基于SBM模型的黑龙江省耕地集约利用的碳排放效率研究

梁雪石，郑福云，郭文栋，魏延军，聂 晶，贾 利

（黑龙江省科学院自然与生态研究所，湿地与生态保育国家地方联合工程实验室，黑龙江…150040）

耕地集约利用是提高耕地利用效益、缓解人地矛盾的主要途径，是通过集中地投入较多的生产资料和生活劳动，使用先进的技术和管理方法，以达到获得高收益和高产出的一种农业经营方式。但是耕地集约利用中存在负的外部性，高投入意味着能源、化肥、农药、地膜等农业碳源的投入，这样必然伴随着化学需养量（COD）、总氮、总磷等温室气体排放的增加。已有学者从不同角度揭示，随着耕地集约利用中碳源消耗的增加，耕地利用碳排放也随之增长[1]。但是放弃耕地集约利用并不符合我国耕地利用与农业发展的需要，粗放型的耕地利用方式很可能影响粮食安全与耕地保护，因此在促进耕地集约利用的同时，从生产效率的角度，努力提高其排放效率，来间接实现减排目标，是当前社会实现低碳发展的有效途径。

1 研究区概况

黑龙江省土地总面积47.3万km2，占全国土地总面积的4.9%。农用地面积3950.2万hm2，占全省土地总面积的83.5%。农用地中耕地1187.1万hm2，占农用地的30%。作为全国第一商品粮基地，黑龙江省的耕地资源利用不仅影响本省现代农业发展、农村经济进步，还直接关系到全国的粮食安全。近年来，随着我国经济发展、科技进步，黑龙江省耕地生产力呈逐步提高趋势，但是仍有一些地方对耕地保护缺乏长远考虑，经常出现重用地轻养地、重产出轻投入、重化肥轻农肥的现象。黑龙江省大多数农田靠化肥补充养分，超常规大量施用化肥，导致碳排放规模扩大。所以为了满足人口对粮食的需求与促进经济的可持续发展，更应该在提高耕地集约利用的同时，不仅仅从“量”的角度控制碳排放规模，还应更多地从“质”的角度考虑，提高碳排放效率。

2 研究方法

2.1 碳排放测算公式

在参考宋德勇等、张秀梅等关于碳排放方程建

立方法的基础上，提出耕地利用的碳排放量计算公式如下：

其中，E为耕地利用的碳排放总量；Ei为第i种碳源的碳排放量；Ti为各碳排放源的量；δi为第i种碳排放源的碳排放系数（表1）。

表1 各类耕地碳源碳排放系数及参考来源

2.2 耕地集约利用计算公式

本文运用灰色关联评价法对黑龙江省13个地级市的耕地集约利用进行综合评价，并且为了提高耕地集约利用评价精度，将熵值法引入灰色关联模型，采用熵值法来确定指标权重。熵值法是通过计算指标的信息熵，根据各指标的相对变化程度对系统整体的影响来确定指标权重的一种客观赋权法[2]。

耕地集约利用度的计算公式为：

其中，Ij为耕地集约利用度；Qi为第i个指标的权重；Uij为关联系数。

2.3 碳排放效率计算模型——SBM模型

DEA模型的核心思想是以最小的投入获得最大的产出。但是，在实际生产中，有的产出并不是我们想要的，如本文所要研究的碳排放。但在农业生产中，碳排放是不可避免的，作为非期望产出，我们是希望碳排放越少越好，这就与传统的DEA方法的核心思想相矛盾。因此，本文采用了扩展DEA模型——SBM模型，基于DEA-Solve运算平台，计算2013年黑龙江省13个地级市的碳排放效率，具体包括总效率、技术效率、规模效率。总效率=技术效率×规模效率，它揭示了耕地集约利用中在给定的投入和技术条件下实现产出的高低；技术效率指由科技含量的提高而带来的产出成效，反映了对现有资源有效利用的能力，本文指耕地集约利用中在给定的投入组合条件下，耕地利用所能获得的相对最大产出；规模效率反映的是实际规模与最优生产规模的差距，本文指在技术水平可变动的前提下，耕地集约利用实现已有产出水平所需的相对最少投入，及其是否处于最适规模[3][4]。

