基于非期望產出數據包絡分析和Tobit回歸研究新疆棉花種植生態效率及其影響因素

摘要：提升新疆棉花種植的生態效率，有利于保障棉花安全和農業的綠色低碳發展。基于2012―2021年新疆棉花種植的相關數據，構建非期望產出數據包絡分析模型（undesirable slacks-based measurement in data envelopment analysis， undesirable SBM-DEA）探討新疆棉花種植的生態效率，并通過Tobit回歸模型進一步分析了新疆棉花種植生態效率的影響因素。研究表明，新疆棉花產量高，但種植的生態效率整體呈“W”型變動趨勢，DEA非有效期間投入要素存在冗余。制約新疆棉花種植生態效率的主要因素為農業機械的大量投入、農村居民可支配收入和財政支農水平提高后過度的要素投入造成的污染。研究結果可為科學引導棉農在棉花種植過程中合理投入要素提供科學依據。

關鍵詞：棉花種植；新疆；生態效率；非期望產出數據包絡分析（undesirable SBM-DEA）；綠色低碳；農業機械；農村居民可支配收入；財政支農

2024年“中央一號文件”提出，持續打好農業農村污染治理攻堅戰，一體化推進鄉村生態保護修復。棉花既是重要的經濟作物，又是重要的戰略資源，與人民生活息息相關[1]，新疆是我國優質棉生產基地，2023年新疆棉花的種植面積及產量占全國約九成[2]。但是在棉花生產經營中投入要素所產生的面源污染、碳排放等對生態環境的負外部效應不容忽視[3]。基于此，將新疆棉花種植中對環境產生的負面影響納入測算體系，綜合分析投入產出與生態要求的評價指標，探究新疆棉花種植的生態效率，對于優化新疆棉花種植中的要素投入，推動棉花生產綠色低碳發展有著重要意義。

農業生態方面較早得到了國內外學者的關注，農業生態效率的研究成了學者們的研究熱點。1990年Schaltegger等[4]學者最早提出生態效率，繼而許多學者對農業生態效率進行了研究。全國視角下，馮亞娟等[5]分析了2007―2016年中國農業生態效率時空演變特征并探索驅動因素，進而提出了推動我國農業高效、可持續發展的建議。王辰璇等[6]測算了我國2000―2018年的農業生態效率，得出了該時期我國農業生態效率為“東西兩頭高、中部較低”的空間分布。省際視域下，曹俊文等[7]分析了長江經濟帶地區的農業生態效率，發現2007―2016年間該地區的農業生態效率都沒有長期達到有效值。有學者測算了湖南[8]、河南[9]、山西[10]等地某一時段的農業生態效率并探索其相關影響因素，為當地的農業生態發展提供了相關的理論指導。縣域角度下，蔣璟等[11]研究了新疆伊犁哈薩克自治州24個縣（縣級市）在2004―2017年期間的農業生態效率，研究表明其時間上呈波動平緩下降趨勢，空間上呈現出明顯的異質性。關于棉花的生態效率方面，穆佳薇等[12-13]分析了2000―2020年環塔里木盆地39個縣域棉花種植的生態效率，研究發現其棉花種植急需向低碳轉型，并基于對2009―2020年新疆42個主產棉縣的分析，得出新疆區域內棉花生態效率為北疆高、南疆和東疆較低。

目前學術界關于農業生態效率的研究已經取得了比較豐富的成果，但多集中在農業整體情況。在綠色低碳發展的目標下，新疆作為我國重要的棉花產區之一，其近年棉花種植的生態效率如何？是哪些要素又是如何影響了新疆棉花生產的生態效率？又要如何提高新疆棉花種植的生態效率？目前尚未見全面的評估報道。因此，在借鑒已有研究的基礎上，本研究采用非期望產出數據包絡分析模型（undesirable slacks-based measurement in data envelopment analysis， undesirable SBM-DEA），綜合分析測算2012―2021年新疆棉花種植的生態效率，對促進新疆棉花產業安全及農業可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究方法

