基于Malmquist DEA的甘肃内陆河流域农业水土资源利用效率及匹配特征研究

徐娜, 张军, 张仁陟

(1.甘肃农业大学管理学院, 兰州 730070; 2.甘肃农业大学资源与环境学院, 甘肃省节水农业工程技术研究中心, 兰州 730070)

水土资源是人类生产生活、社会经济发展的物质基础和战略资源[1]，区域水土资源的匹配极大程度上影响着区域农业生产，准确认识区域农业水土资源时空匹配特征是区域农业种植结构调整和优化的前提与基础。内陆河流域所在的河西走廊地区水土资源条件严重的“先天不足”，降水稀少，蒸发强烈，地形复杂，农耕地面积占土地总面积的2.8%[1]。国家“一带一路”战略和生态安全屏障的建设策略给甘肃省经济社会发展和生态环境建设带来机遇和挑战，特别是对河西走廊水土资源科学配置、高效利用提出了更高要求，因此，如何提高水土资源的利用效率以及优化水土资源时空配置成为促进内陆河流域经济社会转型升级的关键，也是推动河西走廊可持续发展的重要物质基础。

基于不同区域的水土资源匹配格局研究一直是大多学者关注的热点。目前，学者关于区域水土资源匹配的研究，通常以行政区划为研究单元，采用传统的水土资源匹配系数或基于基尼系数的水土资源匹配模型等方法。郑久瑜等[2]通过建立水土资源匹配系数计算模型对农业水土资源匹配程度进行分析评价；李慧等[3]运用基尼系数法和水土资源匹配系数法评价了延安市农业水土资源匹配水平。国内外部分学者也常利用数据包络分析法(date evenlopment analysis，DEA)进行水资源利用效率分析[4-6]，输入指标大多为各种用水指标，输出指标则多为GDP[7-8]。Reig-Martinez等[9]运用DEA模型研究了西班牙地中海农业区的农业生产效率情况;李明璗[10]运用DEA模型研究了中国农业水土资源利用效率；黄克威等[11]也建立基于DEA的水土资源匹配模型，对四川省水土资源匹配状况进行分析，结果表明，基于DEA的水土资源匹配模型能较好地反映区域水土资源匹配程度与农业产值的关系。

综合以往研究，传统的水土资源匹配系数或基于基尼系数的水土资源匹配模型等方法在本质上仅仅考虑的是区域水资源量、耕地资源量数量上的关系，而区域水土资源的利用效率极大程度地影响着区域水土资源的匹配程度，准确认识流域农业水土资源利用效率及匹配特征是实现调控匹配度至协调和提高水土资源利用效率的关键。数据包络分析(DEA)是一种运用凸分析、线性规划评价决策单元投入-产出效率的非参数方法，其中，CCR模型、BCC模型、FG模型和ST模型是最具有代表力的模型，而DEA方法最突出的特点是无需权重假设，每一输入输出的权重是由决策单元的实际数据求得的最优权重，具有很强的客观性，能有效地衡量决策单元的生产效率。BCC模型、CCR模型的分析结果反映的是某一时期区域间的相对效率，适合做宏观上区域间匹配状况的对比分析，Malmquist指数结合DEA模型能准确地进行时间序列变化分析[12]。基于此，本研究建立基于数据包络分析法的Malmquist DEA模型，并采用农业水土资源匹配系数法对甘肃省内陆河流域2001—2016年水土资源利用效率趋势及水土资源匹配特征定量分析，最后用Mann-Kendall法进行趋势检验，揭示内陆河流域农业水土资源时空分布规律，对于区域水土资源的开发利用规划及优化配置具有一定的借鉴意义，为实现水土资源高效可持续利用、农业可持续发展制定合理的水土资源的开发利用方案提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃省三大内陆河流域(包括疏勒河流域、黑河流域、石羊河流域)属于河西走廊，位于 37°17′～42°48′N、93°23′～104°12′E，流域面积20.96万km2，约占甘肃省总面积的60%[13]。年降水量80～500 mm[13-14]，自东而西年降水量呈递降形势，蒸发量2 490.6～3 522.3 mm，降水少，蒸发大，属典型的西北干旱大陆性气候区；且降水年变化大，夏季降水占全年总量50%～60%。干燥少雨的气候特点决定了戈壁、荒漠占了广表土地的大部分，适宜农耕的土地少之又少。2016年区域总耕地面积约74.257万hm2[13]，总灌溉面积88.276万hm2。水资源总量为77.518亿m3[14]，人均水资源量1 616 m3，为全国人均水资源量的1/2，仅达到国际公认的基本生存条件(人均水资源占有量1 000 m3)；地均水资源量10 447.2 m3，为全国地均占有量的1/4，属资源型缺水地区，并且区内未利用地广布，因此，水土资源短缺现象突出，影响到流域农业生产的可持续发展[15]。

