省際農業用水效率評價及影響因素分析

鄧路 阿斯甫江·阿不都熱義木 崔巍平 閆海龍

(新疆維吾爾自治區發展和改革委員會經濟研究院 ，新疆 烏魯木齊 830001)

引言

水是寶貴的自然資源，也是農業發展的命脈，對于國家安全和民生大計都具有重大意義[1]。我國水資源總量非常充沛，約為31605.2億m3，但是由于人口眾多、水資源分布不均勻，人均占有量僅為世界平均水平的25%。2011—2019年，中國用水總量平均值為6082.2億m3，多年來均保持在6000億m3之上，在水資源總量無法大幅度提升和用水總量無法大幅度下降的前提下，只能不斷提高水資源利用效率，讓單位用水量創造更多的價值。根據中華人民共和國水利部發布的《2020年中國水資源公報》數據顯示，2020年用水總量為5812.9億m3，其中農業用水量為3612.4億m3，占總用水量的62.14%，農業用水依然是占比最高。同時，由于水資源分布不均、用水效率低等原因，水資源的稀缺一直也是農業發展的重要制約因素之一[2]。因此，提高農業用水效率，對保障農業發展，促進農業經濟高質量發展都具有重要意義。

為了提高農業用水效率，首先必須科學、客觀的評價農業水資源利用效率，同時尋找其在時空分布中的客觀規律，才能針對性地提出提高水資源利用效率的意見建議，為農業高質量發展提供有力支撐。關于農業用水效率，國內外學者做了大量研究：楊騫等[3]采用全要素水資源效率的測度思路對農業水資源效率進行了測度，夏蓮等[4]測度了甘肅省民樂縣馬鈴薯產業的水資源利用效率，劉渝等[5]測算了湖北省農業水資源利用效率，佟金萍等[6]對長江流域的10個省份農業用水效率進行研究，王潔萍等[7]測算了新疆農業水資源效率，陸泉志等[8]測算了廣西農業水資源利用效率，李靜[9]、方琳[10]、王學淵[11，12]、劉濤[13，14]等將全國分成多個區域測算了農業用水效率。關于農業用水效率影響因素方面，也有部分學者進行了探索，黃昌碩等[15]從機理層面分析了農業用水效率具有差異的原因；張玲玲[16]、韓穎[17]、陳洪斌[18]、尚杰[19]等研究認為，人均水資源量、降水量、地下水占供水量比例、農業產業結構等因素對農業用水效率有較大的影響；馬劍鋒等[20]分析了技術進步對農業用水效率的影響。以上研究為農業用水效率和影響因素分析研究奠定了堅實的基礎，但是也存在一些問題：部分研究忽略了水資源利用效率的空間分異規律；大部分對農業用水效率影響因素的研究基于回歸方法，該方法存在預設條件過多、可能產生多重共線性等問題，會造成有偏估計。因此，本研究將首先測算分析全國農業用水效率，在此基礎上運用莫蘭指數(Moran’sI)、LISA指數來分析農業用水效率在空間上的演變規律，最后利用機器學習中的隨機森林算法研究農業用水效率的影響因素，該方法對數據沒有預設條件，擬合效果好，以此為依據提出提高農業用水效率的意見建議，以期為農業發展提供有力支撐。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

農業用水效率分為單要素水資源利用效率和全要素水資源利用效率2種[21]，單要素水資源利用效率專注于研究水資源和經濟增長之間的關系，全要素水資源利用效率則需要考慮其它要素的影響，本研究重點關注水資源和經濟效益之間的聯系，因此采用單要素水資源利用效率，公式：

(1)

式中，AWUR表示農業用水效率；Aval表示農業產值；Wcon表示農業用水量，該結果能直接有效地反映農業用水效率的內涵。

此外，采用莫蘭指數、LISA指數分析農業用水效率變化情況，用隨機森林算法分析農業用水影響因素。

1.2 數據來源

本研究中的數據來源于《中國統計年鑒》《中國農業統計年鑒》和《中國水資源統計公報》。

2 結果分析

2.1 農業用水效率時空演變規律

2011年、2014年、2017年、2019年的農業用水效率如表1所示。

通過分析發現，整體來看，全國的農業用水效率整體上是不斷提升的，整體上呈現增長態勢。農業用水效率提升的主要原因是農業產值快速提升，而農業用水量的增長相對平緩。分區域來看，中部地區是農業用水效率較高的區域，以此為基礎，先向東南方向輻射，隨后向東北區域輻射，僅有西北地區農業用水效率較低。中部地區農業用水效率較高的主要原因是這些區域的農業用水量較低，說明中部地區的節水技術較為先進，提高了區域農業用水效率。用水效率較低的區域分為2種情況，新疆和江西等地農業產值較高，但是農業耗水量較高，造成農業用水效率較低，這一類地區應當大力發展節水技術，盡量降低農業耗水量；青海、寧夏、西藏等地雖然農業耗水量較低，但是農業產值也比較低，這一類地區應當通過提高產量、調整種植結構等手段，提升農業產值，提高單位農業用水量的產出。

