趙麗平,李登娟,侯德林,李軍利
(1.中南民族大學 經濟學院,湖北 武漢 430074; 2.中南財經政法大學 應用經濟學博士后流動站,湖北 武漢 430073; 3.湖北經濟學院 碳排放權交易協同中心,湖北 武漢 430205;4.武漢紡織大學 管理學院,湖北 武漢 430200)
湖北省地處長江流域中心位置,是個農業大省,同時也是水資源大省。在湖北省各類用水中,農業用水和消耗用水所占比例最大,根據2016年《湖北省水資源發展報告》,2016年湖北省農業用水占全省總用水量的47.4%,農業消耗用水占全省用水消耗總量的63.2%。
同時,隨著湖北省城市化和工業化的發展,工業用水和農業用水競爭激烈,農業用水還存在利用粗放、嚴重浪費和面源污染等問題,從而導致農業用水資源日益緊張。根據《2016年湖北省農田灌溉有效利用系數測算分析成果報告》,湖北省2016年農田灌溉水平均有效利用系數僅為0.50,其中,大型農田灌溉水有效利用系數為0.49,低于平均水平。
在湖北省農業用水形勢如此嚴峻的背景下,加強水資源管理,提高農業用水效率是確保經濟社會可持續發展的必由之路。而湖北省及各市(州)的農業用水效率在不同時間段的變化趨勢如何?各市(州)的農業用水效率是否存在差異?湖北省鄂東丘陵地區、鄂中平原地區和鄂西山區等3大區域的農業用水效率又有何差異?本文對這些問題展開研究分析,以期提高湖北省農業用水效率,推動湖北省農業用水方式從粗放型向集約型轉變,促進湖北省農業用水高質量發展。
目前國內不少學者對農業用水效率進行了研究,主要集中在以下幾個方面:(1)對于農業用水效率的測度。Geng等[1]基于數據包絡分析方法對中國2003-2013年31個省市(未包含港澳臺地區)的相對農業用水效率進行了評估,研究結果表明,2008年以后的中國農業用水效率明顯改善;耿獻輝等[2]基于隨機前沿生產函數的研究表明,農業灌溉用水效率與棉花技術效率具有較高相關性,提高灌溉用水價格有利于灌溉用水效率的提高;佟金萍等[3]基于超效率DEA的測算結果表明,1998-2011年長江流域的農業用水效率呈波段式上升趨勢,且各流域段農業用水效率呈現出差異性:下游>上游>中游;孫付華等[4]基于三階段DEA-Malmquist指數測算2011-2015年未包含港澳臺地區的31個省市農業水資源利用效率并分析其在時空上的異質性,結果顯示水資源稟賦、經濟水平、有效灌溉面積與農業用水冗余值成正相關,政府農林牧漁業財政支出與農業用水冗余值成負相關。(2)對農業用水效率影響因素的分析。農業用水效率的影響因素主要有水資源稀缺度[5]、技術進步[6]、用水價格[7]、經濟支持[8]、從業人員受教育水平[9]、農業現代化水平[10]等。(3)提高農業用水效率的對策。多數研究成果表明,優化節水灌溉技術和加強基礎水利設施建設是提高農業水資源利用效率的關鍵[6],也有學者認為應該因地制宜,根據不同的區域制定差異化農業用水效率提升對策[11-12],還有學者提出引入水權市場機制,按照市場水資源供需狀況決定水價,提高農民節水意識[13]。楊騫等[14]認為加強跨區域間合作交流,因地制宜調整農業發展布局,也有助于提升農業用水效率。
綜上所述,學者們已在農業用水效率測度、農業用水效率的影響因素和提高農業用水效率的對策方面進行了較為詳盡的研究,為后續研究奠定了良好的基礎。但還存在以下不足:(1)研究層面上,既有學者主要從全國或區域層面對農業用水效率進行研究,鮮有學者從省際層面研究各個市(州)的農業用水效率。(2)研究內容上,既有研究主要是對農業用水效率進行測度,并在此基礎上進行比較分析,鮮有學者測算農業用水效率的冗余率,分析農業用水效率損失的原因。