1.2 数据来源

本研究采用甘肃省三大内陆河流域(包括疏勒河流域、黑河流域、石羊河流域)水资源总量、农林牧渔畜业用水量、耕地面积、节水灌溉面积、农业产值等相关数据，生产总值、农业产值、牲畜数量等社会经济数据来源于2002—2017年的《甘肃省统计年鉴》[13]；其他水资源数据均来源于《甘肃省水资源公报》(2001—2016年)[14]。

1.3 研究方法

1.3.2农业水土资源匹配系数 农业水土资源匹配系数是指单位耕地面积占有水资源量，反映一个地区水资源与耕地资源空间协调程度[3]。在干旱地区除了农业用水占比较大外，畜牧业用水也是水资源利用的很大一部分，因此，本研究用单位耗水面积占有的水资源量作为农业水土资源匹配系数。农业水土资源匹配系数越大，表明该地区水资源与耕地资源空间分布一致性越好，匹配程度越高，农业生产水土资源条件越优。其计算模型如下。

其中，Ri为i研究区农业水土资源匹配系数(万m3·hm-2)；Wi为i研究区水资源可利用量(万m3)；ai为i区农林牧渔畜用水占总用水的比例；Li为i研究区耕农林牧渔畜用水面积(hm2)；n为甘肃省研究流域数，本研究为3；研究的时间序列为15。

M=(Mt·Mt+1)1/2=

where n is the turn ratio of primary coil and secondary coil.The transfer impedance can be simplified from Eq. (3) as:

对于这样一个突如其来的消息，易家的三个人，是三种表情。向南是错愕，易非是惊讶，只有妈，是掩饰不住的兴高采烈。

(1)

Mt=Effch×Tech

由表2可知，从空间上看，内陆河流域水土资源匹配水平疏勒河>黑河>石羊河流域；不同年份流域农业水土资源匹配系数不同，而且差异较大，比如疏勒河流域农业水土资源匹配系数均大于1，平均值为16 410 m3·hm-2，极差达19 180 m3·hm-2，远高于黑河、石羊河流域；而黑河流域极差仅为3 860 m3·hm-2，石羊河流域极差为4 180 m3·hm-2。主要原因是不同流域农业水土资源量差异大，在一定程度上与农业种植结构、流域经济发达水平及城镇化水平不同也有关系。

(2)

Mt+1=Pech×Sech×Tech

(3)

2.2.1农业水土资源匹配系数 基于三大河流的水资源利用量、耕地面积、灌溉面积等统计数据，运用式(4)计算内陆河流域农业水土资源匹配系数，如表2所示。

Biesse，Durst,Homag，LEUCO，Rosenheim，SCM，Siempelkamp，Weinig以及Wemhöner这9家来自欧洲的重要林业木工企业在大会现场展示了他们最新的数字化设备、成型和压机生产线、工厂自动化、数字化应用、表面加工技术设备、人机协作、大数据管理等领域的技术和解决方案，吸引了众多参会代表驻足停留。