2.2 農業用水效率空間聚集情況

對2019年的農業用水效率進行空間相關性分析，發現莫蘭指數不為零，說明其存在空間溢出效應，具體見表2。

通過分析原始數據并對照表2可知，高-高聚集的區域有5個，分別是四川、重慶、湖北、河南、山西，這些區域農業用水效率較高的原因是區域農業耗水量少，即這些區域的節水技術較強，說明節水技術的應用和發展不僅能促進當地農業用水效率提高，還存在較強的空間溢出效應，帶動周邊地區提高農業用水效率。低-低聚集的區域有2個，分別是新疆和廣東，這2個區域的農業產值都不低，但是農業耗水量較大，造成農業用水效率較低。新疆及周邊地區是因為處于干旱半干旱區域，蒸散發量較大，造成農業用水量大，應大力發展滴灌等節水技術，降低農業耗水量；廣東及周邊區域因為水資源豐沛，因此節水意識較弱，應加強節水宣傳、教育，減少不必要的水資源浪費。大部分區域的農業用水效率在空間上無顯著相關性，可以進一步加強區域間的聯動，發揮優勢地區的帶動作用，提高農業用水效率。

表2 農業用水效率空間聚集效應

2.3 農業用水效率影響因素分析

2.3.1 影響因素選取

參考現有的研究[14-17]，同時按照可比性、科學性、獨立性、可獲得性原則，建立影響農業用水效率的指標體系，詳見表3。

表3 農業用水效率影響因素指標體系

該指標體系從3個方面測度農業用水效率的影響因素，經濟發展方面用人均地區生產總值、第一產業產值占地區生產總值的比重來衡量，人均地區生產總值能反映一個地區的經濟發展水平，發展水平更高的地方可能會擁有更先進的節水技術，而第一產業產值占地區生產總值的比重能反映區域經濟結構。

資源條件方面用人均水資源量、地下水占供水總量的比例、灌溉面積占播種面積的比重來衡量，這些指標能反映出地區水資源稟賦。

農業投入程度用單位面積的農業機械總動力、人均農作物播種面積、R&D經費來衡量，前2個指標反映了農業生產過程中的物質投入、規模化程度，這些要素有可能對水資源的利用方式產生決定性的影響，R&D經費可以衡量對工業的投入程度，工業發展導致先進技術出現，就會反過來提高農業用水效率。

2.3.2 農業用水的影響因素

圖1顯示了隨機森林方法下影響因子的重要性排序情況。其中，第1列表示去掉某個變量袋外誤差上升的百分比，該值越大，表明變量越重要。第2列表示節點不純度平均減少值，表示該變量對決策樹節點的影響，該值越大，說明變量越重要。

圖1 基于訓練樣本的變量重要性排序

無論使用哪種方法，灌溉面積占播種面積的比重，R&D經費和地下水占供水總量的比例對模型影響較大，因此，本研究將選取這3個變量繪制偏相關圖，分析其作用方式。

圖2 灌溉面積占播種面積的比重對農業用水效率的影響

從圖2可以看出，灌溉面積占播種面積的比重達到20%左右時，農業用水效率最高；20%～50%迅速下降；隨后的影響區域平緩。這說明灌溉面積占播種面積的比重在20%～50%區間內時，農業產值增長的速度不及灌溉規模的提升，隨后繼續提升灌溉規模，對農業用水效率的影響將變小。在農業生產中，為了保證產量，無法將灌溉面積占播種面積的比重限制在20%以下，因此可以在其比重超過50%以后盡量向上提升，這樣可以增加作物產量，同時對農業用水效率的影響也較小。

圖3 R&D經費對農業用水效率的影響

從圖3可以看出，R&D經費對農業用水效率的提升非常明顯，這說明投入工業研發的資金會對農業用水效率形成非常顯著的正向效益，科技的提升能有效形成節水效應。當R&D經費小于50億元時，增加R&D經費能對農業用水效率產生非常明顯的正向效益，這是因為科技費用的投入對于節水技術的研發、使用具有推動作用。建議R&D經費小于50億元的地區增加該項費用的比例，提高農業用水效率。

圖4 地下水占供水總量的比例對農業用水效率的影響

從圖4可以看出，地下水占供水總量的比例對農業用水效率的總體影響是正向的，僅頭部有少部分觀測值有負向影響。這可能是因為少量應用地下水的區域技術較為落后、規模較小，無法有效提升農業產值，而利用地下水較多的區域，隨著地下水利用規模的擴大，有可能會帶動相應的節水技術發展，促進農業用水效率逐漸提高。

3 結論與建議

本研究基于2011—2019年全國的省際面板數據，測算了全國區域的農業用水效率及其時空演變規律，隨后利用隨機森林模型，分析了影響農業用水效率的因素，得出以下結論。全國的農業用水效率整體上增長的，應當維持目前農業政策的穩定性，保持全國范圍內農業用水效率的穩步提升。農業用水效率具有較為顯著的空間溢出效應，分為高-高聚集和低-低聚集2種，應繼續發揮高-高聚集區域的帶動效應，如四川、重慶、湖北、河南、山西等地應進一步帶動周邊地區提高農業用水效率整體提高；分類施策的打破低-低聚集區域的短板，如新疆及周邊地區應大力發展滴灌等節水技術，降低農業耗水量，廣東及周邊區域，應加強節水宣傳、教育。灌溉面積占播種面積的比重對農業用水效率的影響是負向的，但并非線性影響，應在其比重超過50%地區，進一步提高占比，增加作物產量。科技投入是促進農業用水效率上升的重要因素，當R&D投入資金小于50億元時應大力增加投入力度，此時的投入能大大增強農業用水效率的提升。