在既有研究成果的基礎上,本研究運用數據包絡分析方法從省際層面對湖北省2003-2016年各市(州)的農業用水效率進行了測度,并進一步運用投入產出冗余率對農業用水效率損失的原因進行了分析,而且將湖北省劃分為鄂東丘陵地區、鄂中平原地區和鄂西山區3大區域,分別從時間和空間的角度分析了湖北省農業用水效率和投入產出冗余率的時間差異和空間差異,以期為提升湖北省各區域農業用水效率、促進農業水資源的集約利用提供現實的參考和決策依據。
本研究采用數據包絡分析(data envelopment analysis,DEA)對湖北省農業用水效率進行測算。數據包絡分析方法是運籌學、數學、數理經濟學和管理科學交叉研究的一個新領域,1978年由美國運籌學家Charnes等[15]提出。該方法的核心思想是在保持決策單元(decision making units,DMU)的輸入或者輸出不變的條件下,借助數學規劃和數學統計方法確定一種最小投入或最大產出邊界,即相對有效的生產前沿面,并通過比較各個決策單元偏離DEA生產前沿面的程度來對被評價決策單元的相對有效性進行綜合績效評價。DEA方法有多種模型,主要有規模報酬可變模型(VRS)和規模報酬不變模型(CRS),規模報酬可變模型(VRS)一般適用于微觀層面的研究,而規模報酬不變模型(CRS)更適用于宏觀層面的研究[16]。
農業生產極大程度上依賴于自然條件,而湖北省水資源、耕地資源等自然資源日益緊張,且農業生產所需的自然資源短時內難以實現大規模的同比例增減。因此,本研究采取投入導向的規模報酬不變模型(CRS),對湖北省16個市(州)農業用水效率進行測算。將湖北省16個(市、州)作為決策單元DUWj(j=1,2,3,…),每個DUWj有k種投入xij(i=1,2,…,k)和l種產出yrj(r=1,2,…,l),則CRS表達式如下:
(1)
式中:λj為第k項投入和第l項產出的加權系數;θ為技術效率值(0≤θ≤1),當θ=1時,技術效率達到最大值,表示決策單元處于生產前沿上,為技術有效狀態。
基于CRS假設下的農業用水投入的數據包絡模型解釋如圖1所示,圖1中X1和X2分別為投入1和投入2,Y為產出;橫軸和縱軸均為單位產出的投入,其值越小越好;EE′為效率前沿面;OA′/OA和OB′/OB分別為A點和B點的效率;C點和D點在生產前沿面上表示這兩點是有效率的;A點和B點表示效率損失,A點的效率損失由兩部分組成,即 AC=AA′+A′C,其中AA′為技術無效率導致的效率損失,A′C為要素配置扭曲導致的效率損失,當AC =0時,農業用水效率為1,表示A點位于生產前沿面上,達到最高效率。
由于投入要素冗余會導致要素配置扭曲,而要素配置扭曲也是效率損失的重要原因,因此本研究從投入要素的冗余率視角來對農業用水效率損失的原因進行解釋。農業用水效率根據投入產出指標來計算,農業用水效率損失與各個指標密切相關,各指標的投入冗余值越大,則農業用水效率損失與該指標的相關性越大,因此可以用單一指標的投入冗余值來對農業用水效率損失的原因進行分析,本文農業用水效率值和投入冗余值采用MaxDEA7.3Ultra(4-core)軟件進行測算。

圖1 CRS假設下的農業用水投入數據包絡模型解釋
2.2.1 研究區域及數據來源 湖北省農業發展歷史悠久,是我國重要的農業大省,由武漢、黃石、襄陽、荊州、宜昌、十堰、孝感、荊門、鄂州、黃岡、咸寧、隨州、潛江、仙桃、天門市、恩施土家族苗族自治州等16個市(州)和1個神農架林區組成,由于神農架林區特殊的自然資源稟賦和生產力,所以研究樣本暫不考慮神農架林區。
本研究以除神農架林區以外的湖北省各市(州)為研究區域,建立2003-2016年湖北省16個市(州)的面板數據。農業相關投入產出數據來自《湖北農村統計年鑒》(2004-2017年),各市(州)農業用水相關數據來自《湖北省水資源公報》(2003-2016年)。
