氣候變化對中國節水農業的空間溢出效應研究

摘 要 為探究氣候變化對中國節水農業發展的影響效應，基于2006—2022年中國省域實測氣象資料，使用空間模型研究了以溫度、降水、光照時數衡量的氣候因素與區域節水農業發展的關系：其與中國節水農業發展呈正向空間關系，具有顯著的空間溢出效應；氣候變化顯著促進了節水農業的發展，節水農業發展不僅受到本地區氣候因子的影響，還受到相鄰地區氣候變化的影響；研究還探討了其他因素對節水農業的影響：節水技術、政府涉農財政支出及農村居民家庭人均收入顯著促進了節水農業發展，城鎮化水平、糧食播種面積及農用機械總動力對節水農業發展具有抑制作用。

關鍵詞 氣候因子；空間溢出效應；節水農業；節水技術；城鎮化

中圖分類號：S271 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.19.041

中國發展節水農業對于提高農業用水效率、打造節水型社會、保護生態環境具有重大意義，是推進農業高質量發展與可持續發展的重要途徑。全球變暖是人類活動造成的 [1]，氣候變暖已是不爭的事實[2]，氣候變化和人類活動是影響植被生長的兩個重要因素[3]，農業用水具有消耗量大、灌溉技術（普及、推進）粗放、利用效率低、區域差異明顯、水環境污染等特征[4]，同時，氣候變化問題是全社會共同面對的挑戰[5]，全球氣候變暖將為節水農業帶來更為嚴峻的挑戰[6]。氣候變化作為影響農業用水規模和結構的重要外部環境沖擊，對于節水農業發展具有重大影響。在要素與資源約束下，節水農業發展是農業高質量發展的重要手段。氣候變化對于節水農業發展的區域差異和空間影響是重要的研究維度，鑒于農業是受氣候變化影響最直接、最脆弱的部門，隨著全球氣候變暖及干旱、洪澇等氣象災害的頻發，氣候變化在影響農業產出的同時，對化肥等生產要素投入數量和效果的影響也將進一步凸顯[7]。因此，系統分析我國各地區節水農業的發展現狀，并深入探究氣候變化對其產生的多維度影響，不僅具有深刻的現實指導意義，還能夠為農戶提供優化水資源管理策略的科學依據，助力涉農企業有效應對環境變化帶來的風險，同時也為政府制定更加精準高效的水資源配置政策與措施提供重要參考，共同促進農業、水資源與生態環境的和諧共生與可持續發展。

當前可持續發展背景下節水農業的相關研究已成為重點研究領域，然而聚焦氣候變化因素分析區域差異化影響的研究相對較少。大量研究聚焦：1）技術選擇及擴散與影響分析方面，學者對農戶選擇節水灌溉技術的影響因素開展研究認為政府補貼[8-10]、水價激勵[11]、社會網絡[12]、節水意識[13]、社會化服務[14]促使農戶采用節水技術，其中政府補貼對節水技術推廣影響較大，不僅有利于促進技術擴散，更能誘導農戶采用該技術[15]。并有學者將農戶采用節水技術與農業收入相聯系[16]。2）部分學者從水資源時空布局分布及發展趨勢出發，以省級節水農業體系為視角展開研究，對研究區域提出發展節水農業要結合當地資源稟賦[17-19]。3）在節水農業的研究中有學者將外部環境沖擊與節水農業發展及區域化差異相聯系，認為節水農業有利于減少農業生產過程對農村水環境的污染[20]，降低碳排放[21]，提高土壤碳匯[22]，尤其是抵御自然災害能力就必須發展節水農業[23]。

為實現節水農業可持續發展，首先，重視外部沖擊對于節水農業用水總量、結構及效率的影響，為本文提供了研究支撐。其次，考慮區域的地質地貌、經濟結構、要素稟賦、社會文化、技術發展水平等差異對于節水農業的影響。再次，氣候變化反映自然環境變化對于農業用水的供給和需求的影響，從政策措施、水價激勵、農戶個體特征等維度影響農業節水的效果。因此，探討氣候變化及其對于區域節水農業的綜合影響和量化依據，有助于正確認識和科學評價中國節水農業進展和存在問題，進而豐富該領域的相關研究。

