地下水超采区农业灌溉用水效率影响因素分析

2020-10-12许朗陈玲红

人民黄河 2020年7期

许朗陈玲红

摘要：在水资源短缺的背景下，提高地下水超采区的灌溉用水效率意义重大。通过对地下水超采的重点治理区域津冀地区井灌农户玉米的生产与灌溉情况进行调研，运用随机前沿模型（SFA）与TOBIT模型，测算玉米种植的农业生产技术效率以及灌溉用水效率，从农民自身及家庭特征、农业生产特征、灌溉特征以及用水管理情况4个维度分析农业灌溉用水效率的影响因素。结果表明：与其他地区相比，地下水超采区玉米生产技术效率较高，但灌溉用水效率较低，有一定的节水潜力。对于地下水超采的井灌区，农民年龄、受教育年限、农业劳动人数、农业收入占家庭收入的比重以及灌溉方式对灌溉用水效率产生显著的影响;而农业生产特征、水资源紧缺认知程度、对节水灌溉技术的了解程度以及用水管理情况受井灌以及地下水超采的影响，对灌溉用水效率没有显著的作用。对于地下水超采的井灌区，应从农民自身以及家庭特征出发，发挥农户在灌溉中的能动作用，提高灌溉用水效率。

关键词：灌溉用水效率;SFA;TOBIT;地下水超采区

中图分类号：F323.213 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.032

Abstract：Under the background of water shortage， the objective is to improve the efficiency of irrigation water use in groundwater over-exploitation areas. Based on the investigation of corn production and irrigation of well irrigated farmers in Tianjin and Hebei Province， which is the key area of groundwater overdraft， the agricultural production technology efficiency and irrigation water efficiency of corn planting were calculated by using the stochastic frontier. The influencing factors of agricultural irrigation water use efficiency were divided into four dimensions of farmers and family characteristics， agricultural production characteristics， irrigation characteristics and water management and analyzed by Tobit model. The results show that the overall production technology efficiency is higher， but the irrigation water efficiency is lower， and there is a certain water saving potential. For the well irrigation area where groundwater is over-exploited， the age of farmers， the years of education， the number of agricultural workers， the proportion of agricultural income in household income and the way of irrigation have a significant impact on the efficiency of irrigation water use. However， the production conditions of farmers， the degree of water shortage， the understanding of water-saving irrigation technology and the situation of water management have no significant impact on the efficiency of irrigation water use due to the influence of well irrigation and groundwater overdraft. For the well irrigation area with over-exploitation of groundwater， countermeasures are put forward from the characteristics of farmers themselves and their families， so as to play the active role of farmers in irrigation and improve the efficiency of irrigation water use.

Key words： irrigation water efficiency; SFA; TOBIT; over-exploitation area of groundwater

我國是水资源贫乏的国家，人均水资源量仅为世界平均水平的1/4。同时，我国的水资源时空分布不平衡，黄淮海流域粮食产值占全国的三成，但平均水资源量不到全国的1/10，地下水超采现象较为普遍。

在压减地下水超采量的当下，作为地下水超采重点治理区域的津冀地区，地下水开采比例较大，而农业灌溉又是用水大户，所以减少津冀地区农业灌溉用水量、提高农业灌溉用水效率显得尤为重要。

目前对农业灌溉用水效率的测算以及影响用水效率的因素研究主要从微观尺度和宏观尺度2个层面展开。宏观尺度研究主要是基于全国或省级的农业生产统计数据[1-5]，研究结果表明我国整体用水效率低下，各地区用水效率差异较大。这些研究主要从水资源禀赋、经济社会发展、农田水利设施建设、供水结构、供水成本、种植结构等方面探究农业用水效率低下的原因。微观尺度研究主要基于农户调研数据，如韩宇平等[6]认为农户的年龄、文化程度、灌溉水价、收入来源等对灌溉用水效率有显著的影响;刘七军等[7]对内陆干旱区的民乐县与临泽县农户的玉米种植灌溉用水效率进行测算，认为农户经营规模与灌溉用水效率呈现同向变动趋势;王昕等[8]认为农户对水资源稀缺性的感知可通过超采行为、水利设施维护或节水技术的应用等间接影响地下水利用效率;于智媛等[9]通过西北地区的调研，得出高效节水灌溉技术可以提高用水效率;马超等[10]认为合理调整水价可有效促进用水主体的节水行为;阿布都热合曼·阿布迪克然木等[11]发现棉农参与灌溉管理可显著提高棉花的灌溉用水效率。

