何美娟，張玲玲

（河海大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 前言

糧食是關(guān)乎我國國民生計的重要戰(zhàn)略儲備資源和特殊商品，保障糧食生產(chǎn)安全、保持糧食穩(wěn)定增產(chǎn)是我國不變的話題［1］。水是萬物生命之源，更是糧食生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，水資源與糧食安全生產(chǎn)問題一直受到社會各界廣泛的關(guān)注。目前，全球水資源普遍存在短缺問題，許多國家面臨水資源危機［2］。聯(lián)合國發(fā)布的《2021年世界水資源開發(fā)報告》表明，由于世界人口增長、全球經(jīng)濟高速發(fā)展和人類消費方式轉(zhuǎn)變等因素，飲用水資源的總需求增加，工業(yè)用水和生活用水的需求量將遠超農(nóng)業(yè)用水。同時由于氣候變遷，導(dǎo)致多雨地區(qū)的降水更多，而干旱地區(qū)則更加干旱，使得水資源的形勢更為嚴峻。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是用水需求大戶，其用水量占全國總用水量的60%左右，有研究預(yù)測每年農(nóng)作物生產(chǎn)用水的缺口約為300億m3［3］。目前，水資源的現(xiàn)狀凸顯了改善水資源管理及提升水資源利用效率在糧食生產(chǎn)中的必要性。因此，提高水資源在糧食生產(chǎn)中的利用效率是打破缺水對糧食生產(chǎn)的剛性約束的重要舉措和保障糧食安全生產(chǎn)和增產(chǎn)的主要手段，同時也是我國在未來很長一段時間內(nèi)必須解決的重大問題。

水資源與糧食生產(chǎn)問題一直受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，現(xiàn)有相關(guān)研究主要聚焦在以下幾個方面：一是水資源利用與糧食生產(chǎn)的關(guān)系研究，劉楚杰等［4］運用Tapio脫鉤模型探討了糧食主產(chǎn)區(qū)糧食生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)水資源壓力的關(guān)系；楊鑫等［5］基于基尼系數(shù)和不平衡系數(shù)，從供需角度分析了中國糧食生產(chǎn)與水資源的時空匹配程度，也有學(xué)者基于水足跡概念探討了糧食生產(chǎn)水資源消耗狀況［6-7］。二是關(guān)于水資源利用效率測度的探索，通常是采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）和隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)法，國內(nèi)外學(xué)者普遍從行業(yè)（農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水）角度進行了研究，農(nóng)業(yè)用水效率的測算主要從2個方面進行：基于住戶調(diào)查數(shù)據(jù)的微觀用水效率［8-9］和基于全國或省級農(nóng)業(yè)用水數(shù)據(jù)的宏觀用水效率［10-12］；其中工業(yè)用水效率研究側(cè)重于影響因素分析，李珊等［13］研究發(fā)現(xiàn)不同影響因素對中國工業(yè)用水效率的影響程度存在空間差異；在生活用水方面的研究大都是針對單一具體城市生活用水的收入、水價影響進行的定量研究［14-15］。三是針對用水效率的空間分析，不少學(xué)者圍繞農(nóng)業(yè)用水效率的區(qū)域差異和空間關(guān)聯(lián)展開探討。查建平等［16-17］利用非期望超效率SBM模型分別測度了黃河流域的用水效率，并且在中國糧食用水效率的基礎(chǔ)上，運用空間杜賓模型（SDM）分析了其影響因素；周迪等［18］的研究表明工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和總用水效率均存在空間集聚特征，其中農(nóng)業(yè)用水效率的俱樂部趨同程度最低；張玲玲等［19］從溢出效應(yīng)角度分析得出了農(nóng)業(yè)用水效率會受到相鄰省份的影響。

綜上所述，現(xiàn)有研究初步了解了我國區(qū)域水資源的利用效率，也為研究中國糧食生產(chǎn)與供水效率的時空差異提出了突破性視角。然而，現(xiàn)有研究成果主要集中于微觀層面，僅對個別區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源效率進行了靜態(tài)評估，且研究的時間跨度較小，而對于宏觀層面（地區(qū)）的長期糧食生產(chǎn)用水效率的分析較少。因此，本研究采用SBM-DEA方法計算、分析漢江流域各縣（市、區(qū)）的糧食生產(chǎn)用水效率，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合Tobit模型，進一步探討和分析影響糧食生產(chǎn)用水效率長期變動的驅(qū)動因素，以期對調(diào)整漢江流域湖北省內(nèi)的糧食生產(chǎn)布局、改善區(qū)域水資源利用條件等方面提供重要的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