1.1.1 SBM-DEA模型。數據包絡分析（data envelopment analysis， DEA）是基于多投入、多產出變量評價決策單元的方法。Tone提出的非期望產出松弛測度模型（undesirable slacks-based measurement， undesirable SBM）考慮了生產中的“松弛”問題，將松弛變量納入函數中，并在產出中使用非期望產出，優化了效率評價，具體公式參見文獻[14-15]。

基于該方法得出的棉花種植生態效率范圍為0～1。其值為1，表示棉花生產投入完全有效，此時過剩的投入、非期望產出和期望產出的短缺均為0；其值＜1，則表示棉花生產投入發生效率損失，需要通過優化投入要素控制非期望產出以改善棉花種植生態效率。

1.1.2 Tobit回歸模型。為進一步研究不同因素對新疆棉花種植生態效率的影響，將計算出的棉花種植生態效率值作為因變量，選取棉花種植的相關因素為自變量，建立Tobit回歸模型。該模型表示為：Yi＝？琢＋？茁Xi＋？滋i。式中，Yi是因變量，？琢是常數項，？茁為影響因素的系數，Xi為自變量，？滋i為隨機誤差項。

1.2 指標構建

棉花的生產活動主要歸結為人類在農業土地上生產棉花過程中所產生的直接和間接投入與產出。在棉花的種植過程中，勞動力、土地、資本是必不可少的投入要素[16-17]。運用權重系數法，即將農業要素投入與權重系數相乘，可計算出棉花種植相關的要素投入量。參考學者們的研究，綜合考慮棉花種植過程中的要素投入，以及數據獲取的真實性與可行性，構建的新疆棉花種植生態效率評價指標體系見表1。為反映棉花種植過程的生態經濟狀況，選取了代表性的生態指標和經濟指標。在非期望產出中，借鑒李波等[18]和李浩睿[19]的研究方法計算碳排放總量，其中碳排放系數分別為化肥0.895 6 kg·kg－1、農藥4.934 1 kg·kg－1、農膜5.18 kg·kg－1、柴油0.592 7 kg·kg－1、灌溉20.476 kg·hm－2、翻耕312.6 kg·hm－2和農業機械動力0.18 kg·（kW·h）－1。在面源污染流失系數方面，化肥、農藥和農膜殘留率分別按65%、50%和10%的流失率折算[20]，得出新疆棉花種植面源污染總量。

1.3 數據來源

本研究時間區間為2012―2021年，原始數據來源于《新疆統計年鑒》和《中國農村統計年鑒》。

1.4 數據處理與分析

本研究采用SPSS 26.0軟件進行數據處理，對個別缺失值采用均值替代法與線性插值法進行補全，并利用SPSSAU軟件進行實證檢驗。

本研究采用表1的評價指標，使用SBM模型分別測算了2012―2021年新疆棉花種植生態效率和棉花種植生產效率（凸顯出在棉花種植過程中非期望產出因素作用的大小，即未考慮環境因素的生產效率），將兩者進行比較分析此階段新疆棉花種植的生態效率發展水平。然后，進一步將新疆棉花種植的生態效率（eco-efficiency， OE）分解為純技術效率（technical efficiency， TE）、規模效率（scale efficiency， SE）進行分析，其中純技術效率反映通過科技和管理的手段增加投入資源使用率，規模效率主要反映生產規模優化對達到效率水平的貢獻。

2 結果與分析

2.1 新疆棉花種植的生態效率分析

由圖1可知，在規模報酬可變的條件下，新疆棉花種植的生態效率與生產效率呈現出同向波動特征，但是2013―2020年間新疆棉花種植的生產效率高于生態效率，說明新疆棉花生產在追求期望產出增加的過程中對生態環境產生了負面影響。如果在棉花的種植過程中單純追求產出的最大化，而不重視非期望產出造成的生態環境污染，則呈現的生產效率實為“偽效率”，即棉花種植并未實現綠色低碳的高質量發展，凸顯出探究新疆棉花種植生態效率的必要性。

