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      黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率及影響因素時空異質(zhì)性研究*

      2023-01-16 07:25:02付俊怡李鴻雁
      關(guān)鍵詞:黃河流域節(jié)水用水

      付俊怡,李鴻雁

      (1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川 750021;2.寧夏大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,銀川 750021)

      0 引言

      黃河流域是我國重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū),在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有舉足輕重的地位[1]。黨的十八大以來,黨中央明確了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治理思路,在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)保護(hù)方面取得了顯著成就。然而,作為我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)核心區(qū),黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱,水資源十分匱乏,時空分布不均,使得黃河流域長期處于水資源短缺的高壓狀態(tài),對流域內(nèi)以灌溉為主體的農(nóng)業(yè)活動形成巨大威脅。據(jù)《中國水資源公報》可知,2019年黃河區(qū)用水總量為400.2億m3,其中農(nóng)業(yè)用水總量為267.4億m3,約占66.8%。農(nóng)業(yè)是用水大戶,對水資源的依賴性較強(qiáng),但擁有全國13.3%耕地面積的黃河流域,水資源總量僅占全國水資源總量的2.6%,水資源與耕地資源的不匹配,加劇了黃河流域農(nóng)業(yè)缺水態(tài)勢。此外,隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開始大量使用化肥和農(nóng)藥,造成農(nóng)業(yè)面源污染、水體污染等一系列環(huán)境問題,制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,嚴(yán)重阻礙了黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程。

      面對黃河流域嚴(yán)峻的發(fā)展態(tài)勢,習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略,并指明流域未來發(fā)展方向:堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,以水而定、量水而行[2]。這也就意味著要以生態(tài)保護(hù)為前提,嚴(yán)格管控化肥和農(nóng)藥使用,推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展;同時以水資源為剛性約束,合理管控農(nóng)業(yè)用水,最終以節(jié)約用水推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和居民生活方式由粗放向節(jié)約集約轉(zhuǎn)變,促進(jìn)水資源集約利用與可持續(xù)發(fā)展。因此,深入研究黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率及其影響因素時空異質(zhì)性,明確影響流域各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的主導(dǎo)因素,因地制宜地提出農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化策略,有利于緩解黃河流域農(nóng)業(yè)缺水態(tài)勢,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,對推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

      1 文獻(xiàn)綜述

      作為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域,黃河流域的保護(hù)和發(fā)展問題始終受到黨和政府的高度重視[3],近年來也成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn),涉及水沙問題、水資源承載力和水資源配置等各個方面[4-7]。黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略后,更是引起學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注,產(chǎn)生了一系列優(yōu)秀成果[8-12]。近年來,為了改善黃河流域嚴(yán)峻的水資源形勢,促進(jìn)水資源可持續(xù)發(fā)展,方蘭等[10]認(rèn)為加大水土流失綜合治理、加強(qiáng)節(jié)水宣傳力度、合理調(diào)控水價等措施,可以有效促進(jìn)流域水資源的可持續(xù)利用。劉華軍等[1]和邢霞等[12]對黃河流域水資源利用效率進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)黃河流域用水效率存在明顯的地區(qū)差異性,應(yīng)因地制宜地提出有針對性的用水策略。

      在農(nóng)業(yè)用水效率方面,從效率評價方式來看,農(nóng)業(yè)用水效率評價主要分為單要素用水效率評價和全要素用水效率評價。與單要素相比,全要素用水效率在考慮到水資源投入基礎(chǔ)上,同時考慮到其他要素投入,使得測算結(jié)果更具有實(shí)際意義,在研究中應(yīng)用更為廣泛。從效率評價方法來看,由于數(shù)據(jù)包絡(luò)模型(DEA)在測算全要素用水效率方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,大量文獻(xiàn)在DEA框架下測算農(nóng)業(yè)用水效率。常明等[13]基于農(nóng)作物研究視角,以稻谷、小麥、玉米為例,采用DEA和Tobit模型,探究了其灌溉用水效率的時空特征和驅(qū)動因素差異。盧艷領(lǐng)等[14]、佟金萍等[15]和Guofeng Wang等[16]從區(qū)域視角出發(fā),利用DEA模型和Tobit模型分別對河北省、長江流域和西北黑河流域的農(nóng)業(yè)用水效率及影響因素進(jìn)行研究。Qingling Geng等[17]和李明璗等[18]則以中國為研究對象,使用DEA模型評估了農(nóng)業(yè)用水效率。

      在農(nóng)業(yè)用水效率影響因素方面,現(xiàn)有文獻(xiàn)多采用Tobit模型進(jìn)行實(shí)證分析,研究視角包涵自然、經(jīng)濟(jì)和社會等各個方面。Dhehibi等[19]認(rèn)為影響農(nóng)業(yè)灌溉用水效率最為顯著的因素是灌溉用水量。魏玲玲等[20]認(rèn)為優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化節(jié)水設(shè)施建設(shè)等措施可以提高農(nóng)業(yè)用水效率。佟金萍等[15]認(rèn)為年降水量和人均水資源量有明顯的負(fù)向作用,而農(nóng)業(yè)對外開放程度、節(jié)水灌溉技術(shù)和灌溉費(fèi)表現(xiàn)出積極影響。此外,楊騫等[21]對污染排放下農(nóng)業(yè)水資源效率影響因素進(jìn)行了實(shí)證研究,發(fā)現(xiàn)水資源豐裕程度對農(nóng)業(yè)用水效率具有抑制作用,而環(huán)境因素和農(nóng)業(yè)水利設(shè)施建設(shè)表現(xiàn)出明顯的正向效應(yīng)。