测算灌溉用水效率的方法主要分为两大类，一是以数据包络分析（DEA）为代表的非参数分析方法，二是以随机前沿分析（SFA）为代表的参数分析方法。DEA分析方法最先由Farrel于1957年提出，其在多投入、多产出的生产过程中有绝对的优势。随机前沿分析方法最早由 Aigner等于1977 年提出，该方法无法处理多产出的生产过程，但能够有效处理样本中的异常点问题，因此多用于分析微观数据[5]，而且将生产无效的因素分为可控和不可控因素，即将误差项分为可控因素的技术非效率误差和不可控的随机误差，可估计外部因子对效率的影响。本文研究外部因素对灌溉用水效率的影响，因此采用SFA方法更为合适。

现有对灌溉用水效率以及影响因素的研究中，较少考虑具体粮食作物灌溉特征、农户对灌溉行为的能动作用以及地下水资源开采对灌溉的影响，因此笔者选择地下水超采的典型区域津冀地区作为研究区域，测算井灌农户玉米灌溉用水效率，从农民自身及家庭特征、农业生产特征、灌溉特征以及用水管理情况等4个维度分析影响灌溉用水效率的因素，以期对地下水超采区提高灌溉用水效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

河北省位于华北平原，环京津地区，是传统的农业大省，也是我国重要棉粮产区。多年平均降水量为521.1 mm，近50 a全省降水量呈下降趋势[12]，近10 a中有7 a降水量不足多年均值。水资源量较少，且其中3/4为地下水，是我国典型的缺水省份。2018年水资源公报显示，全省地下水的资源量为124.41亿m3，占全省水资源总量的75.84%。地下水全年供水量为105.15亿m3，占地下水资源总量的84.51%，占总供水量的58.19%。2018年全年平原区的浅层地下水位平均下降0.13 m;深层地下水位，邢台中东部平原下降4.54 m，衡水市下降5.58 m。

天津市2017年末耕地面积37.14万hm2，有效灌溉面积为30.53万hm2。全年粮食产量为212.27万t，其中玉米119.29万t，占粮食总产量的59.20%。2017年的供水总量为27.49亿m3，地下水供水量为4.61亿m3，农业用水量为10.72亿m3。

1.2 数据来源

文中数据来自对津冀地区地下水超采区井灌农户进行的实地调研。根据地理条件以及经济社会发展情况，选取河北省的滦南县、玉田县、沧州市以及天津市静海区作为调研区域。河北省调研采用分層抽样与随机抽样相结合的方式，每个县抽取2个村庄，每个村庄随机抽取35个农户;天津市静海区总共抽取50个农户。共发放260份问卷，回收有效问卷252份，有效率96.9%。调研对象为每户从事农业生产且有决策能力的农业劳动人员。

问卷设计主要涉及四部分。第一部分为农民自身及家庭基本信息，包含年龄、性别、受教育年限、本村职务等;第二部分为农业生产情况，包含农田土质特征、耕地面积、地块数等农田基本情况，以及粮食作物的成本、收益情况;第三部分为灌溉条件，即地下水位、水泵功率，灌溉方式的采用和认知情况，包括对灌溉方式的了解程度、设备安装与使用难易程度、使用效果的满意程度以及相关技术的培训等;第四部分为用水管理情况，包括灌溉费用总额、灌溉费用的构成、农户的灌溉费用承受能力、参加用水协会以及水权交易情况等。

1.3 生产技术效率指标选取与测算模型

结合学者们对技术效率的界定，本研究从产出角度界定技术效率。生产技术效率是指在现有的市场价格和技术水平下，农户实际产出与现有的各要素投入所能达到的最大产出之比。

对单位面积的玉米投入产出进行分析，产出变量为玉米产量Y，投入变量包括种子投入S、化肥投入F、农药投入C、机械成本M、劳动投入L以及灌溉用水量W。实地调研中，灌溉用水量无法精确计量，调研地区为井水灌溉，采用水泵提水，可用耗电量和水泵的抽水功率等数据计算得到。

1.4 灌溉用水效率测算模型

借鉴有关学者对灌溉用水效率的测算方法，灌溉用水效率界定为：在维持其他要素投入不变的条件下，达到技术有效时所需要的最小用水量与实际用水量之比。最小灌溉用水量是指技术充分有效的、不存在任何效率损失条件下的灌溉用水量。

灌溉用水效率的测算思路如图1所示。假设第i个农户的灌溉用水量为Wi，其他投入要素投入为xi，此时农户的生产技术无效率，存在效率损失，该农户生产技术效率为TEi=OC/OA。根据上述用水效率的定义，同样的产出所需要的最小用水量为OW2，则该农户灌溉用水效率为TEWi=OW2/OWi。

