我国农业区水资源-能源-粮食系统协调适配与农业产出
——基于人力资本门槛效应的实证
2020-04-02陈军飞晏霄云
陈军飞，晏霄云
(1.河海大学商学院；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098)
1 研究背景
水资源、能源、粮食是人类赖以生存和发展的战略基础资源。随着工业化和城市化进程加快，我国面临的水资源短缺、能源需求增加、粮食供给的不确定性问题愈加严重。2011年在德国波恩召开了“水资源-能源-粮食系统安全会议”，首次将水资源安全、能源安全和粮食安全三者之间的关系视为一种“纽带关系”，提出利用“纽带关系”解决全球资源、环境面临的许多挑战[1]。2014年联合国粮食及农业组织[2]和国际可再生能源机构[3]相继发表了关于WEF系统纽带关系的报告。此外，农业作为支撑我国国民经济建设与发展的基础产业，农业的可持续发展，对保障我国国家粮食安全具有重要的战略意义。
近年来，我国对农业的发展高度重视，广受瞩目的中央一号文件大量涵盖了农业生产中要素配置、资源利用和农业产出等问题，如2019年提出“夯实农业基础，保障重要农产品有效供给，落实农业农村优先发展”；2017年提出“提高土地产出率、资源利用率、劳动生产率，促进农业发展由过度依赖资源消耗、主要满足量的需求，向追求绿色生态可持续、注重满足质的需求转变”。但是我国当前的农业发展还存在诸多协调性和适配性问题，主要表现为：农业资源粗放开发、农业投入品过度消耗、农业要素错配以及投入产出效率偏低等问题。信桂新等[4]在人地矛盾突出的情况下，从生产、生活与生态三重空间探讨了人与土地的结构优化与空间整合的模式与技术途径；周晓林等[5]、贺正楚等[6]运用DEA模型分别评价了我国农地和农业的生产效率，发现整体效率不高，农业生产的投入结构存在问题，大多数省份的投入要素(土地、劳动力等)存在不同程度的冗余；朱喜等[7]发现要素配置扭曲现象在我国是比较严重的，东、西部是资本配置扭曲问题，而中、西部是劳动配置扭曲问题；龚斌磊[8]解析了投入要素和生产率对我国农业增长的贡献程度，发现投入要素的贡献率逐渐降低，而生产率的贡献率却在逐步增强。大量的农业相关文献表明，要素的投入量和利用效率决定了农业经济发展的路径，农业系统内部合理的要素配置对农业产出有重要作用。
人力资本的质量对农业产出的影响也有一些相关的研究。Schultz[9]将人力资本投资归为农业产出增长的首要因素；Wegren[10]论述了俄罗斯的农村人力资本存在劳动力紧缩、技术工人短缺、青年劳动力外流等诸多缺陷，严重影响到了粮食生产；Wouterse等[11]评估了人力资本在布基纳法索小农户技术变化中的作用，这个国家特别是农业部门受到低水平人力资本发展的影响。通过研究发现，人力资本引导了技术的变化，更健康的工人能够获得更高的土地回报，而更正式的教育使工人变得更富有生产力。
WEF系统是一个复杂系统，目前其纽带关系的研究大多从以下几个方面开展。一是探讨WEF系统在管理相关资源中的协调或者整合作用，包括调配优化流域资源[12]，预测城市未来WEF系统的变化趋势[13]，整合区域资源部门的利用效率[14]。二是探讨WEF系统在不同领域不同场景下的实践， 包括调解极端气候对城市WEF系统安全造成的风险[15]，渗透能在水处理的运用[16]，肉牛的可持续生产模式[17]。三是构建涵盖水、能源和粮食等多种要素的纽带框架或者综合模型，研究区域的可持续发展。De Vito等[18]基于“足迹”的概念构建了WEF系统纽带框架，在综合考虑环境和经济的影响下，提出了灌溉实践多维综合评价方法；Zhang等[19]开发了一个集成的模型分析框架WEFO，以支持WEF系统关系管理的决策；Li等[20]在农业系统WEF资源有限约束条件下，构建了可持续管理的综合模型AWEFSM。WEF系统关系是一个综合的视角，用于分析决策过程中水-能源-粮食三方的相互依赖关系。当前，纽带框架及方法的应用倾向于技术评估，以提高生产力、优化协同效应，从而为自然资源治理提供有效信息。
