藥冗余和農膜冗余較大，使得耕地生態效率依舊較低，有待改善。

(2) 各縣耕地生態效率的空間演變分析。首先對2000—2017年各縣耕地生態效率利用莫蘭指數，進行全局空間自相關分析，其結果見表2。可知，2000—2007年全局Moran′sI均通過5%的顯著性檢驗，并且其值為正，說明耕地生態效率在該階段存在顯著的正向空間自相關性，即在空間上的集聚分布。但是在2008—2017年全局Moran′sI未通過顯著性檢驗，其值也較小，說明該階段耕地生態效率空間上的集聚在全局上并不明顯。

表2 2000-2017年河北省耕地生態效率全局Moran′s I指數

各縣耕地生態效率雖然在全局上的集聚效果不佳，但在局部明顯存在集聚效應。由圖3可知，2000年河北省各縣耕地生態效率極高值集中在唐山、張家口、石家莊、保定以及邢臺地區的縣域，極低值集中在廊坊南部、保定東部、滄州、秦皇島沿海地區；河北省年均耕地生態效率極高值和極低值減少明顯，極高值集聚在唐山—秦皇島—承德交界地區以及張家口南部和東部、石家莊東南部地區，極低值分布在秦皇島、滄州、衡水地區；2017年河北省耕地生態效率極高值集中分布在張家口、石家莊—邢臺—衡水交界地區以及在唐山—秦皇島—承德交界地區，極低值較少，主要分布在承德西北地區以及衡水—邢臺交界地區；大部分地區年均變化幅度不大，石家莊部分地區(如平山縣、正定縣等縣域單元)有小幅下降，唐山部分地區(如灤州市、豐南區等縣級單元)有大幅下降，廊坊大部分地區(如廣陽區、固安區等)和滄州沿海地區(如青縣、東光縣等縣級單元)的耕地生態效率有小幅甚至大幅改善。對比2000年數據、18 a年均數據、2017年數據以及年均增幅數據，各縣耕地生態效率略有提升，體現在耕地生態效率集低值區域大幅減少，廊坊的廣陽區和安次區尤為突出，從2000年的極低值提升到2017年的極高值，這可能與其臨近京津地帶，農業生產資源投入和先進技術以及節約低耗理念等積極因素更易流入該縣級單元，使其耕地生態效率得到大幅提升，而滄州沿海地區相對內陸地區更易接觸到更多的資源和資金，加上其農業受鹽漬化等的消極影響，該地區對農業更加重視，故該地區各縣耕地生態效率有所提升。對于秦皇島的若干縣域單元的耕地生態效率長期處于低值，其原因可能是將發展中心放在經濟效益較高的其他行業，從而忽視相對弱勢的農業的發展，再加上經濟的快速發展也一定程度上加劇了農業碳排放，導致其耕地生態效率長期處于低水平的無效狀態。

3.2 耕地生態效率的收斂性分析

耕地生態效率的收斂性分析可以更清楚地了解隨時間變化，地區間是否還存在耕地生態效率差距，是否生態效率較差地區的增速比較好地區更快，從而最終都達到相同的水平。或者反過來說檢驗是否存在效率上的“馬太效應”，即耕地生態效率較好地區是否會與耕地生態效率差的地區差距逐漸擴大。常用的收斂分析有σ收斂和β收斂，而β收斂又分為絕對β收斂和條件β收斂。為了解河北省內部耕地生態效率收斂情況，本文根據地理緯度與耕地生態效率時空演變特征將河北省分為北部(即張家口市、承德市、唐山市、秦皇島市的縣級單元)、中部(即保定市、廊坊市、滄州市的縣級單元)、南部(即石家莊市、邢臺市、邯鄲市、衡水市的縣級單元)，采用σ收斂和絕對β收斂來檢驗河北省各縣、北部各縣、中部各縣以及南部各縣的耕地生態效率的收斂性。

3.2.1 耕地生態效率σ收斂分析 耕地生態效率σ收斂是分析不同地區間的耕地生態效率差異變化的水平趨勢，通常用標準差和變異系數來驗證[32]，其公式為：

(4)

(5)

根據河北省各縣耕地生態效率計算出標準差和變異系數，分析河北省和3個區域縣域耕地生態效率的σ收斂情況。

從全省視角分析(圖4)，可知河北省縣域耕地生態效率的標準差和變異系數在2000—2017年同步呈現波動起伏的趨勢，但整體呈現下降的趨勢，說明河北省縣域耕地生態效率整體上σ收斂，但這種收斂性并不穩定，具有“總體收斂，局部發散”的特點。

圖4 河北省縣域耕地生態效率σ收斂結果

從北部、中部、南部3個區域分析，由于全省和3個區域的標準差和變異系數的變化趨勢十分相近，本文僅展示變異系數，見圖5。可以發現北部、中部和南部同河北省收斂變化趨勢大致相似，其中北部和中部整體上具有同全省相同特點的不穩定的σ收斂，但相比較而言，北部穩定性最好，中部穩定性最差，但中部的σ收斂效果最好。這是因為中部地區的廊坊和滄州大部分縣在2000年耕地生態效率較低，到2017年耕地生態效率提升較快，耕地生態效率年增速分別達到了1.37%，1.10%，而保定大部分縣耕地生態效率在2000年處于較好狀態，但2017年有所下降，年均增幅為-0.4%，因此σ收斂效果較好一些。而南部整體上有微弱的上升，但局部有下降趨勢，這表明南部不存在σ收斂，具有“總體發散，局部收斂”的特點。

