环洞庭湖农业种植区水资源环境效率空间差异研究

邓丽萍，邓正华，汤小红，杨玉梅

（湖南理工学院 经济与管理学院，湖南 岳阳 414000）

一、引言和文献回顾

2018年4月，习近平视察洞庭湖华龙码头时提出做好长江（洞庭湖）水生态保护和修复工作，守护好一江碧水。2019年国家发展改革委与水利部出台《国家节水行动方案》，强调以大力推进农业节水灌溉和优化调整作物种植结构为重点措施，促进农业节水增效，提高农业水资源的利用效率。受长江上游三峡工程水量调蓄影响，近年来洞庭湖流域出现湖泊萎缩、水沙失衡和调蓄功能下降的问题，水生态与水环境问题凸显[1]。作为中国重要的水稻主产区，洞庭湖区（洞庭湖平原、湘资沅澧等支流流域）2019年粮食灌溉用水191亿立方米，占全年总用水量的63.6%；废水总氮、总磷排放量分别达3.4万吨和0.19万吨，农业废水总氮总磷是洞庭湖水环境污染的主要来源。由于环洞庭湖区主要农业用地类型经济效率、水资源利用、湿地或林地生态资源差异，不同农业用地类型的环境效率存在空间差异[2]，因此在保证洞庭湖区粮食有效供给和适当的经济回报的条件下，提高粮食生产农业水资源利用的环境效率是当前亟需解决的问题。本研究选用基于方向距离函数的Luenberger生产率模型研究环洞庭湖16个县（市、区）4种种植模式农业水资源利用的经济回报与环境压力之间的权衡关系，深入探讨不同区域的农业水资源利用的环境效率空间差异，为洞庭湖区种植业结构调整、农业水资源利用提供决策依据，对维护洞庭湖区粮食安全和水生态安全具有现实指导意义。

环境效率的研究最早由Schaltegger和Sturm在1990年首次提出，环境效率包含经济与环境两个维度，其核心思想是追求经济价值最大化同时，实现环境影响程度的最小化。现有文献主要采用生命周期评价法、投入产出模型、CGE模型、DEA模型等方法研究环境效率评价。Chambers、Chung等在谢波德距离函数基础上，引入方向性距离函数，创造性地将曼奎斯特生产率指数发展成为曼奎斯特－卢恩伯格生产率指数[3-4]；刘渝等利用DEA模型对湖北省所辖的17个市、州农业水资源效率进行排序，并且具体分析了相关地区水资源利用效率水平低下的原因所在[5]；Fuji将非期望产出因素结合Luenberger环境指标，用来测算中国钢铁行业的环境敏感性生产率[6]；廖虎昌等运用DEA-Malmquist指数方法对西部12省2007年和2008年的水资源利用效率进行分析和评价，然后应用Malmquist指数方法对1999—2008年西部12省的序列数据进行了分析[7]；马海良等利用DEA模型，测算出各省全要素水资源利用效率，通过Malmquist指数测算出技术效率、技术进步和全要素生产率，测度了技术效率和技术进步对水资源利用效率的影响[8]；刘金萍基于Luenberger指数分析我国工业行业二氧化碳排放绩效[9]；李谷成等在中国省级面板数据的基础上，采用以方向性距离函数为表述的全要素生产率模型对考虑环境影响的技术效率进行了重新排名[10]；李小胜等基于Luenberger指数分析中国碳排放效率与全要素生产率[11]；张强基于Luenberger指数法研究中国交通运输业碳排放效率[12]；何吾洁等SBM-DDF模型和Luenberger指数测算绿色税收对制造业绿色转型的效应[13]。

国内外学者在全要素生产率框架下采用DEA-Malmquist-Luenberger模型对环境效率变化研究，把生态和经济两个系统的相互联系纳入统一的分析框架，揭示了农业资源利用、农业发展与生态环境三者所构成的复合系统的发展规律。Chambers、Chung等提出的Luenberger生产率指数既可以用来估计生产单元在一段时间内环境效率变化，也可以单独使用评价系列生产单元的环境效率差异。Malmquist-Luenberger模型是一个基于比率的指数，主要用于评估生产单元的环境效率变化。Luenberger生产率指数是一个基于差异的指数，由于各地区水资源供给、种植结构以及污染排放总量存在差异，各地区农业经济效率和环境效率可能存在较大差异，目前鲜有文献运用Luenberger指数模型研究某一区域主要种植模式农业水资源环境效率空间差异问题。

