黄河流域农业水资源绿色效率动态演化及驱动机理.pdf
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1、邓椿,蒋晓辉:黄河流域农业水资源绿色效率动态演化及驱动机理一、引言黄河是中华民族的母亲河和中华文明的重要发源地,也是我国重要的生态屏障和经济带1。黄河上游的宁夏平原、河套灌区,中游的汾渭平原和下游黄淮海平原,都是中国重要的粮食生产基地,其农业生产需水量巨大。2020年,黄河流域耗水总量为 358.83 亿立方米,农业耗水为 231.01 亿立方米,占比高达64.38%。随着经济快速发展,黄河流域水资源短缺和时空分布不均的矛盾日益凸显。据全国水资源调查评价结果,2019年黄河流域地表水开发利用率和消耗率已分别达86%和71%2,远超流域水资源承载能力。黄河流域生态保护和高质量发展对国家经济社会发
2、展和生态安全均具有十分重要的作用3。2021年 10月 9日,中共中央、国务院印发了 黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要,为黄河流域生态保护与高质量发展提出明确要求4。在此背景下,科学测度黄河流域农业水资源绿色效率,探究其驱动机理,有助于准确把握黄河流域农业用水效率现状,对黄河流域推进农业用水绿色化及高质量发展具有重要的理论及现实意义。已有文献主要从三个方面对农业水资源效率展开研究。第一,农业水资源效率的测度。相对于单要素用水效率,全要素用水效率考虑了其他要素投入,更符合实际,在研究中运用广泛5-6。具体测度方法方面,已有研究主要采用随机前沿方程(SFA)和数据包络分析法(DEA)。相比于
3、SFA,DEA方法不需设定基础方程,同时可对多种输入和输出进行求解。因此,在效率测度上广泛应用。Lombardi等采用CCR-DEA和VCR-DEA模型对意大利农场水资源效率进行测算,发现国有农场用水效率明显高于私有或者混合制农场7;Zhou等通过两阶段SBM-DEA模型评价中国水资源利用效率和污水处理效率,发现经济和社会发展程度高的地区,水资源综合利用效率也高8;Azad等利用非径向数据包络分析方法对澳大利亚灌溉农业企业的经济效益和水资源效率进行评价,得出整个农业活动管理方面相对更有效率,但在管理水资源方面效率不高9;Zema等使用DEA方法测算了意大利的卡拉布利亚市农业灌溉效率10。第二,
4、农业水资源效率的空间分异。学者们利用不同方法对农业水资源效率的空间相关性、空间分异及空间交互作用进黄河流域农业水资源绿色效率动态演化及驱动机理邓椿1,2,蒋晓辉1(1.西北大学 城市与环境学院,陕西西安710127;2.运城学院 经济管理系,山西运城044000)摘要:遵循绿色发展理念,构建包含非期望产出的投入产出指标体系,基于EBM模型,测度20002020年黄河流域农业水资源绿色效率,分析其时空演化特征,采用Tobit模型,探究其驱动机理。研究表明:黄河流域农业水资源绿色效率低于全国平均水平且低于长江流域,但效率差距呈收敛态势;黄河流域农业水资源绿色效率历年均值下游最高、上游最低;研究期内
5、,青海、甘肃、宁夏、陕西、河南、山东的农业水资源绿色效率显著提高,山西持续低下,但四川、内蒙古均存在不同程度的退化;人均水资源量、节水农业发展水平、水库总库容量、经济发展水平对农业水资源绿色效率呈现显著正向影响,固定资产投资力度呈现显著负向影响,其中经济发展水平对效率的影响程度最高。关键词:农业水资源;EBM模型;绿色效率;高质量发展;黄河流域中图分类号:F962文献标识码:A文章编号:1004-972X(2023)09-0122-07基金项目:国家自然科学基金项目“近2000年来黄河中游黄土高原社会水文耦合系统演变规律研究”(51779209);国家社会科学基金项目“金融集聚促进实体经济发展
6、的微观机理与实现路径研究”(19BJL016);山西省社科联重点课题“双碳目标下山西省经济绿色增长影响因素研究”(SSKLZDKT2022147)作者简介:邓椿,西北大学城市与环境学院博士研究生,运城学院经济管理系副教授,研究方向:水文与生态经济;蒋晓辉(通讯作者),博士,西北大学城市与环境学院教授,博士生导师,研究方向:水文水资源。1222023年第9期行研究。黄杰和李倩倩利用基尼系数及其分解方法研究了中国农业用水效率的区域差异,得出了除中部地区外,东部、西部和东北地区的区域差异整体呈上升趋势的结论11;杨骞等采用脉冲响应函数识别中国农业用水效率的空间交互影响效应,认为区域农业用水效率之间存