2.2.2 指標選取 在農業用水效率測算模型中,本研究選取農業用水投入、農業勞動力投入、農業土地投入、農業機械投入、農業化肥投入作為投入指標,以農業總產值作為產出指標。關于投入指標,農業水資源投入以各市(州)農業用水量表示;勞動力投入以各地區農林牧漁業的從業人員數量表示;土地投入以各市(州)農業播種面積表示;農業資本投入用農業機械和化肥投入表示,其中農業機械用農業機械總動力表示,農業化肥投入用按折純量計算的化肥施用量表示,化肥具體是指氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥。關于產出指標,用農林牧副漁業總產值表示,按照1995年基準價格對農林牧副漁總產值進行平減。選取的農業用水效率測算指標如表1所示。

表1 選取的農業用水效率測算指標
湖北省地形復雜多樣,受水汽來向和地形因素影響,湖北省水資源空間分布不均。本研究基于地理特征和行政區劃,將湖北省劃分為3大區域。即鄂東丘陵地區(包括黃石、黃岡、鄂州、咸寧4個市)、鄂中平原地區(包括武漢、孝感、仙桃、天門、潛江、荊門、荊州7個市)和鄂西山區(包括恩施、十堰、襄陽、宜昌、隨州5個市(州))。
湖北省及3大區域2003-2016年農業用水效率變化趨勢如圖2所示。由圖2可看出,在研究期內,湖北省農業用水效率總體上呈增長趨勢,從2003年的0.14增大到2016年的0.75。其增長速度在不同的階段有所波動,2003-2007年湖北省農業用水效率從0.14增大到0.41,增長速度較快,2007-2013年從0.41增大到0.58,增長速度較為平緩,2013-2016年從0.58增加到0.75,增長速率略低于2003-2007年。3大區域農業用水效率在研究期內也呈增長趨勢,其增長幅度排序為鄂西>鄂東>鄂中。研究期內鄂西山區的農業用水效率整體處于較高水平,從2003年的0.15增大到2016年的0.83,鄂東地區的農業用水效率從2003年的0.13增大到2016年的0.79,鄂中平原地區的農業用水效率絕大部分年份均低于其他兩個地區,但總體上處于較為平緩的上升狀態,從2003年的0.13增大到2016年的0.67。呈現出區域差異的原因可能是:鄂西山區多山地丘陵,地形高低落差大,生物資源豐富,因此農業水資源利用水平較高;鄂東丘陵地區雖然水熱資源豐富,耕種條件好,耕作歷史悠久,但相關學者的研究表明,該地區水利建設不足,多采用大水漫灌,引水渠利用率低下[17],因此農業用水效率不高;鄂中平原地區面積廣闊,地勢平坦,農業水土資源豐富,是湖北省最主要的產糧區,但由于缺少有效的農業用水管理政策,從而導致農業用水效率低下。

圖2 2003-2016年湖北省及三大區域農業用水效率變化趨勢
為了進一步分析農業用水效率損失的原因,本研究將2003-2016年湖北省各市(州)各投入要素松弛量除以對應的投入指標值得出投入冗余率,將產出要素農林牧漁業產值松弛量除以相應的農林牧漁業產值得出農業產出冗余率。經計算得到的2003-2016年湖北省農業用水效率各投入和產出指標的冗余率變化趨勢見圖3,2003-2016年湖北省農業用水效率各投入和產出指標的冗余率平均值見圖4。本研究中的農業用水效率損失是指在現有技術水平下,利用現有各投入要素所達到的效率值和最優效率值之間的差距,差距越大表示農業用水效率損失越大。

圖3 2003-2016年湖北省農業用水效率各投入和產出指標的冗余率變化趨勢 圖4 2003-2016年湖北省農業用水效率各投入和產出指標的冗余率平均值