1 "文獻綜述

氣候條件對農業生產力起著決定性作用，年際變化會對作物產量和品質造成顯著影響。隨著節水農業的發展，大量學者從不同維度對節水農業展開研究。具體而言，大量研究聚焦技術選擇及擴散與影響分析方面，薛彩霞等認為政府給農戶任何形式的補貼都可以有效地激勵農戶采用節水灌溉技術[15]；劉一明認為農業水價激勵結構對農戶節水認知與節水行為的背離有顯著的抑制作用[24]；張益等分析表明，社會網絡、節水意識對采用高效節水灌溉技術和節水品種選育技術均有顯著正向影響[13]。王永強等提出社會化服務顯著促進了農戶采納節水灌溉技術[11]，信息獲取在社會化服務對農戶節水灌溉技術采納行為的影響中發揮部分中介作用。郭亞軍等發現節水灌溉技術對經濟作物的收入影響較大[16]。上述學者從社會角度提出了節水農業技術擴散的影響因素，但從自然維度考慮較少，并未考慮到農作物生長需求。

部分學者從水資源時空布局分布及發展趨勢出發，以省級節水農業體系為視角展開研究。張茜等認為河北省應根據當前節水農業PSR系統現狀因地制宜地發展節水農業[17]。鞏書鑫等將黑龍江劃分為發展節水農業適宜區與非適宜區[18]。范海燕等將北京市劃分為農業節水優先發展區、農業節水適宜發展區和農業節水鼓勵發展區[19]。這些學者從PSR模型和RS模型等對區域節水農業展開研究，針對性強但其他省份資源條件相對差異較大，并不適用于其他區域。

此外，在節水農業的研究中有學者將外部環境沖擊（自然災害、溫室氣體、土壤酸堿度、環境污染）與節水農業發展及區域化差異相聯系：Deng等研究表明，節水灌溉能夠顯著降低農田氧化亞氮排放強度，對節能減排具有顯著影響[21]。Guo等研究發現，滴灌能夠顯著降低二氧化碳的排放，提高土壤碳匯[22]。劉戈等認為提高農業綜合生產能力，尤其是抵御自然災害能力就必須發展節水農業[23]。王俊敏提出通過采取節水農業提高水的利用效率，減少農業生產過程對農村水環境的污染[20]。

基于此，本文在已有研究基礎上，重點強調主要氣候因素對于我國省域節水農業的綜合影響分析，從空間溢出效應、區域差異化影響兩個視角進行分析，以期獲得有益的量化依據。首先，通過文獻綜述梳理出影響節水農業的其他因素，考慮到氣候變化3個維度溫度、降水、光照時數從資源要素供需、農產品生產環境與技術、節水驅動力3個方面考慮對于節水農業的影響。其次，基于2006—2020年中國省域面板數據，使用空間杜賓面板模型考察了以溫度、降水、光照時數衡量的氣候因素與地區節水農業發展的關系。 1）運用空間分析的方法，測算氣候因素（氣溫、降水、日照）的全域Moran’s I 指數及其演化趨勢。2）構建空間Durbin 模型，驗證并測算氣候因素對節水農業的空間效應和產生這種效應的原因。3）考慮到空間溢出效應存在時空差異，本文將進一步測算氣候因素對節水農業空間溢出效應的空間分布趨勢。最后，從區域聯動與差異化，監測農產品供需變化與優化地域發展環境等維度提出重要建議。

2 "研究設計與變量描述

2.1 "方法與模型

由于樣本間可能存在的空間效應與傳統計量模型樣本觀察值不相關的基本假設相悖，考慮到地理條件和水資源分布區域特征及人口流動、經濟活動帶來的空間分布變化，并綜合氣候變化和節水農業空間相關性與異質性，故參照郭志儀等研究思路，構建廣義嵌套空間模型（GNS）對研究假設進行檢驗[25]。公式如下：

[WSAit=α0+ρj=1NWijWSAjt+α1Temit+α2Preit+α3Itit+α4aitj=1NWijβ1Tem+β2Prejt+ β3Itjt+β4ajt+μi+νit] （1）

[νit=λj=1NWijνjt+εit] （2）

式中：i和[j]均表示地區，[t]表示年份。[WSAjt]為地區i在時間[t]的節水農業發展，[wij]為空間矩陣單元，衡量地區間的空間聯系，借鑒徐輝等研究采用經濟距離矩陣（各省份2006—2022年平均地區GDP差值的倒數衡量區域經濟距離）表征空間矩陣[26]。[Temit]、[Preit]、[Itit]分別為反映氣候因素的氣溫、降水和日照，[αit]為控制變量，代表其他影響節水農業發展的節水技術、政府涉農支出、農村居民家庭人均可支配收入、糧食作物（小麥、玉米）播種面積、農用機械總動力、第一產業增加值占地區生產總值比重。[α]和[β]表示影響系數，[ρ]和[λ]分別為空間滯后項和誤差項系數。[μit]為個體固定效應，[νit]為納入空間溢出的隨機擾動項，[εit]-N（0，[σ2]）。