漢江流域是長江最大的支流，也是湖北省自然資源要素中最密集的區(qū)域之一，流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)及其糧食生產(chǎn)對全國具有突出貢獻。漢江中下游地區(qū)是湖北省經(jīng)濟發(fā)展的重要軸線，是漢江產(chǎn)業(yè)帶的重要組成部分，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在全國占有重要地位，糧、棉、油、魚的產(chǎn)量及發(fā)展?jié)摿Χ己艽?。另外?018年10月國務(wù)院辦公廳批復(fù)《漢江生態(tài)經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃》，使得漢江流域及其沿江省市迎來了高質(zhì)量發(fā)展的重要契機。因此，以漢江流域湖北境內(nèi)為例，分析糧食生產(chǎn)水資源用水效率狀況及目前存在的不足，并提出優(yōu)化提升策略。這對高效配置自然資源，實現(xiàn)水資源高效利用和糧食安全生產(chǎn)協(xié)同發(fā)展等具有重要學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。

1.2 研究方法

1.2.1 SBM-DEA模型 Charnes等［20］在1978年提出了應(yīng)用線性規(guī)劃方法評價效率的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法（DEA），該分析法在多投入多產(chǎn)出的相對效率測算方面得到了廣泛應(yīng)用。DEA模型的基本原理是從被評價對象的相對角度出發(fā)，應(yīng)用線性規(guī)劃測算出其生產(chǎn)最佳的前沿面，然后運用距離函數(shù)測算各個決策單元（DMU）的生產(chǎn)效率。一般的DEA模型均是基于徑向角度，主要分為2類：一是基于規(guī)模報酬不變的CCR模型，二是基于規(guī)模報酬可變的BCC模型。為了有效降低傳統(tǒng)徑向DEA模型的測量誤差，以及解決變量松弛等問題，Tone［21-22］在2001年提出了基于松弛變量的非徑向、非導(dǎo)向型SBM-DEA模型。參考該方法，本文應(yīng)用SBM-DEA模型對漢江流域糧食生產(chǎn)用水效率進行測算，具體過程如下：

研究區(qū)域共有j個決策單元，每個決策單元均有生產(chǎn)要素投入m個，R1個期望產(chǎn)出a，R2個非期望產(chǎn)出b，非導(dǎo)向加權(quán)SBM-DEA模型具體表示如下：

約束條件為：

式(1)~(2)中：0θ為水資源利用效率；分別為投入指標的松弛改進變量、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出的松弛改進變量，其數(shù)值均≥0；xki、akr、bkc分別是第k個決策單元的投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出的值；jρ為決策單元的權(quán)重。

1.2.2 Tobit回歸模型 因回歸模型中的因變量是基于SBM-DEA模型測算出來的糧食生產(chǎn)用水效率，其值介于0~1之間，即因變量是受限制的，且具有明顯的斷尾特征。針對此類模型的回歸，Tobit模型在篩選顯著性影響因素時，可有效解決SBMDEA模型測算結(jié)果為受限變量的問題，同時相比最小二乘法（OLS）的混合面板回歸，Tobit模型可以避免產(chǎn)生有偏性且不一致的估計結(jié)果。面板Tobit模型分為固定效應(yīng)（FE）和隨機效應(yīng)（RE），但由于固定效應(yīng)Tobit模型難以找到個體異質(zhì)性的充分統(tǒng)計量［23］，所以無法進行條件最大似然估計，因此選用Tobit隨機效應(yīng)模型［24］，其一般形式如式（3）和式（4）所示。為了驗證方法選擇的科學(xué)性，本文在實證部分同時采用以上回歸方法進行結(jié)果比較。

式（3）~（4）中，vi、εit、ωit和cit分別表示模型中存在的個體效應(yīng)、隨機誤差項、密度函數(shù)和設(shè)定的截取值。最終的回歸模型為：