由圖3可知,2003-2016年湖北省產出指標農林牧漁業產值的冗余率均為零,投入要素均存在冗余,這說明農業產值不足并不是湖北省農業用水效率損失的原因,農業生產投入是農業用水效率損失的主要因素;從各投入指標來看,2003-2016年化肥施用量投入冗余率和農業機械總動力投入冗余率總體上呈現上升趨勢,農業用水量、農業勞動力投入和農作物播種面積投入冗余率整體上均呈下降趨勢,這說明近年來湖北省大力進行農田水利設施建設,改善了農業基礎設施狀況,農業從業人口結構更加合理,農業土地投入也更加集約化,提高了農業水資源的利用率。
由圖4可知,2003-2016年農業用水量、農業勞動力投入、農作物播種面積、化肥施用量和農業機械總動力的投入冗余率平均值分別為27.00%、20.64%、7.45%、15.20%、8.27%。表明在研究期從整體層面上看,農業用水投入過量是導致農業用水效率損失的第一大原因,說明湖北省農業生產中還存在較大的水資源浪費;農業勞動力投入過量是導致農業用水效率損失的第二大原因,說明農村存在大量剩余勞動力,勞動力科學轉移能夠提高農業用水效率;化肥投入過量是導致農業用水效率損失的第三大原因,過量使用化肥導致農業投入過大,農民增產不增收,且造成環境污染,耕地質量下降,高強度的化肥投入導致土壤性狀惡化,農產品質量下降;農作物播種面積和農業機械總動力投入也導致農業用水效率在一定程度上的損失,但總體上投入冗余率不高,說明湖北省農業土地投入、農業機械投入利用較為合理,農業現代化水平有所提高。
2003-2016年湖北省各市(州)農業用水效率平均值如圖5所示。從整體上看,武漢、宜昌、鄂州、黃岡和恩施農業用水效率均在0.5以上,特別是恩施達到了0.69;黃石、十堰、襄陽、荊門、孝感和潛江的農業用水效率均大于0.4;荊州、咸寧、隨州、仙桃和天門農業用水效率均小于0.4,天門更是以0.27居于末位。恩施和宜昌位于西部山區,具有地區獨特的自然資源稟賦,總體農業用水效率水平在湖北省各市(州)居于領先地位;天門和荊州位于鄂中平原地區,該區域雖然農業自然資源豐富,但由于缺乏科學的用水管理政策和節水灌溉技術,總體農業用水利用效率在湖北省各市(州)處于最后兩位。總的來說,湖北省各市(州)農業用水效率空間差異較大,這與各地區自然地理因素、交通和科技等社會經濟因素密切相關。
圖6為2003-2016年湖北省各市(州)不同時間段平均農業用水效率,以下按鄂東丘陵地區、鄂中平原地區和鄂西山區3個區域對其農業用水效率的空間差異進行分析。
4.2.1 鄂東丘陵地區農業用水效率分析 鄂東丘陵地區位于湖北省東部邊緣,范圍較小,經濟薄弱,農業資金缺口較大,基礎設施不足。近年來隨著國家對中部地區的政策傾斜,鄂東地區抓住發展時機,發揮自身區位優勢,農業用水效率也有所提高。由圖6可看出,2003-2005年除黃石之外,黃岡、鄂州、咸寧的農業用水效率均小于0.2;2006-2008年黃岡、鄂州農業用水效率大于0.4,而黃石、咸寧大于0.2,但小于0.4;2009-2012年除咸寧外,農業用水效率均大于0.4;2013-2016年黃岡、鄂州農業用水效率達到了0.8以上的水平,黃石、咸寧也均在0.4以上。總的來說,研究期內鄂東地區4個城市的農業用水效率均在提高,特別是黃岡、鄂州提升程度較大,而黃石提升幅度相對較小。黃岡是一個農業人口大市,經濟發展依賴于水資源,提升農業用水效率對黃岡意義重大,近年來黃岡市積極開展農業水價改革工作,完善水資源管理法律政策,政府與市場共同配置資源,有效地提升了農業用水效率;咸寧市臨近省會武漢,區位條件優良,致力于打造節水型社會;鄂州位于武漢城市圈中心位置,合理利用當地區位優勢,促進資源優勢向經濟優勢轉化,近些年農業生產呈現良好態勢;黃石市近年來因受產業轉型升級影響,經濟發展動力不足,基礎設施、基層服務體系建設資金不到位,缺乏規模經濟,缺少龍頭企業帶動。
