碳排放約束下湖北省糧食綠色生產技術效率測度及其時空差異研究

趙麗平，李新成，侯德林

（1.中南民族大學經濟學院∕湖北全面小康建設研究院，武漢 430074；2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071；3.武漢紡織大學管理學院，武漢 430073）

糧食生產綠色化有利于減少農業生產面源污染，促進農業生產由粗放型向集約型轉變，是中國實施鄉村振興戰略的重要組成部分。2019年“中央一號文件”提出大力發展緊缺和綠色優質農產品生產，推進農業由增產導向轉向提質導向，深入推進優質糧食工程。2020年“中央一號文件”提出深入開展農藥化肥減量行動，加強農膜污染治理，推進秸稈綜合利用，穩定糧食生產，確保糧食安全始終是治國理政的頭等大事。

近年來，中國糧食產量雖然呈增加趨勢，但糧食生產自然環境日趨退化，化肥農藥過度投入所導致的農業面源污染越來越嚴重。同時，隨著人們食物消費結構的升級，對綠色無污染農產品的需要量越來越大，因此糧食供給側結構質量無法與需求側結構升級動態相適應，國外優質大米進口量逐年增加［1］。在此背景下，糧食生產綠色轉型、提質增效是糧食產業發展的必然趨勢，對滿足人民群眾日益增長的美好生活需求，促進糧食產業的高質量發展具有重要意義。

湖北省作為長江中游重要的糧食主產大省，為保障國家糧食安全作出了重要貢獻，但目前湖北省糧食生產模式仍然以高投入和高產出為主要特征，糧食產量增長是以化肥、農藥等石化物質的大量投入為代價而實現的，糧食生產亟需從傳統石化農業生產方式向綠色農業生產方式轉型，因此研究湖北省糧食綠色生產技術效率對治理糧食生產污染，保護“母親河”，促進湖北省進而促進長江中游農業高質量發展具有重要貢獻。在湖北省糧食生產污染日趨嚴重的背景下，湖北省糧食生產污染物的變化趨勢如何，在考慮污染物的約束下，湖北省糧食生產技術效率有何變化趨勢，在湖北省不同區域有何差異，這些問題都值得探索。基于此，本研究將針對糧食生產過程中的碳排放污染物，對碳排放約束下湖北省糧食綠色生產技術效率進行研究，以期在湖北省糧食產量增長的同時，實現糧食生態環境的改善，促進湖北省糧食產業的高質量發展。

1 研究背景

傳統生產率研究沒有考慮環境污染對生產率的影響，若不考慮環境污染的影響，經濟增長效率的測算和評價是有偏的，無法對中國相關經濟體的可持續發展水平進行準確度量，因此提出的政策建議也是不準確，是有偏的［2］。Chung等［3］提出了方向距離函數（Directional distance function，DDF），同時兼顧了期望產出的增加和非期望產出的減少，很好地解決了傳統生產率測算方法的缺陷。Perrin等［4］將殺蟲劑和氮素作為一種非期望產出，對美國4個平原州1960—1996年納入環境污染后的農業生產率進行了測算，研究發現納入環境污染后農業綠色生產率有所降低；Nanere等［5］將農業生產所帶來的水土流失作為非期望產出對澳大利亞大農場1953—1994年的農業綠色生產率進行了測算，研究發現在通常情況下，納入環境污染后的農業生產率有所降低，但在環境管制較嚴的地區反而會更高。

為了研究中國農業增長的環境代價，國內一些學者嘗試將環境因素納入到農業生產率測算框架。李谷成等［6］、薛建良等［7］、潘丹等［8］、杜江等［9］、張淑輝［10］、高 楊 等［11］將 農 業 生 產 過 程中 產 生 的 總 氮（TN）、總磷（TP）和化學需氧量（COD）等污染物作為非期望產出納入農業全要素生產率測算框架，對農業綠色全要素生產率（TFP）進行了測算，也有學者將農業生產過程中的二氧化碳（CO2）排放量作為非期望產出，對農業生產的低碳績效進行了測算［12-14］，普遍認為考慮非期望產出的農業生產率比傳統方法測算的農業生產率低。

