水資源約束對西北五省區農業發展的影響

華 堅，曹慧敏, 潘雪晴，劉 蕾

(1.河海大學商學院，江蘇 南京 211100； 2.江蘇省“世界水谷”與水生態文明協同創新中心，江蘇 南京 211100)

西北五省區是我國重要的傳統農區，全域占據近1/3的國土面積，農業發展存在很大的潛力空間。但作為干旱、半干旱區，西北五省區水量短缺問題十分嚴重，其水資源總量僅占全國的9.25%，用水總量卻占全國的14.08%，其中農業用水占比高達84.19%，水量短缺與土地資源富有形成反差，成為制約農業發展的主要瓶頸。與此同時，在“西部大開發”的戰略背景下，西北五省區進行大規模粗放式的農業生產，濫用化肥農藥、過度灌溉等導致次生鹽堿化問題頻發，區域內水質受損明顯，逐漸演變為影響農業經濟的另一威脅。水量和水質的雙重約束嚴重阻礙了西北五省區農業經濟發展的步伐，因此，現階段緩解水資源約束，推動水資源高效利用對于西北五省區農業經濟的可持續發展具有重要意義。

作為重要的生產性資源之一，水資源對經濟增長的約束作用明顯，水資源的有限性通常導致經濟發展速度降低，這種現象一般稱之為增長阻尼。增長阻尼研究始于Nordhaus[1]，后來Romer[2]將其明確定義為不存在資源約束下的經濟增長與有資源約束下經濟增長的差額。現有文獻對水資源增長阻尼效應的研究包括水量與水質兩部分[3]，一是研究水量約束，即水資源短缺的約束作用，如章恒全等[4]研究發現不同地區、不同產業之間均存在水資源增長阻尼，但地區和行業之間存在差異性；華堅等[5]從水資源消耗量和消耗結構兩方面考慮水資源對經濟增長的影響作用，并測算西北五省區水資源對經濟增長的阻尼大小；王學淵等[6]度量水資源緊缺對我國農業生產的制約程度，計算得出我國水資源對農業經濟增長的阻力為0.075%；華堅等[7]發現水資源約束促使我國農業經濟從勞動密集型向技術和資本密集型轉變，農業用水與農業經濟存在著長期穩定的正向相關關系。此外，在空間分布上，受自然條件和經濟社會因素的影響，水資源阻尼系數具有明顯的區域集聚特征[8]。二是研究水質約束，即水環境惡化的約束作用[3]，秦騰等[9]引入水生態足跡研究水環境約束效應，實證發現農業發展的水環境約束強度大大超過水資源約束強度；嚴翔等[10]通過熵權法計算生態壓力指標并將其作為生態資源投入，研究發現生態約束引起的增長阻尼較為明顯。

從現有研究來看，水資源的有限性對農業經濟增長的約束作用普遍存在，并存在時空差異性；但學者大多僅考慮水量或水質的約束作用。因此，本文在前人的研究基礎上，構建綜合考慮水量和水質兩方面的水資源綜合評價指標體系，并利用Romer增長阻尼模型量化分析水資源對西北五省區(陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區)農業發展的約束作用，以期為西北五省區農業經濟在水資源約束下實現可持續增長提出針對性政策建議。

1 研究方法

1.1 水資源量質綜合水平評價指標

近年來，綜合考慮水量和水質特性的水資源綜合水平研究成為區域水資源配置問題的重要發展方向[11-12]。參考楊東明等[13-14]的研究，本文認為水資源量質綜合水平包括水資源水量和水質兩個維度，水量指水資源稟賦及其利用程度，水質指排放強度及治污能力。在水資源節約和水體保護的目標下，水資源量質綜合水平越高，表示水資源自然稟賦條件越好、利用效率越高、用水結構越合理以及受污染程度越輕。

基于水資源數量和質量兩方面的特性，構建水資源量質綜合水平評價指標體系，并參考楊麗等[15]的研究，利用加入時間變量的改進熵值法進行權重測算，具體指標及權重如表1所示。

表1 水資源量質綜合水平指標體系

1.2 水資源對農業發展的約束模型

1.2.1模型選取

相關學者在研究水資源約束時通常采用多目標優化方法[16]、灰色關聯法[17]，以及構建阻尼模型[7，10]等。前兩種方法適用于分析水資源約束下的產業結構優化問題，本文為探究水資源對于農業經濟發展的約束作用，選用阻尼模型作為研究方法，測度水資源約束對農業經濟增長的影響，阻尼值等于無約束的經濟增速與有約束的經濟增速之差額。