      從上述文獻(xiàn)梳理中可以看出,在研究內(nèi)容上,現(xiàn)有研究主要側(cè)重于期望產(chǎn)出,對農(nóng)業(yè)用水生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的污染排放問題考慮較少。在影響因素研究方面,現(xiàn)有研究多采用Tobit模型對整個區(qū)域進(jìn)行影響因素分析[22],較少考慮各影響因素的時間演變趨勢和對各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率作用程度的考量。基于此,文章采用超效率SBM模型測算黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率,運(yùn)用Tobit模型分離出影響農(nóng)業(yè)用水效率的關(guān)鍵因素,引入時空地理加權(quán)模型(GTWR)探究關(guān)鍵影響因素的時空異質(zhì)性,從微觀角度深入研究影響因素作用程度的動態(tài)演變趨勢及各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的主導(dǎo)因素,從而提出黃河流域各省區(qū)提高農(nóng)業(yè)用水效率的差異性對策。

      2 黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率測度

      2.1 超效率SBM模型

      傳統(tǒng)DEA模型未考慮投入產(chǎn)出指標(biāo)的松弛性問題,也忽略了實(shí)際生產(chǎn)過程中的非期望產(chǎn)出,導(dǎo)致效率值偏高。為解決這類DEA模型帶來的效率偏差問題,Tone提出了SBM-Undesirable模型[23]。但SBM模型無法比較多個效率值為1的決策單元間的優(yōu)劣。因此,引進(jìn)超效率SBM模型彌補(bǔ)這一不足,該模型在評價相對效率的同時可以進(jìn)一步區(qū)分有效決策單元的效率高低,能夠真實(shí)反映黃河流域9省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的相對大小。在此模型中,將黃河流域的各省區(qū)視為一個決策單元,生產(chǎn)系統(tǒng)中有n個決策單元,其中有m種投入要素,s1種期望產(chǎn)出以及s2種非期望產(chǎn)出,由此定義矩陣為:

      式(1)中,Xm、Yg和Yb分別為第m個投入、第g個期望產(chǎn)出和第b個非期望產(chǎn)出構(gòu)成的矩陣,Rm×n、Rs1×n和Rs2×n分別為n個決策單元的m個投入、s1個期望產(chǎn)出和s2非期望產(chǎn)出組成的矩陣。

      最終模型表示為:

      式(1)(2)中,φkt為第k個DMU在第t期的農(nóng)業(yè)用水效率值,當(dāng)φkt<1,表示該決策單元處于無效率狀態(tài),當(dāng)φkt≥1,表示該決策單元有效,且φkt值越大,效率越高。xik,ygrk,ybvk,λj分別代表第k個DMU的第i個投入、第r個期望產(chǎn)出、第v個非期望產(chǎn)出和第j個線性組合系數(shù)。表示第i個投入指標(biāo)對應(yīng)的所有決策單元的均值。,分別表示第r個期望產(chǎn)出和第v個非期望產(chǎn)出的對應(yīng)的所有決策單元的均值。

      2.2 研究區(qū)域

      由于在黃河流域高質(zhì)量發(fā)展背景下評價農(nóng)業(yè)用水效率,是探究經(jīng)濟(jì)意義上的農(nóng)業(yè)用水問題,并非黃河流域自然水文和生態(tài)下的效率問題,而經(jīng)濟(jì)流域劃分范圍也尚未有統(tǒng)一的界定[24]。因此,根據(jù)水利部黃河水利委員會發(fā)布的《黃河年鑒》,選擇青海、甘肅、四川、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南和山東9個省區(qū)為研究對象,探究黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率問題。

      2.3 指標(biāo)選取

      由于DEA模型在計算效率時,要求DMU數(shù)量大于投入產(chǎn)出指標(biāo)之積以及投入產(chǎn)出指標(biāo)之和的3倍,如果單獨(dú)對黃河流域9省區(qū)進(jìn)行效率測度,將無法滿足DMU最低測算單元的需要,DEA方法將失效。為了準(zhǔn)確測算出黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率,選取2009—2017年全國31個省、市、自治區(qū)(不含港澳臺)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?;跀?shù)據(jù)的可獲得性,并參考國內(nèi)外文獻(xiàn)對農(nóng)業(yè)用水效率投入產(chǎn)出要素的設(shè)置[25-28],投入產(chǎn)出指標(biāo)及數(shù)據(jù)來源如表1,所有經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均以2008年為基期進(jìn)行調(diào)整。

