基于SBM模型的黑龍江省耕地集約利用的碳排放效率研究

梁雪石，鄭福云，郭文棟，魏延軍，聶 晶，賈 利

（黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所，濕地與生態(tài)保育國家地方聯(lián)合工程實驗室，黑龍江…150040）

耕地集約利用是提高耕地利用效益、緩解人地矛盾的主要途徑，是通過集中地投入較多的生產(chǎn)資料和生活勞動，使用先進的技術和管理方法，以達到獲得高收益和高產(chǎn)出的一種農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式。但是耕地集約利用中存在負的外部性，高投入意味著能源、化肥、農(nóng)藥、地膜等農(nóng)業(yè)碳源的投入，這樣必然伴隨著化學需養(yǎng)量（COD）、總氮、總磷等溫室氣體排放的增加。已有學者從不同角度揭示，隨著耕地集約利用中碳源消耗的增加，耕地利用碳排放也隨之增長[1]。但是放棄耕地集約利用并不符合我國耕地利用與農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，粗放型的耕地利用方式很可能影響糧食安全與耕地保護，因此在促進耕地集約利用的同時，從生產(chǎn)效率的角度，努力提高其排放效率，來間接實現(xiàn)減排目標，是當前社會實現(xiàn)低碳發(fā)展的有效途徑。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省土地總面積47.3萬km2，占全國土地總面積的4.9%。農(nóng)用地面積3950.2萬hm2，占全省土地總面積的83.5%。農(nóng)用地中耕地1187.1萬hm2，占農(nóng)用地的30%。作為全國第一商品糧基地，黑龍江省的耕地資源利用不僅影響本省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)村經(jīng)濟進步，還直接關系到全國的糧食安全。近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展、科技進步，黑龍江省耕地生產(chǎn)力呈逐步提高趨勢，但是仍有一些地方對耕地保護缺乏長遠考慮，經(jīng)常出現(xiàn)重用地輕養(yǎng)地、重產(chǎn)出輕投入、重化肥輕農(nóng)肥的現(xiàn)象。黑龍江省大多數(shù)農(nóng)田靠化肥補充養(yǎng)分，超常規(guī)大量施用化肥，導致碳排放規(guī)模擴大。所以為了滿足人口對糧食的需求與促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，更應該在提高耕地集約利用的同時，不僅僅從“量”的角度控制碳排放規(guī)模，還應更多地從“質”的角度考慮，提高碳排放效率。

2 研究方法

2.1 碳排放測算公式

在參考宋德勇等、張秀梅等關于碳排放方程建

立方法的基礎上，提出耕地利用的碳排放量計算公式如下：

其中，E為耕地利用的碳排放總量；Ei為第i種碳源的碳排放量；Ti為各碳排放源的量；δi為第i種碳排放源的碳排放系數(shù)（表1）。

表1 各類耕地碳源碳排放系數(shù)及參考來源

2.2 耕地集約利用計算公式

本文運用灰色關聯(lián)評價法對黑龍江省13個地級市的耕地集約利用進行綜合評價，并且為了提高耕地集約利用評價精度，將熵值法引入灰色關聯(lián)模型，采用熵值法來確定指標權重。熵值法是通過計算指標的信息熵，根據(jù)各指標的相對變化程度對系統(tǒng)整體的影響來確定指標權重的一種客觀賦權法[2]。

耕地集約利用度的計算公式為：

其中，Ij為耕地集約利用度；Qi為第i個指標的權重；Uij為關聯(lián)系數(shù)。

2.3 碳排放效率計算模型——SBM模型

DEA模型的核心思想是以最小的投入獲得最大的產(chǎn)出。但是，在實際生產(chǎn)中，有的產(chǎn)出并不是我們想要的，如本文所要研究的碳排放。但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，碳排放是不可避免的，作為非期望產(chǎn)出，我們是希望碳排放越少越好，這就與傳統(tǒng)的DEA方法的核心思想相矛盾。因此，本文采用了擴展DEA模型——SBM模型，基于DEA-Solve運算平臺，計算2013年黑龍江省13個地級市的碳排放效率，具體包括總效率、技術效率、規(guī)模效率?？傂?技術效率×規(guī)模效率，它揭示了耕地集約利用中在給定的投入和技術條件下實現(xiàn)產(chǎn)出的高低；技術效率指由科技含量的提高而帶來的產(chǎn)出成效，反映了對現(xiàn)有資源有效利用的能力，本文指耕地集約利用中在給定的投入組合條件下，耕地利用所能獲得的相對最大產(chǎn)出；規(guī)模效率反映的是實際規(guī)模與最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模的差距，本文指在技術水平可變動的前提下，耕地集約利用實現(xiàn)已有產(chǎn)出水平所需的相對最少投入，及其是否處于最適規(guī)模[3][4]。

