中國生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率時空分異特征

賀玉曉,蘇小婉,,任玉芬,王效科,歐陽志云

1 河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 焦作 454000 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站,北京 100085

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。人多水少、水資源時空分布不均是我國的基本國情和水情。當(dāng)前我國水資源面臨形勢十分嚴(yán)峻,水資源短缺、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益突出,已成為制約區(qū)域和城市經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。我國城市水資源需求涉及國民社會、經(jīng)濟(jì)、生活、生態(tài)環(huán)境等方方面面,根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)關(guān)于2016年我國城市水資源現(xiàn)狀分析,當(dāng)前我國城市水資源極其匱乏,隨著我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市用水需求持續(xù)增長,大多數(shù)城市水資源開發(fā)利用已接近或達(dá)到極限,部分城市地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重,全國城市每年缺水60億m3,每年因缺水造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)2000億元。城市規(guī)模逐步擴(kuò)張,城市污水排放量隨之增加,城市水資源質(zhì)量發(fā)生惡化。根據(jù)《2017中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[1],2017年全國地表水1940個水質(zhì)斷面(點(diǎn)位)中,Ⅰ — Ⅲ類水質(zhì)斷面(點(diǎn)位)占比為67.9%,Ⅳ、Ⅴ類占23.8%,劣Ⅴ類占8.3%,黃河、松花江、淮河和遼河流域存在輕度污染,海河流域?yàn)橹卸任廴?2017年全國2145個測站地下水質(zhì)量綜合評價結(jié)果中,水質(zhì)優(yōu)良測站比例為0.9%,良好測站比例為23.5%,無較好測站,較差和極差測站比例分別為60.9%和14.6%,“三氮”污染情況較重,部分地區(qū)存在一定程度的重金屬和有毒有機(jī)物污染。水環(huán)境惡化嚴(yán)重影響供水質(zhì)量,加劇水資源短缺,城市供水不足問題非常突出,我國水資源高效可持續(xù)利用、城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)、GDP增長和居民生活水平提高等均受到限制。

解決水資源供需不協(xié)調(diào)的重點(diǎn)是提高水資源利用效率,水資源利用效率研究對水資源利用效率提高和水資源可持續(xù)利用具有十分重要的意義,已經(jīng)引起國內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視。國外相關(guān)研究主要集中在單個產(chǎn)業(yè)用水效率或水務(wù)供水效率方面,如Veettil等[2]分析印度克里希納河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)灌溉用水效率以及水價對用水效率和用水行為的影響,結(jié)果表明水價上漲不會造成很大的利潤損失,但會導(dǎo)致用水需求減少;Higuerey等[3]利用面向輸入的距離函數(shù),量化委內(nèi)瑞拉飲用水供應(yīng)和廢水收集服務(wù)的技術(shù)效率,發(fā)現(xiàn)分散經(jīng)營的公司比集中經(jīng)營的公司效率高得多,且權(quán)力下放對技術(shù)效率能夠產(chǎn)生積極影響;Lombardi等[4]采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法,通過計算意大利自來水公司效率來評估國家水行業(yè)系統(tǒng)的技術(shù)和環(huán)境效率,對不同性質(zhì)企業(yè)、不同地區(qū)企業(yè)、不同規(guī)模企業(yè)效率進(jìn)行比較并分析其影響因素,為決策者建立更加可持續(xù)和有效的水部門提供糾正政策和措施參考。國內(nèi)學(xué)者在水資源利用效率方面研究更多地從評估方法、不同行業(yè)、不同地域空間尺度以及影響因素等角度開展理論研究與實(shí)踐探索,宮菲等[5]基于中分辨率成像光譜數(shù)據(jù)以及生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù),分析2000—2017年寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率時空特征,探討了凈初級生產(chǎn)力和蒸散兩種因子對生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的影響;劉渝等[6]選取與農(nóng)業(yè)用水經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益等相關(guān)的指標(biāo),利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法測度湖北省17個市、州的農(nóng)業(yè)水資源利用效率,并分析效率水平低下的原因;雷玉桃等[7]運(yùn)用隨機(jī)前沿生產(chǎn)函數(shù)模型評估1999—2014年我國各省區(qū)歷年工業(yè)用水效率值,通過聚類分析方法將各省區(qū)分為高、中、低效率組進(jìn)行工業(yè)用水效率差異分析,構(gòu)建Tobit回歸模型對各組工業(yè)用水效率的影響因素進(jìn)行實(shí)證分析;張振龍等[8]采用帶有非期望產(chǎn)出的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法對2004—2015年我國西北干旱區(qū)5省區(qū)的水資源利用效率進(jìn)行測度,利用α收斂性分析方法和Tobit模型分析西北地區(qū)各省區(qū)水資源利用效率的區(qū)間差異和水資源利用效率的影響因素。