      表1 投入產(chǎn)出指標(biāo)及數(shù)據(jù)來源

      由于農(nóng)業(yè)就業(yè)人數(shù)與化肥污染量、農(nóng)藥污染量①用于衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水過程中造成的水體污染的指標(biāo)(農(nóng)業(yè)廢水中的氨氮排放量、化學(xué)需氧量)僅有2010—2015年數(shù)據(jù),因此參考張玲玲等學(xué)者研究,選取化肥污染量和農(nóng)藥污染量作為非期望產(chǎn)出數(shù)據(jù)并未公布,選取第一產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)代替農(nóng)業(yè)就業(yè)人數(shù),并根據(jù)王寶義等[29]研究思路,對非期望產(chǎn)出指標(biāo)進(jìn)行計算,其中,化肥污染量=化肥施用量×(1-化肥利用率)=化肥施用量×65%[30],農(nóng)藥污染量=農(nóng)藥使用量×50%[31]。

      2.4 農(nóng)業(yè)用水效率測度結(jié)果分析

      探究黃河流域各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率,是提高黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率和緩解農(nóng)業(yè)缺水態(tài)勢的科學(xué)前提。采用超效率SBM方法對黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率進(jìn)行測算,結(jié)果如表2。在效率均值方面,陜西農(nóng)業(yè)用水效率均值最大,為1.759,甘肅農(nóng)業(yè)用水效率均值最小,為0.441。效率均值超過1的地區(qū)共有5個,分別為河南、青海、山東、陜西和四川,說明這些省區(qū)在給定農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的情況下農(nóng)業(yè)水資源投入較少,農(nóng)業(yè)用水效率較高;剩余4個地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率均值都低于1,表明黃河流域部分省區(qū)需要更多的水資源投入,才能實(shí)現(xiàn)同等條件下的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出,農(nóng)業(yè)用水效率較低。為了在同等農(nóng)業(yè)產(chǎn)出水平下提高農(nóng)業(yè)用水效率,需要減少農(nóng)業(yè)水資源的多余投入,以實(shí)現(xiàn)投入和產(chǎn)出地更優(yōu)匹配??傮w來看,黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率地區(qū)差異明顯,低效率地區(qū)與高效率地區(qū)交錯分布,因此,探究農(nóng)業(yè)用水效率影響因素至關(guān)重要。

      表2 2009—2017年黃河流域各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率值

      3 黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率影響因素分析

      3.1 研究方法

      3.1.1 Tobit模型

      為進(jìn)一步探究黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率的影響因素,將超效率SBM模型測算出的農(nóng)業(yè)用水效率值作為因變量,同影響因素建立計量模型。由于農(nóng)業(yè)用水效率值為大于0的受限因變量,采用最小二乘法(OLS)進(jìn)行分析,會導(dǎo)致估計結(jié)果存在偏差[22],故引入處理受限因變量的面板Tobit模型對影響因素進(jìn)行分析,以確保估計結(jié)果的準(zhǔn)確性。面板Tobit模型為:

      式(3)中,yp,q表示第p個省區(qū)在時間q的農(nóng)業(yè)用水效率;Xp,q表示影響因素,包括糧食作物播種面積占比、年降水量、農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)(HHI)、人均水資源量、地下水占比、農(nóng)業(yè)用水占比、有效灌溉面積占比、節(jié)水灌溉面積占比、農(nóng)村居民人均純收入;m表示黃河流域9個省區(qū);β為影響因素的待估參數(shù)向量,βT為該向量的轉(zhuǎn)置;εp,q為隨機(jī)擾動項(xiàng)。

      3.1.2 時空地理加權(quán)回歸模型(GTWR)

      普通面板模型可在一定程度上解釋所選取指標(biāo)在全局上的影響水平,只表征了在平均意義下因變量與自變量之間的相互關(guān)系,處于平穩(wěn)性假設(shè)之下。但該假設(shè)違背了地理學(xué)第一定律,即地球上任何事物與其他事物之間,距離越近,兩者之間關(guān)系越強(qiáng)。為了更合理地考察各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的差異性,引入了地理加權(quán)模型(Geographical Weighted Regression,GWR),對影響因素的空間異質(zhì)性進(jìn)行量化研究。該模型引進(jìn)空間位置作為其回歸參數(shù),所有的統(tǒng)計量均是關(guān)于位置的函數(shù),當(dāng)空間位置發(fā)生變化時,回歸系數(shù)也會隨之改變,因此,能夠有效反映因變量與自變量之間回歸關(guān)系的局部特征。但地理加權(quán)模型缺乏對時間因素的考量,無法對長時間序列的截面數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。為解決這一問題,Huang等[33]嘗試將時間因素引入地理空間,構(gòu)成了時空地理加權(quán)模型(GTWR)。該模型具體公式為:

      式(4)中,yi為超效率SBM模型測算的農(nóng)業(yè)用水效率值,xi,k為第i個樣本的第k個影響因素;(ui,vi,ti)表示第i個樣本的時空坐標(biāo),ti為時間距離;εi為隨機(jī)擾動項(xiàng);βk(ui,vi,ti)表示第k個影響因素在回歸點(diǎn)i處的回歸系數(shù)。利用時空地理加權(quán)回歸模型的局部線性估計可求得各回歸系數(shù)在樣本點(diǎn)i處的估計值,其估計方法為:

      式(5)中,XT為X的轉(zhuǎn)置,權(quán)重W(ui,vi,ti)為樣本點(diǎn)i到其他樣本點(diǎn)的距離函數(shù),該函數(shù)采用高斯距離函數(shù),樣本點(diǎn)i與其他臨近點(diǎn)距離越近,權(quán)重越高。此外,帶寬的選擇對GTWR回歸結(jié)果的準(zhǔn)確度影響也很大,采用交叉確認(rèn)法確定空間帶寬和時間帶寬。

      3.2 指標(biāo)選取

      由于黃河流域各省區(qū)自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源稟賦等因素均有不同,導(dǎo)致各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率在數(shù)值及變動趨勢上存在明顯差異。借鑒已有研究[21,22,34],主要從以下幾個方面對影響因素進(jìn)行分析:(1)供水結(jié)構(gòu)和用水結(jié)構(gòu)方面主要通過地下水占供水的比例和農(nóng)業(yè)用水占總用水量的比例考察其對效率的影響;(2)水資源稟賦方面,以人均水資源量和年降水量表征水資源稟賦情況;(3)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),一方面通過農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)(根據(jù)小麥、玉米、稻谷、薯類、豆類5種主要糧食作物的種植面積比例計算而得)來衡量,赫芬達(dá)爾指數(shù)越大,表明種植的農(nóng)產(chǎn)品種類越多,而農(nóng)產(chǎn)品多樣性有助于農(nóng)戶有選擇地種植合適的農(nóng)產(chǎn)品,以提高農(nóng)作物的水分利用率;另一方面以糧食作物播種面積占總播種面積的比重來體現(xiàn),糧食作物多為高耗水作物,耗水作物比重越大,用水量越多,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水效率降低;(4)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)和農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)分別以有效灌溉面積占比、節(jié)水灌溉面積占比來表示;(5)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平選取農(nóng)村居民人均純收入實(shí)際數(shù)作為代理變量。初步選取以上9個指標(biāo)作為黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率的影響因素,進(jìn)而運(yùn)用面板Tobit模型對影響因素進(jìn)行篩選[35]。

      鑒于影響因素存在比值型變量和數(shù)值型變量,為了使數(shù)據(jù)具有可比性,首先對數(shù)值型數(shù)據(jù)進(jìn)行取對數(shù)處理,解決變量間的量綱問題,以確保回歸結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)回歸結(jié)果(表3),人均水資源量、有效灌溉面積占比、農(nóng)村居民人均純收入實(shí)際數(shù)不顯著,最終選取W(年降水量)、AW(農(nóng)業(yè)用水占比)、GW(地下水占比)、SI(節(jié)水灌溉面積占比)、GC(糧食作物播種面積占比)和HHI(農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù))作為影響各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的關(guān)鍵因素。運(yùn)用ArcGIS10.5軟件分析農(nóng)業(yè)用水效率關(guān)鍵影響因素的時空演變特征,將影響黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率的來源分解成各省區(qū)的局部影響,進(jìn)一步探究流域各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的主導(dǎo)因素。

      表3 農(nóng)業(yè)用水效率影響因素Tobit估計

      影響因素數(shù)據(jù)均來源于2010—2018《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《中國統(tǒng)計年鑒》《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料》《中國水資源公報》以及各省區(qū)統(tǒng)計年鑒。

      3.3 黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率影響因素時空異質(zhì)性分析

      3.3.1 農(nóng)業(yè)用水效率影響因素的時間演化

      對不同時期內(nèi)各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率影響因素進(jìn)行回歸估計,得到每個影響因素在不同時空位置上的農(nóng)業(yè)用水效率貢獻(xiàn)系數(shù)。為了探究GTWR模型測算的各影響因素擬合系數(shù)在時間上的演變趨勢,繪制各個影響因素擬合系數(shù)隨時間變化的箱狀圖(圖1)。

      圖1 GTWR模擬系數(shù)的時間序列變化趨勢

      地下水占比對提高農(nóng)業(yè)用水效率的貢獻(xiàn)最為顯著,地下水占比對流域大多數(shù)省區(qū)表現(xiàn)出明顯的正向影響,少數(shù)幾個省區(qū)擬合系數(shù)為負(fù),表現(xiàn)出負(fù)向效應(yīng)。從演變趨勢來看,地下水占比對黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率影響系數(shù)先下降后增加。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,地下水資源過度開采和污染問題逐漸嚴(yán)重,加之生活用水和工業(yè)用水需求日漸增加,用于農(nóng)業(yè)灌溉的地下水資源不斷被擠占,從而降低了地下水對農(nóng)業(yè)用水效率的促進(jìn)作用。由于地下水資源的嚴(yán)重超采和污染問題,加劇了地下水資源保障壓力,2011年環(huán)境保護(hù)部印發(fā)了《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011—2020年)》,促使地下水超采和污染問題在后續(xù)工作中得到有效控制。2014年中央經(jīng)濟(jì)工作會議提出“將糧食安全作為首要任務(wù)”,進(jìn)一步加強(qiáng)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重視程度,地下水資源對農(nóng)業(yè)用水效率的促進(jìn)作用緩慢增強(qiáng)。