3 投入產(chǎn)出指標及數(shù)據(jù)來源

3.1 投入產(chǎn)出指標

為實現(xiàn)耕地集約利用程度分析與其碳排放效率分析之間的可比性，根據(jù)SBM模型分析要求，耕地集約利用評價指標中的投入指標與其碳排放效率計算中的投入指標必須保持一致。由于耕地利用投入主要是勞動力、資金與技術的投入，因此本文結合黑龍江省耕地集約利用的自身特點，選取地均勞動力投入、地均資金投入與地均技術投入3個指標為投入指標，這3個指標屬于越大越好型指標[5]。

本文確定地均農(nóng)業(yè)增加值、地均糧食產(chǎn)量、地均家庭經(jīng)營性收入和地均農(nóng)業(yè)氨氮排放量為耕地集約利用分析的產(chǎn)出指標，其中前3 個指標屬于越大越好型指標，第4個指標屬于越小越好型指標。碳排放效率分析中產(chǎn)出指標的選擇，同樣考慮耕地集約利用度分析與耕地集約利用碳排放效率分析之間的可比較性，確定單位碳排放量實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增加值、單位碳排放量實現(xiàn)糧食產(chǎn)量、單位碳排放量實現(xiàn)家庭經(jīng)營性收入以及單位碳排放量伴隨農(nóng)業(yè)氨氮排放量為碳排放效率分析的產(chǎn)出指標，其中前3個指標屬于“好”的期望產(chǎn)出，第4個指標屬于“壞”的非期望產(chǎn)出[6]（表2）。

表2 耕地集約利用碳排放效率的投入產(chǎn)出指標

3.2 數(shù)據(jù)來源

因全國第二次土地調查數(shù)據(jù)仍未公布，所以黑龍江省13個地級市的耕地面積數(shù)據(jù)實質上為2008年底的土地變更數(shù)據(jù)。第一產(chǎn)業(yè)就業(yè)人員、機械總動力、農(nóng)業(yè)增加值、糧食產(chǎn)量、農(nóng)村居民家庭人均純收入、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、有效灌溉面積、稻谷播種面積、農(nóng)業(yè)氨氮排放量來自《黑龍江統(tǒng)計年鑒（2014）》?；适┯昧俊⑥r(nóng)藥使用量、農(nóng)用塑料薄膜、地膜使用量、鄉(xiāng)村人口數(shù)、柴油使用量、翻耕面積和農(nóng)業(yè)機械總動力來自黑龍江省統(tǒng)計局《黑龍江省農(nóng)村經(jīng)濟社會統(tǒng)計概要（2014）》，其中將化肥施用量折純后計算，農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油數(shù)據(jù)以實際使用量為準，翻耕數(shù)據(jù)以2013年農(nóng)作物實際播種面積為準。農(nóng)業(yè)中間消耗為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值減去農(nóng)業(yè)增加值，數(shù)據(jù)來源于《黑龍江統(tǒng)計年鑒（2014）》。

4 結果分析

通過以上分析，利用式（2）獲得2013年黑龍江省13個地級市的耕地集約利用度，利用式（1）獲得黑龍江省13個地級市的耕地碳排放量，利用SBM模型，基于DEA-Solve運算平臺獲得黑龍江省13個地級市的碳排放效率（總效率、技術效率、規(guī)模效率）（表3）。