本研究选用2019年环洞庭湖区不同种植模式的水资源投入总量、生产费用（不含水）作为投入指标，选用不同种植模式收入总额、农业废水氮磷排放总量作为产出指标,采用基于方向距离函数Luenberger环境生产率指数模型计算2019年环洞庭湖区16个县（市、区）4种典型种植模式的环境效率，确定16个县（市、区）4种典型种植模式最小环境效率得分值的（市、区）作为参考单元，将其他不同地区的生产单元环境效率与同一参考单元进行比较，比较分析环洞庭湖区不同种植模式的相对环境绩效（LEI）。

二、研究区域和数据来源

（一）研究区域

洞庭湖是我国第二大淡水湖，素有“长江之肾”的美誉，是长江流域重要的调蓄性湖泊，在调节长江径流、维护生态平衡、保护生态多样性和促进区域发展等方面具有重要的作用。洞庭湖区位于湖南省北部、长江中游荆江南岸，处在东南季风和西南季风交错地带，总流域面积为25.72万平方千米，境内雨水充沛，河网密集，年平均降雨量1 200～1 450mm。本研究以湖南省环洞庭湖区岳阳、常德、益阳3市16个县（市、区）作为研究区域，2019年3市16县水稻种植面积1 562×103hm2，占湖南省粮食作物总种植面积31.2%，水稻总产量818万吨，占湖南省水稻总产量的33%，一季稻+油菜，一季稻+龙虾，双季稻+冬闲，一季稻+蔬菜等是环洞庭湖区的主要种植模式。环洞庭湖区典型农业县（市、区）如图1所示。

图1 环洞庭湖区典型农业县（市、区）

（二）数据来源

1.基础数据

环洞庭湖区种植业投入产出基础数据来源于2019年《湖南农村统计年鉴》《湖南省水资源公报》以及岳阳市、常德市和益阳市3市的水资源公报。

2.微观调查数据

2020年10月，湖南岳阳乡村发展研究中心通过专家座谈和实地调查等形式，广泛收集了环洞庭湖区土地利用类型、主要种植模式农业生产情况、地质、水文以及农业面源污染的现状等资料。

3.指标选取与数据说明

借鉴文献研究成果[3,7]，结合洞庭湖区农业用水情况、不同种植模式的投入产出以及农业面源污染状况，遵循数据的可获取和可操作性原则，模型选取水资源利用量、生产成本作为主要投入指标，选取收入总额作为合意产出，农业废水氮磷排放总量作为非合意产出。主要投入指标选取单位面积4种主要种植模式下环洞庭湖区各县域的农业用水量，除灌溉用水成本的其他投入作为生产成本投入（生产成本包括土地流转费、人工费、水电费、土地耕整、收割机械、烘干费用以及种子、农药、肥料等生产资料的费用）。根据湖南省洞庭湖生态环境监测中心提供的洞庭湖水环境检测报告，洞庭湖农业水环境污染主要体现为氮磷排放总量超标，因此本研究非期望产出指标主要选取单位面积农业废水氮、磷排放总量指标，用氮、磷排放量指标来衡量农业面源污染对水环境的压力。洞庭湖区主要种植模式投入产出指标及其均值见表1。

表1 主要种植模式经济变量和环境变量的平均值

三、区域方向性环境距离函数的生产率模型（DEDF模型）

数据包络分析法（DEA）是由美国运筹学家Charles等于1978年根据Farrel的非参数分析理论提出的一种系统分析方法，主要原理是在保持决策单元（DMU）的输入和输出不变的情况下，借助数学规划将决策单元（DMU）投影到前沿面上，然后通过比较DMU距离前沿面的远近程度来评价他们的相对有效性，数据包络法无需事先确定函数关系，采用非主观赋权的方法从而避免了主观DMU距离因素的影响，且不用考虑输入和产出的量纲，就能实现多投入多产出的水资源利用效率测度，很好地克服了主成分分析法和随机前言法的缺点。