我国的灌溉用水消耗量位列世界第2，农业用水占全国用水总量的62%，同时水资源和能源都是粮食生产的关键投入，农业中水资源、能源和粮食三大基础资源存在着密不可分的关联关系。由于资源短缺和对粮食需求增加而产生的压力加大了对WEF系统关系进行优化管理的必要性。因此，本文试图从WEF资源协调适配这一角度解读农业区经济发展差异的原因，探索我国农业区WEF系统三大主要资源的协调适配程度对农业产出的影响。其次，考虑到WEF系统的协调适配需要一定的人力资源相匹配，才能有效发挥出促进农业产出的作用。本研究随着人力资本的变化，利用面板门槛模型探讨WEF系统的协调适配与农业产出的非线性作用关系，以期为我国农业区的协调可持续发展提供理论依据和决策参考。
2 数据来源及模型构建
2.1 研究区域划分及数据
本研究的农业区划分参考我国农业部、国家发展改革委员会、科技部等部门制定的《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》，具体农业分区范围如表1。数据来源于2013—2017年《国家统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国人口和就业统计年鉴》和涉及到的省统计年鉴以及地级市统计年鉴，为使数据具有可比性，对数据进行标准化处理。
表1 农业可持续发展分区情况表[21]
2.2 水资源和能源投入与粮食产出协调适配性评价模型
2.2.1 评价指标体系
农业投入产出涉及诸多要素，本文侧重于分析水资源、能源和粮食之间的纽带关系。由于以农业为研究背景，为保证研究的完整性和科学性，土地投入作为农业投入中不可或缺的一部分，将其纳入资源投入。依据上述思路构建的评价指标体系见表2。水利投入从实际的农业用水量与改善农业生产条件的角度选取了农业用水量和有效灌溉面积两个指标；土地投入反映了农业生产中实际的耕作面积，用农作物播种面积来表征，同时土地投入与粮食产出相对应，选取了玉米、小麦、稻谷和豆类四种主要的粮食作物；能源投入参考已有文献中能源投入结构的定义[22]。
表2 水资源和能源投入与粮食产出协调适配性评价指标体系
2.2.2 协调适配性评价模型
从系统论的角度，耦合并非是两个或以上的子系统的结构与功能的简单加和，而是内部多要素相互作用与相互影响而形成的结构性的特定功能。农业区“水资源和能源”投入子系统和“粮食”产出子系统通过内部要素彼此产生作用，在空间逻辑上具有一定的耦合性。本文借助耦合综合评价模型，对农业区三大主要资源的协调适配性进行评价分析。
(2)耦合度函数。建立农业区“水资源和能源”投入与“粮食”产出相耦合的系统，定义C为两个子系统的耦合度，得到二维耦合系统的耦合度计算公式为：
C=2{(U·V)/[(U+V)2]}1/2
(1)
由(1)可知，0≤C<1。C值越接近1，耦合程度越高，子系统间离散程度越低，其要素是协调有序发展的，反之亦然。
(3)协调适配度函数。耦合度衡量了各子系统间或者系统内部要素间有序程度的大小，
但其计算方式在多系统的发展水平均偏低且数值相近时，结果只能反映系统的同步状态，无法良好表征系统的实际耦合质量。因此，构造一个能够反映U和V时空动态协调和发展水平的函数，即U和V耦合的协调适配度函数：
(2)
为使评价结果直观反映系统间的动态耦合协调发展水平，参考杨丽霞等[23]的研究成果，按协调适配度的高低以及投入产出的相对关系划分为三级评价：一级评价包含三个等级；二级评价对各等级进行不同协同状态的划分；三级评价对投入和产出子系统的相对关系进行了评价，因此形成多层次的评价体系，如表3所示。
表3 多层次的协调适配度评价与对应等级
2.3 面板门槛模型
2.3.1 模型的设定和估计方法
