科罗拉多河流域水资源利用和气候条件对农民收入的影响及其对我国农业发展的启示

季 祥，朱 磊，乔 欣

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；3. 武汉大学智慧水业研究所，武汉 430072)

0 引 言

美国西南部的科罗拉多河，发源于落基山脉，全长2 334 km，是亚利桑那、加州、科罗拉多州、内华达、新墨西哥、犹他和怀俄明7个州的命脉，为4 000 万人口和数十亿美元的农业产业提供水源[1]。科罗拉多河中下游大部分地区属于干旱、半干旱气候，年降雨量不足100 mm，由于蒸发、渗漏、灌溉用水等，水量逐渐减少[2]。随着全球气候不断变化及人口的不断增长，该地区干旱加剧，水资源供需矛盾日益突出。农业作为该地区第一用水大户，其农业产值及农民收益也必然将受到气候条件以及水资源利用等因素的影响。我国的黄河流域与科罗拉多河流域相似, 自然环境条件恶劣，水资源空间分布不均，水资源相对短缺[3]，因此研究科罗拉多流域的水资源利用和气候条件对当地农民收入的影响，对我国黄河流域的农业发展和农民增收有一定的借鉴意义，如图1所示。

图1 美国科罗拉多流域概况[2]Fig.1 Overview of Colorado basin in USA

1 研究方法

农民收入水平的衡量，通常采用人均纯收入指标。影响农民收入增长的因素是多方面的，既有社会经济学因素，又有人口统计学因素，同时还受自然环境因素的影响[4]。本文着重研究水资源利用、气候条件等自然环境因素，农产品交易收入和养殖收入比重等经济因素，以及农民的农耕经验和教育水平等人口统计学因素对农民收入的影响。

研究中，本文采用最小二乘法对多元线性回归模型中的未知参数进行参数估计。最小二乘法是通过最小化残差平方和以确定回归模型中解释变量未知参数的方法。线性回归模型表示如下：

Yfp=f(Xw,Xc,Xf,Xd)

(1)

式中：Yfp为农民净收入；XW、Xc、Xf和Xd分别为影响农民净收益的水资源利用因素、气候条件，经济因素和人口统计学因素。

2 计量经济学模型分析

2.1 变量及数据选择

根据上述分析，我们在影响农民收入的4大因素中引入6个解释变量，分别为地表水灌溉水量占总灌溉水量的比重(CSWR)，农作物种植收入占农产品交易总收入的比重(CCRR)，农民的农耕经验(Experi)，年均降雨量(SPCP)，最高气温(STmax)和最低气温(STmin)。同时引入虚拟变量WET3，年份虚拟变量D2010和6个地区虚拟变量CA、CO、NV、NM、UT、WY。各变量的描述性统计分析表如表1所示。

本文选取2005年和2010年美国西部7个州(亚利桑那州，加利福尼亚州，科罗拉多州，内华达州，新墨西哥州，犹他州和怀俄明州)236个县的农民纯收入、农产品交易收入、农场养殖收入、地表水和地下水灌溉水量、降雨、最高气温、最低气温等数据。数据分别来源于美国劳工统计局(BEA)、美国地质调查局(USGS)和美国国家海洋和大气局(NOAA)。

2.2 模型设定

根据上述模型中引入的变量，将经验模型表示如下：

Yfp=α+β1CSWR+β2CCRR+β3CCRR2+

β4Experi+β5SPCP+β6SPCP2+β7STmax+

β8STmin+β9WET3+β10D2010+β11CA+

β12CO+β13NV+β14NM+β15UT+β16WY+e

(2)

式中：e为随机误差项，而α和β项是预估计的回归系数。

Yfp为农民纯收入，用单位灌溉水量的收入表示，美元/m3，该变量可以衡量任意灌溉水量的农民净收入。

CSWR为地表水灌溉量占总灌溉水量的比重。总灌溉水量等于地表水灌溉水量与地下水灌溉水量之和。

CCRR为农作物种植收入在农产品交易总收入中所占的比重。研究中假设农产品交易总收入等于农作物种植收入和畜牧业养殖收入之和。回归分析中，假设农民净收益与该变量成平方关系[5]。