2 指標選取和數(shù)據(jù)來源

2.1 SBM-DEA模型用水效率指標

本文借鑒Hu等［25］關(guān)于用水效率的測度，將糧食生產(chǎn)用水效率定義為：在糧食生產(chǎn)過程中，多種要素投入的前提下，達到最優(yōu)技術(shù)效率所需投入的最少供水量與實際用水量的比值。糧食生產(chǎn)用水效率的測算涉及投入要素和產(chǎn)出要素，本文考慮的投入要素包括勞動力投入量、土地投入量、機械投入量、化肥投入量和水資源投入量，產(chǎn)出要素為糧食產(chǎn)量。由于年鑒統(tǒng)計資料中的統(tǒng)計量均為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)口徑，本文采用糧食作物播種面積與農(nóng)作物播種面積的比值為換算系數(shù)A，將糧食生產(chǎn)中的投入要素從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中分離。（1）勞動力投入：選取糧食生產(chǎn)勞動力指標，具體為農(nóng)業(yè)從業(yè)人口數(shù)×A表示；（2）土地投入：選取糧食作物播種面積指標；（3）機械投入：選取糧食生產(chǎn)機械投入指標，具體為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械總動力×A表示；（4）化肥投入：選取糧食生產(chǎn)化肥施用量指標，具體為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化肥施用量×A表示；（5）水資源投入：選取糧食生產(chǎn)過程中灌溉用水量指標，鑒于數(shù)據(jù)可獲取性和連續(xù)性，使用糧食生產(chǎn)有效灌溉面積替代，具體為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有效灌溉面積×A表示。

2.2 Tobit回歸模型的影響因素

在測算漢江流域糧食生產(chǎn)用水效率的基礎(chǔ)上，為進一步剖析用水效率產(chǎn)生差異的影響因素，借鑒已有研究成果，從水資源稟賦、經(jīng)濟因素、用水結(jié)構(gòu)、種植結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面選取了8個可能影響用水效率的指標，同時為了消除變量之間量綱關(guān)系，在進行Tobit回歸前對所有數(shù)據(jù)取對數(shù)處理。（1）水資源稟賦：選取地區(qū)降水量為代理變量；（2）經(jīng)濟因素：選取地區(qū)生產(chǎn)總值表示地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平；（3）用水結(jié)構(gòu)：選取各地區(qū)農(nóng)業(yè)用水占比和工業(yè)用水占比表示；（4）種植結(jié)構(gòu)：選取地區(qū)主要糧食作物（玉米、水稻和小麥）的種植比率表示；（5）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)：鑒于糧食生產(chǎn)屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范疇，選取第一產(chǎn)業(yè)占比指標，以第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比重表示。上述投入、產(chǎn)出指標及影響因素代表變量的有關(guān)描述和說明如表1所示。

表1 漢江流域基于SBM-Tobit模型用水效率評價指標體系

2.3 樣本選擇及數(shù)據(jù)來源

本文以縣（市、區(qū)）為研究尺度，分析漢江流域湖北境內(nèi)的糧食生產(chǎn)用水效率及其影響因素。在研究區(qū)間的選擇上，本文根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲取性以及政策效應(yīng)的滯后性，將用水效率的研究區(qū)間設(shè)定為2000—2020年，影響因素的研究區(qū)間設(shè)定為2007—2020年。此外，在處理數(shù)據(jù)過程中，為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性與完整性，對于統(tǒng)計年鑒中缺少的部分數(shù)據(jù)，采用以下方法對丟失的數(shù)據(jù)進行插補：對于缺失的部分灌溉面積和農(nóng)業(yè)機械總動力數(shù)據(jù)，由于統(tǒng)計年鑒僅統(tǒng)計了市級的數(shù)據(jù)，本文采用縣域耕地面積占市級耕地面積的比值計算缺失數(shù)據(jù)；對于2018—2019年農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的缺失數(shù)據(jù)，采用其他年份計算的平均增長率估算。統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于相關(guān)年份的《湖北省統(tǒng)計年鑒》《湖北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《湖北省水資源公報》和相關(guān)地市的《水資源公報》，均為縣（市、區(qū)）級的平衡面板數(shù)據(jù)。

3 實證結(jié)果分析

3.1 漢江流域糧食生產(chǎn)用水效率分析

在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab R2022a軟件，采用SBM模型對2000—2020年漢江流域湖北境內(nèi)的25個縣（市、區(qū)）的糧食生產(chǎn)用水效率進行測度，估算結(jié)果選取典型年份以地圖形式呈現(xiàn)（圖1）。當效率值為1說明該縣（市、區(qū)）的糧食生產(chǎn)用水效率達到了有效，效率值小于1說明該縣（市、區(qū)）的用水效率仍有可上升的空間。

