黄河流域农业高质量发展中水土资源优化配置研究*

刘 静，梅旭荣，连煜阳，薛 莉※

（1.中国农业科学院农业经济与发展研究所，北京 100081；2.中国农业科学院，北京 100081；3.国家统计局北京调查总队，北京 100054）

0 引言

黄河流域是我国重要的生态屏障和农业生产基地，也是脱贫攻坚与乡村振兴衔接的重点区域，推进黄河流域生态保护和高质量发展，事关我国经济社会发展和生态安全，事关黄河沿岸人民美好生活愿望的实现，是党中央回应社会重大关切，保障黄河长治久安做出的重要部署。黄河流经的9个省区，流域总人口4.2 亿，占全国30.3%；地区生产总值23.9 万亿元，占全国26.5%；全域涉及多个国家重点生态功能区及农产品主产区，粮食和肉类产量约占全国1/3，推动黄河流域农业高质量发展是实现黄河流域生态保护和高质量发展的题中应有之义，也应成为践行黄河流域生态保护和高质量发展的首善之举。

实现黄河流域农业高质量发展，首先要深刻把握质量的问题。从内涵上来说，高质量发展是更好满足人民不断增长的物质文化需求的生产方式、结构、动力状态[1]。从外延上来看，黄河流域高质量发展不仅要提高农业生产体系的产品质量和效率，更要保障生态环境和可持续发展。当前，农业高质量发展的根本矛盾仍然是农业资源利用与生态环境脆弱性的矛盾。由于黄河流域上中下游自然条件和农业资源分布的巨大差异，解决农业高质量发展问题需要在保护生态环境的底线上进行全域统筹，直面农业资源的刚性约束，按照习近平总书记的要求，“从实际出发，宜水则水、宜山则山，宜粮则粮、宜农则农，宜工则工、宜商则商，积极探索富有地域特色的高质量发展新路子”。

水资源是黄河流域农业高质量发展的重要支撑，也是制约黄河流域经济社会可持续发展的最大短板之一[1]。黄河流域大部分处于干旱与半干旱地区，水资源条件先天不足，加之数千年来对水资源的大规模开发利用，使得黄河流域的地表植被、水资源数量以及生态环境问题日益加剧，已经超出了流域的生态环境承载力，水资源保障形势严峻。黄河流域总人口占全国的30%，但黄河流域水资源总量仅为全国的2%，人均占有量仅为全国平均水平的27%，而水资源开发利用率高达80%，远超一般流域40%的生态警戒线。水资源利用较为粗放、农业用水效率不高是推进黄河流域农业高质量发展亟待解决的问题。

坚持“以水而定、量水而行”，着力实现水资源的合理配置和高效利用是黄河流域推进农业高质量发展的原则遵循。在水资源成为农业发展刚性约束的现实条件下，水土资源优化配置是实现农业高质量发展的基础，也是破除农业高质量发展难题的一剂良方，如何实现农业生产水土资源的优化配置是值得研究的关键问题。回答这一问题对于黄河流域水资源优化利用，特别是黄河上游生态脆弱地区水资源节约高效利用具有重要的现实意义。经典农业生产函数中，水资源是外生给定且无限供给的，进入生产函数的只是土地、劳动力和资本，尤其是土地资源优化利用决定着整个农业生产制度的选择。在这样的基础上，经济学家认为土地资源优化是传统农业生产的决定性因素。但是，对干旱地区而言，水资源的稀缺性凸显，成为决定农业产量最为重要的生产要素，这一特征意味着，水资源必须作为内生变量纳入生产函数，农业资源的优化配置问题，需在水资源刚性约束下加以考量。文章选择以水资源刚性约束最为凸显的黄河流域上游宁夏北部到河套地区同属干旱半干旱草地荒漠过渡带M 县为例。该县年降水量均不足200mm，平均海拔基本在1 000~1 400m，戈壁荒漠面积比重大，年均气温7~9℃，地势平坦，农业灌溉条件优越，人均耕地面积在0.3hm2以上。与M 县水土资源气候条件类似区域约占黄河上游流域面积的50%，总流域面积的1/4，M 县是黄河流域干旱半干旱地区的典型代表。该文运用M 县1 933 份农户实地调研数据，重点聚焦黄河流域农业高质量发展中水土资源优化配置问题，按照政府管控与市场调节相结合的资源配置研究思路，考虑采取调整配水方案与调整水价提高水资源利用效率，对农业用水方案调整和节水潜力进行情景分析与测算，为落实黄河流域生态保护与高质量发展战略提供实践路径。

1 文献回顾

黄河流域的生态保护与经济发展问题历来备受关注，特别是随着黄河流域生态保护和高质量发展确立为国家重大发展战略，围绕黄河流域高质量发展的学术研究不断深入。现有研究重点探讨了黄河流域高质量发展的内涵、面临的突出问题及推进方略。