在不同空間尺度水資源利用效率研究方面,國外研究尺度多為地區(qū)[9-10]、不同級別行政區(qū)[11- 14]、流域[15]等,國內(nèi)則主要集中在全國[16- 18]、流域[19- 21]、城市群[22- 24]、區(qū)域[25-26]以及省、市等行政區(qū)域[27- 31]等空間尺度,針對生態(tài)地理區(qū)層面的水資源利用研究鮮少報道。生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng)是通過對代表自然界宏觀生態(tài)系統(tǒng)的生物和非生物要素地理相關(guān)性的比較研究和綜合分析,按照自然界的地理地帶分異規(guī)律,劃分或合并而成不同等級的區(qū)域系統(tǒng),能夠綜合反映溫度、水分、生物、土壤等自然要素的空間格局及其與資源環(huán)境的匹配;生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng)是認(rèn)識區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征的宏觀框架,也是制定環(huán)境治理措施的基礎(chǔ),對植被恢復(fù)和保護(hù)、因地制宜利用自然資源和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有重要指導(dǎo)意義[32]。以中國地級及以上城市為研究對象,根據(jù)生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng)對全國城市進(jìn)行分類,采用分類數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法對2007—2016年我國城市水資源利用效率進(jìn)行測度,分析全國和生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率特征,并在此基礎(chǔ)上探討水資源利用效率的時空差異和空間收斂,以期在生態(tài)地理區(qū)域?qū)用鏋楦纳迫珖蛥^(qū)域水資源利用效率提供理論支持。

1 研究對象和區(qū)域劃分

我國幅員遼闊、橫跨多個溫度帶、地理地貌多樣且復(fù)雜,楊勤業(yè)等[33]嚴(yán)格按照溫度、水分、地貌特征等因素劃分中國生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng),將全國依次劃分為11個溫度帶,21個干濕區(qū),49個自然區(qū)。本文根據(jù)中國生態(tài)地域劃分結(jié)果[33],同時考慮到城市地理分布和生態(tài)地理區(qū)域尺度問題,將中國生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng)整合為8個生態(tài)地理區(qū),分別為：亞熱帶濕潤區(qū)、溫帶濕潤區(qū)、溫帶半濕潤區(qū)、溫帶半干旱區(qū)、高原濕潤/半濕潤區(qū)、高原半干旱區(qū)、高原干旱區(qū)、溫帶干旱區(qū),如圖1所示。由生態(tài)地理區(qū)空間分布可知,我國西北部地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對干旱,東南沿海則較為濕潤,即生態(tài)地理區(qū)由西北向東南方向,水分指標(biāo)逐漸升高(圖1)。水分指標(biāo)在一定程度上體現(xiàn)了地區(qū)的水資源條件,我國水資源條件分布不平衡,呈現(xiàn)西北地區(qū)向東南地區(qū)水資源條件逐漸改善的分布格局。

選取全國284個地級及以上城市作為研究對象,三沙市、儋州市、畢節(jié)市、銅仁市、拉薩市、日喀則市、山南市、昌都市、林芝市、海東市、西寧市、吐魯番市、哈密市等13個城市由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)不全,不包含在研究對象內(nèi),研究對象數(shù)量占全國地級及以上城市數(shù)量的95%以上,可以表征全國城市水資源利用效率特征和變化。按照城市市轄區(qū)所處生態(tài)地理區(qū)將全國284個地級及以上城市進(jìn)行分類,生態(tài)地理區(qū)城市分布情況詳見圖1。由分類結(jié)果可知城市主要分布于亞熱帶濕潤區(qū)、溫帶半濕潤區(qū)、溫帶濕潤區(qū)、溫帶半干旱區(qū)、溫帶干旱區(qū)等5個生態(tài)地理區(qū),高原濕潤/半濕潤區(qū)、高原半干旱區(qū)和高原干旱區(qū)三個區(qū)域無分布(圖1),其城市分布數(shù)量依次為150、75、28、18、13,分別占各生態(tài)地理區(qū)地級及以上城市總數(shù)量的97.40%、100%、100%、78.26%、86.67%,所選研究城市能夠反映各生態(tài)地理區(qū)水資源利用情況。

圖1 中國生態(tài)地理區(qū)和城市空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of eco-geographic regions and urban locations

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 水資源利用效率測算模型

分類數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Categorical Data Envelopment Analysis,Categorical DEA)最初是1986年Banker和Morey[34-35]為研究愛荷華州69個不同規(guī)模社區(qū)內(nèi)藥店經(jīng)營效率提出,他們認(rèn)為社區(qū)居民作為藥店潛在消費(fèi)者,社區(qū)人口規(guī)模能夠反映藥店所處經(jīng)營市場狀況,處于人口較多社區(qū)藥店擁有更有利的經(jīng)營條件,反之則經(jīng)營條件較差,據(jù)此將藥店按照社區(qū)人口規(guī)模劃分為9類處于不同經(jīng)營環(huán)境的決策單元(Decision Making Unit,DMU),采用分類DEA對各類藥店的經(jīng)營效率分別進(jìn)行測算。分類DEA從處在最困難經(jīng)營環(huán)境下的一組DMUs開始,以較優(yōu)經(jīng)營條件組類為單位逐步擴(kuò)大DMUs的參考集,直至參考集擴(kuò)增到最優(yōu)經(jīng)營條件DMUs,這樣將不同類別DMUs放在與其具有相同或較差經(jīng)營環(huán)境DMUs的參考集中進(jìn)行評估,能夠有效避免因較差和較好經(jīng)營條件的DMUs與相同投影前沿面進(jìn)行比較而產(chǎn)生的不合理,這也是使用分類DEA模型的目的。

