水足跡視角下三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置效率研究*

欒福超，張 郁，劉岳琪

(東北師范大學地理科學學院，吉林長春 130024)

0 引言

水土資源的高效配置是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的先決條件，并對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大影響[1]。目前，相關研究多采用水土資源匹配系數(shù)[2-6]，或建立基于基尼系數(shù)的水土資源匹配模型[7-8]，評價區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源與耕地資源的匹配狀況，或應用數(shù)據(jù)包絡分析方法(DEA)，對農(nóng)業(yè)水土資源的利用效率、匹配效率進行評價[9-11]。

傳統(tǒng)視角的農(nóng)業(yè)水土資源配置研究，多基于宏觀視角、采用自上而下的方法，分析區(qū)域單位耕地面積所擁有的水資源量或可利用水資源量，多注重灌溉用水而對耕地有效降水重視不夠； 此外，區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源配置效率問題不僅要考慮水資源、耕地資源的投入是否合理，還應分析是否存在規(guī)模不足或投入冗余、如何改進等問題。

近年來，虛擬水(Virtual Water)、水足跡(Water Footprint)的新概念拓寬了人們對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)水資源的認識范疇，這種廣義的農(nóng)業(yè)用水分析框架指出，農(nóng)作物生長發(fā)育實際蒸散量一部分源于江河等地表水和地下水的灌溉用水即“藍水”，另一部分源于有效降水(由降水轉化的土壤水)即“綠水”，兩部分之和形成農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量的總耗水量[12-14]。基于此，一定時期內(nèi)作物生長過程中所消耗的藍水、綠水之和，即作物生產(chǎn)水足跡，可揭示作物生產(chǎn)過程中消耗的水資源成分及來源，可用于統(tǒng)一評價雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)和灌溉農(nóng)業(yè)的水資源利用效率問題[15]。

三江平原地區(qū)是國家重要的商品糧基地，自1985年以來，隨著氣候變暖及種植結構的不斷調(diào)整，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已由雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主向雨養(yǎng)—灌溉兼具類型轉變，并引起農(nóng)業(yè)水土資源配置的變化。圍繞三江平原農(nóng)業(yè)水土資源匹配問題，現(xiàn)已取得一些研究成果，如土地資源豐富、水資源欠缺和利用率低、水土資源匹配度差，水土匹配系數(shù)低于全國均值[3， 6]。文章以三江平原地區(qū)為例，開展水足跡視角下的農(nóng)業(yè)水土資源配置效率評價，力求為其農(nóng)業(yè)水土資源高效利用及其種植結構調(diào)整提供參考。

1 研究區(qū)概況

三江平原位于黑龍江省東北部，由黑龍江、松花江及烏蘇里江沖積而成，總面積10.9萬km2，包括23個縣、縣級市、市轄區(qū)以及黑龍江農(nóng)墾總局的4個分局。由于地處溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷，年降水量500～650mm，多年平均水資源總量為20.231萬m3； 土壤肥力高，黑土層較厚，有機質含量高達3%～10%，已墾耕地土壤以草甸土、白漿土、黑土和暗棕壤為主，主要糧食作物是水稻、玉米、大豆和小麥。近年來，隨著水田面積迅速增加，地下水資源開采過度，地下水位普遍下降，局部地區(qū)出現(xiàn)下降漏斗，影響到區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 DEA模型

數(shù)據(jù)包絡分析(Data Envelopment Analysis，DEA)是一種非參數(shù)的數(shù)學規(guī)劃方法，用于評價多投入、多產(chǎn)出的決策單元相對效率，判斷決策單元(DMU)是否實現(xiàn)規(guī)模有效、技術有效和綜合有效[16]。因其無需預設投入與產(chǎn)出之間的函數(shù)關系、無需事先設定權重、無指標量綱要求且可給出未來改進方向等優(yōu)點，現(xiàn)已成為效率評價領域的常用方法。

該研究選用投入導向型的BCC、C2R模型，對三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置的有效性進行評價。模型輸入指標包括作物生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)水土資源投入量，其中，x1為作物生產(chǎn)用水指標，以作物生產(chǎn)水足跡表示(億m3)；x2為耕地指標，以作物種植面積表示(萬hm2)； 模型輸出指標為糧食產(chǎn)量Y(萬t)，記作X=(x1，x2)T，Y=(y)T。