4.2.2 鄂中平原地區農業用水效率分析 鄂中平原地區是湖北省重要的糧、棉、漁生產基地,生物資源豐富,水資源在糧食生產中的投入產出水平很高。如圖6所示,2003-2005年鄂中地區除了孝感農業用水效率大于0.2,武漢、仙桃、天門、潛江、荊門、荊州6個市均小于0.2;2006-2008年除天門農業用水效率小于0.2,其他6個市均大于0.2;2009-2012年除天門、荊州外,其他5個市農業用水效率均大于0.4;2013-2016年武漢農業用水效率大于0.8,孝感、荊門、潛江農業用水效率均大于0.6。武漢作為湖北省的省會城市,長期以來都是全省的經濟、文化中心,人才隊伍龐大,產業結構完善,經濟基礎良好,水運陸運條件發達,素有“九省通衢”之稱,又以長江經濟帶開發為契機,積極創設具有鮮明產業特色、布局合理、生態環保的集多功能于一體的現代化農業產業體系,利用科技創新促進農業現代化發展,從廣種薄收到集約經營,極大地提升了武漢農業發展競爭力。荊州、潛江、仙桃、天門和荊門地處江漢平原地區,該地區地勢平坦,土壤沃腴,受氣候因素影響,光熱水條件好,農業資源具有明顯優勢,是全省重要的糧食作物生產基地,農業用水利用效率尚可。但該地區農田水利工程滯后,缺乏合理高效的用水政策機制,由于水資源稟賦豐富,農民水資源節約意識不強,農業用水大多采取傳統漫灌的方式,嚴重制約農業發展。
4.2.3 鄂西山區農業用水效率分析 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,一定程度上制約了經濟的發展。由圖6可見,位于西北部的恩施州、宜昌市農業用水效率較高,研究期內農業用水效率保持較高的增長速度。2003-2005年除了恩施農業用水效率大于0.2,十堰、襄陽、宜昌、隨州4個市農業用水效率均小于0.2;2006-2008年除恩施農業用水效率大于0.6,其他4個市農業用水效率均大于0.2,但小于0.4;2009-2012年恩施、宜昌農業用水效率大于0.6;2013-2016年恩施、宜昌農業用水效率大于0.8,十堰、襄陽農業用水效率大于0.6,隨州農業用水效率僅大于0.4。恩施州有效利用當地資源,因地制宜發展農業與旅游業結合的觀光園、生態采摘園,修建梯田,調整種植結構,有效地提高了用水效率和農業生產總值,但該地區交通不便,阻礙了經濟發展。自三峽大壩建成投產以來,宜昌當地迎來了巨大的發展機遇和政策優惠,農業經濟有了巨大飛躍;近年來十堰以生態農業觀光園發展生態農業,提升了水資源利用效率,促進了經濟發展;近年來襄陽以生態經濟為契機,發展綠色農業,一方面面向國內市場,另一方面積極開拓國際市場;隨州最大的發展優勢在于交通網絡發達,是湖北省對外聯系的“北大門”,但其農村產業結構不合理,在發揮區域優勢、優化農產品布局和發展特色經濟方面還有提高的空間。

圖5 2003-2016年湖北省各市(州)農業用水效率平均值

圖6 2003-2016年湖北省各市(州)不同時間段平均農業用水效率
2003-2016年湖北省各市(州)農業用水效率的投入和產出冗余率見圖7。由圖7可知,各市(州)的產出冗余率均為零,而不同地區農業用水效率投入冗余率有所差異,效率損失的主要原因有所不同。下面根據圖7從鄂東丘陵地區、鄂中平原地區和鄂西山區等3個區域分別進行分析。
從鄂東丘陵地區來看,黃石、黃岡、鄂州、咸寧等4市農業用水量和農業勞動投入冗余率都很高,說明鄂東丘陵地區農業用水效率損失的主要原因為農業用水投入過度和農業勞動力過剩。