根據(jù)分類數(shù)據(jù)包絡(luò)分析原理,結(jié)合城市所處生態(tài)地理區(qū)域,將全國284個地級及以上城市分為溫帶干旱區(qū)城市(Ⅰ)、溫帶半干旱區(qū)城市(Ⅱ)、溫帶半濕潤區(qū)城市(Ⅲ)、溫帶濕潤區(qū)城市(Ⅳ)和亞熱帶濕潤區(qū)城市(Ⅴ)共5類,其分類DEA測算過程如下：

(1)第Ⅰ類僅在第Ⅰ類的內(nèi)部進(jìn)行DMUs的效率測算;

(2)第Ⅱ類需要在第Ⅰ和Ⅱ類的DMUs內(nèi)進(jìn)行效率測算;

(3)第Ⅲ類需要在第Ⅰ、Ⅱ類和Ⅲ類的DMUs內(nèi)進(jìn)行效率測算;

(4)第Ⅳ類需要在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類和Ⅳ類的DMUs內(nèi)進(jìn)行效率測算;

(5)第Ⅴ類則需要在全部的DMUs內(nèi)進(jìn)行效率測算。

需要注意的是各類別DMUs效率值為該類別第一次進(jìn)行測算時得出的效率值。

DEA應(yīng)用最為廣泛的模型是CCR和BCC,二者的區(qū)別在于前者假定當(dāng)決策單元的規(guī)模增大或減小時其規(guī)模報酬不會發(fā)生變化,而后者則假定規(guī)模報酬會發(fā)生變化。CCR模型計算出的效率為綜合效率,是對整體投入產(chǎn)出效率的綜合衡量;BCC模型在CCR模型基礎(chǔ)上增加了凸性假設(shè)∑λj=1,將綜合效率分解為純技術(shù)效率和規(guī)模效率兩部分,其中純技術(shù)效率是指在當(dāng)下資源配置和技術(shù)條件下,剔除規(guī)模因素后的產(chǎn)出效率;規(guī)模效率則是由于投入產(chǎn)出規(guī)模因素影響的生產(chǎn)效率,能夠反映實(shí)際投入產(chǎn)出規(guī)模與最優(yōu)規(guī)模結(jié)構(gòu)組合差距。

為了更全面地了解全國和各生態(tài)地理區(qū)城市水資源效率特征,在投入主導(dǎo)的BCC模型基礎(chǔ)上進(jìn)行分類DEA分析,測算城市水資源利用的綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率。設(shè)有n個決策單元,每個決策單元有m項(xiàng)投入(x1j,x2j,…,xmj,xij>0)和s項(xiàng)產(chǎn)出(y1j,y2j,…,ysj,yij>0),λj為各市投入和產(chǎn)出的權(quán)向量。對于基于投入主導(dǎo)型的BCC模型,每個決策單元都有相應(yīng)的效率值θ,滿足：

(1)

公式(1)去掉凸性假設(shè)∑λj=1時,求解的是水資源利用綜合效率,公式(1)計算出的是水資源利用純技術(shù)效率,可以將綜合效率值進(jìn)一步分解為純技術(shù)效率和規(guī)模效率兩部分乘積。其中,當(dāng)θ=1時,表明該決策單元為DEA有效,城市的水資源利用效率同時為純技術(shù)有效和規(guī)模有效;當(dāng)θ<1時,為DEA無效,可能表現(xiàn)為純技術(shù)效率無效或規(guī)模效率無效,此時θ值越大表示該決策單元效率越高。參照已有研究[30],對2007—2016年全國和各生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率進(jìn)行等級劃分(表1)。

表1 水資源利用效率值的等級劃分

2.2 空間收斂性分析方法

目前研究空間收斂性問題的模型主要分為絕對收斂和局部收斂,其中絕對收斂有α收斂和絕對β收斂,而局部收斂為條件β收斂。參考已有研究[36-37],建立中國生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率空間收斂模型,其含義及模型如下：

2.2.1α收斂分析

α收斂主要用來測度區(qū)域間某一變量值差異程度隨時間變化狀況,如果α值隨著時間推移不斷下降,即區(qū)域間變量值離散程度逐漸減小,稱為發(fā)生α收斂。本文采用變異系數(shù)來衡量α收斂,α變異系數(shù)模型可表示為：

(2)

其中,Ei,t為第i個區(qū)域在t時的水資源利用效率值,i=1,2,...,n;Et為t時n個區(qū)域水資源利用效率的均值。若αt>αt+1,則存在α收斂,即生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率之間差異隨時間逐步縮小。

2.2.2絕對β收斂

絕對β收斂主要測度變量與變量初始水平之間負(fù)相關(guān)關(guān)系,目的在于判斷是否存在“追趕效應(yīng)”。其模型如下：

(3)

其中,Ei,0為某時段初期第i個區(qū)域的水資源利用效率值,Ei,t為某時段末期第i個區(qū)域的水資源利用效率值,a為常數(shù)項(xiàng),β為估計系數(shù),ε為隨機(jī)誤差項(xiàng)。若β<0,且通過顯著性檢驗(yàn),表明存在絕對β收斂,說明水資源利用效率低效區(qū)域有向效率值較高區(qū)域追趕的趨勢。