在糧食生產領域，類似的研究則相對較少。趙麗平等［15］以1994—2012年中國29個省份為研究對象，以總氮和總磷作為非期望產出，利用方向距離函數對糧食生產環境技術效率進行了測度，結果表明，1994—2012年城鎮化加速期中國糧食生產環境技術效率呈下降趨勢，環境技術效率大小排序為主產區＞主銷區＞平衡區；張利國等［16］也以總氮和總磷作為非期望產出，采用方向距離函數對鄱陽湖生態經濟區糧食生產環境技術效率進行了測度，并對糧食生產傳統技術效率和環境技術效率進行了比較，研究發現，不考慮環境污染因素，考察區糧食生產傳統技術效率呈“W”型趨勢，若考慮污染因素，糧食生產環境技術效率呈“U”型趨勢；田旭等［17］基于2004—2012年全國農村固定觀察點數據，將氮、磷和碳作為非期望產出，研究表明全國農戶糧食生產環境效率呈下降趨勢。

綜上所述，既有學者已經針對農業綠色生產率進行了較為全面的研究，也有學者對糧食綠色生產率進行了研究，為本研究奠定了較好的基礎，但也存在一些空缺和不足。①研究層面上，既有學者大多從全國層面對農業和糧食綠色生產技術效率進行了研究，鮮有學者從省級層面進行研究；②研究指標上，既有關于糧食綠色生產技術效率的研究大多以氮、磷等面源污染物作為非期望產出，鮮有研究僅以碳排放為非期望產出對糧食綠色生產技術效率進行測算；③研究內容上，關于農業綠色生產率的研究較多，但關于糧食綠色生產技術效率的則較少，而且鮮有研究對糧食綠色生產技術效率的投入冗余率進行測算，分析糧食綠色生產技術效率損失的原因。基于此，本研究以糧食生產過程的碳排放作為非期望產出，將其納入糧食生產技術效率測算框架，對湖北省17個市（州）糧食綠色生產技術效率進行測算和分析，并基于湖北省鄂東、鄂中和鄂西三大區域的劃分，對糧食綠色生產技術效率的空間差異進行分析。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

本研究采用方向距離函數（Directional distance function，DDF）對糧食綠色生產技術效率進行測算，綠色生產技術效率又稱環境生產技術效率，是衡量可持續發展能力的一個重要指標，其旨在提高產出的同時，又能減少對環境的污染［18］。糧食生產過程中由于化肥、柴油等農業化學品的不合理使用，給糧食生產環境帶來一定的污染，傳統的糧食生產技術效率測算忽略了這一問題，所測算出來的技術效率具有一定的偏差，綠色生產技術效率將生產過程中產生的污染物納入生產技術效率測算框架，可以很好地解決這一問題。本研究用X=(x1,x2,…,xN)∈RN+表示投入要素，用和Y=(y1,y2,…,yM)∈RM+分別表示非期望產出和期望產出，N種投入要素x所產生的糧食生產可能性組合如下：

傳統的糧食生產技術效率測算沒有考慮非期望產出，為了準確測算糧食綠色生產技術效率，本研究引入方向距離函數，λ值大小表示在投入要素不變的前提下非期望產出最大減少或期望產出最大增加的可能性，g=(gy,-gc)表示產出的方向向量，基于產出的方向距離函數為：

