水土资源约束下区域农业供给侧结构优化——以河北省为例

田贵良,帅梦蝶,丁月梅

(河海大学 商学院，江苏 南京 211100)

习近平总书记于2015年11月提出“农业供给侧结构性改革”的概念，强调农业结构的调整要从供给、生产端着手，优化资源配置，扩大有效供给。水、土资源是农业生产和发展中不可或缺的两大重要自然资源。我国人均水资源量、人均耕地面积远远低于世界平均水平，在人口急剧膨胀和经济飞速发展的过程中，农业用水不断受到工业、生活用水的挤占，人为过度开发和不合理利用引发的一系列环境问题降低了地力水平和产出率，水、土资源供需矛盾问题日益突出。

为解决上述问题，促进我国农业发展，专家学者们从不同角度开展了优化农业结构的研究。陈兆波[1]通过调查分析塔里木河流域的农业用水情况及种植结构现状建立了农业种植结构优化模型，并对优化结果进行了综合评价。马期茂等[2]在运用灰色关联分析法研究得出我国农业不同产业形式对农业总产值的关联度后，给出了优化农业结构、强化市场调控等农业经济发展建议。李璇[3]假定洱海流域在不同情景下的约束条件，通过Lingo软件求解农业结构多目标线性规划模型并给出相对合理的农业结构调整方案。林忆南等[4]运用Matlab软件求解多目标模糊优化模型，通过DEA算法优选出渭北黄土台塬区不同粮食供给率及农业投入水平下的种植结构调整方案。魏育靖等[5]从农业的多功能性出发构建了干旱区农业综合效益评价指标体系，并选取甘肃省民勤县进行农业结构调整实证分析。周俊菊等[6]构建了基于虚拟水理论的种植业结构调整需水模型，分析民勤绿洲种植业结构调整对农业需水量的作用关系，促进农业生产用水实现高效配置。向云等[7]借助动态偏离份额分析法和农业要素禀赋结构指数分析长江流域种植业生产结构差异及其主要影响因素，为种植业结构改革提供思路。孔祥智等[8-13]还从供给侧角度对农业结构性改革进行了定性研究。

不足的是，现有研究多局限于只追求经济效益或仅考虑水资源约束下的农业结构优化，往往忽视土地资源承载力超负荷的现状，同时也较少将生态效益和节水效益等纳入农业结构优化的目标体系。笔者综合考虑水资源、耕地资源、社会需求、生态等约束条件构建区域农业供给侧结构优化模型，并以水土资源贫乏的河北省为研究对象，综合其水土资源现状进行模型的实例应用，为推动区域农业供给侧结构性改革、实现绿色可持续发展提供参考。

1 理论基础

1.1 比较优势理论

古典经济学家大卫·李嘉图最早创造了比较优势理论。该理论认为只要存在比较优势，各国就能通过生产比较优势产品、进口比较劣势产品的方式在不同国家的贸易中获得利润。主要有两种因素能够带来这种比较优势，一是相对成本优势，各国生产技术水平不同是造成生产成本存在相对差异的主要原因；二是资源禀赋优势，由各国自然资源条件的先天优势决定。生产可能性边界(PPF)是解释比较优势理论的重要分析工具，用来表示一定的资源和技术条件下商品所能达到最大数量的组合。地区间要素禀赋不同，则生产可能性边界曲线不同，地区间存在比较优势差异(图1)。通过PPF曲线可以帮助人们作出最优选择，并通过地区间贸易往来实现资源配置的总体最优。

图1 生产可能性边界曲线

根据比较优势理论，结合区域内不同农业生产主体的资源禀赋条件和生产技术水平开展农业供给侧结构优化调整，生产具有比较优势的农产品，能够助力农产品在激烈的市场竞争中占有一席之地，从而增加农业生产的整体效益，实现区域内不同农业生产主体生产要素的最有效配置。

1.2 农业系统理论

农业是一个由资源、生物、经济、社会、技术五大要素组成的复杂系统，具备开放但不稳定的特性。农业资源环境系统包括水、土地、气候等自然资源和自然退化、灾害等生物环境，农业经济系统包括农业生产率、投入产出状况等要素，农业社会系统包含人口数量及质量、城镇化水平、社会劳动力等要素，农业技术系统是农林牧渔业各部门之间及部门内部的农业技术相互配套、有机组合而形成的系统。区域农业系统结构如图2所示。