2.2.3條件β收斂

條件β收斂的目的在于判斷測度變量是否收斂于自身穩(wěn)定狀態(tài)。其模型如下：

ln(Ei,t)-ln(Ei,t-1)=a+βln(Ei,t-1)+ε

(4)

其中,Ei,t-1和Ei,t分別為第i個區(qū)域或城市在t-1時和t時的水資源利用效率值,a為常數(shù)項(xiàng),β為收斂系數(shù),ε為隨機(jī)誤差項(xiàng)。若β<0且通過顯著性檢驗(yàn)時,表明存在條件β收斂,即全國或生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率收斂于自身的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 指標(biāo)選擇和數(shù)據(jù)來源及處理

DEA的顯著特點(diǎn)是不需要考慮投入產(chǎn)出指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系,無須對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理。本文在選取投入產(chǎn)出指標(biāo)時,參考相關(guān)文獻(xiàn)中水資源效率測算指標(biāo)同時,考慮指標(biāo)選取代表性和數(shù)據(jù)可獲得性,以2007—2016年全國284個地級及以上城市市轄區(qū)全社會固定資本投資額(萬元)、市轄區(qū)年供水總量(萬t)、市轄區(qū)年末總?cè)丝?萬人)分別作為城市水資源利用效率測算的資本、資源和勞動力投入指標(biāo),市轄區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值(萬元)為期望產(chǎn)生指標(biāo)。

數(shù)據(jù)主要源于2007—2016年《中國城市統(tǒng)計年鑒》,個別城市缺失數(shù)據(jù)取其前后兩年均值,其中全社會固定資本投資額和地區(qū)生產(chǎn)總值,采用2007年不變價格計算。一般數(shù)據(jù)處理均采用Excel 2007軟件進(jìn)行,采用DEA-solver pro5.0軟件測算全國各城市水資源利用效率值,利用Origin 2017軟件分析綜合效率與純技術(shù)效率和規(guī)模效率之間的相關(guān)關(guān)系,通過Stata15.1軟件對生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率空間收斂性進(jìn)行測度。

3 結(jié)果與分析

3.1 全國整體水資源利用效率

根據(jù)生態(tài)地理區(qū)城市分類結(jié)果,基于全國284個地級及以上城市2007—2016年3個投入指標(biāo)、1個產(chǎn)出指標(biāo)以及分類指標(biāo)數(shù)據(jù),利用DEA-solver pro5.0軟件Categorical Variable模型,對全國各城市水資源利用效率值進(jìn)行測度,進(jìn)一步得出全國和各生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率均值。

圖2 全國城市水資源利用效率變化趨勢圖 Fig.2 Trend chart of national urban water resource utilization efficiency change

由計算結(jié)果可知,2007—2016年期間中國城市水資源利用效率整體處于綜合效率低效、純技術(shù)效率低效、規(guī)模效率中等水平,用水效率值隨時間高低交錯波動發(fā)展,但整體變化幅度很小。2007—2016年全國城市水資源利用綜合效率均值為0.536,隨時間變化具有年代際差異,即2007—2012年綜合效率呈波動下降趨勢,2012—2016年波動上升(圖2,表2)。純技術(shù)效率方面,效率平均值為0.625,其隨時間變化趨勢與綜合效率基本一致(圖2,表3);規(guī)模效率方面,效率均值為0.856,效率值隨時間波動明顯,與綜合效率波動規(guī)律吻合(圖2,表4)。以上結(jié)果表明：近十年來中國城市水資源利用整體投入產(chǎn)出效果不理想(0.536),水資源配置調(diào)控方面產(chǎn)出效率(0.625)顯著低于水資源實(shí)際投入規(guī)模結(jié)構(gòu)方面的效率(0.856)。由此可見,我國在水資源高效利用和節(jié)約用水技術(shù)等方面整體上較為薄弱,水資源利用的資源投入規(guī)模組合發(fā)揮出較好的規(guī)模效應(yīng),水資源利用仍有較大提升空間。

3.2 生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率

2007—2016年我國五大生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率均值和時間演變及其年均變化幅度均存在不同,對比生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率可知：

從水資源利用效率值角度,相對干旱的溫帶干旱區(qū)和溫帶半干旱區(qū)水資源利用綜合效率均值在0.7以上,屬于中等效率階段(表2);純技術(shù)效率和規(guī)模效率均值分別為0.948和0.859,0.860和0.823,均在0.8以上,純技術(shù)效率大于規(guī)模效率(表3,表4)。相對濕潤的溫帶半濕潤區(qū)、溫帶濕潤區(qū)和亞熱帶濕潤區(qū)綜合效率均值不超過0.6,處于低效率甚至無效率水平(表2);純技術(shù)效率和規(guī)模效率分別為：0.655和0.915,0.665和0.893,0.547和0.837,純技術(shù)效率均不超過0.7,而規(guī)模效率值均高于0.8(表3,表4)。以上結(jié)果說明：生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率值具有明顯區(qū)域差異,相對干旱地區(qū)水資源利用綜合效率高于相對濕潤地區(qū),且主要表現(xiàn)為規(guī)模效率無效,相對濕潤區(qū)域則為顯著的純技術(shù)效率無效。生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率特征與其生態(tài)地理狀況基本符合,一方面我國水資源東多西少、南多北少,另一方面我國西北部地理環(huán)境條件較東南地區(qū)更為嚴(yán)峻,相對干旱的西北地區(qū)取水用水困難,節(jié)約意識強(qiáng),通過改進(jìn)科學(xué)用水技術(shù)、嚴(yán)格管理水資源等來達(dá)到水資源的高效利用,而東南部濕潤地區(qū)水資源豐富且易于取水,水資源利用更多地是依仗豐富的資源發(fā)揮其規(guī)模效應(yīng)。