Chambers等提出的Luenberger生产率指标是基于方向距离函数构造的，在效率模型中使用方向距离函数使我们能够测量生产单元的效率，同时考虑了生产技术的理想输出和不理想输出[1]。生产可能性集合p(x)满足4个条件：闭集和凸集、投入与“好”产出可自由处置性、联合弱可处置性以及零结合性。假设我们研究的对象包括k个生产单位的样本，每个单位使用一个输入向量,产生一个期望输出向量,非期望产出，β表示期望产出增长与非期望产出最大可能值。本研究的方向距离函数以地区为单位，以2019年环洞庭湖16县（市、区）截面数据代替时间序列数据，a区域的方向距离函数可以写成：

时期t和时期t+1的Luenberger生产率指数的表达式为：以a区为参照，b区以产出为导向的Luenberger环境指标表示为：

Luenberger环境指标四个组成部分的计算公式可表示为：

Luenberger环境指标的其他分量可以用以下线性规划模型来估计。

上述四个线性规划给出的是在规模报酬不变下的情形，研究对象包括16个决策单元，每一个决策单元有两个投入向量，一个期望产出向量，一个非期望产出向量，β为目标函数值，即方向性距离值，变量zk(k=1,...,K）是强度变量，它们表示在构建生产可能性边界时分配给单个观测值的权重。将上述四个线性规划方程的计算引入Luenberger环境指数的表达式，可以计算环洞庭湖典型生态区的四种主要种植模式的相对环境效率。

Luenberger环境指标（LEI）方法估算了环洞庭湖区主要种植模式的环境效率得分，使用数据包络分析DEA计算效率得分，使用传统的Luenberger生产率指标估计的结果可以是正的也可以是负的，正号表示生产率提高和大部分效率提高，负号表示生产率和效率随时间的推移而下降，与传统的Luenberger生产率指标不同，本研究中的Luenberger环境指标不产生负值，因为不同地区与一个参考单位（各地区表现最差的地区为参考单位）进行比较，Luenberger环境指标的正值意味着给定地区灌溉企业的的环境效率大于参考地区的环境效率。通过DEA对各地区的四种种植模式的效率值进行计算，应用DEA软件对16个县域每种种植模式的效率进行计算，结果如表2所示，选取华容县的一季稻+油菜、汉寿县的一季稻+龙虾、桃江县的一季稻+蔬菜、赫山区的双季稻+冬闲，作为各地区进行环境效率比较的参考单元。

表2 参考县域种植模式环境效率值

四、计算结果及分析

采用基于方向距离函数的Luenberger环境生产率指数模型，由公式（3）—（7）计算2019年环洞庭湖区16个县（市、区）4种典型种植模式的环境效率（表3），再估算2019年环洞庭湖区16个县（市、区）整体环境效率排名（表4）。实证研究结论如下：

表3 环洞庭湖区16县4种典型种植模式的环境效率的得分值

表4 环洞庭湖区16县整体环境效率排名

第一，环洞庭湖16个县（市、区）4种典型种植模式环境效率（LEI）存在明显差异。一季稻+油菜种植模式相对环境效率较好的是平江县和湘阴县，其环境效率得分值分别为0.943和0.916。一季稻+龙虾种植模式相对环境效率较好的是湘阴县和南县，其环境效率得分值分别为0.972和0.912。一季稻+蔬菜种植模式相对环境效率较好的是君山区和湘阴县，其环境效率得分值分别为0.923和0.906。双季稻+冬闲种植模式相对环境效率较好的是澧县和临湘市，其环境效率得分值分别为0.764和0.726。某一种植模式在特定县域LEI值较高，在其他县域则相对较低，LEI得分值高的县域，在不造成更大规模环境破坏的情况下，可以通过扩大种植规模获得可观的经济收益，拥有低LEI分值的县域造成相对较大的环境压力或产生相对较低的经济回报。