在Romer[2]構建的包括自然資源和土地要素的柯布-道格拉斯函數(C-D函數)的基礎上，考慮水資源要素，建立增長阻尼模型為

Y=KαWβ(AL)1-α-β

(1)

式中：Y為農業產出；K為資本投入；W為水資源投入；A為技術進步率；L為勞動力投入；α為資本的產出彈性；β為水資源的產出彈性。

對式(1)兩邊取對數可得：

lnY=αlnK+βlnW+(1-α-β)(lnA+lnL)(2)

由于變量增長率是其對時間的導數，因此對式(2)兩邊進行求導可得:

gY=αgK+βgW+(1-α-β)(gA+gL)

(3)

式中gY、gK、gW、gA、gL分別為Y、K、W、A、L的增長率。

(4)

(5)

(6)

阻尼系數為正，表明農業發展受到水資源的約束作用；阻尼系數為負，表明農業發展并未受到水資源的約束作用。然而，由于水質對農業發展的約束日益加重，僅考慮水量已不能全面衡量水資源對農業發展的整體約束，因此本文引入水資源量質復合要素，測度水量和水質對農業發展的約束程度，對式(1)模型進行了修正，即

Y=KαCβ1(AL)1-α-β1

(7)

式中：C為水資源量質復合要素投入；β1為水資源量質復合要素的彈性。進而得到考慮量質情況下的水資源對農業發展約束程度的水資源增長阻尼系數Zc，即

(8)

式中gC為水資源量質復合要素的增長率。

1.2.2變量說明與數據來源

鑒于數據可獲得性，選取2001—2019年西北五省區數據進行實證分析。相關指標的原始數據來源于2001—2019年《中國統計年鑒》《水資源公報》和各省區統計年鑒，對于部分缺失數據利用插值法補齊。涉及的變量說明如下：

a.農業產出Y。以農業總產值表示，為消除價格因素的影響，將農業總產值按GDP指數折算為2001年不變價格。

b.資本投入K。鑒于農業固定資產大部分投入于農業機械[19]，參考王學淵等[6，8]的研究，用農業機械總動力來表示資本投入水平。

c.水資源量質復合要素投入C。該指標由利用熵值法測算得出的水平值表示。

d.勞動力投入L。以農業總產值占農林牧漁總產值的比例乘以農林牧漁就業人數表示，同時，假設技術進步率A附著在勞動力投入L上[20]。

2 實證分析

2.1 水資源量質綜合水平測度結果

根據改進熵值法計算得出西北五省區2001—2019年水資源量質綜合水平，計算結果如表2所示。

表2 2001—2019年西北五省區水資源量質綜合水平

a.整體來看，2001—2019年西北五省區水資源量質綜合水平呈波動上升趨勢。區域整體水平年均值由2001年的0.480上升到2019年的0.697，年均增長率達到2.095%，說明樣本期內西北五省區的水資源量質綜合水平持續向好。2001—2014年，水資源量質綜合水平上升較為平緩，個別年份甚至出現下降趨勢，可能原因是西部大開發戰略實施期間，西北五省區承接發達地區的落后產業，難免會對資源環境產生負向影響，導致水量和水質受損。2015年，隨著“創新、協調、綠色、開放、共享”新發展理念的提出，水資源合理利用與保護意識逐步增強，推動水資源利用效率和水質情況提升，因此水資源量質綜合水平在2015年之后有所提升。

b.分省份來看，西北五省區水資源量質綜合水平的地區間差異明顯，各省區均值從大到小依次為陜西、青海、甘肅、寧夏、新疆。陜西水資源量質綜合水平最高，省際均值達到0.766，主要原因是陜西地跨黃河、長江兩大水系，自然資源稟賦和社會經濟發展情況良好，在水資源量質兩方面都賦值領先，發展水平穩步提升。青海和甘肅水資源量質水平較高且數值接近，同時兩省增長率最為平穩，其中青海在西北五省區中水資源稟賦豐富、開發利用程度低，使其水體可利用空間較大，發展潛力充足；而甘肅則得益于水污染治理方面的顯著優勢。寧夏和新疆不僅測度水平較低，且波動情況十分明顯，年均增長率分別為2.737%和3.506%。寧夏是我國水資源最少的省區，大氣降水、地表水等貧乏，且分布極其不均，水資源發展空間薄弱；新疆則受到傳統農耕方式限制，盡管坐落著全國最大的內陸河——塔里木河，但粗放型發展使得農業用水比例極高，水土流失現象嚴重，水資源量質水平較低。