圖1 漢江流域湖北境內(nèi)各縣（市、區(qū)）的糧食生產(chǎn)用水效率

從測算總體結(jié)果來看，2000—2020年漢江流域糧食生產(chǎn)用水效率的平均值在0.66以上，主要是由于漢江流域湖北境內(nèi)的行政單元多種投入要素增加到一定程度時，由于投入過多而造成生產(chǎn)阻塞而導(dǎo)致產(chǎn)出降低，即要素擁擠現(xiàn)象，使得生產(chǎn)要素不能得到充分有效利用，從而影響了糧食生產(chǎn)效率的提高。從縣（市、區(qū)）的視角來看，各縣（市、區(qū)）平均糧食生產(chǎn)用水效率為0.76，處于較有效水平；25個縣（市、區(qū)）中用水效率的年平均值最低為0.66，最高為0.81。排名前列的縣（市、區(qū)）包括竹溪縣、棗陽市、宜城市、沙洋縣，其用水效率的年平均值均達到了1；用水效率處于較高水平的縣（市、區(qū)）包括京山市、襄陽市、應(yīng)城市、鐘祥市、神農(nóng)架林區(qū)，其用水效率的年平均值在0.8以上；而漢川市、鄖縣、潛江市、天門市、丹江口市、武漢市市轄區(qū)以及十堰市市轄區(qū)的用水效率的年平均值均在0.66以下，糧食生產(chǎn)用水效率處于較低水平。從流域視角來看，漢江流域湖北境內(nèi)2000年的用水效率為0.81，2019年的用水效率為0.78，糧食用水效率無大幅度的增長或下降，整體處于波動較小的平穩(wěn)水平。

3.2 漢江流域糧食生產(chǎn)用水效率的影響因素分析

基于式(5)的Tobit模型使用Stata MP16軟件對影響漢江流域湖北境內(nèi)糧食生產(chǎn)用水效率的8個可能因素同時運用OLS固定效應(yīng)、OLS隨機效應(yīng)，以及混合Tobit和隨機面板Tobit進行回歸分析，比較結(jié)果見表2。從總體來看，回歸系數(shù)未見系統(tǒng)性偏差，說明回歸結(jié)果是穩(wěn)健的。同時隨機效應(yīng)OLS、混合Tobit和隨機Tobit回歸的Wald檢驗均通過了1%顯著性水平，固定效應(yīng)OLS的Wald檢驗通過了10%顯著性水平，說明模型的設(shè)定合理且回歸結(jié)果可信。

表2 漢江流域湖北境內(nèi)糧食生產(chǎn)用水效率影響因素的回歸結(jié)果分析

由回歸結(jié)果可知，隨機面板Tobit回歸計算結(jié)果顯示有5個變量通過顯著性檢驗，對漢江流域糧食生產(chǎn)用水效率影響程度從大到小的排序為：小麥種植比率＞農(nóng)業(yè)用水占比＞工業(yè)用水占比＞水稻種植比率＞地區(qū)生產(chǎn)總值。從經(jīng)濟因素來看，地區(qū)生產(chǎn)總值對糧食生產(chǎn)用水效率具有負相關(guān)性，而第一產(chǎn)業(yè)占比對用水效率的影響不顯著，這說明區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達，但區(qū)域可能具有的糧食生產(chǎn)收益低和其經(jīng)濟貢獻低的特征反而限制了經(jīng)濟因素對于用水效率的增長；從用水結(jié)構(gòu)來看，農(nóng)業(yè)用水占比與糧食生產(chǎn)用水效率呈顯著正相關(guān)，工業(yè)用水占比則相反，這說明調(diào)整用水結(jié)構(gòu)，增加農(nóng)業(yè)用水投入、減少工業(yè)用水投入，在一定程度上可以提高漢江糧食生產(chǎn)用水效率；從種植結(jié)構(gòu)來看，小麥種植比率是影響程度最高的因素，且呈負相關(guān)，而水稻種植比率對用水效率的影響為正相關(guān)，這主要是由于漢江為亞熱帶氣候，其主要種植的糧食作物為水稻。