3 投入产出指标及数据来源

3.1 投入产出指标

为实现耕地集约利用程度分析与其碳排放效率分析之间的可比性，根据SBM模型分析要求，耕地集约利用评价指标中的投入指标与其碳排放效率计算中的投入指标必须保持一致。由于耕地利用投入主要是劳动力、资金与技术的投入，因此本文结合黑龙江省耕地集约利用的自身特点，选取地均劳动力投入、地均资金投入与地均技术投入3个指标为投入指标，这3个指标属于越大越好型指标[5]。

本文确定地均农业增加值、地均粮食产量、地均家庭经营性收入和地均农业氨氮排放量为耕地集约利用分析的产出指标，其中前3 个指标属于越大越好型指标，第4个指标属于越小越好型指标。碳排放效率分析中产出指标的选择，同样考虑耕地集约利用度分析与耕地集约利用碳排放效率分析之间的可比较性，确定单位碳排放量实现农业增加值、单位碳排放量实现粮食产量、单位碳排放量实现家庭经营性收入以及单位碳排放量伴随农业氨氮排放量为碳排放效率分析的产出指标，其中前3个指标属于“好”的期望产出，第4个指标属于“坏”的非期望产出[6]（表2）。

表2 耕地集约利用碳排放效率的投入产出指标

3.2 数据来源

因全国第二次土地调查数据仍未公布，所以黑龙江省13个地级市的耕地面积数据实质上为2008年底的土地变更数据。第一产业就业人员、机械总动力、农业增加值、粮食产量、农村居民家庭人均纯收入、农业生产总值、有效灌溉面积、稻谷播种面积、农业氨氮排放量来自《黑龙江统计年鉴（2014）》。化肥施用量、农药使用量、农用塑料薄膜、地膜使用量、乡村人口数、柴油使用量、翻耕面积和农业机械总动力来自黑龙江省统计局《黑龙江省农村经济社会统计概要（2014）》，其中将化肥施用量折纯后计算，农药、农膜、柴油数据以实际使用量为准，翻耕数据以2013年农作物实际播种面积为准。农业中间消耗为农业生产总值减去农业增加值，数据来源于《黑龙江统计年鉴（2014）》。

4 结果分析

通过以上分析，利用式（2）获得2013年黑龙江省13个地级市的耕地集约利用度，利用式（1）获得黑龙江省13个地级市的耕地碳排放量，利用SBM模型，基于DEA-Solve运算平台获得黑龙江省13个地级市的碳排放效率（总效率、技术效率、规模效率）（表3）。

表3 黑龙江省耕地集约利用碳排放效率

4.1 耕地集约利用与碳排放效率一致性分析

对黑龙江省耕地集约利用程度与其碳排放总效率的一致性进行分析，进而判断黑龙江省耕地集约利用程度的高低是否对应着耕地利用中碳排放效率的高低。基于计算得到的黑龙江省13个地级市的耕地集约利用度，我们可以看出黑龙江省各地级市的耕地集约利用度集中在[0.658，0.474]区间，本文将耕地集约利用度进行分等：耕地集约利用度分布在[0.7，0.6)区间的为Ⅰ等；耕地集约利用度分布在[0.6，0.5]区间的为Ⅱ等；耕地集约利用度分布在(0.5，0.4]区间的为Ⅲ等。同时，根据碳排放总效率分布特点，也将耕地集约利用碳排放总效率分为3等：碳排放总效率值等于1为Ⅰ等；碳排放总效率值分布在(1，0.5]区间的为Ⅱ等；分布在(0.5，0]区间的为Ⅲ等。要进行耕地集约利用度与耕地集约利用碳排放效率的一致性分析，首先要对其分等按照等别的高低进行聚类，这里将Ⅰ等和Ⅱ等耕地集约利用度归纳为高集约利用度，Ⅰ等和Ⅱ等碳排放总效率归纳为高效率，将Ⅲ等耕地集约利用度归纳为低集约利用度，Ⅲ等碳排放总效率归纳为低效率。耕地集约利用度与其碳排放效率一致性的耦合比较见图1[7]。