7、在较强的空间交互影响效应6。刘华军等利用核密度估计法及扩展的分布动态学模型对黄河流域用水效率空间分布和动态演进格局展开探究,表明黄河流域用水效率呈现出“东高西低”的空间分布特征12。马剑锋等采用空间面板Durbin模型估计技术进步、效率追赶对农业用水效率的空间效应,发现技术进步和效率追赶均对本省农业用水效率有显著的提升作用13。第三,农业水资源效率影响因素分析。探究农业用水效率动态演变的影响因素,一直是学者们研究的热点。佟金萍等利用Tobit模型对全国农业全要素用水效率的影响因素展开了研究14;苏喜军等对黄淮海平原农业水资源绿色效率和其影响因素进行了研究15;崔永正和刘涛采用Bootstrap
8、截断回归模型分析黄河流域农业水资源全要素生产率的影响因素,发现水资源禀赋和农村劳动力受教育水平对黄河流域农业水资源全要素生产率具有正向影响,而水利设施和农业种植结构对其产生负向影响16。梳理已有文献发现,已有成果在研究区域的选择、农业水资源效率测度以及驱动因素选取等方面均有较大改进空间。第一,研究区域以国家或省域为主,以流域为研究区域的较少,而以黄河流域为研究对象的则更少。第二,在农业水资源效率测度中,仅少数研究综合考虑了期望产出和非期望产出,多数测度结果无法反映农业用水绿色效率。第三,当前农业用水效率驱动因素研究中,指标选取具有很大的主观性且选取驱动因素不全面。鉴于此,选取农业用水矛盾凸显的
9、黄河流域作为研究区域,在已有研究基础上17,将氮磷流失量作为非期望产出纳入EBM超效率模型,对20002020年黄河流域农业水资源绿色效率进行科学测度。在此基础上,采用Tobit回归模型探析黄河流域农业水资源绿色效率的驱动机理,为切实提高黄河流域农业水资源绿色效率提供理论依据。二、材料与研究方法(一)流域范围界定以自然黄河流域范围为基础,同时综合考虑沿黄行政区划的完整性和省(区)经济社会发展与黄河流域的关联性,将研究区域界定为黄河流经的9省(区)。为便于分析,参考已有文献18,确定青海、四川、甘肃、宁夏为上游地区;内蒙古、山西、陕西为中游地区;河南、山东为下游地区。(二)研究方法1.非期望EB
10、M模型假设农业水资源绿色效率系统有k=1,K个决策单元(Decision Making Unit,DMU),决策单元k投入I种要素xi(i=1,I),生产N种期望产出yn(n=1,N)和Z种非期望产出bz(z=1,Z)。为了避免无可行解问题,参考已有文献19,全局参比的农业水资源绿色效率或无效率可能性集合PPS如下:PPST()xt,yt,btt=1Ti=1Ktjxtjixti;t=1Ti=1Ktjytjnytnt=1Tj=1Ktjbtjzbtz;t=1Tj=1Ktj=1;0(1)其中,()xt,yt,bt表示模型最优解;xtji、ytjn、btjz分别表示第j个决策单元的第i种投入要素、第n
11、种期望产出及第z种非期望产出,且xti、ytn、btz均大于0;tj表示权重,增加=1 的约束条件表示规模报酬可变(VRS),去除=1 的约束条件表示规模报酬不变(CRS)。由于某一地区农业自然资源等生产要素不会发生较大变化,参考已有研究成果19,选择CRS假设,全局参比的非期望EBM计算公式如下:*=min-xt=1Ti=1I-is-ixki+yt=1Tn=1N+ns+nykn+bt=1Tz=1Zb-zsb-zbkzs.t.t=1Tj=1Ktjxtji+s-i=xki,i=1,2,It=1Tj=1Ktjytjn-s+n=ykn,n=1,2,Nt=1Tk=1Ktjbtjz+sb-z=bkz,z
12、=1,2,Ztk0,s-i,s+n,sb-z0(2)其中,*表示规模报酬不变条件下的最佳效率;xki、ykn、bkz分别为第k个决策单元的第i种投入要素、第n种期望产出、第z种非期望产出;s-i、s+n、sb-z分别表示第i种投入要素、第n种期望产出、第z种非期望产出的松弛变量;-i、+n、b-z分别表示投入要123邓椿,蒋晓辉:黄河流域农业水资源绿色效率动态演化及驱动机理素、期望产出、非期望产出的权重;为径向部分规划参数;为产出扩大比例;表示非径向部分的重要程度,=0,1。当=0时,EBM模型转换成径向模型;当=1时,EBM模型转换成SBM模型。2.Tobit模型由于EBM超效率模型测算的农