1.3.1数据包络分析 数据包络分析(DEA)由Charles Cooper和Rhodes于1978年首次提出后逐渐发展完善，是一种基于相对效率概念，运用凸分析、线性规划评价决策单元投入-产出效率的非参数方法[16-18]。由于人口、经济、技术约束、土地利用结构等因素，各流域不可能均达到水土资源利用效率最优，因此，本文研究内陆河流域水土资源利用效率情况时选用了在规模收益不变与可变情况下分析生产效率的CCR和BCC两个评价模型，同时BCC模型可从综合、技术、规模三方面分析省内流域水土资源利用效率情况。而Malmquist指数结合DEA模型能准确地进行时间序列变化分析[12]。因此，本文借助投入导向的Malmquist DEA的模型研究流域农业水土资源利用技术效率变化趋势，模型中选取水资源量为X1(农林牧渔畜用水资源量之和，亿m3)、耕地资源量为X2(耕地面积和林牧渔畜耗水面积之和、千hm2)、一产投入人员X3(农村人口数，万人)、节水灌溉面积X4(千hm2)、牲畜数量X5(头)、输出指标为Y(农业产值，即一产总值，亿元)。模型设置如下[12]。

(4)

通过参加这个仪式，同学们深切地体会到“无语良师”以自己的无私遗爱，帮助了社会上无数的人们，减少了生者可能承受的痛苦。而社会大众期盼、寄托的眼神会让医学生的思想境界从学校直接跨越到社会，医学生们更深切地体会到未来自己职业的神圣与重要，肩负的使命是全人类的健康，他们对社会的责任感会油然而生。公开追思“无语良师”的仪式，让医学生们真正领悟到“无语良师”的灵魂，去理解珍惜生命和关爱生命的内涵，将来带着对生命的崇高敬意去救死扶伤。

2 结果与分析

2.1 内陆河流域农业水土资源利用效率动态变化

2.1.1规模效率和技术进步动态变化 各流域水土资源利用规模效率和技术进步变化在时间变化存在差异，就规模效率动态变化而言，2001—2016年内陆河流域农业水土资源利用规模效率总体走向呈现波动中上升并趋于稳定趋势，并且波动幅度差异较明显(图1)。疏勒河流域农业水土资源利用规模效率波动幅度较大，在2002年出现峰值，2003—2011年呈现缓慢的升高和降低，2011年之后大幅度的升高并趋于最优值，说明疏勒河流域应该加强对可利用水资源和土地资源数量上的管理及有效利用；黑河流域农业水土资源利用规模效率变化较稳定；石羊河流域在2001—2006年水土资源利用规模效率在不断地波动中升高并趋于最优趋势，说明石羊河流域农业水土资源开发与利用较为合理，主要原因在于流域自然条件的差异性。通过Mann-Kendall法得到Z值,分别为3.74、1.87、2.12，通过了0.05水平的显著性检验，说明内陆河流域农业水土资源利用规模效率呈现显著的增加趋势。

本研究利用Malmquist DEA模型分析流域生态效率相比较其前一时期生态效率的变化情况，结合农业水土资源匹配系数(4)式准确识别甘肃省内陆河流域水土资源利用态势。

图1 规模效率和技术进步指数变化趋势

就技术水平动态变化而言，内陆河各流域水土资源利用技术水平呈现上升趋势，表现为三大内陆河流域14年的技术进步指数平均值都大于1，但上升趋势不明显，表现为三大流域2002—2016年只有8年左右的技术进步指数大于1(图1)。整体上看，各流域水土资源利用技术进步水平却呈现出波动中降低的趋势，各个流域波动幅度不同，技术进步指数差距相对较大；疏勒河和石羊河流域波动幅度较大，极差值分别达到1.153、1.436；黑河流域技术进步指数波动较小，在2005年出现极低值，为0.471，最高值在2010年为1.335，极差值为0.864。从2013年之后，三大流域农业水土资源利用技术进步指数都小于1，说明内陆河三大流域还需要加强农业方面的技术创新与运用，从加快高效农田水利建设、推广节水灌溉、节水生产技术、建立节水型经济结构方面着手，使传统农业向现代化农业发展。