從鄂中平原地區來看,總體農業用水投入冗余率都很高,存在一定的農業水資源浪費。具體來看,武漢、孝感、仙桃和荊州等4市的農業用水量和農業勞動力投入冗余率較高,說明該4市農業用水效率損失的主要原因為農業用水和勞動力投入過量;天門、潛江和荊門等3市農業用水量、農業化肥和農業機械投入冗余率較高,說明該3市農業用水效率損失的主要原因為農業用水和化肥利用較為粗放、機械投入過多,也從側面反映了該3市的農業面源污染較嚴重,農業生態環境需要改善。
從鄂西山區來看,總體農業勞動投入冗余率都很高,存在一定的農業剩余勞動力。具體來看,恩施和十堰市(州)的農業勞動力、農業播種面積投入冗余率較高,說明這兩市(州)的農業用水效率損失的主要原因為勞動力過剩和耕地利用粗放;宜昌和隨州市農業勞動力和化肥投入冗余率較高,說明這兩市的勞動力和化肥投入過量;襄陽市的化肥和農業機械投入冗余率較高,特別是化肥投入的冗余率遠高于西部其他市(州),說明襄陽市的農業生態環境亟待改善。
本研究運用數據包絡分析模型對2003-2016年湖北省16個市(州)的農業用水效率進行了測度,并在農業用水效率投入和產出冗余率計算的基礎上對農業用水效率損失的原因進行了分析,在此基礎上進一步對湖北省農業用水效率和投入產出冗余率的時間差異和空間差異進行了分析,主要研究結論如下:
(1)從時間上看,湖北省總體農業用水效率水平不高,2003-2016年農業用水效率平均值為0.45,但呈波動上升趨勢,其增長速度在不同的階段有所不同。2003-2007年湖北省農業用水效率增長速度較快,2013-2016年增長速度略低于2003-2007年,2007-2013年增長速度較為平緩,在未來湖北省農業用水效率仍有較大的提升空間。從投入和產出冗余率來看,湖北省總體農業勞動力、農業用水量和農作物播種面積投入冗余率呈下降趨勢,但化肥和農業機械投入冗余率呈上升趨勢,說明農業基本要素投入結構趨于合理,但農業化學用品要素投入過量。
(2)從空間上看,湖北省農業用水效率存在較為明顯的區域差異。總體而言,湖北省各地區農業用水效率較低。分區域而言,農業用水效率的排序為:鄂西山區>鄂東丘陵地區>鄂中平原地區。具體而言,處于西部山區的恩施和宜昌市的農業用水效率較高;處于鄂中平原地區的武漢市農業用水效率相對較高,而荊州、天門市農業用水效率過低。從農業用水效率的投入和產出冗余率來看,鄂東丘陵地區農業用水效率損失的主要原因是農業用水和農業勞動力投入過量,鄂中平原地區主要是因為農業用水投入過量,鄂西山區主要是因為農業勞動力投入過量。
在城鎮化和農業現代化進程中,農業用水為農業生產必不可少的要素,提高農業用水效率對推進農業高質量發展非常重要,基于此本研究提出以下政策建議:
(1)積極貫徹農業部的化肥農藥使用量零增長行動,減少湖北省的農業化學品投入量。首先,加大對化肥農藥投入過量危害的宣傳,增強農民的環保意識;其次,科研機構要加強對有機化肥和生態農藥的研發,大力推廣有機肥和生態農藥;再次,繼續推進測土配方施肥和秸稈還田技術,減少盲目施肥造成的水土資源污染和浪費,并增加土壤中的有機質。
(2)根據湖北省的水資源狀況差異,因地制宜地出臺政策,提高水資源利用效率。針對鄂東和鄂西農業勞動力過剩的問題,要合理轉移農業剩余勞動力,提高農業用水效率,以防出現農業生產的“內卷化”,針對鄂東和鄂中地區農業用水投入過量的問題,要出臺相應政策,合理調整農作物種植結構和糧食復種指數,大力推廣旱作農業技術,以玉米、馬鈴薯、棉花等作物為重點,協調規劃農業用水投入。
(3)大力推廣農業節水技術,完善湖北省農業水利基礎設施,促進湖北省水資源的高效利用。地方政府要發揮主導作用,給予科研機構和科研人員足夠的資金支持,積極開展創新技術交流活動;從農村實際情況出發,完善基本水利建設項目,加強水利工程防旱、排澇、引水灌溉的功能,緩解區域間水資源供需矛盾。