运用Hansen提出的面板门槛模型考察WEF系统的协调适配性对农业产出的效应，利用不同组别的数据估计自变量与因变量之间的关系是否发生了结构性的变化，克服了人为划定门槛值随意的缺点。在存在单一门槛值的情况下，模型设为：
(3)
其中，i表示省域农业区，t表示年份，GAPit和cdit分别为被解释变量(农业总产值)和核心解释变量(WEF系统的协调适配度)。xit为一组对农业总产值有影响的控制变量，解释变量中不包括门槛变量eduit，γ为特定门槛值，I为一指标函数，μi用于反映省域农业区域的个体效应，εit为随机干扰项。
使用门槛模型时，有两个需要解决的问题。第一步是模型的估计。为了得到参数的估计量，需要进行组内去心，所有变量按照此方法进行处理，然后累叠所有观察值，统一采用矩阵形式展现。
其中β的估计值可以采用OLS法得到：
(4)
(5)
从计量的角度看，可能出现多门槛。当存在双门槛时(多门槛类比双门槛构造)：
2.3.2 变量说明
(1)被解释变量(农业产出)：采用农业总产值进行表征，为了剔除价格变动的影响，采用农业总产值指数对其进行调整。
(2)解释变量(农业区资源的协调适配性)：采用协调适配和投入产出两个视角对农业区资源的协调适配性进行衡量。
(3)门槛变量(农村人力资本)：考虑到人力资本会直接或间接影响资源的协调适配性进而影响农业产出的作用机制，因而采用农村人力资本作为门槛变量。农村人力资本代表着从事农业生产者的文化技术水平，文化技术水平的提高会促进其在农业技能、管理方式、农业规划等多方面的提升，使其可以优化资源配置方式，提高资源的利用效率，进而增加农业产出。参考已有研究成果[25]，采用平均受教育程度来代理人力资本，具体按照受教育年限进行划分：未上过学、小学、初中、高中、大专及以上对应的教育年限分别是0年、6年、9年、12年和15.5年。
(4)控制变量。1)农业机械水平和农业人力水平。除了水资源和能源，影响农业产出的还有农业机械水平和农业人力水平两大类要素[26]，分别采用农业机械总动力和第一产业从业人数来代理。2)农业财政支持力度。用政府对农林水事务的支出额占一般公共预算支出的比例来估计政府对农业的支持力度。3)基础设施状况。农业区地域面积相差悬殊，为了使各农业区的基础设施具有可比性，借鉴罗斯炫等[27]的研究成果，计算公路基础设施密度。4)农作物受灾情况。用受灾面积来估计农作物的受灾情况。
3 实证结果及分析
3.1 基于面板数据的WEF系统协调适配性评价及结果分析
利用2012—2016年度的面板数据，对全国40个农业区水资源和能源投入子系统与粮食产出子系统所组成的耦合系统的协调适配性进行测度，评价结果如表4。
表4 2012—2016年我国各农业区水资源、能源投入与粮食产出平均协调适配度测评结果
从全国7大区维度分析，我国农业区WEF系统的协调适配性明显偏低，处在临界适配区间的农业区域共11个，处在耦合失谐区间的共24个，而处在协调适配区间的仅有5个，即不可接受区间的区域所占比重最大。农业区协调适配度均值为0.339 9，且，说明我国农业区的WEF系统整体上轻度耦合失谐，并且属于产出损益型。即使在农业发展成熟的东北区域，协调适配度也仅有0.525 5，属于勉强协调适配的评价等级，而其他6个大区总体评价(黄淮地区 0.448 4、长江中下游区 0.427 8、华南区 0.291 2、西北及长江沿线0.293 2、西南区 0.319 6、青藏区 0.073 8)均不同程度地处于耦合协调性失谐的状态。此外，WEF系统的协调适配度呈现出显著的区域差异，最大值是最小值的26倍，差距达到0.736 8，说明农业区的资源利用效率存在明显差异，发展不平衡。