      與地下水占比不同,2009—2017年年降水量對黃河流域大部分省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的貢獻(xiàn)為負(fù)向,僅在2010年、2013年對部分省區(qū)呈正向效應(yīng),表明在大部分地區(qū)水資源越豐富,農(nóng)戶節(jié)水意識越差,農(nóng)業(yè)用水效率越低。從時間演化來看,年降水量對農(nóng)業(yè)用水效率的影響系數(shù)整體上表現(xiàn)為波動下降趨勢,這也就意味著隨著農(nóng)戶生活水平的提升,農(nóng)戶節(jié)水意識并未同步提升,反之由于水資源豐富以及經(jīng)濟(jì)水平的上升,農(nóng)戶對水價的敏感度下降,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中粗放用水行為增多,節(jié)水意識愈加薄弱,年降水量的負(fù)向效應(yīng)增強(qiáng)。

      農(nóng)業(yè)用水占比對黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率影響系數(shù)呈先穩(wěn)定后降低趨勢。在研究初期,農(nóng)業(yè)用水占比對流域各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的影響有正有負(fù),主要是由于2009—2011年我國正處于工業(yè)化城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段,工業(yè)用水和居民生活用水需求增加,導(dǎo)致流域部分省區(qū)農(nóng)業(yè)用水被擠占,農(nóng)業(yè)水資源供給不足,抑制了農(nóng)作物生產(chǎn)能力,此時稀缺的農(nóng)業(yè)水資源對農(nóng)業(yè)用水效率表現(xiàn)出促進(jìn)作用。2012年國務(wù)院印發(fā)了《全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2011—2015年)》,規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)“在深入發(fā)展工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的過程中要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的同步推進(jìn),以有效保障糧食等農(nóng)產(chǎn)品供給,促使農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)更加合理化”。在此背景下,各省區(qū)提高了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重視程度,逐漸加大農(nóng)業(yè)財政投入,農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和農(nóng)田水利設(shè)施得到改進(jìn),農(nóng)業(yè)用水基本得到保障,但由于經(jīng)濟(jì)、節(jié)水宣傳等諸多因素影響,農(nóng)戶節(jié)水意識并未實(shí)現(xiàn)同步提升,造成農(nóng)業(yè)水資源的多余投入增加,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水占比對農(nóng)業(yè)用水效率的影響逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)向效應(yīng)。

      節(jié)水灌溉面積占比對黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率影響系數(shù)表現(xiàn)出逐漸增加態(tài)勢。從擬合系數(shù)來看,在研究初期節(jié)水灌溉面積占比系數(shù)為負(fù)數(shù),究其原因,早期國內(nèi)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)比較落后,渠系建設(shè)不完善,也未得到廣泛推廣和應(yīng)用,導(dǎo)致節(jié)水技術(shù)未發(fā)揮其應(yīng)有的促進(jìn)作用,表現(xiàn)出較小的負(fù)向影響;隨著時間的流逝,各地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平不斷提升,農(nóng)業(yè)節(jié)水重視程度不斷加深,節(jié)水發(fā)展水平有所提高,逐漸展現(xiàn)出對農(nóng)業(yè)用水效率的積極效應(yīng)。

      相較于以上4個因素與農(nóng)業(yè)用水效率之間作用關(guān)系,農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的兩個因素對農(nóng)業(yè)用水效率的作用表現(xiàn)為長期穩(wěn)定的負(fù)向影響。糧食作物播種面積占比對農(nóng)業(yè)用水效率的負(fù)向效應(yīng)緩慢增強(qiáng),因?yàn)殡S著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展,伴隨的通貨膨脹問題愈加嚴(yán)重,農(nóng)戶生存壓力增大,在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下,更少地考慮以農(nóng)業(yè)節(jié)水為標(biāo)準(zhǔn)選擇農(nóng)作物種植,而更多地選擇高耗水的糧食作物和和一些經(jīng)濟(jì)作物以達(dá)到更多盈利的目的,從而加劇糧食作物播種面積占比的負(fù)向作用。農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)對農(nóng)業(yè)用水效率呈現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)向影響,表明農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多樣性并未發(fā)揮其正向作用。

      3.3.2 農(nóng)業(yè)用水效率影響因素的空間分布

      由于黃河流域各地區(qū)水資源豐裕程度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及技術(shù)創(chuàng)新等方面的差異,不同影響因素對黃河流域各個省區(qū)的作用程度也不盡相同[36],因此每個影響因素作用的重點(diǎn)地區(qū)具有較大差異。為了確定各影響因素作用的重點(diǎn)區(qū)域,選取2017年各影響因素的擬合結(jié)果進(jìn)行可視化分析(圖2),并對黃河流域各省區(qū)進(jìn)行分類。參考張玲玲等[22]分類方式,將6種影響因素GTWR回歸系數(shù)分別劃為三等分,第一等分為影響程度小,第二等分為影響程度中,第三等分為影響程度大,如表4。