13、业水资源绿色效率是一个大于0的受限变量,若直接使用普通最小二乘法(OLS)对样本进行线性回归,得到的估计结果有偏20。Tobit模型在处理受限因变量的面板数据上有独特优势,所以采用Tobit模型对其影响因素进行计量分析14,基于选取变量,设定模型如下:TEit=C+TXit+it(3)其中,TEit表示i省(区)在时间t的农业用水效率;i表示黄河流域的省(区)(决策单元),t表示年份,T表示解释变量的参数向量,it为随机扰动项。(三)指标选取与数据来源1.农业水资源绿色效率指标选取农业生产活动是一个多要素共同投入的作用过程21。借鉴已有研究22,从资本、劳动力和资源三个方面选取投入指标,综合考
14、虑期望和非期望产出选取产出指标。具体选取指标如表1所示。表 1农业水资源绿色效率指标体系目标层投入产出一级指标资本劳动力资源GDP污染二级指标农用化肥施用折纯量农业机械总动力乡村从业人员农业用水总量有效灌溉面积农业总产值磷流失量氮流失量单位万吨万千瓦万人亿立方米千公顷亿元万吨万吨2.Tobit模型变量选取及说明借鉴已有文献14,结合黄河流域社会经济与自然条件,从资源禀赋、水技术、教育发展水平和经济发展水平等六方面选取解释变量。(1)资源禀赋。已有研究发现,水资源禀赋与水资源利用效率呈负相关23。区域资源禀赋较好,可能导致农业种植结构变化,节水意识弱化等。选取“人均水资源量”和“供水结构”(地下
15、水供水量占供水总量的比重)两个指标反映水资源禀赋。(2)水技术。水技术包含节水农业发展水平和水库总库容量。技术进步可以有效提高水资源利用效率。选取节水灌溉面积占农作物总播种面积的比重衡量节水农业发展水平;水库总库容量可以反映区域配置水资源的能力。(3)教育发展水平。用水价值观在人水关系中起着重要作用24。一般认为受教育程度越高,越能意识水资源的稀缺性,同时越能较快掌握节水技术。选取“15岁及其以上文盲人口占比”代表教育水平。(4)经济发展水平。选取“人均GDP”衡量经济发展水平。一般情况,经济越发达的地区,水资源利用的规模效应越明显,且充裕的财政也能保证水资源利用的基础设施建设和水污染防治的专
16、项资金。(5)农作物种植结构。以粮食作物播种面积占农作物总播种面积的比重衡量种植结构。不同农作物的需水量和耗水量是有很大差异的,因此会影响一个地区水资源利用效率的高低。(6)固定资产投资力度。以农林牧渔业固定资产投资额占农林牧渔业生产总值的比重表示固定资产投资力度。3.数据来源除有效灌溉面积来源于 中国环境统计年鉴,其余指标数据均来源于 20012021年的 中国统计年鉴,部分缺失数据采用插值法补全。磷流失量和氮流失量借鉴赖斯芸等25、叶初升和惠利26的方法进行计算得出。三、结果与分析(一)黄河流域农业水资源绿色效率动态演化为了全面刻画和准确定位黄河流域农业水资源绿色效率水平,分别基于全国除港
17、澳台外的 31个省区市和黄河流域9省(区)的数据构造生产最佳前沿面,采用EBM模型测度了各省(区)的水资源绿色效率,并从全国视角、流域比较视角和流域内部视角解析其动态演化特征。另外,在模型运算时,为了避免决策单元较少而影响测度结果的准确性,设定窗口宽度均为21。1.全国及流域对比视角将黄河流域农业水资源绿色效率与全国均值、长江流域进行对比分析,可以明确黄河流域农业水资源绿色效率发展现状及其与其他区域之间的差距,是科学制定高质量发展政策的前提条件。为此,基于31个省区市投入和产出数据构造最佳生产前沿面,分别在全国整体及流域对比视角下刻画黄河流域农业水资源绿色效率演变特征。黄河流域、长江流域及全国
18、农业水资源绿色效率的演变趋势如图1所示。1242023年第9期图 1显示,从流域总体来看,20002020年黄河流域、长江流域以及全国农业水资源绿色效率均呈上升趋势,且流域间农业水资源绿色效率水平呈现不断收敛状态。研究期内黄河流域、长江流域以及全国农业水资源绿色效率历年均值以全国最高(0.446),长江流域次之(0.432),黄河流域最低(0.412)。但黄河流域年均增长率最高(7.86%),全国流域次之(6.30%),长江流域最低(5.76%)。图 1黄河流域和长江流域水资源绿色效率演变趋势从流域上中下游的层面分析,农业水资源绿色效率历年均值空间上总体呈东高西低的格局,但流域间存在差异化。具
19、体来说,一是效率排名由高到低依次为长江下游、黄河下游、长江上游、黄河中游、黄河上游、长江中游,均值分别是0.496、0.457、0.440、0.405、0.395、0.357;二是年均增速由高到低依次为黄河上游、黄河下游、黄河中游、长江上游、长江下游、长江中游,增长率分别为8.42%、7.69%、7.23%、6.85%、4.78%、4.66%。究其原因,一方面,已有研究表明,水资源禀赋和经济发展水平对农业水资源绿色效率提升有正向促进作用。黄河流域和长江流域下游均为经济发达地区,受季风气候影响,也是水资源禀赋较高的地区,因此这些区域有更多的资金投到节水和水污染治理等技术的研究中。另一方面,黄河流