BCC模型如式1：

fmin=min[θ-∈(êTs-+eTs+)]

(1)

DEA評價結果介于0～1之間，若DEA評價數(shù)值為1，則評價單元農(nóng)業(yè)水土資源配置相對有效； DEA評價數(shù)值越小，則評價單元的農(nóng)業(yè)水土資源配置效率越差。該研究中農(nóng)業(yè)水土資源配置綜合效率，用于揭示決策單元是否以最小的農(nóng)業(yè)水土資源投入達到最大的糧食產(chǎn)量； 純技術效率用于評價規(guī)模收益不變條件下投入要素的使用效率，揭示決策單元水土資源利用中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術的發(fā)揮程度； 規(guī)模效率反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、耕地投入量的匹配狀況，若規(guī)模效率等于1，表明決策單元的水土投入量比達到最優(yōu)規(guī)模水平，規(guī)模收益不變； 若規(guī)模效率小于1，則決策單元水土資源投入未達到規(guī)模最優(yōu)，規(guī)模收益可能遞增，也可能遞減。規(guī)模收益反映決策單元的投入按相同比例增加時對產(chǎn)出的影響，基于產(chǎn)出增加的比例與投入增加的比例關系，可出現(xiàn)3種情況：前者大于后者，規(guī)模收益遞增； 反之，規(guī)模收益遞減； 若兩者相等，規(guī)模收益不變[17-19]。

2.2 基于水足跡的農(nóng)業(yè)水資源測算方法

在廣義的農(nóng)業(yè)水資源分析框架下，僅見李保國等[20]采用自上而下的方法對全國及區(qū)域尺度的作物生產(chǎn)水足跡進行了測算。該文基于縣域尺度，采用自下而上的方法，依據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的標準彭曼公式和水足跡計算手冊[21]，由CROPWAT 8.0軟件測算出三江平原地區(qū)各縣域尺度的水稻、玉米、大豆和小麥等四大作物生產(chǎn)虛擬水。結合三江平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況，明確其玉米、大豆和小麥等旱作的生產(chǎn)水足跡成分為綠水，水稻生產(chǎn)水足跡包括藍水和綠水兩部分； 在此基礎上，進一步結合同期4種作物種植面積，求出研究區(qū)作物生產(chǎn)總水足跡，計算公式：

WFgb=WFgreen+WFblue

(2)

式(2)中，WFgb為某一時段作物生產(chǎn)總水足跡(m3)；WFgreen為某一時段作物生產(chǎn)綠水足跡(m3)；WFblue為某一時段作物生產(chǎn)藍水足跡(m3)。

2.3 數(shù)據(jù)來源

該研究的數(shù)據(jù)包括2015 年三江平原地區(qū)的糧食生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及作物生產(chǎn)水足跡計算的參數(shù)。其中，玉米、水稻、大豆和小麥等四大作物種植面積和產(chǎn)量等糧食生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)源于《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》(2016)及《黑龍江墾區(qū)統(tǒng)計年鑒》(2016)； 計算藍水和綠水所需的日值氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(包括降雨量、日照時間、相對濕度、平均風速、最高氣溫和最低氣溫等)，缺失站點的氣象數(shù)據(jù)借助ArcGIS中地統(tǒng)計分析模塊的克里金插值方法獲得； 作物生產(chǎn)水足跡的計算參數(shù)結合相關文獻[22]及實地調(diào)研獲取。

圖1 2015年三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源 配置綜合效率空間分布

3 結果分析

3.1 三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置效率評價

該研究采用投入導向型DEA方法，對三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置效率進行評價，模型輸入的投入與產(chǎn)出原始數(shù)據(jù)見表1。

綜合應用C2R和BCC評價模型，得到三江平原地區(qū)四大作物農(nóng)業(yè)水土資源配置效率評價結果，見表2。

表1 2015年三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置效率DEA評價的投入、產(chǎn)出原始數(shù)據(jù)