表3 黑龍江省耕地集約利用碳排放效率

4.1 耕地集約利用與碳排放效率一致性分析

對黑龍江省耕地集約利用程度與其碳排放總效率的一致性進行分析，進而判斷黑龍江省耕地集約利用程度的高低是否對應著耕地利用中碳排放效率的高低。基于計算得到的黑龍江省13個地級市的耕地集約利用度，我們可以看出黑龍江省各地級市的耕地集約利用度集中在[0.658，0.474]區(qū)間，本文將耕地集約利用度進行分等：耕地集約利用度分布在[0.7，0.6)區(qū)間的為Ⅰ等；耕地集約利用度分布在[0.6，0.5]區(qū)間的為Ⅱ等；耕地集約利用度分布在(0.5，0.4]區(qū)間的為Ⅲ等。同時，根據(jù)碳排放總效率分布特點，也將耕地集約利用碳排放總效率分為3等：碳排放總效率值等于1為Ⅰ等；碳排放總效率值分布在(1，0.5]區(qū)間的為Ⅱ等；分布在(0.5，0]區(qū)間的為Ⅲ等。要進行耕地集約利用度與耕地集約利用碳排放效率的一致性分析，首先要對其分等按照等別的高低進行聚類，這里將Ⅰ等和Ⅱ等耕地集約利用度歸納為高集約利用度，Ⅰ等和Ⅱ等碳排放總效率歸納為高效率，將Ⅲ等耕地集約利用度歸納為低集約利用度，Ⅲ等碳排放總效率歸納為低效率。耕地集約利用度與其碳排放效率一致性的耦合比較見圖1[7]。

圖1 黑龍江省耕地集約利用度與其碳排放效率一致性

分布在高集約利用度-高總效率象限的地級市為齊齊哈爾、鶴崗、七臺河、牡丹江、黑河、大興安嶺六個地級市，這6個地級市的耕地集約利用度與其碳排放總效率呈正相關，也就是這6個城市不但具有較高的耕地集約利用度，同時還具有較高的碳排放總效率，這是我們追求的理想狀態(tài)[8]。黑龍江省的其他7個地級市仍然分布在低集約利用度-高總效率與高集約利用度-低總效率這兩個象限里。意味著這七個地級市耕地集約利用度與其碳排放總效率呈現(xiàn)負相關，也就是說，耕地集約利用度的提高也將產(chǎn)生更多的碳排放，碳排放降低耕地集約利用度也伴隨著降低。這種負相關的關系并不理想。低集約利用度-低總效率也不是一種理想的耕地利用狀態(tài)，其耕地利用仍然需要進一步改善才能獲得更好的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益，從圖1可以看出黑龍江省沒有地級市處在低集約利用度-低總效率象限中，說明黑龍江省耕地集約利用總體尚可。那么當前我們要獲得耕地利用高集約度且低碳排放，就需要合理優(yōu)化耕地利用投入與耕地利用產(chǎn)出，采用合理的措施控制碳排放，達到耕地利用低碳優(yōu)化的目標。下面具體分析處于高效率-低集約區(qū)間的四個地級市耕地集約利用度低的原因。

雙鴨山市、佳木斯市位于三江平原地區(qū)，地勢平坦，水資源豐富，但耕地土壤肥力不高，且易受洪澇災害影響，地均勞動力投入、地均資金投入、地均技術投入均低于全省平均水平，說明這兩個市對耕地的生產(chǎn)性投入不高，在產(chǎn)出方面，除佳木斯市的地均糧食產(chǎn)量率高于全省平均水平外，其余均在平均水平之下；大慶市、綏化位于松嫩平原西部地區(qū)，地勢平坦，年有效積溫高，但由于受干旱影響，耕地整體質量不高。耕地投入方面，大慶市勞動力、資金、技術投入都比較豐富，綏化市除勞動力資源比較豐富外，其他投入水平均不高；在產(chǎn)出方面，大慶市高投入和綏化市勞動力高投入帶來了糧食產(chǎn)量和農(nóng)村人均家庭收入明顯增加，但地均農(nóng)業(yè)增加值仍然低于全省平均水平，同時也帶來了農(nóng)用地氧化亞氮的大量排放。