20、域相较于长江流域,水资源为产业发展的刚性约束,在国家的大力推动下,地方政府积极制定推动节约集约用水的有关政策法规,如山东省于2012年、2018年分别对 山东省节约用水办法 修订,并于2019年印发实施 山东省落实国家节水行动实施方案;河南省2019年出台河南省节水行动实施方案,各地区积极发展旱作农业,大力推广测墒节灌、水肥一体化和保护性耕作,以优化输水、灌水方式,实施科学灌溉,提高水资源利用率。进一步选取2000年和2020年两个时间截面,将黄河流域9省(区)农业水资源绿色效率置于全国视域下,与31个省区市中的其余22个省区市进行对比,结果如表2所示。可以看出,黄河流域9省(区)农业水资源绿
21、色效率提升显著,但在全国排名仍靠后。可分三类:第一类为明显改善型。青海、甘肃、宁夏、陕西、河南、山东等6省(区)的农业水资源绿色效率显著提高,2000年在全国排名依次为30、27、31、16、21、23,到2020年分别上升至10、14、21、8、13、18,分别提升 20、13、10、8、8、5位。第二类为相对退化型。四川、内蒙古均存在不同程度退化,2000年排名分别为6、20,到2020年分别下降为15、23。第三类为持续低下型。山西一直处于较低水平,2000 年排名为 29,到 2020 年名次未发生变化。表 2全国视域下黄河流域各省(区)农业水资源绿色效率排名地区青海四川甘肃宁夏内蒙古
22、陕西山西河南山东20000.1080.3060.1630.0940.1930.2210.1350.1900.188排名3062731201629212320201.0000.8180.8740.6870.6521.0000.5660.9160.747排名101514212382913182.流域内部视角黄河流域是一个相对独立的系统,其农业用水效率有其独特性和规律。为更深入探究各省(区)农业水资源绿色效率的演变规律,本部分基于黄河流域9省(区)的投入和产出构造最优前沿面,采用EBM 效 率 模 型 测 度 其 农 业 水 资 源 绿 色 效 率(见表3)。表 3黄河流域内部视角下农业水资源绿色效
23、率地区上游青海甘肃四川宁夏中游内蒙古山西陕西下游河南山东总体20070.1960.0820.1910.3950.1160.2120.2380.1310.2660.1860.1750.1980.19920100.2210.0910.2120.4160.1650.2460.2960.1740.2680.2510.2470.2540.23620140.2990.1480.2530.5060.2890.3930.5070.2810.3910.3680.3590.3770.34620160.4460.2820.3370.6340.5320.5680.7820.3580.5640.5290.4900.56
24、70.50520180.6030.5400.4390.7360.6970.6990.9150.4010.7820.6560.6120.7000.64720200.9441.0001.0000.8390.9370.8571.0000.5721.0000.8800.7611.0000.901均值0.4190.3180.3600.5600.4380.4840.6160.3140.5230.4750.4450.5050.453增长率8.17%13.30%8.62%3.84%11.01%7.25%7.44%7.66%6.85%8.07%7.62%8.44%7.84%注:考虑篇幅,此表只展现部分年份数据。
25、分析表3可发现:第一,黄河流域农业水资源绿色效率整体呈显著上升态势。由2007年的0.199上升到 2020年的 0.901,年均增长率为 7.84%。第125邓椿,蒋晓辉:黄河流域农业水资源绿色效率动态演化及驱动机理二,从上中下游来看,农业水资源绿色效率也均为上 升 趋 势,但 存 在 差 异。历 年 均 值 中 游 最 高(0.484),上游最低(0.419);但年均增速上游最快(8.17%),中游最慢(7.25%)。第三,从省(区)分析,黄河流域各省(区)农业用水绿色效率动态演变差异显著。具体有以下特点:一是效率值排名变化较大。2007年水效率排名前五名的省(区)依次为四川(0.395)
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