地區(qū)種植面積x1(萬hm2)作物生產(chǎn)用水量x2(億m3)糧食產(chǎn)量Y(萬t)地區(qū)種植面積x1(萬hm2)作物生產(chǎn)用水量x2(億m3)糧食產(chǎn)量Y(萬t)雞西市轄區(qū)3113918762199172湯原縣142631803981304342雞東縣11888165326932535樺川縣152533837801285807密山市2934991599992168534樺南縣2325541333051422671虎林市4425992446623397097撫遠縣3566741845792665065七臺河市轄區(qū)6062134537313536富錦市5436712878583908386勃利縣13485978058917543同江市3592311878822801766雙鴨山市轄區(qū)4141123013292694鶴崗市轄區(qū)140476767491113755寶清縣3466841831862745393蘿北縣1962921045901494613友誼縣108715582151056530綏濱縣164303865981126282集賢縣164903915651416553依蘭縣2178671191411731925饒河縣3113751648582468709穆棱市9441352013410511佳木斯市轄區(qū)1043995746170536三江平原地區(qū)475973025765353524395

表2 2015年三江平原各地區(qū)水土資源配置效率評價結果

由表2可知，總體來看， 2015年三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置綜合效率為0.738，技術效率為0.864，規(guī)模效率為0.839。應用Jenks自然斷裂法(類內(nèi)差異最小、類間差異最大)，進一步界定基于DEA綜合效率的水土資源配置等級分為4級：良好(0.884

2015年，僅友誼縣實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)水土資源配置DEA評價相對有效(技術有效、規(guī)模有效、綜合有效)，此外，湯原縣的DEA綜合效率接近1，二者處于農(nóng)業(yè)水土資源配置良好水平，其作物種植面積約占三江平原地區(qū)種植面積的5%，糧食產(chǎn)量約占三江平原地區(qū)總產(chǎn)量的7%； 農(nóng)業(yè)水土資源配置綜合效率一般水平的地區(qū)包括樺川縣、雞東縣、虎林市、寶清縣、集賢縣、撫遠縣、同江市、鶴崗市轄區(qū)、蘿北縣、依蘭縣、饒河縣，這些地區(qū)作物種植面積占三江平原地區(qū)的58%左右，糧食產(chǎn)量占三江平原地區(qū)總產(chǎn)量的63%； 約37%的作物種植面積處于農(nóng)業(yè)水土資源配置效率相對較差和最差水平，這些地區(qū)的糧食產(chǎn)量占三江平原地區(qū)總產(chǎn)量的30%。

從分效率評價結果來看，達到農(nóng)業(yè)水土資源配置技術有效(TE=1)的地區(qū)包括友誼縣、虎林市、寶清縣、湯原縣、雞西市轄區(qū)、雙鴨山市轄區(qū)、富錦市和同江市等8個地區(qū)，這些地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源利用技術發(fā)揮較好； 其他15個地區(qū)的水土資源利用水平有待提高。

農(nóng)業(yè)水土資源配置規(guī)模有效(PSE=1)的地區(qū)只有友誼縣，勃利縣、樺南縣、綏濱縣的農(nóng)業(yè)水土資源規(guī)模效率相對較高但綜合效率較差，亟待提高其水土資源利用技術效率； 雞東縣、勃利縣、雞西市轄區(qū)、七臺河市轄區(qū)、雙鴨山市轄區(qū)、佳木斯市轄區(qū)、穆棱市等地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源規(guī)模收益遞增，表明可進一步擴大這些地區(qū)的水土資源投入規(guī)模； 湯原縣、樺川縣、密山市、虎林市等15個地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置規(guī)模收益遞減，說明擴大這些地區(qū)的作物種植面積和增加其作物生產(chǎn)用水量等投入，并不會帶來糧食產(chǎn)量的增加，需要加強農(nóng)業(yè)技術管理措施、提高水土資源利用技術效率。