式（2）表示沿著既定產出方向g=(gy,-gc)，可能性集合所能帶來的期望產出和非期望產出同比例增加和減少的最大倍數λ。關于效率值測算的線性規劃方程如下：

式中，k和t分別表示決策單元個數和活動時期。當效率值為最大值1時，方向距離為0，效率值位于前沿面上；當效率值為0時，則表明糧食綠色生產沒有效率。

2.2 數據來源

本研究以湖北省17個市（州）為研究樣本。湖北省是地處長江中游的農業大省，在長江經濟帶中具有承上啟下的重要作用，素有“千湖之省、魚米之鄉”的美稱，農業自然資源優越，是中國13個重要糧食主產區之一，為維護全國糧食安全發揮了重要作用，因此本研究以湖北省這一典型區域為研究樣本具有重要意義。根據研究需要將湖北省劃為鄂東、鄂中和鄂西3個區域，鄂東地區以丘陵為主，包括黃石、黃岡、鄂州、咸寧4個市，鄂中地區以平原為主，包括武漢、荊門、荊州、潛江、天門、孝感和仙桃7個市，鄂西地區以山區為主，包括恩施州、十堰、襄陽、宜昌、隨州5個市（州）和神農架林區。本研究測算1998—2017年湖北省17個市（州）糧食綠色生產技術效率所需的糧食生產投入產出指標來源于《湖北省統計年鑒》（1999—2018年）和《湖北省農村統計年鑒》（1999—2018年）。

2.3 指標選取

1）產出指標。包括合意產出和非合意產出。合意產出用湖北省各年份各市（州）的糧食總產量來表示，非合意產出用糧食生產過程中所產生的大氣污染排放物碳排放量（CO2）來表示。糧食生產過程的碳排放量測算公式如下：

式中，E為碳排放總量，i為碳源種類，T為各碳排放源的數量，δ為各碳排放源排放系數。本研究的碳排放源主要考慮糧食生產過程中使用化肥、農藥、柴油以及糧食生產灌溉消耗電能所產生的碳排放。各碳源排放系數如表1所示。

表1 主要農用物資碳排放系數

2）投入指標。投入指標由湖北省各年份各市（州）土地投入、勞動力投入、機械投入、水資源投入、化肥投入和農藥投入等指標構成，土地投入用糧食播種面積表示，勞動力投入用第一產業從業人員表示，機械投入用農業機械總動力表示，水資源投入用農業有效灌溉面積表示，化肥投入用農業化肥折純量表示，農藥投入用農藥使用量表示。為了確保糧食投入指標與產出指標口徑的一致性，借鑒馬文杰［20］的做法，使用相關系數從農業廣義投入中將糧食生產要素投入剝離出來，系數A=（農業產值∕農林牧漁總產值）×（糧食播種面積∕農作物播種總面積），系數B=糧食播種面積∕農作物播種總面積。糧食生產機械、水資源、化肥和農藥投入用相應農業投入乘以系數B，糧食生產勞動用農業勞動力投入乘以系數A，糧食生產土地投入用糧食播種面積表示。湖北省糧食綠色生產技術效率投入產出指標具體如表2所示。

表2 湖北省糧食綠色生產技術效率投入產出指標

3 實證結果與分析

3.1 湖北省糧食綠色生產技術效率的時間差異分析

1）湖北省糧食綠色生產技術效率的時間差異分析。本研究采用Maxdea 7.3專業版軟件對湖北省1998—2017年糧食綠色生產技術效率進行測算，結果如圖1所示。總體來說，湖北省在研究期間糧食綠色生產技術效率較高，一直維持在0.8以上，除2004—2008年和2014—2016年這2個時間段生產技術效率較低外，其他年份湖北省糧食綠色生產技術效率已達1.0，這說明2004—2008年和2014—2016年這2個時間段的非合意產出較高，糧食生產生態環境較差，2016年后農業農村部大力推行農藥化肥零增長行動，湖北省積極響應號召，減少農藥化肥施用量，從而非合意產出降低，促進了糧食綠色生產技術效率的提升，這也反映出湖北省的糧食生態環境質量在逐步提升。

圖1 1998—2017年湖北省糧食綠色生產技術效率

2）湖北省糧食生產碳排放的時間差異分析。在對湖北省糧食生產綠色技術效率時間趨勢總體分析的基礎上，對非合意產出即糧食生產碳排放量的時間趨勢進行分析。如圖2所示，1998—2017年湖北省糧食生產碳排放總量呈先下降后上升趨勢，由1998年的230.48萬t增加至2017年的278.09萬t，20年間增加了20.66%，年均增速1.03%。從各碳排放源的增速角度來看，柴油消耗所產生的的碳排放量增速最大，柴油使用量從1998年的42.08萬t增加至2017年的66.31萬t，增加了57.58%，年均增速高達2.88%，這說明糧食生產機械化水平在逐年提高，柴油消耗量越來越大；由灌溉面積引起的碳排放量增速僅次于柴油，灌溉面積由1998年的216.191萬hm2增加到2017年的291.970萬hm2，增加了35.05%，年增速為1.75%。