图2 区域农业系统结构

农业供给侧结构优化本身是一项系统工程，其整体价值包含经济、社会、生态等各个方面，追求系统整体价值的提升，要考虑这3种价值之间的平衡关系。追求经济价值的提升不能以破坏资源和生态环境为代价，而重视生态效益的同时不能忽视农业生产效率的提高[14]。经济价值和生态价值是保障农业社会价值提升的基础，3种价值协同提升是农业供给结构优化的最终目标。根据农业系统理论，水土资源约束下区域农业供给侧结构的优化以农业资源环境为约束条件，挖掘农业系统内部各要素的最优配置方案，促使农业系统各方面协同发展，充分发挥农业系统的经济、社会、生态等价值，从而实现农业可持续发展的目标。

2 水土资源约束下区域农业供给侧结构优化模型

2.1 决策变量

以农业供给侧结构的不同生产项目构成决策变量：种植业以区域内主要农作物的年种植面积为决策变量；畜牧业以主要畜禽种类的年存养量为决策变量；林业以林地面积为决策变量；渔业以水产品养殖面积为决策变量。

x={xij} (i=1,2,3,4)

(1)

式中：x为决策变量集；xij为第i个生产部门的第j个决策变量，i=1,2,3,4分别代表种植业、畜牧业、林业、渔业。其中x1j表示种植业第j种农作物的种植面积；x2j表示畜牧业第j种畜禽的存养量；x3j表示林业第j种林种的种植面积；x4j表示渔业第j种水产品的养殖面积。

2.2 目标函数

农业供给侧结构优化旨在追求农业经济、社会、生态以及节水等综合效益的最大化，各个目标之间存在相互竞争的关系，如经济效益部分以对生态环境的破坏为代价，追求生态效益有损一定的经济和社会福利。因此，需要找到兼顾各个目标值相对最优的农业供给侧结构优化方案，使农业系统的综合效益总体最优。本文综合考虑建立农业总净产值、粮食作物总产量、生态效益值以及水分生产效益值4个目标变量，分别反映区域农业生产水平、地区粮食安全的稳定性、生态环境建设水平及节水农业发展状况。

a. 农业总净产值目标:

(2)

式中:f1为农业总净产值；zij为第i个农业生产部门第j个决策变量的单位平均净产值。

b. 粮食作物总产量目标:

(3)

c. 生态效益目标：

(4)

式中:f3为总生态效益；eij为第i个农业生产部门第j个决策变量单位生态效益值。

d. 水分生产效益目标：

z1j=y1jpj-cj

(5)

其中

式中:pj为第j种农作物的单价；cj为第j种农作物的单位面积成本(包括生产成本和土地成本)；f4为农作物单位耗水量的净收益，Ej为第j种农作物单位面积耗水量；x1为种植业农作物的总播种面积。

2.3 约束条件

从水、耕地等自然资源约束、社会需求约束、生态约束及变量非负约束等4个方面考虑农业供给侧结构优化模型的约束条件。为方便研究，相关需求要素尽量不考虑外部调运的情况。

2.3.1自然资源约束

a. 水资源约束:

水资源能否合理利用关系到我国尤其是缺水地区农业能否可持续发展的问题，因此水资源约束是农业供给侧结构优化模型的重要约束条件。农作物种植灌溉用水总量不能高于区域全年可利用种植灌溉用水总量，即：

(6)

式中:d1j为第j种农作物的毛灌溉定额；Qa为区域全年可利用种植灌溉用水总量。

(7)

式中：dij为用水定额；Q为区域全年农业可利用水总量。

b. 耕地面积约束:

(8)

式中:k为复种指数;M1为总耕地面积。

c. 水产养殖面积约束:

(9)

式中M2为水产养殖面积规划值。

2.3.2社会需求约束

a. 粮食安全约束:

粮食安全是社会稳定的重要保证，粮食作物生产应满足当地居民的口粮结构，约束条件为

(10)

b. 蔬菜需求约束:

为满足当地居民蔬菜的最低需求，约束条件为

(11)

c. 畜禽产量约束:

(12)

式中:y2j为畜牧业第j种畜禽产品的单位产量;w2j为第j种畜禽产品的人均需求量。

2.3.3生态约束

(13)

式中:x3j为第j种林种的种植面积;θ为森林覆盖率，M为区域土地使用总面积。

2.3.4非负约束

xij≥0 (i=1,2,3,4)

(14)

综上所述，水土资源约束下区域农业供给侧结构优化模型可完整表述为

(15)

(16)