3.2 三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置效率的改進方向及建議

應用DEA方法，進一步對各評價單元水土資源投入的有效值和冗余值進行分解，見表3。

表3 2015年三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源投入的有效值和冗余值

地區(qū)投入有效值投入冗余值地區(qū)投入有效值投入冗余值種植面積(萬hm2)作物生產(chǎn)用水量(億m3)種植面積(萬hm2)作物生產(chǎn)用水量(億m3)種植面積(萬hm2)作物生產(chǎn)用水量(億m3)種植面積(萬hm2)作物生產(chǎn)用水量(億m3)雞西市轄區(qū)311391876200湯原縣1426318039800雞東縣97496525092138512817樺川縣140503771721203006608密山市2650011420402849817959樺南縣159386888397316844466虎林市44259924466200撫遠縣3353651772422130907337七臺河市轄區(qū)42136240061848510531富錦市54367128785800勃利縣96139518193872026240同江市35923118788200雙鴨山市轄區(qū)414112301300鶴崗市轄區(qū)116547633372392913412寶清縣34668418318600蘿北縣170401907952589113796友誼縣1087155821500綏濱縣118543633764576023222集賢縣158607880690629603496依蘭縣2031771108971469008243饒河縣3076521628570372302001穆棱市51636284474277723566佳木斯市轄區(qū)31139187627326038699三江平原地區(qū)4309809232414449921252393

表4 2015年三江平原地區(qū)分作物水土資源投入的冗余比例

%

由表3可知，虎林市、寶清縣、友誼縣、湯原縣、富錦市、同江市、雞西市轄區(qū)、雙鴨山市轄區(qū)等8個地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源投入有效值和原始值相同，說明這些地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源投入的量比合理，且只有友誼縣達到了農(nóng)業(yè)水土資源匹配最佳、糧食產(chǎn)出最大的狀態(tài)； 寶清縣、虎林市、富錦市、同江市、湯原縣、雞西市轄區(qū)、雙鴨山市轄區(qū)等7個地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源投入技術有效但規(guī)模無效，表明這些地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源投入規(guī)模不匹配、需要調(diào)整，其中，雞西市轄區(qū)和雙鴨山市轄區(qū)需適當擴大農(nóng)業(yè)水土資源投入規(guī)模，其余5個地區(qū)應減少農(nóng)業(yè)水土資源投入規(guī)模； 此外，密山市、雞東縣、集賢縣、勃利縣等15個地區(qū)都存在不同程度的水土資源投入冗余現(xiàn)象。

基于DEA評價結果，可得到分作物水土資源投入的有效值和冗余值，該文將分作物水土資源投入的冗余量值占原始投入值的比值記作冗余比例(%)，見表4。其中，大豆、玉米及小麥等三大旱作的種植面積投入冗余比例約為51%，水稻的種植面積投入冗余比例為15%； 從作物生產(chǎn)用水的投入冗余比例來看，旱作約為53%，水稻為16%?？傮w來看，水稻的水土資源利用技術效率明顯高于其他三大旱作。

基于投入導向型的DEA評價結果表明， 2015年三江平原地區(qū)僅有5%的糧食作物種植面積達到水土資源配置良好水平，大部分地區(qū)尤其是旱作生產(chǎn)中水土資源利用效率偏低的現(xiàn)象普遍，這與三江平原地區(qū)長期的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)粗放生產(chǎn)特征有關，“靠天吃飯”的痕跡及其影響仍然存在。今后應在加強水土資源利用的管理措施、提高資源利用效率方面多下工夫。從種植區(qū)域水土資源特點出發(fā)，完善水田灌溉工程建設、實施節(jié)水灌溉技術，加強“排降蓄灌”、除澇降漬等工程措施； 旱作生產(chǎn)可采取少耕深松等措施，增厚耕層，降低土壤容重，增大土壤水庫有效調(diào)節(jié)庫容，進而提高綠水資源的利用效率[23]。三江平原地區(qū)水土資源配置效率有較大的提升空間，需因水而宜、因地制宜，系統(tǒng)治理、空間均衡，科學規(guī)劃、精準施策，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標。

4 結論

(1)三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源相對豐富，但水土資源配置效率不高，水土資源匹配良好的地區(qū)包括友誼縣和湯原縣，僅占三江平原地區(qū)種植面積的5%，大部分地區(qū)水土資源配置綜合效率較低。此外，總體來看，農(nóng)業(yè)水土資源配置的技術效率好于規(guī)模效率，達到技術有效的地區(qū)有8個，規(guī)模有效的地區(qū)只有1個。