      表4 同一省區(qū)不同影響因素作用差異

      圖2 GTWR模擬系數(shù)的空間分布

      寧夏、陜西為第一級別地區(qū),其影響因素作用程度大的有4個因素。就寧夏而言,地下水占比、年降水量、糧食作物播種面積占比和農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)對寧夏農(nóng)業(yè)用水效率影響程度大,農(nóng)業(yè)用水占比與節(jié)水灌溉面積占比影響程度中等,其中影響程度最大的是糧食作物播種面積占比。寧夏為內(nèi)陸干旱地區(qū),降雨量少,蒸發(fā)量大,水資源的短缺嚴(yán)重制約了寧夏的農(nóng)業(yè)發(fā)展和用水效率提升,年降水量產(chǎn)生較為明顯的負(fù)向作用。由于缺乏技術(shù)、資金、人才等要素支持,農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)研發(fā)與推廣較為緩慢,田塊大灌水時間長,導(dǎo)致田間滲漏量大,特別是水稻等水澆地毛灌溉定額大大超過作物實(shí)際需水量,在用水上不加節(jié)約、浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重,節(jié)水灌溉并不能充分發(fā)揮其對農(nóng)業(yè)用水效率的正向影響。同時,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低使得農(nóng)田水利設(shè)施資金投入不足,渠系漏水現(xiàn)象比較嚴(yán)重,采用地下水灌溉可以有效緩解因節(jié)水技術(shù)落后和渠系失修漏水導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)水資源浪費(fèi)問題,地下水對農(nóng)業(yè)用水效率產(chǎn)生較大的正向影響。此外,寧夏以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè)種植以高耗水糧食作物為主,加之農(nóng)戶受經(jīng)濟(jì)利益影響,在選擇農(nóng)作物種植時難以以農(nóng)業(yè)節(jié)水為出發(fā)點(diǎn),農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)不合理對其農(nóng)業(yè)用水效率表現(xiàn)出明顯的負(fù)向作用。

      對于陜西,地下水占比、農(nóng)業(yè)用水占比、節(jié)水灌溉面積占比和農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)對其農(nóng)業(yè)用水效率影響大,糧食作物播種面積占比影響中等,年降水量影響小,其中影響程度最大的是農(nóng)業(yè)用水占比。陜西是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),常年降水量少、蒸發(fā)量大,地下水灌溉可有效減少農(nóng)業(yè)水資源在運(yùn)輸途中的損失,表現(xiàn)出較為明顯的正向作用。近年來陜西依靠其豐富的旅游資源經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,為響應(yīng)我國“四節(jié)水”規(guī)劃中對西北地區(qū)的節(jié)水增效目標(biāo),陜西在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉上投入大量資金,2017年陜西新增高效節(jié)水灌溉耕地達(dá)40 358.7hm2,超額完成年度總目標(biāo)的16.4%。在陜西全省灌溉面積中,節(jié)水灌溉面積占比高達(dá)59%,隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的發(fā)展,節(jié)水灌溉面積占比對其農(nóng)業(yè)用水效率的表現(xiàn)出顯著的正向作用。但陜西農(nóng)業(yè)資源分散,南北狹長的走向,致使省內(nèi)耕地、林地資源分布極不均勻,特別是林地資源主要集中于南部山區(qū),其農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)難以推進(jìn),加之不合理的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),使得陜西近年來農(nóng)業(yè)用水占比超過60%,居高不下,大大限制了農(nóng)業(yè)用水效率的提升。

      內(nèi)蒙古、山西為第二級別地區(qū),其影響因素作用程度大的有3個因素。對內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)用水效率影響程度大的因素是地下水占比、年降水量和糧食作物播種面積占比,而農(nóng)業(yè)用水占比和節(jié)水灌溉面積占比影響程度中等,農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)影響程度小,其中糧食作物播種面積占比影響程度最大。內(nèi)蒙古素有“塞外米糧倉”之稱,是我國13個糧食主產(chǎn)區(qū)和六大商品糧凈調(diào)出區(qū)之一,確保糧食種植穩(wěn)定是內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要任務(wù)。一方面糧食作物播種面積增加,對確保我國糧食安全意義重大;另一方面,糧食作物播種面積占比較大,也會對農(nóng)業(yè)用水效率產(chǎn)業(yè)顯著的負(fù)向影響。此外,內(nèi)蒙古是干旱少雨高原、典型的旱作農(nóng)業(yè)地區(qū),決定著農(nóng)業(yè)灌溉主要依賴地下水,地下水灌溉可有效減少農(nóng)業(yè)用水過程中的水資源損耗,對效率表現(xiàn)出較明顯的促進(jìn)作用,而年降水量與農(nóng)業(yè)用水效率呈明顯的負(fù)向關(guān)系。