2.2 生產技术效率与灌溉用水效率测算

应用Fronter4.1软件对随机前沿模型进行极大似然估计（见表2），模型中的σ2值与γ值在1%水平下通过了显著性检验。如果γ接近1，说明实际产出与生产前沿面之间的差距主要是由技术非效率引起的。本文γ值为0.956，说明复合误差项σ2中95.6%是由农业生产的技术效率损失引起的，模型拟合较好。

种子投入、机械成本、劳动力投入以及灌溉用水量等项的系数为正，说明增加其投入量可以使产量增加，且种子投入、机械成本、劳动力投入以及灌溉用水量对玉米产量的影响显著。

化肥投入与农药投入项的系数均为负，化肥投入在10%的显著性水平下影响显著，农药投入没有通过显著性检验，表明农户在玉米生产过程中，化肥投入相对较多，农药的投入没有产生明显的影响，其原因是调研区域的玉米生产过程中虫害的类型少以及受灾面积小、程度轻，能够有效控制。

应用Fronter4.1软件对农户的生产技术效率以及灌溉用水效率进行测算，结果见表3。从表3可以看出，生产技术效率主要集中在70%至100%之间，占总户数的86.9%，集中分布在高效阶段，其均值为0.841 9，最大值为0.978 5，最小值为0.566 7;灌溉用水效率均值为0.358 4，最大值为0.882 6，最小值为0.038 2。

总的来说，津冀地区生产技术效率较高，但灌溉用水效率整体处于低端水平，灌溉用水效率差距较大，有较大的提升空间。

2.3 灌溉用水影响因素描述性统计

从表4可以看出，玉米种植农户中主要为中老年，基本拥有初中教育水平，每户平均两个劳动力参与务农劳动，每户平均耕地面积为0.541 hm2，平均地块数约为4块，平均每块地约0.137 hm2。调研农户中主要采用的灌溉方式是地埋管道，对地区水资源的紧缺性认知程度较高，对节水灌溉技术了解程度也比较高。调研的农户大部分没有听说过用水协会，只有极少的人参加。灌溉成本为单位面积的灌溉费用与相应的灌溉用水量之比，费用中包含电费、管理费以及维修费等。有的地区只收取电费，有的地区收取电费、维修费以及管理费等，导致灌溉成本差距较大。

2.4 灌溉用水效率 Tobit回归模型分析

从表5可以看出，农民自身及家庭特征中，年龄、农业劳动人数对灌溉用水效率有负向影响，受教育年限、农业收入占家庭收入比重对灌溉用水效率有正向影响。年龄越小、受教育年限越长、农业劳动人数越少、农业收入占家庭收入比重越大，灌溉用水效率就越高。农民自身及家庭特征中的变量都对灌溉用水效率的影响显著。

农业生产特征中，耕地面积对灌溉用水效率有正向作用，地块数对灌溉用水效率有负向作用。

灌溉特征中，灌溉方式对灌溉用水效率有显著的影响，水资源紧缺认知程度以及对节水灌溉技术了解程度对灌溉用水效率有正向作用，但影响不显著。

用水管理情况中，灌溉成本对灌溉用水效率有负向作用，参加用水协会对灌溉用水效率有正向作用。

3 讨论

3.1 灌溉用水效率

该地区灌溉用水效率平均值为0.358 4，这与之前学者对全国整体层面的研究结果有差别，普遍低于以往研究成果的平均值。其原因是灌溉方式的多样化：本次研究中共收集252份有效样本，其中47户农户采用的节水灌溉技术为渠道防渗，154户农户采用地埋管道，51户农户采用喷灌，灌溉方式多样化，不同灌溉方式的用水量之间有较大的差异（见表1），灌溉方式的多样性导致灌溉用水效率均值较低。

3.2 灌溉用水效率的影响因素

农民自身及家庭特征中，年龄对灌溉用水效率产生负向作用。这与许朗等[13]研究结果相反，与耿献辉等[14]研究结论相同。农户年龄开始增加时，会有一定的生产经验以及技术积累，起正向作用，但之后随着年龄的增加，生产的经验以及技术达到一定的水平后，将不再产生显著的影响，此时农户身体素质、生产目的等因素导致生产积极性降低，进而效率降低。受教育年限越长，学习能力越强;农业收入占家庭收入比重越大，农业生产越受重视，会提高灌溉用水效率。农业劳动人数对灌溉用水效率产生负向作用，主要原因是玉米生产种植过程中劳动力需求较少，家庭农业劳动人数的投入过多，反而降低了效率。