从全国40个农业区域维度分析，黑龙江和河南2个区域的评价结果为“中级协调适配”，均属于投入滞后型，即之前年份的资源投入可能在当前年份发挥了作用，当年产出效益高于资源投入；山东、江苏、安徽3个区域的评价结果为“初级协调适配”，均属于产出滞后性，即当年资源投入并没有带来与之匹配的粮食产出，资源投入可能在之后的年份继续发挥作用；湖南大部的评价结果为“勉强协调适配”，属于产出滞后型；评价结果为“濒临耦合失谐”的10个，其中湖北、河北中南部、江苏北部、江西、云南大部、广东、新疆、辽宁8个区域属于产出损益型，即一定的资源投入并没有获得相应数量的粮食产出，资源投入大于粮食产出；吉林、内蒙古东部2个区域属于投入损益型，即粮食产出没有与之匹配的资源投入，资源产出大于资源投入；广西、安徽中南部、浙江、山西、甘肃大部、陕西中北部6个区域的评价结果均为“轻度耦合失谐”，均属于产出损益型；评价结果为“中度耦合失谐”的7个，贵州、福建、内蒙古中西部、湖南西部、河北北部5个区域属于产出损益型，重庆属于投入产出共损型，四川东部属于投入损益型；评价结果为“重度耦合失谐”的6个，天津、宁夏、海南、上海、陕西南部5个区域属于产出损益型，云南西北部属于投入损益型；评价结果为“极度耦合失谐”的5个，青海、西藏、北京3个区域属于产出损益型，甘肃藏区、四川西部2个区域属于投入损益型。
从农业区域资源投入与产出指数分析，我国40个农业区域中，U≤V的仅有7个区域，而其余33个区域均为U>V，可见大部分区域的粮食产出与资源投入不匹配，投入资源利用效率较低。例如浙江省，以0.354 5的D值排名19，处于中间位置，但是其U值为0.226 6明显高于全国农业区0.173 8的平均投入水平，而值为0.069 7却低于全国0.137 3的平均产出水平。这进一步说明仅靠资源的大量投入并不能获得相匹配的粮食产出。进一步观察浙江省u10～u19指标，发现其“农村用电量”“化肥施用量”“农药使用量”3个指标显著高于全国农业区均值，这一方面折射出浙江省的资源水平相较于我国农业区均值具有比较优势，但另一方面，却也反映出对资源的使用效率较低。具有相似表现特征的还有广东省。不同的是，广东省是以“农业用水量”“稻谷播种面积”“农村用电量”3个指标占优，除了反映出外部资源利用效率较低之外，也反映出土地资源利用效率偏低。农业区域的协调适配度分析主要反映出粮食产出与资源投入不协调的问题，主要表现为资源投入过量，产出效益不明显。
3.2 门槛模型检验与回归结果分析
3.2.1 门槛效应检验与门槛值估计
为研究农业区WEF系统的协调适配性与农业产出的关系，绘制2012—2016年40个农业区域WEF系统的协调适配度与农业总产值之间的散点图如图1所示。可以看出，两者之间不是简单的线性关系，而是呈现出非线性的特征，这一现象提示WEF系统的协调适配度在农业产出中可能存在门槛效应，因此下面将采用面板门槛模型研究WEF系统的协调适配性与农业产出的关系。
图1 农业区WEF系统的协调适配度与农业总产值散点图
首先检验面板门槛效应，确定是否存在门槛值以及具体的个数，并明确模型的形式。以农村人力资本为门槛变量，采用自举法得到统计量F、P值和临界值如表5。
表5 门槛效果检验
注：1)P值和临界值均使用“自举法”(Bootstrap)反复抽样300次获得;2)***、**和*分别表示在1%、5%和10%水平下显著,下同。
由表5可以得出，单门槛、双门槛和三门槛效应均通过了5%显著性水平的检验，且三门槛95%置信区间内包含双门槛。由此说明，解释变量农业区资源适配性对农业产出确实存在基于农村人力资本的门槛效应。综合门槛效果检验、门槛估计值以及置信区间，最终选择双门槛模型对实证结果进行进一步讨论。双门槛的估计值及其95%置信区间如表6所示。
表6 门槛估计结果
门槛估计值即似然比统计量LR为零时的取值，本文门槛因子农村人力资本的双门限值分别为5.607和 9.356。根据这两个门槛值将农业从业人员的受教育程度划分为较低水平(Edu≤5.607)、中等水平(5.607
3.2.2 门槛模型回归分析