表2 全國和生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用綜合效率值

表3 全國和生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用純技術(shù)效率值

從效率值隨時間變化角度,2007—2016年五大生態(tài)地理區(qū)綜合效率中,溫帶干旱區(qū)、溫帶半干旱區(qū)、溫帶半濕潤區(qū)和溫帶半濕潤區(qū)均呈逐年衰退趨勢,亞熱帶濕潤區(qū)隨時間發(fā)展逐漸增長,其中變化幅度最大為溫帶半干旱區(qū)(-1.380%),最小為溫帶干旱區(qū)(-0.120%),兩者相差近11倍(表2)。純技術(shù)效率方面,溫帶干旱區(qū)純技術(shù)效率隨時間呈逐年增長趨勢,其余四個區(qū)域純技術(shù)效率隨時間逐漸下降,其中最大變化幅度為溫帶半濕潤區(qū)的-1.017%,最小為亞熱帶濕潤區(qū)的-0.028%,前者約為后者的36倍(表3);規(guī)模效率方面,溫帶半濕潤區(qū)、亞熱帶濕潤區(qū)的規(guī)模效率呈增長趨勢,其余三區(qū)隨時間逐年衰退,其中變化幅度最大的溫帶半干旱區(qū)(-1.132%)約是最小的溫帶半濕潤區(qū)(0.183%)的6倍(表4)。綜上可知,生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率時間演變區(qū)域間差異明顯,但效率值總體變動幅度均較小。

表4 全國和生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用規(guī)模效率值

3.3 純技術(shù)效率和規(guī)模效率對綜合效率的影響

采用Origin 2017軟件對全國城市、全國生態(tài)地理區(qū)以及各生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),結(jié)果顯示,在0.05水平下,各組數(shù)據(jù)不顯著地來自正態(tài)分布總體。排除數(shù)據(jù)正態(tài)性后對各組效率值數(shù)據(jù)進(jìn)行斯皮爾曼(Spearman)相關(guān)性分析,由結(jié)果可知：在全國層面,綜合效率與純技術(shù)效率(P=0.000)、規(guī)模效率(P<0.001)均顯著相關(guān),與純技術(shù)效率的相關(guān)程度(0.813)大于規(guī)模效率(0.455)(表5)。在生態(tài)地理區(qū)層面,全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率與純技術(shù)效率顯著相關(guān)(P<0.001),與規(guī)模效率相關(guān)性較弱(P=0.668>0.1)(表5);不同生態(tài)地理區(qū)純技術(shù)效率和規(guī)模效率與綜合效率相關(guān)性存在差異,在相對干旱的溫帶干旱區(qū)和溫帶半干旱區(qū),規(guī)模效率與綜合效率的相關(guān)關(guān)系大于純技術(shù)效率,對于相對濕潤的溫帶半濕潤區(qū)、溫帶濕潤區(qū)和亞熱帶濕潤區(qū),綜合效率與純技術(shù)效率相關(guān)性較為顯著(表5)。

結(jié)合全國和生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率特征,對比分析用水效率間相關(guān)性發(fā)現(xiàn)：純技術(shù)效率低效是影響全國水資源利用效率提高的主導(dǎo)因素,純技術(shù)效率逐年減小是導(dǎo)致綜合效率下降的主要原因(表5);全國生態(tài)地理區(qū)間綜合效率差距主要是由于區(qū)域純技術(shù)效率差異的存在(表5),區(qū)域純技術(shù)效率的巨大差距導(dǎo)致全國純技術(shù)效率整體水平低效,也是全國綜合效率低效的根本原因。對于相對干旱生態(tài)地理區(qū),規(guī)模效率對綜合效率具有決定性影響作用,相對低效的規(guī)模效率制約著其綜合效率值的提高;相對濕潤的其余三個生態(tài)地理區(qū),影響其綜合效率的主導(dǎo)因素為純技術(shù)效率,綜合效率低效主要是由低效率的純技術(shù)效率造成;另外,溫帶半濕潤區(qū)水資源利用綜合效率下降的主要原因是其純技術(shù)效率的下降,而其余四區(qū)綜合效率值的變化則受規(guī)模效率變化影響較明顯(表5)。