3 实证分析

3.1 基本情况

河北省水资源严重短缺，水资源总量均值为157.9亿m3，仅占全国均值的0.57%。农业用水量远远大于其他行业，主要集中在农作物种植灌溉。目前全省种植灌溉仍普遍采取传统的渠道输水方式，滴灌、喷灌等节水灌溉方式尚未全面推广，水资源没有得到有效利用。同时，河北省呈现以农业为主的用地格局，农业用地远远大于其他行业，占土地总面积的75.4%。目前全省耕地开发强度已超出现有产出水平，城镇化建设用地严重挤占农业用地，再加上生态退耕及耕地红线调整等因素的影响，耕地资源下降趋势明显。

总结当前河北省农业发展境况，主要存在如下供给结构问题：农业用水矛盾加剧，水资源配置效率低；耕地面积不断缩减，资源环境承载力逼近阈值；农产品在品种、品级上结构不平衡；农产品缺乏比较优势，难以与同类产品进行市场竞争。因此，建立与区域资源承载力匹配的农业结构体系，促进水土资源在农业生产领域的优化配置和高效利用，获得最大程度的农业产出和效益，对河北省建设节水型社会、保护生态环境、发展绿色可持续农业、增强农业经济实力具有十分重要的现实意义。

3.2 决策变量选择

考虑到数据收集的可实现性，选择2016年为现状年，同时设定2020年为近期规划水平年，2025年为远期规划水平年。依据目前河北省农业结构的现有生产项目，选取决策变量见表1。

表1 农业供给侧结构优化决策变量

3.3 模型求解与分析

3.3.1目标函数

区域农业供给侧结构优化的目标是实现区域经济效益、社会效益、生态效益以及节水效益等综合效益的最大化。经济效益主要体现为农业总净产值和农民收入高低，社会效益主要体现为粮食安全及粮食产量能否满足社会消费需求，生态效益主要体现为固碳制氧价值、水源涵养价值等，节水效益主要体现为水资源利用率及种植业节水平。以河北省2016年数据为例构建如下目标函数：

f1=1 491x11+1 360x12+226x13+559x14+269x15+180x16+161 423x17+181 680x18+52 272x19+713x110+4 911.1x21+100.35x22+289.1x23+9.88x24+22 600x3+110 538x4

(18)

f2=6 194x11+6 712x12+5 495x13+2 955x14

(19)

f3=24 492x11+25 412x12+16 703x13+

13 831x14+13 517x15+17 063x16+

28 317x17+27 309x18+20 969x19+

11 202x110+7 848x21+560x22+1 082x23+

18x24+23 254x3+49 397x4

(20)

f4=(2x11+0.9x12+1.3x13+1.2x14+3.9x15+

4.8x16+6.89x17+5.1x18+4.8x19+

1.82x110)/8 716 600

(21)

3.3.2算法步骤

基于多目标粒子群算法的具体步骤如下：

步骤1：初始化粒子群。设定粒子群规模n=100，迭代次数m=100，学习因子c1=c2=2，惯性权重w=0.8-(0.8-0.4)/m。i表示迭代次数，j表示粒子数。

步骤2：用目标函数分别计算每个粒子的适应度值。

步骤3：求粒子的个体极值。

步骤4：求粒子的全局极值。

步骤5：计算全局最优粒子位置的均值和距离。

步骤6：计算每个粒子之间的距离。

步骤7：计算用以更新粒子速度和位置的个体极值。

步骤8：更新粒子速度和位置。

步骤9：当迭代次数满足终止条件i>m时结束算法，否则返回步骤2。

3.3.3模型优化结果与分析

基于MOPSO算法求解模型最优解，优化结果详见表2和表3。表2列出了优化后河北省各规划水平年(2016年、2020年及2025年)农业供给侧结构优化模型各决策变量的优化值，并且与优化前各决策变量值进行了对比。从该表可以看出，优化后粮食作物的总播种面积有所减少，经济作物和饲料作物的播种面积均有一定的增加，整体上农作物总播种面积有所上升。粮食作物中玉米和稻谷等高耗水作物的种植面积均有一定的下降；经济作物中棉花的种植面积大幅下降，蔬菜及瓜果类的种植面积有较大的提升，油料及其他经济作物的种植面积也均有一定的增加；饲料作物青饲料的种植面积增幅非常明显。经过优化后种植业粮、经、饲作物三者的种植面积比例趋于更加合理：由现状年2016年实际的72.59∶26.06∶1.35调整至69.47∶28.92∶1.61，由近期2020年规划的71.53∶26.91∶1.56调整至68.77∶29.34∶1.89，由远期2025年规划的70.2∶27.94∶1.86调整至66.63∶31∶2.37。与此同时，虽然优化调整后种植业农作物总播种面积有所增加，但灌溉用水总量反而减少了。由表3可以看出，优化后2016年、2020年和2025年种植业灌溉用水总量分别减少了5.49亿m3、6.89亿m3和6.07亿m3，对比优化前分别下降了4.69%、6.12%和5.68%。