2.2 水資源對農業發展的約束強度

2.2.1水資源數量對農業發展的約束強度

首先，測度水資源數量對農業發展的約束強度，以期為后續研究提供對照組。對于水資源數量的評價，采用改進熵值法進行計算。其次，利用普通最小二乘法(OLS)進行回歸，發現變量間存在多重共線性問題，因此采用嶺回歸的方法進行改進。表3為僅考慮水資源數量情況下西北五省區農業發展受到約束的情況。

表3 西北五省區水資源數量對農業發展的約束強度

總體來看，西北五省區水資源數量對農業發展的阻尼系數為-3.888%，為無約束狀態。隨著創新型國家戰略的實施以及資源節約型社會的建設，我國對自主創新的投入不斷提升，推動農業領域科學技術持續發展，農田灌溉更多采用節水灌溉技術和設備，提升了農田水資源利用效率，使得農業發展受水資源數量的制約作用較小。具體而言，除陜西和青海外，其他三省區的阻尼系數均為負值，說明在僅考慮水量的情況下，這三省區的農業發展未受到水資源數量的約束。從各要素的彈性看，資本彈性整體顯著大于水資源彈性和勞動力彈性，表示農業發展對資本的依賴程度大于資源和勞動力投入。青海水資源彈性為負值，表明在資源稟賦充足且合理開發的情況下，農業發展對水資源數量的需求不高。甘肅勞動力彈性為負值，這是由于隨著糧食播種、農田灌溉以及收割技術的發展進步，勞動力需求降低，農業年均勞動力呈負向增長。

2.2.2水資源量質綜合水平對農業發展的約束強度

綜合考慮水資源量質的情況下，西北五省區水資源量質綜合水平對農業發展的阻尼系數等參數測算結果見表4。

表4 西北五省區水資源量質綜合水平對農業發展的約束強度

總體來看，水資源量質綜合水平對農業發展的阻尼系數為-2.294%，仍處于無約束狀態。西部大開發戰略的實施對西北五省區資源環境造成了極大的威脅，但“十一五”以來，隨著綠色節約型發展理念的提出，西北五省區對水資源數量和質量的保護力度加強，農業發展整體上受水資源量質的雙重制約作用較小。各省區水資源量質綜合水平對農業發展的約束存在較大差異，除陜西、青海仍處于約束狀態之外，納入水質考慮的新疆水資源綜合水平農業發展也存在約束作用，三省區的農業經濟增長速度在受約束的情況下將分別下降0.685%、1.673%和1.760%。阻尼系數的正負主要受到資本彈性、水資源彈性以及勞動力投入增長率與水資源增長率之差的影響。阻尼系數為正值的三省區中，陜西的資本彈性最大，在充足的資本支持下農業經濟加速發展，而增長緩慢的勞動力和水資源難以滿足農業現代化需要，對其產生較大約束；青海和新疆盡管水資源彈性為負，但勞動力增長率明顯小于水資源增長率，農業發展仍很大程度依賴于資源投入，因此受到明顯的水資源約束作用。除此之外，在水量水質雙重約束下，甘肅和寧夏農業發展仍然為無約束狀態。甘肅水資源量質綜合水平較高，且始終以平穩的趨勢增長，現階段仍能滿足農業發展的客觀需要；寧夏則是因為地區經濟較為落后、資源稟賦條件較差，農業發展始終沒有過多依賴于資本和資源投入，加上地區勞動力波動情況最為平穩，從而使其受資源影響較小。

2.2.3約束強度對比

由上述分析可知，將水質約束納入研究范疇后，水資源對農業發展的約束作用明顯提升，如陜西的阻尼系數從0.136%上升至0.685%，青海的阻尼系數由1.438上升至1.673，新疆則由無約束狀態轉變為約束狀態。可能原因是隨著工業化和城鎮化的加速推進，農業廢水排放量和化學需氧量不斷增加，對于區域內水環境容量產生較大影響。此外，經濟的快速發展衍生出大規模的掠奪性開發，加之農業生產中化肥農業的過度使用，進一步加重水質的惡化，因此在納入水質約束后，水資源對農業發展的約束作用將會顯著提升。