圖2 1998—2017年湖北省糧食生產碳排放量

從各碳排放源的數量來看，碳排放量大小為化肥＞灌溉＞農藥＞柴油，其中化肥所產生的碳排放要遠高于灌溉、農藥和柴油所產生的碳排放，灌溉、農藥和柴油所產生的碳排放量比較接近，這說明糧食生產所產生的碳排放主要來自化肥使用，要減少糧食生產所產生的碳排放量首先要從減少化肥施用量入手。

3）湖北省糧食生產投入冗余率的時間差異分析。為了進一步分析湖北省糧食綠色生產技術效率損失的原因，本研究將1998—2017年湖北省糧食生產過程中的各投入要素松弛量除以對應的投入指標得到投入冗余率，結果如圖3所示。由圖3可知，研究期內投入冗余率呈波動式變化趨勢，產生投入冗余的時間主要集中在2004—2009年和2013—2017年，這說明2004年取消農業稅實施糧食補貼政策對提高湖北省農民種糧積極性產生了一定的作用，但生產資料補貼的實施也導致了糧食生產資料的過度投入，產生了一定的糧食生產資料浪費。分時間段來看，2004—2009年產生的糧食生產資料投入冗余遠高于2013—2017年所產生的糧食生產資料投入冗余，這說明雖然現階段還存在一定的糧食生產資料投入過剩，但和以前相比生產資料投入過剩情況大為好轉，總體來說糧食生產資料投入冗余量在下降。

圖3 1998—2017年湖北省糧食生產投入冗余率

1998—2017年糧食生產各投入要素除糧食播種面積沒有冗余外，其他各投入要素都存在冗余，各投入要素的冗余率平均值大小為農藥投入（0.259）＞化肥投入（0.177）＞柴油投入（0.080）＞勞動力投入（0.077）＞機械投入（0.075）＞水資源投入（0.047），可以看出農藥和化肥投入過度是造成湖北省糧食綠色生產技術效率損失的主要原因，柴油投入過度是效率損失的第三大原因，柴油在燃燒過程中會產生大量的氮氧化物、碳氧化物，會增加空氣中的碳排放量，此外種糧勞動力和機械投入也存在一定的過剩，水資源投入的冗余率最小。

3.2 湖北省糧食綠色生產技術效率的空間差異分析

在對1998—2017年湖北省糧食綠色生產技術效率、糧食生產碳排放及糧食生產投入冗余率時間差異分析的基礎上，進一步對2016年湖北省整體及鄂東、鄂中和鄂西各區域糧食綠色生產技術效率的空間差異進行分析。

1）湖北省整體糧食綠色生產技術效率分析。湖北省2016年整體糧食綠色生產技術效率都較高，大部分地區的效率值都在0.8以上，只有黃石、隨州、天門和宜昌4個市的效率值相對較低，都在0.6以下（圖4），可能的原因是這4個市農業資源條件較差，不利于糧食綠色生產。這說明總體而言湖北省糧食綠色生產情況良好，湖北省在保障糧食安全的同時，對糧食生態環境也給予了一定的保護。

圖4 2016年湖北省17個市（州）糧食綠色生產技術效率

2）湖北省鄂東地區糧食綠色生產技術效率的空間差異分析。鄂東地區地形以丘陵為主，包括黃石、黃岡、鄂州、咸寧4個市，該地區近年來充分利用自然地理優勢發展經濟，農業生產條件有所好轉。從圖5a中可以看出，該地區除黃石市糧食綠色生產技術效率在0.8以下，黃岡、鄂州和咸寧3個市的糧食生產技術效率都在0.8以上。可能的原因是黃石市境內大小山眾多，不利于糧食大規模種植，且其主要發展采礦等重工業，嚴重污染了環境，導致糧食綠色生產技術效率低于鄂東其余3市。而咸寧市和黃岡市分別位于長江中游的南北兩岸，水資源豐富，氣候溫和，日照充足，非常適合糧食作物的種植；鄂州市大部分地區土壤肥沃，氣候適宜，也非常有利于糧食作物的生長，而且其政府大力提倡綠色農業，因此糧食綠色生產技術效率較高。