图1 黑龙江省耕地集约利用度与其碳排放效率一致性

分布在高集约利用度-高总效率象限的地级市为齐齐哈尔、鹤岗、七台河、牡丹江、黑河、大兴安岭六个地级市，这6个地级市的耕地集约利用度与其碳排放总效率呈正相关，也就是这6个城市不但具有较高的耕地集约利用度，同时还具有较高的碳排放总效率，这是我们追求的理想状态[8]。黑龙江省的其他7个地级市仍然分布在低集约利用度-高总效率与高集约利用度-低总效率这两个象限里。意味着这七个地级市耕地集约利用度与其碳排放总效率呈现负相关，也就是说，耕地集约利用度的提高也将产生更多的碳排放，碳排放降低耕地集约利用度也伴随着降低。这种负相关的关系并不理想。低集约利用度-低总效率也不是一种理想的耕地利用状态，其耕地利用仍然需要进一步改善才能获得更好的经济效益与生态效益，从图1可以看出黑龙江省没有地级市处在低集约利用度-低总效率象限中，说明黑龙江省耕地集约利用总体尚可。那么当前我们要获得耕地利用高集约度且低碳排放，就需要合理优化耕地利用投入与耕地利用产出，采用合理的措施控制碳排放，达到耕地利用低碳优化的目标。下面具体分析处于高效率-低集约区间的四个地级市耕地集约利用度低的原因。

双鸭山市、佳木斯市位于三江平原地区，地势平坦，水资源丰富，但耕地土壤肥力不高，且易受洪涝灾害影响，地均劳动力投入、地均资金投入、地均技术投入均低于全省平均水平，说明这两个市对耕地的生产性投入不高，在产出方面，除佳木斯市的地均粮食产量率高于全省平均水平外，其余均在平均水平之下；大庆市、绥化位于松嫩平原西部地区，地势平坦，年有效积温高，但由于受干旱影响，耕地整体质量不高。耕地投入方面，大庆市劳动力、资金、技术投入都比较丰富，绥化市除劳动力资源比较丰富外，其他投入水平均不高；在产出方面，大庆市高投入和绥化市劳动力高投入带来了粮食产量和农村人均家庭收入明显增加，但地均农业增加值仍然低于全省平均水平，同时也带来了农用地氧化亚氮的大量排放。

4.2 耕地集约利用的技术效率分析

由表3可知，属于Ⅰ等技术效率的包括齐齐哈尔、鹤岗、双鸭山、大庆、佳木斯、牡丹江、黑河、绥化、大兴安岭9个地级市，其效率值为1。技术效率的有效区域与总效率的有效区域比较相似。从效率值比较，技术效率与总效率在数值大小上比较接近；在变化幅度上，技术效率值在七台河的0.73和哈尔滨的0.48之间，变化幅度不大。由上分析，造成耕地集约利用碳排放总效率偏低的主要原因是区域耕地集约利用碳排放的技术效率不足。技术效率的缺陷意味着在既有耕地集约利用条件下劳动力、资金与技术的投入未能得到有效利用，未能实现最大产出。因此，要想提供耕地集约利用碳排放效率需要优化劳动力、资金和技术投入，提高技术的科技含量。

4.3 耕地集约利用的规模效率分析

由表3可知，齐齐哈尔、双鸭山、大庆、佳木斯、黑河和大兴安岭6个地级市属于Ⅰ等规模效率，其效率值为1。从效率值分析，其余7个地区均高于0.6；效率值高于0.8的地区占到所有省份的84.6%，属于Ⅰ等、Ⅱ等规模效率。由此看出，规模效率不足并不是导致耕地集约利用碳排放总效率偏低的主要原因。通过规模效率可以判断耕地集约利用是否处在最适规模，规模过大或者过小都将导致平均投入增加，较高的规模效率意味着目前耕地利用中耕地集约投入规模与耕地产出规模具有较高的匹配度。

5 黑龙江省耕地集约利用低碳优化策略

5.1 优化农机结构发挥大农机节能减排作用

一方面，应发展大马力农业机械。可以通过推广复式、大马力、高性能、多功能的大型农业机械，进而推广低碳高效农业机械，重点发展大马力拖拉机及其配套机具。同时，加速淘汰能耗高的老、旧农业机械，发展低能耗、高效率大型农机设备。大马力拖拉机是引领低碳农业机械化的关键。不但可以增收，还具有节能、环保的优势。黑龙江省耕地资源相对集中分布，并且土地规模化经营进程也在加快，所以农业生产对小型拖拉机的需求非常有限，小型拖拉机保有量仍然明显偏高。黑龙江省应紧紧抓住装备大农机、应用大农机、制造大农机的三个关键环节，大力发展大马力农业机械。

另一方面，提高大马力主机功效的农机配套比。目前，关于先进水平的农机配套比国际达到1∶6，国内为 1∶1.6，而黑龙江省的大中型拖拉机配套比仅为1∶1.35、小型拖拉机为1∶1.80，很显然黑龙江省的农机配套比远远低于国际先进水平，也达不到国内的平均水平。这意味着农业机械的生产效率较低，造成大型主机闲置、资源巨大浪费。因此在耕地集约利用低碳发展中要特别注意解决由于农机配套比过低而造成农机效率提升速度低的约束。