綜上可知,突破全國水資源利用效率低下的關(guān)鍵是著力提高純技術(shù)效率,有效措施則是縮小生態(tài)地理區(qū)間純技術(shù)效率的巨大差異,因此提升全國整體水資源利用產(chǎn)出效率主要應(yīng)從提高資源配置調(diào)控能力、科學(xué)用水技術(shù)和水資源管理水平等方面出發(fā)。改善生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率應(yīng)考慮各區(qū)域之間的差異,根據(jù)各生態(tài)地理區(qū)自身特點(diǎn),分別從資源配置控制或規(guī)模結(jié)構(gòu)方面因地制宜地為區(qū)域水資源利用效率提高和可持續(xù)發(fā)展提供合理化建議,而不是簡單“一刀切”。如溫帶干旱區(qū)和溫帶半干旱區(qū)需要調(diào)整其投入資源規(guī)模結(jié)構(gòu)保障用水效率的穩(wěn)步上升;溫帶半濕潤地區(qū)可以通過引進(jìn)技術(shù)、節(jié)約用水、加強(qiáng)管理等途徑來達(dá)到水資源的高效利用的目的;溫帶濕潤區(qū)和亞熱帶濕潤區(qū)在重視資源科學(xué)調(diào)配和嚴(yán)格管理等問題同時還應(yīng)注意其資源規(guī)模結(jié)構(gòu)合理性的提升。

表5 水資源利用綜合效率與純技術(shù)效率和規(guī)模效率相關(guān)性

3.4 生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率空間分布

圖3 全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率空間分布Fig.3 The spatial distribution of comprehensive efficiency in eco-geographic regions of China

將計算得出的生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率值與ArcGIS結(jié)合,繪制2007—2016年全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率空間分布圖。綜合效率呈現(xiàn)溫帶干旱區(qū)>溫帶半干旱區(qū)>溫帶半濕潤區(qū)>溫帶濕潤區(qū)>亞熱帶濕潤區(qū)的空間格局(圖3),純技術(shù)效率呈現(xiàn)溫帶干旱區(qū)>溫帶半干旱區(qū)>溫帶濕潤區(qū)>溫帶半濕潤區(qū)>亞熱帶濕潤區(qū)的空間分布(圖4),規(guī)模效率呈現(xiàn)溫帶半濕潤區(qū)>溫帶濕潤區(qū)>溫帶干旱區(qū)>亞熱帶濕潤區(qū)>溫帶半干旱區(qū)的分布格局(圖5)。由空間分布特征可知,溫帶干旱區(qū)、溫帶半干旱區(qū)、溫帶半濕潤區(qū)、溫帶濕潤區(qū)和亞熱帶濕潤區(qū)水資源利用綜合效率平均值分別為：0.813、0.704、0.596、0.588、0.452,效率值生態(tài)地理區(qū)間差異較大,且具有顯著的空間分布規(guī)律,即表現(xiàn)為由西北向東南方向逐漸遞減的分布特征;生態(tài)地理區(qū)水資源利用純技術(shù)效率平均值分別為：0.948、0.850、0.655、0.665、0.547,區(qū)域純技術(shù)效率差距明顯,但空間分布規(guī)律不顯著;規(guī)模效率平均值分別為：0.859、0.823、0.915、0.893、0.837,規(guī)模效率區(qū)域間差距很小,且無明顯空間分布規(guī)律。

圖4 全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用純技術(shù)效率空間分布Fig.4 The spatial distribution of technical efficiency in eco-geographic regions of China

圖5 全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用規(guī)模效率空間分布Fig.5 The spatial distribution of scale efficiency in eco-geographic regions of China

3.5 空間收斂性分析

由公式(2)計算得出全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率α變異系數(shù),根據(jù)公式(3)利用Stata15.1軟件對全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸,得到絕對β收斂系數(shù)。2007—2016年我國生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率α變異系數(shù)總體上呈現(xiàn)減小趨勢(圖6),即存在α收斂,說明我國不同生態(tài)地理區(qū)間水資源利用綜合效率差距整體上在逐步縮小;純技術(shù)效率和規(guī)模效率的α值呈波動增大趨勢(圖6),即α不收斂,故不作分析。2007—2016年我國生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率絕對β收斂系數(shù)為負(fù)值(-0.015),P值為0.382(>0.1),不存在顯著絕對β收斂(表6),即生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率無顯著低效區(qū)域向高效區(qū)域的“趕超效應(yīng)”;純技術(shù)效率和規(guī)模效率的β系數(shù)值均大于0,不具有絕對β收斂性(表6),故不作分析。

圖6 全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率α收斂系數(shù)Fig.6 Alpha convergence coefficient of water resource efficiency in eco-geographic regions of China

表6 全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率的絕對β收斂

綜合α收斂和絕對β收斂結(jié)果可知,我國生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率差距雖在逐漸縮減,但低效率區(qū)域向高效率區(qū)域的追趕趨勢并不顯著,說明生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率區(qū)域差異的減小并不是因?yàn)榈托^(qū)域效率值向高效區(qū)域的追趕。亞熱帶濕潤區(qū)綜合效率最低(0.452)隨時間逐年上升(0.206%),相對高效的其余四個生態(tài)地理區(qū)效率呈下降趨勢(表2)?？梢?生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率區(qū)域差距逐漸縮小主要原因可能是高效率區(qū)域效率值向低效率區(qū)域靠攏,各生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率仍存在很大提升潛力。