3）湖北省鄂中地區糧食綠色生產技術效率的空間差異分析。鄂中地區以平原為主，地勢平坦，土壤肥沃，適宜糧食作物種植，是湖北的經濟、文化中心區域，經濟基礎良好，是湖北最主要的產糧區，包括武漢、荊門、荊州、潛江、天門、孝感和仙桃7個市，政府重視該區域生態環境保護，鼓勵發展綠色農業，因此其糧食綠色生產技術效率較高。從圖5b可以看出，該區域2016年糧食綠色生產技術效率除天門市外，其余市均在0.8以上，可能原因是天門市多山，氣候干旱，水資源缺乏，自然條件不適合糧食種植，導致其糧食綠色生產技術效率較低。

4）湖北省鄂西地區糧食綠色生產技術效率的空間差異分析。鄂西山區地形多樣，有利于多種作物生長，水資源貯藏量豐富，但區域內耕地質量低，生態系統脆弱，自然災害頻發，一定程度上制約了其經濟的發展，包括恩施州、十堰、襄陽、宜昌、隨州5個市（州）和神農架林區。從圖5c中可以發現，宜昌和隨州2個市的糧食綠色生產技術效率較低，十堰市、襄陽市、恩施州和神農架林區4個市（州）均在0.8以上。可能的原因是宜昌市和隨州市地理環境復雜多樣，地勢高低相差懸殊，且其境內以山地為主，不適宜糧食種植。十堰市和襄陽市近年來大力發展生態農業，極大地促進了經濟發展和糧食綠色生產水平的提升。神農架林區林地占85%以上，生態環境良好，因此糧食綠色生產技術效率較高。

圖5 2016年湖北省鄂西、鄂中、鄂東地區糧食綠色生產技術效率

3.3 湖北省糧食生產碳排放空間差異分析

湖北省2016年17個市（州）糧食生產過程中各種農用物資使用所產生的碳排放量如圖6所示，各市（州）碳排放量差異明顯，其原因可能是受資源稟賦、耕地總量、耕地結構等因素影響。其中，襄陽市糧食生產過程中的碳排放量最多，高達55.6萬t，其次是荊州、宜昌、荊門、黃岡、隨州等市，這些市主要位于江漢平原、長江和漢江流域，土壤肥沃，水利條件優越，是湖北省主要的糧食生產區域，糧食播種面積較大，糧食生產資料投入也較多，因而所產生的碳排放量也相對較大。

圖6 2016年湖北省17個市（州）糧食生產碳排放量

武漢、黃石、十堰、鄂州、咸寧、恩施州、仙桃、天門、潛江和神農架林區等地的碳排放量相對較小，均低于20萬t，其中神農架林區產生的碳排放量最少，這些地區糧食播種面積較少，因此糧食生產資料投入也較少，所導致的糧食生產碳排放量也相對較少。

3.4 湖北省糧食生產投入冗余率的空間差異分析

將各投入要素松弛量除以對應的投入指標得到投入冗余率，計算結果如圖7所示，投入要素產生投入冗余的地區為鄂州市、黃石市、隨州市、天門市、咸寧市和宜昌市，這些市都不是糧食主產市，說明從總體來看湖北省大部分市（州）特別是糧食主產市的糧食生產投入資料利用率較高，只有少部分非糧食主產市產生了糧食生產投入資料過剩，這對保障湖北省糧食安全非常有利。