4.2 耕地集約利用的技術效率分析

由表3可知，屬于Ⅰ等技術效率的包括齊齊哈爾、鶴崗、雙鴨山、大慶、佳木斯、牡丹江、黑河、綏化、大興安嶺9個地級市，其效率值為1。技術效率的有效區(qū)域與總效率的有效區(qū)域比較相似。從效率值比較，技術效率與總效率在數(shù)值大小上比較接近；在變化幅度上，技術效率值在七臺河的0.73和哈爾濱的0.48之間，變化幅度不大。由上分析，造成耕地集約利用碳排放總效率偏低的主要原因是區(qū)域耕地集約利用碳排放的技術效率不足。技術效率的缺陷意味著在既有耕地集約利用條件下勞動力、資金與技術的投入未能得到有效利用，未能實現(xiàn)最大產(chǎn)出。因此，要想提供耕地集約利用碳排放效率需要優(yōu)化勞動力、資金和技術投入，提高技術的科技含量。

4.3 耕地集約利用的規(guī)模效率分析

由表3可知，齊齊哈爾、雙鴨山、大慶、佳木斯、黑河和大興安嶺6個地級市屬于Ⅰ等規(guī)模效率，其效率值為1。從效率值分析，其余7個地區(qū)均高于0.6；效率值高于0.8的地區(qū)占到所有省份的84.6%，屬于Ⅰ等、Ⅱ等規(guī)模效率。由此看出，規(guī)模效率不足并不是導致耕地集約利用碳排放總效率偏低的主要原因。通過規(guī)模效率可以判斷耕地集約利用是否處在最適規(guī)模，規(guī)模過大或者過小都將導致平均投入增加，較高的規(guī)模效率意味著目前耕地利用中耕地集約投入規(guī)模與耕地產(chǎn)出規(guī)模具有較高的匹配度。

5 黑龍江省耕地集約利用低碳優(yōu)化策略

5.1 優(yōu)化農(nóng)機結構發(fā)揮大農(nóng)機節(jié)能減排作用

一方面，應發(fā)展大馬力農(nóng)業(yè)機械?？梢酝ㄟ^推廣復式、大馬力、高性能、多功能的大型農(nóng)業(yè)機械，進而推廣低碳高效農(nóng)業(yè)機械，重點發(fā)展大馬力拖拉機及其配套機具。同時，加速淘汰能耗高的老、舊農(nóng)業(yè)機械，發(fā)展低能耗、高效率大型農(nóng)機設備。大馬力拖拉機是引領低碳農(nóng)業(yè)機械化的關鍵。不但可以增收，還具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢。黑龍江省耕地資源相對集中分布，并且土地規(guī)模化經(jīng)營進程也在加快，所以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對小型拖拉機的需求非常有限，小型拖拉機保有量仍然明顯偏高。黑龍江省應緊緊抓住裝備大農(nóng)機、應用大農(nóng)機、制造大農(nóng)機的三個關鍵環(huán)節(jié)，大力發(fā)展大馬力農(nóng)業(yè)機械。

另一方面，提高大馬力主機功效的農(nóng)機配套比。目前，關于先進水平的農(nóng)機配套比國際達到1∶6，國內(nèi)為 1∶1.6，而黑龍江省的大中型拖拉機配套比僅為1∶1.35、小型拖拉機為1∶1.80，很顯然黑龍江省的農(nóng)機配套比遠遠低于國際先進水平，也達不到國內(nèi)的平均水平。這意味著農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)效率較低，造成大型主機閑置、資源巨大浪費。因此在耕地集約利用低碳發(fā)展中要特別注意解決由于農(nóng)機配套比過低而造成農(nóng)機效率提升速度低的約束。

5.2 推行大農(nóng)機規(guī)模化作業(yè)實現(xiàn)碳減排

大農(nóng)機大地塊規(guī)?；鳂I(yè)，不但可以促進耕地集約利用，還可以發(fā)揮現(xiàn)代大農(nóng)機的作業(yè)功效，最大限度地提高農(nóng)用柴油利用效率，減少燃油產(chǎn)生的碳排放量。具體措施可以通過土地整治，將分散的小地塊合并成大地塊，將不規(guī)則形狀變?yōu)橐?guī)則形狀，修建大農(nóng)機耕道，改善大型農(nóng)機作業(yè)條件，更好地發(fā)揮其功效。黑龍江省農(nóng)業(yè)人口人均耕地面積達13.56畝，是我國平均水平的近10倍，并且黑龍江省耕地平坦連片，耕層深厚，具有規(guī)模經(jīng)營及大型農(nóng)業(yè)機械的標準化作業(yè)的有利條件。所以，不需要付出太大的代價，就可以把本來就分布較為集中的耕地連片、成形，大大提高大型農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率，有效降低燃油消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放。