根據(jù)公式(4)對全國生態(tài)地理區(qū)和各生態(tài)地理區(qū)進(jìn)行條件β收斂檢驗(yàn),需對2007—2016年生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率面板數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸估計。為了選擇更合適的回歸模型,利用Stata15.1軟件對其面板數(shù)據(jù)分別采用固定效應(yīng)模型和隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行線性回歸評估條件β收斂系數(shù),并對兩模型結(jié)果進(jìn)行豪斯曼(Hausman)檢驗(yàn),其檢驗(yàn)結(jié)果P值均小于0.01,表明全國生態(tài)地理區(qū)及各生態(tài)地理區(qū)的綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率條件β收斂檢驗(yàn)均應(yīng)拒絕原假設(shè),即拒絕隨機(jī)效應(yīng)模型,接受固定效應(yīng)模型。由條件β收斂結(jié)果可知：全國生態(tài)地理區(qū)和各生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率條件β系數(shù)均為負(fù)值,且通過了不同水平下顯著性檢驗(yàn)(表7),即均存在顯著的條件β收斂。這一結(jié)果表明全國生態(tài)地理區(qū)及各生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率一直朝著自身穩(wěn)定均衡水平收斂。

綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率收斂速度不同(表7),全國及生態(tài)地理區(qū)的綜合效率將沿著現(xiàn)有的趨勢持續(xù)發(fā)展,即全國水資源綜合利用效率持續(xù)下降,區(qū)域間的差距繼續(xù)縮減。然而由于各生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率值、收斂速度等因素差異,綜合效率的區(qū)域差距無法完全消除,同樣區(qū)域純技術(shù)效率和規(guī)模效率之間差距變化也不是無限的,所以水資源利用效率生態(tài)地理區(qū)間差距才持續(xù)存在。

表7 全國及各地理區(qū)水資源利用效率的條件β收斂

4 討論

4.1 水資源利用效率時間變化規(guī)律

本文研究表明,我國2007—2016年期間全國水資源利用綜合效率處于低效率狀態(tài),隨時間高低交錯波動式發(fā)展,總體上呈先下降后上升的變化趨勢,水資源利用存在巨大的進(jìn)步空間。我國水資源利用效率整體處于低效狀態(tài)已成為很多專家學(xué)者共識,然而可能由于水資源利用效率測算方法和指標(biāo)、研究尺度等因素的差異,水資源利用效率隨時間變化趨勢也有所不同[38- 41]。近年來我國水資源利用效率動態(tài)變化存在明顯的分界點(diǎn),根據(jù)馬海良等[42]和錢文婧等[43]的研究結(jié)果,2007年以前水資源利用效率有所提高,2008年水資源效率平均水平相比2007年出現(xiàn)明顯下降,這是在發(fā)展壓力下水資源利用效率出現(xiàn)的一個拐點(diǎn),也是在全球金融危機(jī)背景下由于要素市場動蕩出現(xiàn)的暫時性、調(diào)整型要素配置扭曲。2007年全球發(fā)生經(jīng)濟(jì)危機(jī),為了刺激經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇,中央和地方政府把大量的救市資金投向了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和重型化工業(yè),這導(dǎo)致資源配置的扭曲,從而使水資源利用效率下降[42],本文結(jié)果同樣符合這一結(jié)論。由此可見,2012年的經(jīng)濟(jì)危機(jī),相當(dāng)數(shù)量投機(jī)和投資資金進(jìn)入商業(yè)房產(chǎn),致使資源配置扭曲,可能是導(dǎo)致水資源利用效率大幅度下降的一個重要原因。2012年1月份國務(wù)院頒布《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》,促進(jìn)了城市對水資源開發(fā)利用、用水效率以及節(jié)水型社會建設(shè)的重視。2013年經(jīng)濟(jì)工作堅持?jǐn)U大內(nèi)需戰(zhàn)略,以提高經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量和效益為中心,科學(xué)創(chuàng)新宏觀調(diào)控方式,國民經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)穩(wěn)中有進(jìn)。經(jīng)濟(jì)危機(jī)后,要素市場得到調(diào)控,最嚴(yán)水資源管理制度得到有效實(shí)施,水資源利用效率穩(wěn)步提升,2012年成為全國水資源利用效率變化的另一分界點(diǎn)。

4.2 水資源利用效率空間分布特征

中國水資源利用效率存在顯著的區(qū)域差異,目前關(guān)于我國城市水資源利用效率空間分布特征的研究主要集中在傳統(tǒng)的東、中、西三大經(jīng)濟(jì)地帶,由于三大經(jīng)濟(jì)地帶所處經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段存在明顯差距,水資源利用效率呈現(xiàn)明顯的空間地帶性,不同的研究結(jié)果雖存在差異,但總體上呈現(xiàn)西低東高的分布特征[40- 42]。國家或地區(qū)用水效率與其經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段直接相關(guān),通常而言,經(jīng)濟(jì)發(fā)展初期的用水較為粗放,經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定水平后,用水效率會逐步提升,然而需要注意的是不同國家或地區(qū)間用水效率高低與其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不直接相關(guān),而是與其水資源稟賦密切相關(guān),且水資源利用效率與水資源稟賦呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[39, 44]。東、中、西三大經(jīng)濟(jì)地帶劃分主要是基于其經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和發(fā)展水平等因素,不同區(qū)域水資源利用效率與其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平并無直接關(guān)系,這可能就是基于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)帶進(jìn)行區(qū)域差異研究結(jié)果存在差異的原因。全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率同樣具有顯著的空間異質(zhì)性,生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率呈現(xiàn)溫帶干旱區(qū)>溫帶半干旱區(qū)>溫帶半濕潤區(qū)>溫帶濕潤區(qū)>亞熱帶濕潤區(qū)的分布格局,即效率值呈現(xiàn)由西北向東南方向逐漸遞減的空間分布特征。這一研究結(jié)果表明相對干旱的生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率值更高,這與胡鞍鋼等[45]和李志敏等[46]的研究結(jié)論不謀而合,即城市所處地區(qū)生態(tài)環(huán)境越是干旱,水資源越是不易獲取,可用水量越是匱乏,節(jié)水措施越完善,水資源管理和資源配置能力越強(qiáng),城市水資源利用效率也就越高。