2.2 新疆棉花種植生態效率的拆解分析

由圖2可知，新疆棉花種植的分解效率指標都趨向于“W”型變動趨勢。2012年、2013年、2020年及2021年新疆棉花種植的生態效率值達到1，DEA結果為強有效，說明在這4年種植棉花過程中，資源投入的使用效率高，生態環境得到保護。而2014―2019年非DEA有效期間，新疆棉花種植的生態效率值低于1，說明棉花生產投入要素存在冗余并對生態環境造成了破壞。

進一步從分解指標來看，2014―2018年期間新疆棉花種植的規模效率值和生態效率值低于純技術效率值，且2016年的規模效率值、生態效率值達到最低值，分別為0.96、0.95，說明在此階段棉花的種植規模規劃并不合理，存在種植規模小、生產經營分散的情況，這與李哲敏等[21]、張賀軒等[22]同期的研究結果一致。2019年新疆棉花種植綠色發展過程中最大的阻礙因素是技術效率，但整體這10年間棉花種植生態效率非DEA有效期最主要的影響指標是規模效率指標。可見，其間新疆棉花種植中，技術的運用、資源配置較為合理，但是投入資源的有效利用率較低，新疆各地州棉花種植戶也存在小而分散的情況，過多的要素投入對生態環境造成了損害，新疆棉花種植的整體生態效率不高，生態環境未得到有效的保護。

表2為新疆棉花種植的生態效率投入產出冗余數據結果，用于分析不同投入要素的過剩以及產出情況，進一步評價其生態效率的損失結構。整體來看，研究期間新疆棉花種植生態效率的損失主要由各項生產資料過度投入而產生的投入冗余引起，進而對生態環境造成負面影響，但是新疆棉花種植的勞動力配置較為合理、棉花產量可觀。在2014―2019年棉花種植生態效率的非DEA有效期間，投入要素存在不同程度的冗余。其中，棉花種植面積和灌溉面積在2014―2016年存在投入冗余，但冗余率在逐年遞減，且在2017年后降為0，說明其間進行了相應的種植結構調整等。化肥、農藥、農膜、燃料作為棉花種植的主要消耗材料，每年其投入量相對較大，一直存在較高的投入冗余，且其冗余率波動不大，這與Ullah等[23]對巴基斯坦南部棉花種植生態效率的研究得出的農藥和化肥的高冗余率是制約生態效率的關鍵因素的結果一致，說明新疆棉花種植過程中存在化肥、農藥、農膜的過度使用，其產生的碳排放、面源污染對生態環境造成較大的破壞。農業機械在2017年開始出現冗余，說明新疆農業機械化水平在不斷提升。

2.3 新疆棉花種植的生態效率影響因素分析

棉花種植過程中受到諸多因素的影響，本研究在分析新疆棉花種植生態效率的影響因素時，綜合考慮經濟、社會、生產條件方面的影響，結合已有的研究經驗，構建了新疆棉花種植生態效率影響因素指標，見表3。主要選取以下自變量：農村居民可支配收入（Inc）；城鎮化水平（Urb），以城鎮人口比重表征；財政支農水平（Fin），以農林水支出/財政支出表征；農田灌溉率（Irr），以灌溉面積/農作物播種面積得到；農業機械投入（Mac），以農業機械總動力/農作物播種面積表征；農業規模化水平（Sca），以農作物播種面積/農業從業人員表征；水土流失治理面積（Adm）；農村用電量（Ele）。

運用Stata18.0軟件，進行Tobit模型回歸分析，結果見表4。可知，農村居民可支配收入的回歸系數值為－12.706，并且呈現出1%水平的顯著性（z值＝－9.505，P＝0.000＜0.01），意味著農村居民可支配收入會對棉花種植生態效率產生顯著的負向影響。棉農在可支配收入增加后，則有更加充裕的資金購買化肥、農藥、農膜等生產資料，導致投入過多的概率加大，而這會加重環境污染，降低農業生態效率。

在1%水平下，城鎮化水平的提升可顯著帶動棉花種植生態效率提高（表4）。新疆的城鎮化率由2012年的44.22%增長到2023年的59.24%，反映出其間新疆大力發展城鎮建設。這促使大量農村人員到城市發展，進而減輕了農村人類活動對自然生態環境的壓力，同時農村植被覆蓋率和土地資源隨著農業人口壓力的減小而增加，可有效降低環境污染和碳排放量，提高棉花種植生態效率。