第二，各县（市、区）整体环境效率（LEI）依次为湘阴县＞临湘市＞平江县＞汨罗市＞岳阳县＞赫山区＞汉寿县＞桃江县＞临澧县＞君山区＞华容县＞澧县＞南县＞沅江市＞津市市＞安乡县。受三峡水库蓄水库大坝清水下泄，长江中下游河道全线冲刷，上荆江河床下切水位降低，四口流域入湖径流量明显减少，农业用水供需矛盾比较突出，加之农药化肥等农用物资的过量使用等因素影响，四口河岸地区环境污染严重，农业水资源相对环境效率较低。近年来湘、资、沅、澧、汩罗江等流域入湖径流量水量未出现明显变化，农药化肥等农用物资使用量没有明显增加[14]，此外，湘阴县、临湘市、平江县、汨罗市、岳阳县、赫山区、汉寿县、桃江县和临澧县生态资产及水资源总量较四口河岸地区丰富，总体农业水环境压力较小，相对环境效率（LEI）较高。

五、结论及政策建议

（一）结论

选用2019年环洞庭湖区不同种植模式的水资源投入总量、生产费用（不含水）作为投入指标，选用不同种植模式收入总额、农业废水氮磷排放总量作为产出指标，应用基于方向距离函数的Luenberger环境生产率指数模型，估算洞庭湖区典型种植模式及各县（市、区）相对环境效率，表3和表4的结果表明：第一，环洞庭湖16县（市、区）4种典型种植模式环境效率（LEI）存在明显差异。一季稻+油菜种植模式相对环境效率较好的是平江县和湘阴县；一季稻+龙虾种植模式相对环境效率较好的是湘阴县和南县；一季稻+蔬菜种植模式相对环境效率较好的是君山区和湘阴县；双季稻+冬闲种植模式相对环境效率较好的是澧县和临湘市。第二，四口河岸地区农业水资源相对环境效率整体偏低。环洞庭湖区16县（市、区）农业水资源利用的环境效率依次如下：湘阴县＞临湘市＞平江县＞汨罗市＞岳阳县＞赫山区＞汉寿县＞桃江县＞临澧县＞君山区＞华容县＞澧县＞南县＞沅江市＞津市市＞安乡县。

（二）政策建议

1）实施湖区种植业农药化肥减量增效。省级农业、商务主管部门严格洞庭湖粮食主产区农药化肥使用质量标准，联合制订农药化肥市场准入清单；市县级农业部门牵头实施测土配方施肥和农作物病虫害统防统治与全程绿色防控，积极引导环洞庭湖区种田大户、农业合作社和家庭农场等新型农业经营主体采用绿色高效农业生产方式。

2）优化湖区水稻+种植模式。按照绿色优质、生态高效的现代农业发展要求，在四口流域水资源供需矛盾突出、环境效率得分值较低的县市区，明确基本农田区域土地利用优先序，适量控制稻渔种植模式，继续推广水稻+油菜、水稻+蔬菜、双季稻+冬闲种植模式。在环洞庭湖丘岗地区，积极开展水旱轮作及旱杂粮生产试点。

3）加强四口流域水利工程建设。争取将四口流域水利专项整治工作纳入国家长江流域水资源与水环境综合治理工程，疏挖松滋河、虎渡河、藕池河和华容河主干河道，增加和恢复四口流域入湖径流量，减少主干河道断流时间；实施湖区垸内沟渠清淤疏浚工程，恢复垸内河湖沟渠连通性和输水能力，解决水流不动、不畅及淤积严重的问题。

4）推进高标准农田节水灌溉。坚持“集中连片、设施完善、农电配套、生态良好”的建设原则，坚持用规划引领建设，做到湖区高标准农田建设工程规划设计与规模经营、种植业结构调整、产业转型发展、美丽乡村建设相结合，放大高标准农田项目建设效益。按照《湖南省高标准农田建设总则》地方标准，加大洞庭湖区高标准农田和节水灌溉设施建设项目倾斜和资金支持力度，制定洞庭湖河网平原高标准农田灌溉与给排水工程建设标准，充分合理利用水资源，实现洞庭湖河网平原高标准农田建设规范化生态化。