4.3 水資源利用效率影響因素

純技術(shù)效率和規(guī)模效率影響著城市水資源利用綜合效率,純技術(shù)效率是影響綜合效率的決定性因素,且發(fā)揮著越來越重要的作用,規(guī)模效率的影響則相對較小[29]。韓文艷等[41]認(rèn)為中國城市水資源利用效率低主要是由純技術(shù)效率低導(dǎo)致,提高城市水資源利用效率應(yīng)在技術(shù)進(jìn)步方面努力,加大科技投入促進(jìn)技術(shù)水平的提高,提高水資源重復(fù)利用率促進(jìn)水資源的循環(huán)利用,此外,還應(yīng)該注意改善部分城市水資源利用的規(guī)模無效狀態(tài)。本文研究結(jié)果進(jìn)一步證明,純技術(shù)效率低效制約著全國城市水資源利用效率整體水平的提高,純技術(shù)效率逐年減小是導(dǎo)致綜合效率下降的主要原因;生態(tài)地理區(qū)間純技術(shù)效率的巨大差距決定區(qū)域間綜合效率差距,也是導(dǎo)致全國水資源利用效率整體水平低效的根本原因;不同生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率值高低和變化受純技術(shù)效率和規(guī)模效率的影響也有所不同。城市水資源利用受很多現(xiàn)實(shí)因素的影響,如經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平[47]、城市人口與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[48]、城鎮(zhèn)化水平[49]、水資源稟賦[39]及土地利用[50]等。已有研究表明我國水資源利用效率具有明顯區(qū)域差異,造成差異的因素包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、水資源稟賦、科技水平、政府影響力等[51-52],影響因素對不同地區(qū)水資源利用效率的作用也存在差異性[53]。

5 結(jié)論

本文基于分類DEA模型,測算了中國生態(tài)地理區(qū)城市水資源利用效率,并進(jìn)一步分析了水資源利用效率時空分異特征。主要結(jié)論如下：

(1)2007—2016年中國水資源利用效率整體處于綜合低效、純技術(shù)低效、規(guī)模中等效率狀態(tài),效率值隨時間變化具有年代際差異,2007—2012年波動下降,2012—2016年波動上升,但總體變動幅度小。純技術(shù)效率是制約和影響全國整體水資源利用綜合效率提高和變化的決定性因素。

(2)2007—2016年生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率具有區(qū)域差異性。相對干旱的溫帶干旱區(qū)和溫帶半干旱區(qū)綜合效率較高,表現(xiàn)為規(guī)模效率無效,規(guī)模效率是影響綜合效率的主導(dǎo)因素;相對濕潤的溫帶半濕潤區(qū)、溫帶濕潤區(qū)和亞熱帶濕潤區(qū)綜合效率偏低,主要為純技術(shù)效率無效,純技術(shù)效率對綜合效率的影響具有決定性。全國生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率區(qū)域差距主要是由區(qū)域純技術(shù)效率差異導(dǎo)致。

(3)2007—2016年生態(tài)地理區(qū)水資源利用效率存在空間異質(zhì)性。綜合效率呈現(xiàn)溫帶干旱區(qū)>溫帶半干旱區(qū)>溫帶半濕潤區(qū)>溫帶濕潤區(qū)>亞熱帶濕潤區(qū)的格局,即效率表現(xiàn)為由西北向東南遞減的空間分布;純技術(shù)效率由高到低依次為溫帶干旱區(qū)、溫帶半干旱區(qū)、溫帶濕潤區(qū)、溫帶半濕潤區(qū)、亞熱帶濕潤區(qū),效率值差異大但空間分布規(guī)律不顯著;規(guī)模效率由高到低依次為溫帶半濕潤區(qū)、溫帶濕潤區(qū)、溫帶干旱區(qū)、亞熱帶濕潤區(qū)、溫帶半干旱區(qū),效率值差異小且無明顯空間分布規(guī)律。

(4)2007—2016年生態(tài)地理區(qū)水資源利用綜合效率存在α收斂,不具有顯著絕對β收斂性,綜合效率區(qū)域差距逐漸縮小主要是因?yàn)楦咝蕝^(qū)域效率值向低效率區(qū)域的靠攏。全國生態(tài)地理區(qū)和各生態(tài)地理區(qū)均顯著地條件β收斂,其水資源利用綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率具有收斂于自身均衡狀態(tài)趨勢。