2.3 水資源對農業發展約束強度的時空分異特征

2.3.1時序特征分析

在分析西北五省區水資源量質綜合水平對農業發展阻尼系數的基礎上，進一步測算各省區2001—2019年各年度數據，結果如圖1所示。整體來看，2001—2019年間各省區農業發展均在個別年份受到不同程度的水資源量質約束。根據《水資源公報》數據顯示，西北五省區年均降水量僅為全國的61.93%，地區氣候干旱、降水稀少，地理位置及氣候特點導致其水資源短缺嚴重、生態環境較為脆弱。同時，西北五省區水資源利用效率較低，單位GDP用水量達全國的2.86倍，而農業用水占比達87.02%，不合理的灌溉方式更加重了農業用水的浪費，水量短缺引起水資源對農業發展的約束作用明顯。隨著西部大開發戰略的深入推進，大量能源及資源投入工業發展之中，污染排放量大幅度提升，生態系統逐步惡化，造成水質和水量進一步下降。在西北五省區中，陜西、青海、新疆農業發展受到水資源約束的年份明顯更多，這也與其多年平均阻尼系數的測度結果一致。

圖1 2001—2019年西北五省區水資源阻尼系數

觀察阻尼系數的變化情況發現，水資源量質綜合水平對農業發展的阻尼系數波動變化特征十分顯著，這表明水資源對農業發展的約束作用是不斷變化的。一方面，當阻尼系數為正時，各省區通過勞動力和資本要素的替代性投入緩解水資源約束，同時水資源約束誘導技術創新，使節水凈水等新技術得到推廣，從而降低資源消耗和污染排放，推動農業經濟的增長，使水資源阻尼系數轉為負值。但資源替代效應存在一定的極限，當生產力水平趨向穩定時，水資源對農業發展的約束會隨時間增大，使得阻尼系數波動特征顯著。另一方面，西北五省區阻尼系數的波動特征說明地區節水凈水措施取得一定效果，水資源利用效率得到提升，水資源整體狀況有所改善，緩解了水資源對農業發展的約束。但現階段的政策措施仍存在不健全不完善的問題，導致約束作用呈現波動趨勢，因此需要繼續因地制宜地制定水資源利用與水污染管理的措施，從而減小水資源對西北五省區農業發展的約束作用。

2.3.2空間特征分析

為更好地揭示西北五省區水資源約束對農業發展的影響，比較不同年份下的約束變化情況，利用ArcGIS繪制約束強度圖，選擇2001年、2007年、2013年、2019年各省區的測算結果進行分析。為對具體數值進行比較，本文將約束強度劃分為無約束型(阻尼系數低于0)、低約束型(阻尼系數0～5%之間)、中約束型(阻尼系數5%～10%之間)和高約束型(阻尼系數10%以上)。需要說明的是，上述約束強度僅是對數值相對水平的劃分，并不直接表示水資源約束絕對水平。不同年份的約束情況見圖2，可見2001年、2007年、2013年和2019年西北五省區水資源阻尼系數空間變化總體較為明顯，且存在空間集聚特征，約束強度整體呈先減小后增大的趨勢。

2001年，陜西處于低約束狀態，新疆處于中約束狀態，甘肅、青海、寧夏處于無約束狀態。這一階段約束地區分布在西北五省區的兩側，無約束地區集中在中部。21世紀初，西北地區成為我國的重點開發區和農業基地，西北五省區農業用水所占比例均超過70%，其中新疆占比超過90%。盡管新疆水資源總量充足，但極高的農業用水占比和廣闊的農田灌溉面積導致水資源耗用量大且利用率低，傳統的灌溉方式更是加重了水量負擔，農業發展受到水資源較大約束。而陜西在2001年旱情嚴重，降水量平均下降13.7%，糧食作物因旱減產192.69萬t，對農業經濟造成沖擊；此外，由于陜西工業化發展稍顯落后，污染物排放無法及時處理，農業發展受到水量水質的雙重約束。