財政支農水平對棉花種植生態效率產生顯著的負向影響（表4）。近年來，新疆的財政支農資金逐年遞增，出臺了棉花相關的補貼政策、購置農機等生產要素的補貼政策，但有部分補貼會被用于增加生產投入，從而會加大化肥、農藥等要素的投入，對生態環境造成污染，不利于生態效率的提高。

農田灌溉率的提升可顯著促進棉花種植生態效率（表4）。有效灌溉面積增大，利于增加棉花產量，減少耕地荒廢，提高生態效率，且回歸系數最大，影響效率最高，說明通過提高新疆棉花種植有效灌溉面積來提高其生態效率有很大的空間。因此，應加強水資源利用、積極探索推廣節水技術。

農業機械投入顯著阻礙了棉花種植生態效率的提高（表4）。新疆農業機械化水平較高，幾乎可實現棉花全程機械化操作，然而機械化的快速發展在提高勞動生產率的同時，對于燃料能源的消耗在逐年增加，其產生的污染及碳排放給生態環境帶來了壓力，進而影響了生態效率的提升。

農業規模化水平提升可顯著推動棉花種植生態效率提高（表4），其回歸系數較大，說明還需進一步提升新疆棉花種植的規模化水平以提高其生態效率。規模化、集約化的種植，可有效促進生產要素的合理投入。新疆在不斷完善土地流轉政策，探索棉花規模化經營模式。不斷整合資源稟賦，適度規模種植，可大幅降低棉花生產過程中的污染物排放量，從而提高棉花生態效率。

水土流失治理面積的增加對棉花生態效率的提高起積極作用（表4）。農田的水土流失有效治理可降低耕地損毀，鞏固土地資源和土壤肥力，減少化肥等投入的面源污染，保護耕地質量和農業生態環境。新疆在風沙、荒漠化等自然條件下，采取植樹造林、種草、滴灌等多種有效措施，治理和防止水土流失，保護了生態環境。

農村用電量提高顯著地推動了棉花種植生態效率提高（表4）。隨著新能源的不斷推廣，美麗鄉村的建設，電力基礎設施建設加強，農村用電量迅速增長。在農業生產過程中，除燃料外的能源消耗以電能為主。農田光伏電板、太陽能電板用于供電，清潔便利且無污染，利于提升棉花種植生態效率。

綜上，選取的影響因素中城鎮化水平、農田灌溉率、農業規模化水平、水土流失治理面積、農村用電量這5項會對棉花種植生態效率產生顯著的正向影響，而農村居民可支配收入、財政支農水平、農業機械投入這3項會對棉花種植生態效率產生顯著的負向影響。

3 結論與建議

3.1 結論

本研究基于2012―2021年新疆棉花種植的投入產出數據展開分析，測算了新疆棉花種植的生態效率，構建了Tobit回歸模型深入研究不同因素對棉花種植生態效率的影響。結果表明，該時期新疆棉花種植的生態效率整體呈現出先降后升再降再升的“W”型波動趨勢。總體來看，新疆棉花種植生態效率未完全達到生態有效水平。從拆解來看，純技術效率、規模效率均未達到有效水平。從投入產出分析可知，新疆棉花的產出十分可觀，但是新疆棉花種植中的要素投入存在較大冗余。進一步通過Tobit回歸模型分析發現，這主要是由于農村居民可支配收入及財政支農水平提高后，過度的要素投入加重了對生態環境的污染、破壞，阻礙了生態效率的提升。

3.2 建議

新疆棉花種植過程中需要通過技術創新進一步提高投入資源的使用效率，鼓勵農戶土地流轉，形成規模化、集約化的生產經營模式。保障農民收入水平提高的同時，應加強培訓、教育，引導農民提升生態環境保護的理念意識，合理地投入棉花生產要素，推行減量增效。財政支農政策上，將一些要素投入補貼向生態環保補貼傾斜，同時，不斷完善農業社會化服務體系，降低分散型的機械效率，推行清潔能源下鄉。

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（責任編輯：楊子山 責任校對：秦凡）