灌溉特征中不同的灌溉方式对灌溉用水效率有显著的影响，这与冯保清等[15]研究结果相一致。水资源短缺程度虽对灌溉用水效率有正向作用，但影响不显著。地下水超采区井灌农户常年依靠地下水灌溉，对地下水位的变化、机井水抽取量的改变等反映水资源短缺程度的现象有较清楚的认知，出于可持续发展的需要，能做到合理灌溉。因为农户的认知程度整体偏高，所以进一步提升农户的认知程度对灌溉用水效率的影响不大。

用水管理特征中，灌溉成本对灌溉用水效率没有显著的影响，这与王文浩等[16]指出水价调高可产生节水效应的研究结果不同。在调研区域，灌溉成本均值为0.25元/m3，最大值为0.36元/m3，灌溉成本整体水平较低，在农户承受范围之内。

缺水对玉米产量影响较大，在玉米生长中后期需水量较大，灌溉成本即使较高，为保证玉米产量，农户宁愿提高灌溉投入，因此玉米灌溉成本的上升并不能显著影响灌溉行为。参加用水协会对灌溉用水效率有正向的影响，但不显著。调研区域机井大部分采用私人承包的管理方式，承包人承担管理和维护的责任，不利于用水协会的发展，无法发挥其作用，而且受机井位置的限制，不易建立水权以及市场机制。

4 结论

对津冀地下水超采严重的井灌区农户开展调研，发现调研区域玉米的生产技术效率整体水平较高，均值为0.841 9，但灌溉用水效率水平相对较低，均值为0.358 4，有一定的节水潜力。

（1）调研区域玉米生产过程中，增加种子投入、劳动力投入、机械成本以及灌溉投入能够有效提高玉米的生产技术效率。调研区域的化肥投入在生产过程中较多，可以适当减少;玉米的病虫害较轻，农药投入亦可适当减少。

（2）在地下水超采的井灌區，灌溉用水效率主要受农民年龄、受教育程度、农业劳动人数以及农业收入占家庭收入的比重等农民自身及家庭特征和灌溉方式的显著影响。年龄越小、受教育程度越高、农业劳动人数越少、农业收入占家庭收入比重越大、采用节水灌溉方式的比例越大，灌溉用水效率越高。不同灌溉方式中，渠道防渗灌溉用水量>地埋管道灌溉用水量>喷灌灌溉用水量，部分使用地埋管道节水技术的农户，单位面积的用水量低于喷灌用水量的均值。

鉴于井灌区机井位置和水资源现状，水资源紧缺认知程度、耕地面积、土地块数都不对灌溉用水效率产生显著的影响。

参考文献：

[1] 佟金萍，马剑锋，王慧敏，等.中国农业全要素用水效率及其影响因素分析[J].经济问题，2014（6）：101-106.

[2] 王学渊，赵连阁.中国农业用水效率及影响因素：基于1997—2006 年省区面板数据的 SFA分析[J].农业经济问题，2008（3）：10-17.

[3] 杨骞，武荣伟，王弘儒. 中国农业用水效率的分布格局与空间交互影响：1998—2013年[J]. 数量经济技术经济研究，2017，34（2）：72-88.

[4] 杨扬，蒋书彬. 基于DEA和Malmquist指数的我国农业灌溉用水效率评价[J]. 生态经济，2016，32（5）：147-151.

[5] 常明，王西琴，贾宝珍. 中国粮食作物灌溉用水效率时空特征及驱动因素：以稻谷、小麦、玉米为例[J]. 资源科学， 2019，41（11）：2032-2042.

[6] 韩宇平，周雯晶，代小平，等.综合灌溉用水效率研究：以河北省成安县为例[J].灌溉排水学报，2017，36（8）：89-94.

[7] 刘七军，李昭楠.不同规模农户生产技术效率及灌溉用水效率差异研究：基于内陆干旱区农户微观调查数据[J].中国生态农业学报，2012（10）：1375-1381.

[8] 王昕，陆迁.水资源稀缺性感知影响农户地下水利用效率的路径分析：基于华北井灌区1168份调查数据的实证[J].资源科学，2019，41（1）：87-97.

[9] 于智媛，梁书民.基于Miami模型的西北干旱半干旱地区灌溉用水效果评价：以甘宁蒙为例[J].干旱区资源与环境，2017，31（9）：49-55.

[10] 马超，吴丹，石常峰，等.虚拟水视角下节水技术对区域经济增长的传导机制[J].科技与经济，2016，29（4）：91-95.