Expri为农民的农耕经验。预计农民的农耕经验越丰富，农民收入越高。

SPCP，STmax和STmin分别为2005年和2010年作物生长季节(5-10月)的平均降水量，最高温度和最低温度。若此处3个变量采用年均降水量，年最高温度和最低温度，则消除了降水和温度的季节性变化。因此，本研究采用2005年和2010年的生长季节平均值，以反映作物生长期的实际状况。研究假设降水与农民收入之间呈现平方关系[5]，随着降雨的增加，农民收入将增加，直到达到最佳的降雨水平。超过此最佳水平，农民收入将随着降水的进一步增加而下降。

WET3为判断有无干旱发生的虚拟变量，当3个月标准化降水指数(SP03)为正值，则虚拟变量WET3等于1，无干旱发生。否则为零。当SP03小于0，则WET3等于0，区域内发生干旱。SPI标准化降水指数，是衡量旱涝程度的标准化指标。SP03表示3个月内降雨量与平均降雨量的偏离程度。

表1 变量描述性统计Tab.1 Descriptive statistics of variables

D2010为年份虚拟变量，如果数据来自2010年，则年份虚拟变量等于1，否则为零。

CA、CO、NV、NM、UT、WY表示地区虚拟变量，如果变量取值是加利福尼亚州的数据，则CA=1，如果变量取值是科罗拉多州的数据，则CO=1，同时设置亚利桑那州为参照地区，引入区域虚拟变量分析各州农民收益的变化规律。

2.3 模型估计及结果分析

本研究运用SAS统计分析软件，对2005年和2010年科罗拉多流域7个州236个县的农民纯收入进行多元线性回归分析，模型的参数估计与检验结果如表2所示。初步回归结果如下：

17.49Experi-57.20SPCP+0.68SPCP2-71.23STmax+

34.52STmin+0.14WET3-0.19D2010+0.26CA+0.70CO+

0.15NV+0.59NM+0.46UT+0.55WY

(3)

(1)水资源利用因素对农民收入的影响。从地表水比重变化来看，地表水灌溉(相比地下水灌溉)比重与农民净收入呈显著负相关关系。地表水灌溉比重每增加1%，农民纯收入减少7.75美元(约54.19元，2020年7月18日美元兑换人民币现钞买入价：1美元=6.99人民币，下同)，结果表明在科罗拉多流域的7个州内，农民采用地下水灌溉更有利于提高农民收入水平。

(2)经济因素对农民收入的影响。观察经济特征变量模拟结果发现，农作物种植收入是农民纯收入的重要决定因素，与农民纯收入呈显著正U型相关关系。当农作物种植收入占农产品交易总收入比重为41.34%时，农民纯收入最小。当农作物种植收入占总收入比重小于41.34%时，农作物种植收入比重每增加1%，农民净收入将减少1.22美元(约8.53元)。但当农作物种植收入占农产品交易总收入比重大于41.34%时，农民净收入会随着农作物种植收入的增加而增加。结果表明，如果一个地区只从事农作物种植生产或牲畜业养殖，区域内农民的纯收入将会大大提高。

表2 最小二乘法进行参数估计的结果Table 2 Results of parameter estimation by least square method

(3)人口因素对农民收入的影响。与预期不同的是，分析回归结果发现，各地区农民农耕经验的变化并没有显著影响农民的收入水平。

(4)气候因子对农民收入的影响。从降水变化来看，作物生长期平均降雨量显著影响着农民的收入水平，且呈正U型关系。当作物生长期平均降雨量小于等于42.37 mm时，农民收入随降雨量的增加而呈现下降的趋势；当平均降雨量大于42.37 mm时，降雨量每增加1 mm农民收入将增加57.2 美元(399.97元)。这主要因为科罗拉多流域以种植小麦、棉花等农作物为主[6]，在作物生长期内该流域大部分地区受季风气候的影响会出现季风集中降雨，小麦、棉花等作物产量则会随着降雨的增加而下降，从而影响农民收入。但当降雨量逐渐增加且高于平均降雨量时，则有利于提高小麦、棉花等农作物产量，从而增加农民收入[2]。