2.1.2综合效率空间差异 由表1可知，从流域空间上来看，2001—2016年内陆河三大流域的农业水土资源利用综合效率比较结果为：黑河>石羊河>疏勒河。呈现这样的空间分布主要与区域经济发展水平、城镇化水平、人口规模等因素有关。黑河和石羊河流域总人口数分别为197.3万人、219.39万人，疏勒河流域总人口数仅为50.28万人；而疏勒河流域城镇化率达到52.5%，属三大流域中最高，该流域第二、三产业生产总值占到国内生产总值的91%，说明对第一产业的重视度较低些，因此，疏勒河流域水土资源利用效率远低于黑河和石羊河流域。但是，各流域水土资源利用效率处于变化之中，疏勒河、黑河、石羊河流域水土资源利用效率的极差值分别为0.579、0.055、0.393，说明疏勒河流域水土资源利用效率变化幅度较大些，其次是石羊河流域，黑河流域水土资源利用效率变化较稳定。

表1 2001—2016年内陆河流域农业水土资源利用综合效率

2.2 内陆河流域农业水土资源匹配年际变化特征

表2 2001—2016年内陆河流域农业水土资源匹配系数

物流联盟为整合行业资源的有效措施。在跨境物流中，存在着诸多问题，如：运送环节多而繁琐、时间长、投资大等，加之跨境物流运送频率很高但批量较小，很难形成规模效用，目前为止，在我国除了邮政跨境物流以外，单个的民营物流企业的资本是薄弱的，网点覆盖范围小，规模小，从跨境物流中获取更多的利润是十分困难的。 因此，快递企业在运行过程中，尤其是要发展跨境物流，首先要有资金基础，如果资金有限，通过几个行业合作，对行业资源进行整合，减少竞争，共同从跨境物流中获得利润。通过这样的方式，一方面可以扩大物流规模，拓宽物流网点覆盖的范围，还可使单个企业跨境物流的成本大大降低，这样的方式是十分可行的。

2.2.2农业水土资源匹配特征 内陆河流域农业水土资源利用综合效率、生产效率、匹配系数三者变化趋势及空间分布有明显的差异，但是这三者之间也是相互影响相互作用的，不同流域、不同阶段影响程度不同(图2)。由图2可以看出，疏勒河流域在2010年之前综合效率、生产效率和匹配系数值的曲线走向大致是相同的，说明在这一阶段农业水土资源利用匹配程度和生产效率、综合效率相互促进，技术效率、规模效率等其他综合因素同时影响水土资源匹配程度；在2010年之后，匹配系数与生产效率趋势一样，呈现先降低后升高的走向，说明2010年之后水土资源技术效率是水土资源匹配程度的主要影响因素。黑河流域2001—2016年的匹配系数和生产效率曲线走向完全一致，说明黑河流域农业水土资源利用技术进步对水土资源匹配协调起主要作用，该流域农业为技术主导型。石羊河流域综合效率、生产效率、匹配系数变化较为复杂，其变化趋势大致可分为三个阶段：2005年之前,匹配系数急剧地先升高后降低,与生产效率、综合效率变化不同，从生产效率曲线可以看出这一阶段技术进步水平在降低，并且规模效率变化波动幅度较大，主要原因是这一时期政府实施了《石羊河流域重点治理规划》；2005—2013年,匹配系数和生产效率曲线走向基本一致，在这一阶段，石羊河流域有效灌溉面积占耕地面积比重由58.5%上升到97.4%，节水灌溉面积增加了14.8%，说明这一阶段技术进步对生产效率和匹配程度的影响比较明显；2013年之后，匹配系数与综合效率呈现轻微的升高趋势，说明石羊河流域农业水土资源还具有一定的开发利用潜力，在加强技术创新和运用的基础下，适当的加大农业规模对农业生产效率及匹配程度的提高还是有促进作用的。总体来说，内陆河流域农业在近15年发展以来，农业水土资源匹配程度呈现出波动中升高的趋势，通过Mann-Kendall法进行趋势检验，得到内陆河三大流域水土资源匹配变化Z值分别为0.81、1.49、1.40，说明黑河、石羊河江流域农业水土资源匹配程度变化呈现上述变化趋势及空间分布特征都通过了0.1水平的显著性检验；三大大流域地区农业水土资源匹配程度确实趋于好的方向发展。