圖7 2016年湖北省17個市（州）糧食生產投入冗余率

鄂州、黃石等6市在化肥和農藥投入要素上都產生了投入冗余，說明2016年這6個市都面臨化肥和農藥投入過量的問題，需要減少化肥和農藥投入，嚴格貫徹執行農業農村部提出的化肥農藥零增長行動。關于化肥投入冗余率，這6個市按照大小排序為鄂州＞宜昌＞隨州＞天門＞黃石＞咸寧；關于農藥投入冗余率，這6個市按照大小排序為黃石＞天門＞宜昌＞咸寧＞隨州＞鄂州；關于柴油投入冗余率，有5個市產生了投入冗余，這5個市的排序為宜昌=隨州＞黃石＞天門＞咸寧；關于機械投入冗余率，有6個市產生了投入冗余，這6個市的排序為宜昌＞天門＞咸寧＞黃石＞隨州＞鄂州，由于使用農業機械要消耗大量的柴油，因此產生機械投入冗余的市也產生了柴油投入冗余。

投入要素冗余率按大小排序為農藥＞化肥＞柴油＞機械＞勞動力，其中，農藥、化肥和柴油投入冗余率較高，勞動力和機械投入產生的投入冗余相對較少。關于農業水資源投入，只有鄂州市和天門市存在投入冗余，其他市不存在投入冗余。

4 結論與建議

4.1 結論

本研究將糧食生產碳排放作為非合意產出，運用方向距離函數對1998—2017年湖北省17個市（州）糧食綠色生產技術效率進行了測算，在此基礎上從時間和空間2個角度，對湖北省糧食綠色生產技術效率、糧食生產碳排放和糧食生產投入冗余率進行了分析和比較，具體研究結論如下。

1）從時間上看，1998—2017年湖北省糧食綠色生產技術效率較高，維持在0.8以上；湖北省糧食生產碳排放總量在研究期內總體呈先下降后上升趨勢，且各種投入要素碳排放量之間的關系為化肥＞灌溉＞農藥＞柴油；研究期內投入冗余率呈波動式變化趨勢，主要集中在2004—2009年和2013—2017年。

2）從空間上看，2016年湖北省大部分市（州）的糧食綠色生產技術效率都在0.8以上，只有黃石、隨州、天門和宜昌4個城市的效率值相對較低；各市（州）糧食生產碳排放量差異明顯，襄陽市糧食生產所產生的碳排放量最多，神農架林區的碳排放量最少；總體來看，湖北省大部分市（州）的糧食生產投入要素利用率較高，只有6個市糧食生產投入要素存在過剩現象，投入要素產生冗余的地區為鄂州市、黃石市、隨州市、天門市、咸寧市和宜昌市，其他市（州）的投入要素沒有產生冗余。

4.2 建議

隨著城鎮化的逐步推進，農村勞動力逐漸轉移，生態環境不斷惡化，提高糧食綠色生產技術效率對湖北省農業生產乃至整個國家的糧食安全都極其重要。基于此，本研究提出以下幾點政策建議。

1）建立糧食生產獎懲和補償機制，鼓勵相關部門研究和推廣糧食生產低碳技術。制定合理的碳排放標準，對于超過碳排放標準的地區和用戶進行罰款，對于糧食生產過程中碳排放量低和糧食綠色生產效率高的地區和用戶給予一定的補償和獎勵，以鼓勵糧食綠色生產。控制糧食生產過程中碳排放量高的投入要素的使用量，降低糧食生產投入冗余率，尋找高排放投入要素的低碳替代品。

2）加強糧食種植者的綠色生產知識培訓，提高糧農的綠色生產意識和技能。農民作為糧食生產中最關鍵的要素，也是最有彈性的要素，他們的勞動生產率高低與糧食綠色生產技術效率具有高度的相關性。利用互聯網工具向農民傳輸綠色生產知識和技能，同時政府也應該派遣技術人員實地傳授和講解糧食綠色生產知識。

3）加強綠色糧食產品的產銷對接，有效保障綠色糧食產品的銷路和質量提高，通過市場需求帶動糧食綠色生產。依托農民專業合作社、種糧大戶和農業龍頭企業，加強農戶與超市、批發市場、加工企業等市場主體的信息交流和合作，尋求有效的銷售渠道并提高農民的議價能力，還可以通過信息化手段發布綠色糧食供應信息，增強產銷對接機會。