根據個體效應的不同，空間面板模型亦有固定效應和隨機效應之分，但隨機效應模型假設個體效應與解釋變量之間零相關，在實際分析中一般很難滿足Elhorst認為，當數據形式是一個國家所有地區構成的空間時間數據時，固定效應模型通常比隨機效應模型更合適[27]。由于本文的研究樣本包含全國除西藏外的所有地區，并且時間跨度較大，可以保證一致地估計固定效應，因此為保證研究的嚴謹性，對固定效應模型進行了實證研究，以獲得更好的模型解釋與證據。

2.2 "變量選擇與定義

被解釋變量：節水農業WSA，本文借鑒水利部制定的節水指標評價體系中節水工程發展建設參照（2005）和郎新珠等研究，節水灌溉面積的增加不一定能顯示出灌溉技術的發展和政府對農業灌溉的重視程度，因為有效灌溉面積也在發生變化，為此計算出了節水灌溉面積占有效灌溉面積的比例，利用節水灌溉面積占有效灌溉面積的比例衡量節水農業發展程度[28]。

核心解釋變量：氣候因素測算指標有溫度（Tem）、降水量（Pre） 、光照時數（It）。在農業領域，氣候因素對農作物生長具有重要地位，其中氣溫、降水、光照對于農作物生長影響尤其重要，我國幅員遼闊，涵蓋多種氣候類型，北方地區光照充足，但降水相對稀少；南方地區降水較多，但光照較少，不同的地區氣候造就了農業種植結構的差異[29]。

控制變量：除氣候因素外，節水農業發展還受到其他因素影響。參照節水農業既有研究成果[17，30-32]，在模型中加入以下控制變量：節水技術（Wst），以節水灌溉類機械衡量。涉農財政支出（Efa），自2007年開始，我國統計財政支農支出的口徑統一為農林水事務支出[32]。此外，還有農村居民家庭人均可支配收入（Pca）、城鎮化（Urb）、糧食作物（小麥、玉米）播種面積（Gcsa）、農業機械總動力（Gpam）、第一產業增加值占地區生產總值比重（Vpgdp）。

2.3 " 數據來源

考慮到數據缺失值，本文選取中國30個省（區、市）作為研究對象。氣候因素中溫度（℃）、全年降水量（mm）和光照時數（h）采取各省份城市全省年平均值為代表進行測算，對于上海市2018—2022年節水灌溉機械和蘭州2019—2020年氣候指標缺失情況運用插值法進行補全。數據來源于2006—2022年《中國統計年鑒》、中國氣象局數據及各省份統計年鑒。同時，指標之間性質、量綱、數量級等特征均存在一定的差異和減少變量數據波動的影響，故對所有數據取對數進行統一，變量描述性統計見表1。

3 "結果與分析

3.1 "空間關聯檢驗

傳統模型在運算時會忽略空間溢出效應而造成結果偏差，所以在研究節水農業空間溢出效應前要了解其空間相關程度。本文參照鮑超等研究思路，使用全局莫蘭指數對觀測樣本進行空間自相關性檢驗，以驗證節水農業是否在空間層次相關聯[33]。節水農業的全局Moran’s I指數如圖1所示。結果顯示，Moran’s I指數均大于0，且在1%水平顯著，表明中國省域節水農業呈顯著的空間正相關，即我國相鄰省份節水農業發展存在空間依賴效應，并且隨著時間推移而不斷增強，呈波動態勢。

3.2 "模型選擇

節水農業存在顯著的空間集聚特征，因此，在探討氣候變化對節水農業的影響時，需考慮空間效應。為選擇更適合模型首先根據 Anselin 等研究思路進行LM檢驗，以進行空間滯后模型和空間誤差模型的判定[34]。LM檢驗結果見表2，空間滯后模型（Spatial Lag Model， SLM）和空間誤差模型（Spatial Error Model， SEM）至少通過了5%水平的顯著性檢驗， 表明應選擇空間滯后模型和空間誤差模型相結合的空間杜賓模型（Spatial Error Model， SDM）。Hausman檢驗為38.52且在1%水平顯著， 故選擇固定效應模型。LR檢驗表明， 杜賓模型均拒絕退化為空間滯后模型模型或空間誤差模型模型。綜上所述， 空間計量模型應選用固定效應的空間杜賓模型模型。