表2 农业部门总体产出情况优化前后对照

优化后林牧渔业的产业结构也有所调整：畜牧业在稳定猪和家禽蓄养的同时扩大了牛羊产业，林业用地面积进一步提高，适度扩大淡水水产养殖面积。水资源利用方面，虽然林牧渔畜需水量均略有增加，但整体上农业产业结构用水总量呈现下降态势，2016年、2020年和2025年农业用水总量分别减少了5.23亿m3、6.59亿m3和5.84亿m3，对比优化前分别下降了4.09%、5.34%和4.96%。通过求解农业供给侧结构优化模型，4个目标函数均找到了最优值。现状年(2016年)农业总净产值、粮食生产总量、生态效益值和水分生产效益分别提高9.67%、0.32%、3.96%和7.89%；近期规划年(2020年)4个目标函数分别提高9.82%、1.16%、5.42%和8.07%；远期规划年(2025年)4个目标函数分别提高10.98%、0.23%、4.9%和6.87%。经过优化调整，河北省农业生产结构的经济效益、社会效益、生态效益以及节水效益均得到有效提升；同时通过提高土地复种指数等措施，2016年、2020年和2025年耕地面积缩减的问题也可以在一定程度上得到解决。

表3 农业生产效益主要衡量指标优化前后对照

以上这些数据说明水土资源约束下农业供给侧结构优化对区域经济的发展、社会的稳定、生态环境的保护以及资源的综合利用等方面都作出了贡献，有利于农业的绿色可持续发展。

从模型优化结果来看，水土资源约束下河北省农业供给侧结构优化应当重视以下方面：①以市场需求为导向，在稳定粮食产能的前提下，发展优质小麦，适度调减玉米、稻谷等高耗水、低效益的农作物种植面积；②因地制宜发展高效节水的经济作物，做大特色产业，提高油料产量和效益，增强蔬菜瓜果等节水型、效益型优势作物的种植面积，大力发展满足消费者需求、符合市场导向的蔬菜瓜果产业；③扩大“粮改饲”面积，适当调减粮食作物的种植面积，加快推进粮经饲协调发展的三元种植结构，拉动畜牧业节本提质增效；④优化畜禽结构，壮大食草性动物肉牛肉羊的发展，稳定发展传统的生猪家禽业；⑤保护林业资源，优化营林结构；⑥扩大淡水水产养殖面积，发展高效生态型渔业。

4 结论与建议

水土资源日趋紧张是当前制约农业高效、可持续发展的关键因素。本文从农业供给侧结构性改革的角度出发，针对我国农业用水比重大、效率低，耕地资源负重大、农业结构不合理等问题，借助比较优势理论、农业系统理论对优化资源配置、提高农业综合效益进行了模型研究。同时以河北省为实证研究对象，结合其自然资源及农业供给结构现状，采用粒子群算法求解水土资源约束下河北省农业供给侧结构多目标优化模型，实现综合优化目标。

为更好地实施农业供给侧结构优化的改革方案，笔者提出如下相关对策建议：

a. 因地制宜发展特色农业，提高农产品的市场适应性和竞争性。根据区域资源环境优势科学地对各种农作物的种植进行筛选，最大限度地促进水土资源的可持续利用；同时根据市场需求变化扩大优质农产品、特色农产品的生产，提升消费者对产品的认可度。

b. 提高农业科学技术水平。一方面加强喷灌、滴灌等节水灌溉技术和测土配方施肥、低产田改造技术等土地增效技术在农业中的推广和应用，另一方面促进互联网技术与农业的跨界融合，建立农村电子商务平台、互联网企业农业服务平台、物流智能管理系统。

c. 发挥政府在农业中的导向作用。把握市场需求动向，运用价格、税收、信贷、利率等经济杠杆，结合信息发布、宣传教育等手段引导农民做出正确的生产经营决策；建立专项资金扶持政策，吸引集体资金、社会资金、农民自筹资金等共同参与农业结构调整，形成资金推动合力。