采用面板回归模型研究WEF系统协调适配对农业产出的影响，在回归分析中加入了农业产出(Agrout)，资源适配性(Rescd)、农业机械水平(Agrmech)、农业人力水平(Employ)、农业财政支持力度(Finan)、基础设施状况(Infra)、农作物受灾情况(Dam)等变量。把估计出的门槛值代入双门槛回归模型，通过固定效应回归的F检验得出P=0.000 0，表明在固定效应模型和混合回归模型中应选择固定效应模型。然后进一步通过豪斯曼检验，得出P值是0.000 0，应使用固定效应模型，排除使用随机效应模型。回归结果见表7。
表7 农村人力资本门槛模型回归结果
表7(续)
随着农业从业人员平均受教育程度的提高，WEF系统的协调适配性对农业产出的作用由负转正，可能有以下几个原因：(1)农业区WEF系统的协调适配性对农业产出确实存在门槛效应，只有当人力资本越过一定的门槛值后，资源的协调适配性对农业产出的正向效应才能体现。(2)农业从业人员受教育水平偏低时，大多没有掌握配置资源的科学技术，很难有效运作大规模的农业并在资源配置和农业产出中起到良好的传导作用，难以实现农业产出的稳定增长和可持续发展。(3)农业生产中普遍存在要素投入过量与产出不匹配的现象，因此，提高农业从业人员的受教育程度，对于提高资源的配置程度和利用效率，增加产出都有积极的作用。
在控制变量中，农业机械投入有利于提高农业产出但是效果还有待提升，未来应继续加强农业技术；财政支持农业力度对农业产出呈现出不显著的负向作用，表明应优化财政支农的资金和资源的配置方式；基础设施情况对农业产出显示一定的正向作用，但是不显著，说明基础设施建设有待进一步完善；自然灾害有不显著的负向作用，随着我国的农业灾害的预警和监控设施不断完善，降低了自然灾害对农业产出的不利影响；农业人力投入在这里用农业从业人数来表征，只是体现出数量，没有体现出质量，因此过多的农业从业人数会类似于企业中的人浮于事，对农业产出有显著的负向影响。
4 结论和政策建议
WEF纽带关系的研究是全球热点问题，本文从WEF系统的协调适配性角度分析了我国农业区农业产出的差异化原因，并对我国40个农业区域进行实证研究。结果表明，我国大部分农业区域处于临界适配区间或者耦合失谐区间；农业区的WEF系统整体上轻度耦合失谐，并且属于产出损益型，说明我国农业区的WEF系统未能形成良好有效的互动协同效应。除了黑龙江等7个农业区域外，全国其他农业区域的资源投入都呈现不同程度的冗余，数量规模上占优的资源投入并未对粮食产出产生相同比例的促进作用。基于构建的面板门槛模型定量分析了WEF系统的协调适配性对农业产出的影响，研究发现：WEF系统的协调适配性与农业产出会因为农业从业人员的平均受教育程度的差异而呈现出两个门槛效应的非线性区间关系，WEF系统的协调适配性要发挥出促进农业产出的作用，需要一定的人力资本进行匹配。
为更好地促进农业产出以及农业的可持续发展，改善农业区资源的协调适配现状，根据对我国40个农业区域的定量分析和评价，提出以下政策建议：
(1)提升资源的科技与管理水平，实现资源高效利用。基于区域不同的协调适配水平，政府应引导和支持发展节水灌溉技术，加速提升农业科技水平，借助科技进步的力量提高水资源和能源的利用效率。
(2)加强区域农业合作，实现资源共享协同发展。基于各农业区差异化的资源禀赋及农业经济发展水平，临近的区域应考虑农业生产互动，建立协同发展的合作机制。各农业区通过紧密合作，实现技术、管理、人才、资源等要素的流动和共享，引导各个区域科学地投入农业生产要素以此来提高要素配置效率，不断提高农业产出效率。
(3)振兴农村教育，吸引高素质人才落地。继续加大农村教育的投入，加强教育基础设施的建设和高素质教师队伍的建设，提升农民及农业从业人员的文化水平。政府应通过实施乡村振兴战略，提高农村教育投资的回报，吸引高素质的劳动力在农村落地。
(4)优化产业结构，促进多产业融合。在农业产业化发展过程中，需要综合考虑经济效益和生态效益，对传统的农业结构和经营模式进行改造，促进一、二、三产业的融合发展，使农业产业链实现纵向与横向的延伸。