      在山西各影響因素中,農(nóng)業(yè)用水占比、節(jié)水灌溉面積占比以及糧食作物播種面積占比影響作用大,地下水占比和年降水量影響程度中等,農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)影響程度小,其中糧食作物播種面積占比作用程度最大。山西是我國水資源十分短缺地區(qū),干旱是其最主要的自然災(zāi)害,發(fā)生頻率高,受災(zāi)范圍廣[37]。然而,2017年山西農(nóng)作物種植面積為3 524.5hm2,其中糧食作物播種面積為3 126.2hm2,糧食作物播種面積占比過高,高耗水作物的大量種植使得山西農(nóng)業(yè)用水始終在總用水量上占據(jù)較大比重,農(nóng)業(yè)用水量越大,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的水資源浪費(fèi)越多,越不利于農(nóng)業(yè)用水效率的提高。在水資源嚴(yán)重短缺的背景下,地方政府逐漸加大農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)與推廣力度,截至2019年,建成了413處利用地表水灌溉的大中小型灌區(qū),灌溉面積達(dá)93.9萬hm2,初步形成了包括蓄水、引水、提水、排水、供水、灌溉等的工程體系[37],節(jié)水灌溉的發(fā)展對山西農(nóng)業(yè)用水效率產(chǎn)生較為顯著的正向影響。

      甘肅為第三級別地區(qū),節(jié)水灌溉面積占比和農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)對其農(nóng)業(yè)用水效率作用程度大,地下水占比、年降水量和農(nóng)業(yè)用水占比影響程度中等,糧食作物播種面積占比影響作用小,其中節(jié)水灌溉面積占比影響程度最大。甘肅省地處西北內(nèi)陸干旱地區(qū),是我國內(nèi)陸河流域人口密集、水資源開發(fā)利用程度高、用水矛盾突出、生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重的地區(qū)。由于灌溉面積過大、種植結(jié)構(gòu)單一,農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際用水量占全社會總用水量的83.7%,比全國平均水平高22%。近年來甘肅不斷推進(jìn)農(nóng)業(yè)水利設(shè)施建設(shè)工作,在水利設(shè)施建設(shè)方面取得了一些成果,但從國家統(tǒng)計局相關(guān)數(shù)據(jù)上看,甘肅省很多縣市仍在采用大面積渠灌,缺乏對先進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)地應(yīng)用與推廣,節(jié)水灌溉面積占比所代表的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)并未顯現(xiàn)出其對農(nóng)業(yè)用水效率的促進(jìn)作用。

      四川和山東為第四級別地區(qū),影響因素作用大的均只有一個因素,分別是農(nóng)業(yè)用水占比與年降水量。四川作為我國農(nóng)業(yè)大省之一,自古以來就是水稻、玉米、小麥等作物的主產(chǎn)區(qū),2017年農(nóng)業(yè)用水量為160.5億m3,占總用水量的59.8%,農(nóng)業(yè)用水占比較高,對農(nóng)業(yè)用水效率負(fù)向影響較大。山東是我國的農(nóng)業(yè)大省,水資源卻十分匱乏。在水資源短缺地區(qū),年降水量對其用水效率的負(fù)向程度本應(yīng)該因農(nóng)戶節(jié)水意識較高而影響小,但由于山東經(jīng)濟(jì)實(shí)力常年居于全國前列,農(nóng)戶收入水平不斷提高,使得農(nóng)戶對水資源的重視程度以及對水價的敏感度降低,年降水量對農(nóng)業(yè)用水效率表現(xiàn)出顯著的負(fù)向作用。

      青海和河南為第五級別地區(qū),6個影響因素對這兩個省區(qū)的作用程度均不顯著,各因素影響程度中等乃至較弱。就青海地區(qū)而言,青海作為我國三江源發(fā)源地,其主要的發(fā)展價值就是生態(tài)價值,“生態(tài)保護(hù)”已提高到青海發(fā)展戰(zhàn)略的優(yōu)先位置,發(fā)展定位中農(nóng)業(yè)比重較小,因此,地下水占比、年降水量、農(nóng)業(yè)用水占比、節(jié)水灌溉面積占比、糧食作物播種面積占比以及農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)6個因素的影響程度均偏低,各影響因素對青海農(nóng)業(yè)用水效率的作用效果不顯著。河南是我國的農(nóng)業(yè)大省,地下水占比、農(nóng)業(yè)用水占比和節(jié)水灌溉面積占比的影響程度均處于黃河流域末位水平,年降水量、糧食作物播種面積占比以及農(nóng)業(yè)種植赫芬達(dá)爾指數(shù)的作用程度居黃河流域中等水平。于河南而言,成熟的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件受因素地綜合作用而影響較小[22]。因此,對于這類地區(qū),提高農(nóng)業(yè)用水效率需要齊抓水資源稟賦、供水結(jié)構(gòu)、用水結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)以及農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù),多措施協(xié)調(diào)推進(jìn),系統(tǒng)治理。