图2 内陆河流域农业水土资源利用匹配系数、生产效率、综合效率变化趋势

3 讨论

流域作为典型的社会-经济-自然复合生态系统，是一种从整体上解决人类干扰自然水土资源循环过程所导致的一系列农业及生态问题的理想管理单元，所以流域农业水土资源高效合理利用研究是实现流域经济增长与生态保护统筹协调发展的基石。本研究在进行流域农业水土资源匹配程度研究时考虑到水土资源利用效率和技术等因素，故而选择了被国内学者用于资源利用效率分析的一种多投入、多输出的线性非参数方法——数据包络分析法。这样既可以更加准确地评价分析甘肃省水土资源匹配情况，也可以为不同尺度、不同区域的水资源、土地资源及实现经济增长和农业可持续发展目标提供参考依据。研究中以下几点值得探讨和分析。

①流域内农业水土资源匹配程度受到技术进步、规模效率和综合效率的影响，其中，技术进步对农业生产效率的作用较为明显，规模效率和综合效率对技术进步具有一定的补偿作用，三者同时推动内陆河流域农业水土资源匹配程度和生产效率的提升，因此，进一步加大科技投入的同时注重规模效益提升；加强对农民进行技术化、职业化的培训；从而达成通过提高农业规模效率和技术与管理水平来提高农业的生产效率，以达到农业可持续发展的目标。

②近年来，河西内陆河流域开发建设高效节水示范区、高标准日光温室、全钢架高标准塑料大棚，通过发展戈壁农业，有效提高了河西走廊地区水土资源利用效率及匹配程度。本研究在分析不同流域农业发展的技术效率、规模效率、综合效率及技术进步指数的变化趋势基础上，提出农业水土资源匹配程度的提升途径：扩大戈壁农业和设施农业的建设，提高灌溉效率，实施“规模+高新技术”的农业升级措施，通过提高高新技术在农业中的应用比例，提升资源利用水平；通过加强资源开发利用的管理措施、产业结构升级改造来促使农业水土资源的高效利用，提高农业水土资源匹配程度；通过适当控制人口规模、加快高效农田水利建设、推广节水灌溉、节水生产技术、建立节水型社会结构并以法律的形式保证生态用水和上下游均衡用水，最终实现资源的可持续利用和农业可持续发展。

自2007年3月始，LL与石景山区古城街道天翔社区合作，建立“天翔社区夕阳红乐园”，采用社区动员的方式，开展老年“社区参与式”服务。2008年7月，在CCPG城市社区参与资源网络平台项目的支持下，LL启动了社区居家养老支持平台项目，引导和支持天翔社区内的老年公益小组。2011年10月，LL正式注册为民办非企业单位(社会服务机构)。至今，LL社区老年公益小组活动在天翔社区一直持续进行，并扩展到石景山区多个社区和门头沟区部分社区。LL还拓展了为老服务站等其他社区服务功能。为此，LL获得了中国公益慈善大赛实施类银奖及北京市人民政府、北京市志愿者联合会等单位颁发的多个奖项。

③本研究认为自然禀赋是影响流域水土资源匹配时空特征的基础，同时也受到总人口数、城镇化率、农业种植结构、土地利用结构及流域经济发展水平等因素的影响。由于区位差异、自然环境不同，影响水土资源利用效率的因素也不一样，董佩华[20]研究结果与本研究相同，河西地区水土资源组合优势自西向东减弱，两者都说明内陆河流域农业水土资源匹配程度的确存在自西向东递减的分布特点；栾福超等[21]研究也认为，经济发达程度、自然与社会条件、技术使用对耕地利用效率有很大的影响。今后的研究重点是确定流域水土匹配程度与影响因子之间的定量关系，并在此基础上针对各流域特点提出优化策略。