5.3 降低化肥使用強度促進耕地利用碳減排

高碳型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的投入造成黑龍江省耕地利用大量碳排放。由于施肥、施藥方法不科學和過量使用化肥、農(nóng)藥，造成農(nóng)藥和化肥的利用率低，資源浪費大，土地質量惡化，土壤有機碳大量流失，固碳能力不斷減弱，進而向大氣釋放出大量的甲烷和氧化亞氮等溫室氣體。因此，應把化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料的降耗作為減少農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放的重要手段。降低化肥使用強度的有效方法是測土配方施肥技術。測土配方技術的采用，可以指導農(nóng)民合理施肥，調節(jié)作物需肥和土壤供肥之間的矛盾，破解依靠大量施肥提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的難題，提高肥料的利用率，降低化肥使用量，提高土壤有機質含量和土壤保水保肥能力，減少耕地利用溫室氣體的排放，降低面源污染，保護生態(tài)環(huán)境，推動耕地利用的低碳化發(fā)展。

5.4 提高秸稈資源利用率降低溫室氣體排放

秸稈還田能夠改善土壤結構，降低土壤容量，抑制土壤水分蒸發(fā)，提高通氣性。通過秸稈利用技術將秸稈變廢為寶，既增加農(nóng)民收入，又能控制秸稈焚燒所造成的污染，保護自然環(huán)境，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的統(tǒng)一。黑龍江作為農(nóng)業(yè)大省，每年產(chǎn)生近5000萬t的農(nóng)作物秸稈。由于受自然條件、耕作方式、機械化水平、科技水平及政策因素的影響，目前利用率還不到30%，每年產(chǎn)生的大部分秸稈被直接焚燒。秸稈焚燒既浪費了資源，又排放巨量溫室氣體，嚴重污染空氣形成霧霾天氣。要解決秸稈焚燒的難題，最好的出路就是秸稈的資源化、產(chǎn)業(yè)化利用。秸稈作為生物質資源、能源，有極大的開發(fā)利用空間。

5.5 推廣保護性耕作方式，提高土壤固碳增匯能力

以秸稈覆蓋、免耕播種、機械深松和病蟲草害綜合防治等為主要技術內(nèi)容的保護性耕作，統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、節(jié)本增效、節(jié)能環(huán)保等技術，兼顧經(jīng)濟、社會和生態(tài)等諸多效益，使農(nóng)機和農(nóng)藝、工程技術與栽培技術等要素緊密結合，是耕地利用低碳化發(fā)展的必然選擇。首先，保護性耕作是一項系統(tǒng)工程，需要政府、社會、農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，以及經(jīng)濟、技術等多種要素的支撐，因此應加大保護性耕作方式宣傳并促使農(nóng)戶形成廣泛共識；其次，還要開展保護性耕作技術研究，做好技術示范推廣工作；最后應該加大政策支持力度，提高保護性耕作裝備水平，支持培育保護性耕作示范現(xiàn)代農(nóng)機合作社的發(fā)展，鼓勵農(nóng)機專業(yè)合作社配置保護性耕作機具，加大保護性耕作機具的配備比例，加快機械化保護性耕作技術的推廣。

6 結論

本文以黑龍江省為研究對象，獲得了2013年黑龍江省13個地級市的耕地利用集約度和碳排放效率，通過對其進行一致性分析，可以看出齊齊哈爾、雙鴨山、大慶、佳木斯4個地級市的耕地集約利用程度與耕地集約利用碳排放總效率呈現(xiàn)正相關，其他地級市耕地集約利用碳排放效率并不理想。耕地集約利用程度的提高伴隨著更多的碳排放，也就是說既要提高耕地利用集約度，又要滿足耕地的低碳利用，就必須合理優(yōu)化耕地利用投入和耕地利用產(chǎn)出，據(jù)此提出了黑龍江省耕地集約利用的低碳優(yōu)化策略。