3.3 "空間基準回歸分析

空間杜賓模型回歸結果見表3。從主效應來看，氣溫對節水農業的影響為正，且通過了10%的檢驗，氣溫對節水農業發展有顯著促進作用。降水系數為-0.173，通過了5%水平的顯著性檢驗，表明降水對節水農業有顯著的抑制作用。光照時數對節水農業的影響為正，且通過了10%水平的檢驗，表明光照時數促進了節水農業的發展。節水技術對節水農業具有正向的促進作用，系數為0.003，通過了5%水平的顯著性檢驗，這主要原因可能是隨著節水設備的普及，澆灌、噴灌和覆膜等節水手段實施，相鄰省份間充分借鑒發展經驗，促進本地區節水農業發展。城鎮化的系數為-0.549通過了5%水平的顯著性檢驗表明城鎮化發展不利于發展節水，具有抑制作用，城鎮的集聚發展迅速但農村相對緩慢，早期的耕地仍然得不到集約化、產業化發展，節水設備難以全面普及，從而抑制了節水農業發展。

3.4 "影響節水農業發展的效應分解

空間杜賓模型的估計系數并不能直接反映空間溢出效應的大小，需要通過偏微分方法求解[35]，本文進一步估計各自變量對節水農業的直接影響、空間溢出效應和總效應。其中，直接效應反映自變量（氣候因素和各控制變量）對本地區被解釋變量（節水農業）的影響，間接效應反映本地區氣候因素對鄰近地區節水農業產生的影響。其空間效應分解結果見表4。

由表4可知，溫度對節水農業的直接影響和間接影響均顯著為正，表明氣溫升高促進了本地區與相鄰區域節水農業的發展。氣溫每升高1%，本地節水農業將發展0.19%，相鄰地區發展0.43%，這可能是因為氣溫的升高，農作物對于灌溉水量需求增大，發展節水農業有利于合理灌溉、減少農業用水量。降水對節水農業的直接影響和間接影響均顯著為負，表明增加1%水平的降水量，本地節水農業將會減少0.22%，相鄰地區節水農業減少0.47%，降水量多的地區，農業灌溉用水相對較小，從而節水農業得不到發展。光照時數對節水農業的影響主要表現在促進本地節水發展，光照時數增加1%，會促進本地區節水農業0.2%的發展。控制變量中，節水技術、政府財政涉農支出、人均收入和第一產業增加值占地區GDP比重均顯著促進了本地區節水農業的發展；城鎮化、糧食播種面積和農用機械總動力均顯著抑制本地區節水農業的發展。

3.5 "穩健性檢驗

為進一步驗證實證結果的可靠性和有效性，本文借鑒聶永有等研究思路，使用不同的空間權重矩陣可能會得出不同的實證結果，采用0-1鄰接矩陣替換經濟距離矩陣對上述實證結果進行穩健性檢驗[36]。結果見表5，在更換矩陣后，各主要變量空間效應系數方向與基準回歸分析結果基本一致，因此本文選擇經濟距離矩陣作為空間權重具有一定的合理性。

4 "結論與政策建議

資源約束下節水農業發展是農業高質量發展的重要手段。氣候變化對于節水農業發展的區域差異和空間影響是重要的研究維度，本文綜述相關研究基礎上，給出理論分析并提出假設，考慮到氣候變化3個維度溫度、降水、光照時數從資源要素供需、農產品生產環境與技術、節水驅動力等方面對于節水農業的影響，本文基于2006—2022年中國省域面板數據，使用空間杜賓面板模型考察了以溫度、降水、光照時數衡量的氣候因素與地區節水農業發展的關系。研究發現：1）我國區域節水農業發展呈正的空間相關性，具有明顯的空間溢出效應，經濟發展加深了各地區節水農業聯系，節水農業呈明顯的空間集聚特征。2）氣候變化顯著促進了節水農業的發展，該地區節水農業發展不僅受到本地區氣候因子的影響，還受到相鄰地區氣候變化的影響。3）研究還探討了其他因素對節水農業的影響。從直接效應來看，節水技術、政府涉農財政支出及農村居民家庭人均收入對該地區節水農業發展具有顯著的促進作用，城鎮化水平、糧食播種面積及農用機械總動力對該地區節水農業發展具有阻礙作用。從間接效應來看，節水技術和第一產業總價值占地區GDP比重均對節水農業存在顯著的正向空間溢出效應，糧食播種面積和農用機械總動力對相鄰地區節水農業產生顯著的抑制作用。

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（責任編輯：易 "婧）