在其他因素中，年降水量、玉米種植比率、第一產(chǎn)業(yè)占比在4種回歸方法中均未通過10%顯著水平檢驗，這說明年降水量、玉米種植比率和第一產(chǎn)業(yè)占比對漢江流域糧食生產(chǎn)用水效率的影響均不明顯，其原因包括：（1）從水資源稟賦來看，降水量與用水效率呈不顯著的負相關(guān)，可能是由于南水北調(diào)等大型調(diào)水工程的實施以及生產(chǎn)技術(shù)進步等，水資源量對部分地區(qū)的用水效率影響程度逐漸降低；（2）從種植結(jié)構(gòu)來看，水稻和小麥的種植比率與糧食生產(chǎn)用水效率呈現(xiàn)顯著相關(guān)，說明合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)能在一定程度上提高用水效率，而玉米種植比率與用水效率相關(guān)性不強，這與漢江流域?qū)τ衩椎脑耘喾绞接嘘P(guān)，漢江春播玉米的苗期階段為4—5月，此時漢江晴雨交替、雨水適宜，無需任何灌溉管理措施也可正常生長，因此玉米種植比率對于漢江糧食生產(chǎn)的用水效率影響較不顯著；（3）從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，第一產(chǎn)業(yè)占比對于糧食用水效率影響不顯著，這表明近年來漢江流域第二三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展吸納了更多的水資源和勞動要素，因此漢江第一產(chǎn)業(yè)比率對其糧食生產(chǎn)用水效率無顯著的影響。

4 結(jié)論

目前，漢江流域湖北境內(nèi)的縣（市、區(qū)）已成為全國重要的工業(yè)走廊和主要的商品糧基地，糧食總產(chǎn)量占湖北省的50%以上。本文基于“保障糧食安全，保持糧食增產(chǎn)”的糧食觀，結(jié)合漢江流域糧食生產(chǎn)的特點，選取糧食生產(chǎn)中重要的投入生產(chǎn)指標，運用SBM-DEA模型測算了流域內(nèi)湖北境內(nèi)2000—2020年的糧食生產(chǎn)水資源利用效率，進而在相關(guān)數(shù)據(jù)可得性的基礎(chǔ)上，基于Tobit模型分析了漢江糧食生產(chǎn)用水效率驅(qū)動因素影響，得出以下結(jié)論與啟示：

（1）糧食生產(chǎn)用水效率測算結(jié)果表明，2000—2020年漢江流域湖北境內(nèi)糧食生產(chǎn)用水效率的年平均值在0.66以上，生產(chǎn)要素未得到充分有效利用，說明用水效率還有較大提升空間，且各縣（市、區(qū)）的用水效率的水平存在較大的區(qū)域差異。主要原因由于：一是漢江流域湖北境內(nèi)的糧食生產(chǎn)存在著一定的要素擁擠現(xiàn)象，二是在各縣（市、區(qū)）間存在效率投入冗余和產(chǎn)出不足的現(xiàn)象。需要在保證產(chǎn)出的前提下減少投入冗余，以實現(xiàn)投入要素與糧食產(chǎn)出的良性匹配，進而提高糧食生產(chǎn)用水效率。

（2）基于Tobit模型的漢江糧食生產(chǎn)用水效率影響因素的分析結(jié)果表明，小麥種植比率、工業(yè)用水占比和地區(qū)生產(chǎn)總值對漢江糧食生產(chǎn)用水效率均具有顯著的負向抑制效應(yīng)，作用強度依次表現(xiàn)為：小麥種植比率＞工業(yè)用水占比＞地區(qū)生產(chǎn)總值；農(nóng)業(yè)用水占比和水稻種植比率對糧食用水效率呈現(xiàn)顯著的正向促進作用，作用強度依次表現(xiàn)為：農(nóng)業(yè)用水占比＞水稻種植比率；年降水量、玉米種植比率和第一產(chǎn)業(yè)占比對用水效率的作用效果不明顯。因此在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的背景下，不僅需要推進糧食生產(chǎn)技術(shù)進步，更為關(guān)鍵的是要通過優(yōu)化糧食生產(chǎn)要素投入的優(yōu)化配置，提高要素配置效率，以成熟的糧食生產(chǎn)技術(shù)進步來帶動其效率提升。與此同時要合理調(diào)整用水結(jié)構(gòu)，優(yōu)化糧食作物的種植結(jié)構(gòu)。漢江流域是長江流域乃至全國的主要糧食產(chǎn)區(qū)，在人口激增和當?shù)亟?jīng)濟快速發(fā)展的背景下，對于糧食和水資源的需求不斷擴大，糧食作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與水資源使用配置之間的矛盾也逐漸凸顯，通過改變糧食作物種植結(jié)構(gòu)和優(yōu)化流域內(nèi)的用水結(jié)構(gòu)，可以有效提高漢江流域湖北境內(nèi)糧食生產(chǎn)用水效率，幫助漢江流域?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的糧食水資源管理，促進糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。