(2)農(nóng)業(yè)水土資源投入的冗余分析結果表明，三江平原地區(qū)水稻生產(chǎn)的水土資源配置技術效率高于其他三大旱作。改變傳統(tǒng)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的粗放生產(chǎn)模式，加強農(nóng)業(yè)科技及管理創(chuàng)新，提高水土資源利用技術效率，是提高三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源配置的規(guī)模效率、進而實現(xiàn)綜合有效的關鍵。

[1] 侯薇， 劉小學，魏曉妹.陜西關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配格局研究.水土保持研究， 2012， 19(1)：134～138

[2] 劉彥隨， 甘紅，張富剛.中國東北地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局.地理學報， 2006, 61(8): 847～854

[3] 姜秋香， 付強，王子龍，等.三江平原水土資源空間匹配格局.自然資源學報, 2011，(2)： 270～277

[4] 鄭久瑜， 趙西寧，操信春，等.河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配格局研究.水土保持研究，2015， 22(3)： 132～136

[5] 顧莉麗， 孫立新.吉林省農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配格局研究.中國農(nóng)機化學報， 2016, 37(3): 205～208

[6] 聶曉， 劉興土，王毅勇.松嫩—三江平原地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局研究.湖北農(nóng)業(yè)科學， 2016, 55(18): 4894～4897

[7] 陶國芳， 蔣兆恒，秦麗杰.基于基尼系數(shù)的通化地區(qū)水土資源匹配分析.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃， 2012, 33(4): 67～71

[8] 姜寧， 付強.基于基尼系數(shù)的黑龍江省水資源空間匹配分析.東北農(nóng)業(yè)大學學報， 2010, 41(5): 56～60

[9] 黃克威， 袁鵬，劉剛.基于DEA的四川省水土資源匹配研究.中國農(nóng)村水利水電, 2015，(10)： 58～61

[10]游和遠， 吳次芳，林寧，等.基于數(shù)據(jù)包絡分析的土地利用生態(tài)效率評價.農(nóng)業(yè)工程學報， 2011, 27(3): 309～315

[11]孫才志， 劉玉玉.基于DEA-ESDA的中國水資源利用相對效率的時空格局分析.資源科學， 2009, 31(10): 1696～1703

[12]Falkenmark M．Land-Water linkages：A synopsis land and water integration and river basin management.Proceedings of an FAO Informal Workshop.Food and Agriculture Organization of the United Nations， 1995，(1)： 15～16

[13]Allan J.Virtual water：A strategic resource global solutions to regional deficits Ground Water， 1998，(36)： 545～546

[14]Hoekstra A.Water scarcity in the Zambezi Basin in the long-term future：A risk assessment.Integrated Assessment， 2003,4(3)： 185～204

[15]吳普特， 孫世坤，王玉寶，等.作物生產(chǎn)水足跡量化方法與評價研究.水利學報，2017， 48(1)： 1～12

[16]Chames A， Cooper W W，Rhodes E.Measuring the efficiency of decision making units European Journal of Operational Research， 1978， 2(6)： 429～444

[17]魏權齡. 數(shù)據(jù)包絡分析.北京：科學出版社， 2004

[18]李衛(wèi)芳， 陳建成.基于 DEA的北京都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)效率評價．技術經(jīng)濟， 2012, 31(2): 51～55

[19]劉宗華. 中國銀行業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟和范圍經(jīng)濟研究．上海：復旦大學， 2004

[20]李保國， 黃峰.1998～2007年中國農(nóng)業(yè)用水分析.水科學進展， 2010, 12(4): 575～583

[21]Hoekstra A， Chapagain A，Aladaya M，et al.The Water Footprint Assessment Manual-Setting the Global Standard．London：Earthscan.2011

[22]中國主要農(nóng)作物需水量等值線圖協(xié)作組. 中國主要農(nóng)作物需水量等值線圖研究.北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社， 1993

[23]鄧力群， 劉茂祥，趙慶波，等.論三江平原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè).水利科技與經(jīng)濟， 2001, 7(4): 185～186