      4 結(jié)論與討論

      4.1 結(jié)論

      提高黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率是緩解農(nóng)業(yè)缺水態(tài)勢、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?;诔蔛BM模型對黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率進(jìn)行測算,采用Tobit模型確定影響農(nóng)業(yè)用水效率的關(guān)鍵因素,運(yùn)用GTWR模型探究關(guān)鍵因素作用程度的時間演變特點(diǎn)和空間分布特征,細(xì)化分解各影響因素對流域內(nèi)各省區(qū)的影響程度差異,確定各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的主導(dǎo)因素,得出以下結(jié)論。

      (1)黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率呈現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異,效率均值超過1的省區(qū)有河南、青海、山東、陜西和四川,效率均值小于1的省區(qū)有甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西,其中陜西農(nóng)業(yè)用水效率最高,甘肅農(nóng)業(yè)用水效率最低。在推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展過程中,政府部門應(yīng)注重黃河流域9省區(qū)的合作發(fā)展,加強(qiáng)高、低效率省區(qū)之間的要素流動,縮小區(qū)域間效率差距,以促進(jìn)黃河流域高質(zhì)量的一體化發(fā)展。

      (2)在影響因素時間演化方面,各影響因素回歸系數(shù)變化大致可以分為4種變化情況:第一種,趨于穩(wěn)定:農(nóng)業(yè)種植多樣性對農(nóng)業(yè)用水效率的負(fù)向作用程度長期穩(wěn)定;第二種變化趨勢一致:糧食作物播種面積占比、水資源稟賦和用水結(jié)構(gòu)對農(nóng)業(yè)用水效率的負(fù)向效應(yīng)不斷增強(qiáng),而農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的正向影響呈不斷增加趨勢;第三種先減小后增加:地下水灌溉對黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率的促進(jìn)作用先減弱后增加。因此,未來應(yīng)注重農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整,減小農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的不合理對用水效率的負(fù)向效應(yīng);同時進(jìn)一步增強(qiáng)農(nóng)戶節(jié)水意識,降低農(nóng)業(yè)用水占比,持續(xù)弱化水資源稟賦和用水結(jié)構(gòu)對農(nóng)業(yè)用水效率的負(fù)向影響;引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)并加以推廣,不斷增強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)對農(nóng)業(yè)用水效率的促進(jìn)作用。此外,建立科學(xué)合理的地下水開采和管控機(jī)制,不能因地下水灌溉對農(nóng)業(yè)用水效率的促進(jìn)作用而過度開發(fā)地下水資源。

      (3)根據(jù)各省區(qū)影響農(nóng)業(yè)用水效率的主導(dǎo)因素,不同地區(qū)應(yīng)采取不同的農(nóng)業(yè)用水優(yōu)化策略。寧夏、內(nèi)蒙古和山西提高農(nóng)業(yè)用水效率的有效舉措是在保障我國糧食供給安全基礎(chǔ)上,強(qiáng)化政策引領(lǐng)和節(jié)水意識引導(dǎo),因地制宜推廣谷子、甘薯等耐旱、高產(chǎn)、高附加值的雜糧作物,減少高耗水作物種植面積。甘肅提高農(nóng)業(yè)用水效率的關(guān)鍵在于重視農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的研發(fā)和推廣,可依托蘭州大學(xué)等相關(guān)高校和科研院所構(gòu)建科技創(chuàng)新綜合體,圍繞農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)、水沙治理等關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行核心技術(shù)攻關(guān),從技術(shù)層面提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率。山東提高農(nóng)業(yè)用水效率的必要措施是注重水資源稟賦,積極開展節(jié)水宣傳工作,根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況,結(jié)合“世界水日”“中國水周”等特殊日期進(jìn)行節(jié)水宣傳活動,增強(qiáng)農(nóng)戶節(jié)水意識,從根本上改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)粗放式用水方式。陜西和四川應(yīng)致力于優(yōu)化用水結(jié)構(gòu),可通過創(chuàng)新農(nóng)業(yè)用水管理機(jī)制,完善農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè),降低農(nóng)業(yè)用水量在總用水量中的比重,提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率。對于青海和河南,需要齊抓水資源稟賦、供水結(jié)構(gòu)、用水結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu),多措并舉,配套推進(jìn)。

      4.2 討論

      在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展背景下,探究黃河流域農(nóng)業(yè)用水效率及影響因素的時間演化特征和空間分布情況,并在此基礎(chǔ)上確定影響各省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的主導(dǎo)因素,旨在為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展和精準(zhǔn)施策提供有益參考。但鑒于目前有關(guān)黃河流域的劃分主要是基于自然流域進(jìn)行劃分,在經(jīng)濟(jì)流域上的劃分范圍尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。選取黃河流域9個省區(qū)進(jìn)行研究,會存在一些省份的部分區(qū)域不在以自然流域劃分的黃河流域范圍內(nèi),使得研究結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況可能有所偏差。因此,下一步的研究是要細(xì)化到縣級單位或城市,以對此問題做更清晰的探討。

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