5.2 推行大农机规模化作业实现碳减排

大农机大地块规模化作业，不但可以促进耕地集约利用，还可以发挥现代大农机的作业功效，最大限度地提高农用柴油利用效率，减少燃油产生的碳排放量。具体措施可以通过土地整治，将分散的小地块合并成大地块，将不规则形状变为规则形状，修建大农机耕道，改善大型农机作业条件，更好地发挥其功效。黑龙江省农业人口人均耕地面积达13.56亩，是我国平均水平的近10倍，并且黑龙江省耕地平坦连片，耕层深厚，具有规模经营及大型农业机械的标准化作业的有利条件。所以，不需要付出太大的代价，就可以把本来就分布较为集中的耕地连片、成形，大大提高大型农业机械的作业效率，有效降低燃油消耗产生的温室气体排放。

5.3 降低化肥使用强度促进耕地利用碳减排

高碳型农业生产资料的投入造成黑龙江省耕地利用大量碳排放。由于施肥、施药方法不科学和过量使用化肥、农药，造成农药和化肥的利用率低，资源浪费大，土地质量恶化，土壤有机碳大量流失，固碳能力不断减弱，进而向大气释放出大量的甲烷和氧化亚氮等温室气体。因此，应把化肥、农药等生产资料的降耗作为减少农业源温室气体排放的重要手段。降低化肥使用强度的有效方法是测土配方施肥技术。测土配方技术的采用，可以指导农民合理施肥，调节作物需肥和土壤供肥之间的矛盾，破解依靠大量施肥提高农产品产量的难题，提高肥料的利用率，降低化肥使用量，提高土壤有机质含量和土壤保水保肥能力，减少耕地利用温室气体的排放，降低面源污染，保护生态环境，推动耕地利用的低碳化发展。

5.4 提高秸秆资源利用率降低温室气体排放

秸秆还田能够改善土壤结构，降低土壤容量，抑制土壤水分蒸发，提高通气性。通过秸秆利用技术将秸秆变废为宝，既增加农民收入，又能控制秸秆焚烧所造成的污染，保护自然环境，实现经济效益和社会效益的统一。黑龙江作为农业大省，每年产生近5000万t的农作物秸秆。由于受自然条件、耕作方式、机械化水平、科技水平及政策因素的影响，目前利用率还不到30%，每年产生的大部分秸秆被直接焚烧。秸秆焚烧既浪费了资源，又排放巨量温室气体，严重污染空气形成雾霾天气。要解决秸秆焚烧的难题，最好的出路就是秸秆的资源化、产业化利用。秸秆作为生物质资源、能源，有极大的开发利用空间。

5.5 推广保护性耕作方式，提高土壤固碳增汇能力

以秸秆覆盖、免耕播种、机械深松和病虫草害综合防治等为主要技术内容的保护性耕作，统筹农业稳产增产、节本增效、节能环保等技术，兼顾经济、社会和生态等诸多效益，使农机和农艺、工程技术与栽培技术等要素紧密结合，是耕地利用低碳化发展的必然选择。首先，保护性耕作是一项系统工程，需要政府、社会、农业经营主体，以及经济、技术等多种要素的支撑，因此应加大保护性耕作方式宣传并促使农户形成广泛共识；其次，还要开展保护性耕作技术研究，做好技术示范推广工作；最后应该加大政策支持力度，提高保护性耕作装备水平，支持培育保护性耕作示范现代农机合作社的发展，鼓励农机专业合作社配置保护性耕作机具，加大保护性耕作机具的配备比例，加快机械化保护性耕作技术的推广。

6 结论

本文以黑龙江省为研究对象，获得了2013年黑龙江省13个地级市的耕地利用集约度和碳排放效率，通过对其进行一致性分析，可以看出齐齐哈尔、双鸭山、大庆、佳木斯4个地级市的耕地集约利用程度与耕地集约利用碳排放总效率呈现正相关，其他地级市耕地集约利用碳排放效率并不理想。耕地集约利用程度的提高伴随着更多的碳排放，也就是说既要提高耕地利用集约度，又要满足耕地的低碳利用，就必须合理优化耕地利用投入和耕地利用产出，据此提出了黑龙江省耕地集约利用的低碳优化策略。