从温度变化来看，最高平均气温与最低平均气温均显著影响着农民的收入水平。但最高平均气温与农民收入呈负相关关系，最低平均气温与农民收入呈正相关关系。分析结果发现，最高平均气温每升高1 ℃，农民纯收入将减少96.2 美元(672.44元)。其原因可以从以下两方面进行分析：一方面，这意味着更高的温度可能损害农作物，或者可能迫使农民在产量达到最大值之前就进行了收割[7]。另一方面，高温可能使作物需水量增加，农民则不得不通过抽取更多的水来进行灌溉，因而增加了劳动力和灌溉成本。

(5)控制变量对农民收入的影响。随着全球气候的不断变化，科罗拉多河流域炎热和干旱现象不断加剧，农业生产和农民生活面临着巨大考验，本研究引入了判断干旱与否的虚拟变量以探求干旱与农民收入间的关系。从回归分析结果中发现，虚拟变量WET3与农民收入呈正相关关系，结果表明，干旱将显著影响农民的收入水平，当无干旱发生时，农民的收入明显提高。

年度变量与农民收入呈现显著的负相关关系，说明相对于2010年，2005年该流域内各地区农民收入较高。

区域变量中，科罗拉多州、新墨西哥州、犹他州和怀俄明州通过了5%的显著性检验，并且系数为正。结果表明，相对于亚利桑那州，科罗拉多州、新墨西哥州、犹他州和怀俄明州的农民收入更高，且科罗拉多州和新墨西哥州农民纯收入最高。

3 结 论

(1)注重水资源利用。美国科罗拉多流域中下游大部分地区处于干旱、半干旱地区，年降雨量不足100 mm，农业用水大部分依靠灌溉。从模拟结果可知，如果单纯依靠地下水灌溉则更有利于提高农民收入，但随着农业发展，地下水用量不断增加，地下水源日渐减少，部分地区州议会制定法律，限制地下水灌溉用量，防止地下水位继续下降。因此长远考虑，在保证农业生产和农业用水的前提下，采用地下水灌溉、引河灌溉以及蓄水灌溉相结合的方式，将更有利于水资源及农业的可持续发展。目前亚利桑那州的农业灌溉水源40%来源于地下水，20%来源于科罗拉多河水，其余40%依靠蓄积的春秋雨水，对于保护地下水水资源起到了显著的效果[8]。同样地，我们可以借鉴此经验，在我国黄河流域引黄灌区，实行井渠结合灌溉，通过地下水资源与黄河水资源联合运用，控制地下水位。同时，充分利用天然降水，提高降水的有效利用量，减少灌水次数和灌水定额。

(2)改进灌溉技术。为提高灌溉水利用效率，近年来科罗拉多流域开发喷灌、引进滴灌，同时创新性地研发了“巴巴里”灌溉技术，有效地减少了灌溉水量并提高农业产量。“巴巴里”灌溉，是亚利桑那大学干旱研究中心开发的一种新的灌溉方法。其设备设施比滴灌简单，且毛管径较粗，不易堵塞，节水率达60%，在干旱及半干旱地区较为适用[8]。我国黄河流域水资源短缺，但长期以来同样以大水漫灌为主，在节水技术上推广因地制宜的喷灌、滴灌、微灌等灌溉技术，同时联合水肥耦合等节水措施，有效地提高灌溉水利用效率。

(3)优化种植结构。着力培养抗旱耐旱作物品种，优化对作物生长发育各阶段需水量进行科学分析。另外，在适当减少粮食种植面积的条件下，发展高产值的经济类作物，通过发展优质蔬菜、水果和其他经济作物种植，发展高效农业，提高农业产值，增加农民收入[9]。

(4)引导农户积极应对降水和气温升高带来的影响。政府及水利部门增强抗旱设施的投入力度，积极扩大抗旱新品种的推广应用，同时大力发展节水灌溉技术，同时加强农田水利设施建设力度，提高农田水利设施的抗灾能力。保护和增加农民收入是我国各项农业政策的核心。本文从水资源利用、气象条件、人口经济因素等几方面分析了影响美国科罗拉多河流域七大州农民收入的主要因素，并根据得到的结论提出提高农民收入的建议和措施，并以此为借鉴，从政策、制度等多方面分析得出对我国农业发展和农民增收的启示。