2007年，陜西、青海、新疆處于低約束狀態，甘肅和寧夏處于無約束狀態。這一階段水資源約束出現微減弱趨勢，而集聚特征較為明顯，區域西部兩省相連形成低約束集聚區，無約束集聚區仍然位于區域中部。新疆轉為低約束狀態，主要原因是2007年前后新疆水土流失治理和污水排放處理能力增強，繼而緩解了對農業經濟的約束。青海由無約束狀態轉為低約束狀態，盡管青海水資源稟賦良好，水資源量質水平在2007年以前也始終保持上升趨勢，但由于資本投入水平較低、農業勞動力流失嚴重，致使該地區農業發展只能過度依賴于資源投入，因此水資源的約束作用明顯。

2013年，甘肅和寧夏處于低約束狀態，新疆處于中約束狀態，陜西和青海處于無約束狀態。2010年，國務院出臺《關于中西部地區承接產業轉移的指導意見》，中西部地區對高耗能、高污染等產業的承接給生態環境造成極大影響，水質污染大幅度增加，導致甘肅和寧夏步入低約束狀態，新疆回升為中約束狀態。2012年，國務院發布《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，確定了水資源開發利用控制、用水效率控制及水功能區限制納污“三條紅線”，陜西和青海嚴格遵循該政策，全方位加強水資源量質管理，水資源短缺及水環境污染的情況得到緩解，農業發展情況良好，水資源約束程度逐漸轉為無約束狀態。

2019年，陜西和青海處于低約束狀態，新疆處于高約束狀態，甘肅和寧夏轉為無約束狀態，西北五省區中部重新成為無約束集聚區。新疆近年來大力加快農業發展步伐，不斷加強糧食生產功能區建設，農業生產要素的投入力度持續加大；同時農田建設對于水資源的需求極高，但受到氣候和降水量的影響，新疆2019年水資源總量明顯下降，較2013年相比降低了8.89%，難以為農業經濟增長提供有力支撐。因此，現階段構建與農業發展進程相符的水資源管理體系是新疆解除水資源較高約束的重要方向。

3 結論與建議

本文采用西北五省區2001—2019年數據，構建水資源量質綜合水平指標體系，并采用基于生產函數的阻尼模型探究水資源約束對農業發展的影響，主要結論如下：

a.在考慮水量和水質兩個維度的情況下，2001—2019年西北五省區水資源綜合水平呈現波動上升趨勢，區域整體水平的年均增長率達到2.095%，發展狀況持續向好。各省區水資源量質綜合水平從大到小依次為陜西、青海、甘肅、寧夏、新疆，其中寧夏和新疆的水資源量質水平波動率最為明顯，年均增長率分別為2.737%和3.506%。

b.與水資源數量單一約束相比，水資源量質綜合水平對西北五省區農業發展的約束作用明顯增大。樣本期內，水量約束下僅有陜西和青海兩省區阻尼系數為正值，而水資源量質約束下陜西、青海和新疆三省區阻尼系數均為正值。與此同時，水資源量質約束下的阻尼系數增大，表明約束強度變大。

c.從時間層面看，2001—2019年西北五省區農業發展均在個別年份受到水資源量質綜合水平不同程度的約束，且水資源約束的阻尼系數波動變化特征十分顯著，這表明水資源對農業發展的約束作用是不斷變化的。從空間層面看，西北五省區水資源阻尼系數總體變化較為明顯，且存在空間集聚特征，約束強度整體呈現先減小后增大的趨勢。

基于上述研究結論，為進一步緩和目前西北五省區水量短缺和水質惡化的水資源約束，實現農業可持續發展，提出以下政策建議：

a.提高農田灌溉水利用效率，發展高效節水農業。西北五省區的農業發展應把“建立水資源剛性約束制度”作為核心，在水資源開發和取用過程中科學部署，完善水資源配置格局、提高水資源利用效率、增強節水型農業建設。

b.減少污染排放，加大污水治理力度。水質惡化對農業發展帶來的約束日益突出，因此需要控制高能耗、高污染的工業企業，推動產業結構不斷優化升級，同時合理控制廢水排放，加大污水處理力度，提高污水排放達標率。

c.加強區域統籌協調，滿足地區差異化需求。考慮到西北五省區水資源約束的集聚特征，在區域水資源管理中要避免分散多頭的管理模式，建立有效的區域統一水資源管理合作機制。正確把握總體謀劃和久久為功的關系，一方面加強區域溝通聯動，落實水資源管理中的 “三條紅線”和 “四項制度”，在開發利用中注意地表水與地下水的合理調配，優化水資源配置；另一方面關注各省區差異化特征，盡量滿足不同地區農業發展對水資源的個性化需求。