圖5 河北省及其北中南部縣域耕地生態效率σ收斂結果

3.2.2 耕地生態效率絕對β收斂分析 耕地生態效率絕對β收斂是檢驗是否存在耕地生態效率暫時落后地區追趕暫時領先地區的趨勢，最終都達到一個共同穩定值的現象[33]，其公式為：

(6)

式中：Ii,t，Ii,t+T分別為各地區在t期、t+T期的耕地生態效率；T為時間跨度；α為常數項；β為收斂系數；εi，t為隨機擾動項。若β為負值且顯著，說明存在絕對β收斂。

根據表3顯示可知，β系數小于0，且結果具有顯著性，河北省縣域耕地生態效率存在絕對β收斂，即各縣級單元之間存在隨時間推移，耕地生態效率較差的地區在追趕較好地區，各地區間差距在逐漸縮小。但是北部、中部以及南部都不存在絕對β收斂，說明在北部、中部、南部地區各縣耕地生態效率差異不會消失，這與全省收斂情況有一定出入，綜合考慮說明在全省范圍內存在絕對β收斂，但并不存在于北部、中部、南部區域內，而存在于3個區域間，即隨著時間的推移，河北省北部、中部、南部內的各縣的耕地生態效率之間差距會拉大，但3個區域間各縣的耕地生態效率之間的差距會縮小。

表3 河北省及其北中南部縣域耕地生態效率絕對β收斂結果

4 結論與建議

4.1 結 論

(1) 從省、市角度來看，河北省總體耕地生態效率在18 a內波動起伏，大致呈現先下降后上升的趨勢，整體水平有待提高，各市耕地生態效率存在差距縮小和水平提升的時間特征以及區域差異和市間差異的空間特征。在區域差異上，河北中部3市的耕地生態效率明顯比北部4市以及南部4市的差，但差距在縮小，中部3市耕地生態效率提升較快。在城市之間差異上，各市之間耕地生態效率發展差異較大，主要體現在各市級單元的耕地生態效率增幅隨時間變化呈現不同特征，此外，各市耕地生態效率增幅情況不一，且耕地生態效率較好的地區增幅較慢甚至略有下降趨勢，較差地區增幅較快。

(2) 從縣域來看，整體上各縣耕地生態效率水平有所提升，但耕地生態效率處于有效狀態的縣級單元較少，僅占10.9%，大多縣級單元處于無效狀態，而且存在一定的空間聚集效應。從時間上分析，整體上各縣生態效率水平有所提升，特別是耕地生態效率較差的縣級單元的提升顯著；從空間上看，通過全局空間自相關分析，河北省各縣耕地生態效率在2000—2007年有明顯時空分布特征，即存在正向自相關，在2008—2017年全局上空間特征并不明顯，但局部仍具有空間特征，即局部空間集聚效應，體現在唐山、石家莊、張家口等地區的縣級單元長期處于耕地生態效率極高值，耕地生態效率增長較快地區集中在廊坊地區以及滄州沿海地區。

(3) 從收斂性情況來看，河北省和北部、中部的縣域耕地生態效率整體上均存在不穩定的σ收斂，具有“總體收斂，局部發散”的特點。而南部不存在σ收斂，具有“總體發散，局部收斂”的特點。同時河北省耕地生態效率存在絕對β收斂，但絕對β收斂體現在北部、中部、南部之間，其內部各縣則不存在絕對β收斂。

4.2 建 議

(1) 從耕地生態效率的時間演變特征來看，耕地生態效率較差的地區提升較快，耕地生態效率較好地區有緩慢下降趨勢。因此，經濟和耕地生態效率較高的縣級單元，要側重生態保護和資源節約，以防耕地生態效率下降；經濟差但耕地生態效率好的縣級單元，應在保障耕地生態效率不降低的前提下增加農業投入和產出；經濟好但耕地生態效率差的單元，要充分利用經濟優勢，加大對耕地的經濟投入，調整資源投入結構，從而提升耕地生態效率；經濟和生態效率較差單元，要優化資源配置，發展特色農業產業，從而改善耕地生態效率水平。

(2) 從耕地生態效率的空間演變格局來看，耕地生態效率高高集聚區，如唐山、石家莊等地區的縣域未來應加強先進技術和要素配置分享，將有利要素流通到周邊耕地生態效率相對較差區域，以改善周邊耕地生態效率；耕地生態效率低低聚集區域，特別是沿海和臨近北京、天津或石家莊的縣級單元應充分發揮區位優勢，向周邊耕地效率較好區域學習，以提升自身耕地生態效率。

(3) 從耕地生態效率的收斂特征來看，河北省北部、中部、南部區域內部各縣耕地生態效率差距擴大，不利于農業生產的協調發展，如果不加約束和管控，耕地生態效率較差地區不僅會浪費資源，帶來環境污染，還會對周邊地區帶來較強的負外部效應。因此河北省北部、中部、南部各縣應相互合作，進一步探索耕地生態效率收斂機理，縮小區域內部耕地生態效率差異，促進區域各縣農業協調發展。