1.1 黄河流域高质量发展内涵

黄河流域高质量发展的内涵丰富，主要包括3个层面：一是经济增长的稳定性。高质量发展意味着在继续壮大经济总量的同时，更要提升经济增长的质量和效益[1]，从而保持经济增长的稳定。随着市场的逐渐饱和，稳定的经济增长需要进一步优化经济结构，充分利用资源配置的效率[2]。经济的内在驱动力不应只是粗放式的投入，更要通过科技创新提升技术效率，补充新的经济增长点[3]。二是社会发展的均衡性。黄河流域高质量发展的基本特征是全面兼顾，需要全域视角下的统筹协调发展[1]。过往以行政区域为地理单元的发展存在一定局限性，产生了广泛的发展不均衡的问题。因此，以自然地理或生态系统为单元的发展对于均衡发展有重要的意义。就黄河流域来说，均衡的社会发展需要进一步发挥地区比较优势，“宜山则山、宜水则水”，积极探索地区特色的高质量发展道路[4]。三是生态环境的可持续性。保持良好的生态环境是黄河流域高质量发展的根本保障，也是市场经济发展的刚性约束[5]。一个基本的理念导向是，黄河流域的高质量发展要从工业文明过渡到生态文明，关注人和社会关系的同时，还要关注人与自然的关系[6]。也即，市场经济的生产要素不仅包括传统的土地、劳动力、资本，还要囊括生态生产要素，并正视其稀缺性。由于生态保护通常难以通过市场机制来实现，黄河流域市场经济的发展也依赖公共经济的发展[7]。

1.2 黄河流域高质量发展面临的水土资源问题及水土资源优化配置研究

黄河流域高质量发展面临资源刚性约束、空间开发失调、基础设施与中心城市发展滞后、产业关联不足、治理效率低下等多重制约[6]。黄河流经的地区多为干旱半干旱地区，水资源量有限，而生态建设、经济发展、生活用水需求呈不断增长趋势，特别是水资源支撑生态修复和环境保护的需求凸显，现有水资源配置格局难以满足新需求，导致水资源供需矛盾突出[7,10]。除先天不足的资源性缺水问题外，黄河流域水资源还存在后天失养的问题，水资源利用粗放，水量调度效率不高，用水结构和方式不合理，水资源过度开发，超过国际生态警戒线，现有分水方案对水资源衰减状况考虑不足，工农业和生活用水对生态用水造成严重挤压，生态用水保障不足，严重威胁全流域生态环境保护和可持续发展[6,8,11]。

此外，学界在水土资源优化配置研究方面已形成了大量研究成果，对该文展开“黄河流域水土资源优化配置研究”具有重要借鉴意义。水土资源优化配置的研究方法经历了较长的发展历程，最初的研究方法多为单一的数学规划法，主要有动态规划法[12]、随机动态规划[13]、线性规划[14]、机会约束线性规划[15]、非线性规划[16]。随着1982 年在美国举行的“水资源多目标分析”会议和1987 年“可持续发展”概念的提出，多目标规划被相继用于水资源优化配置中以协调经济、社会、环境、生态等系统的发展[17]，常见的多目标优化方法有目标权重法、灰色分析法、妥协约束法、熵权系数法、模糊优选理论、有序度熵模型、进化算法等[18-20]。随着计算机技术的飞速发展，新的优化算法应运而生，包括粒子群算法[21]、遗传算法[22]、人工鱼群算法、模拟退火算法[23]、蚁群算法[24]等。农业水土资源优化配置问题涉及到自然条件、水土资源开发利用的政策要求、国家和地区的经济发展、生态环境改善等，含有大量的不确定性因素，运用不确定性的优化理论进行研究是较为合理的做法。现有研究多以典型地区案例为载体，利用不同的方法对水土资源优化配置进行测算。Huang[25]研究团队开发了一系列水土资源优化配置多重不确定性模型及相应解法；Li 等[26]根据灌区实际情况，详细阐述如何利用ITSP 模型对各作物进行优化配水，并将整合的模糊随机规划方法应用于灌溉水量优化配置实例研究中；张展羽等[27]在人工鱼群算法的基础上，利用多阶段人工鱼群算法对建立的农业水土资源优化配置模型进行求解；雷鸣等[28]应用多元优化模型及遗传算法，在土地面积、宏观计划约束、粮食产量约束、市场约束等条件下，追求流域水资源平衡，同时保障粮食产量最大化，得到黄淮海平原区土地利用结构优化方案；李茉[29]以黑河中游绿洲为研究对象，构建适合不同尺度的农业水土资源优化配置不确定性模型体系并探讨其解法；赵建明[30]以民勤县3个灌区为研究对象，从水资源合理利用的角度出发重点研究灌区尺度多要素协同提升的农业水资源优化配置方法与模型。

1.3 推进黄河流域高质量发展的对策

生态环境脆弱和资源环境的高负载是黄河流域的基本态势，流域整体水资源匮乏将是常态，节约高效用水既是当前面临的突出问题，也将是长期存在的严峻形势[31]。破解黄河流域生态保护和高质量发展的关键在于实施好水战略，做好水资源的保护、水生态恢复、水环境改善、水灾害治理以及水监管[9]，平衡好保护和发展、当前和未来，以及区域与行业间的需求[32]。促进黄河流域水资源合理利用需要多管齐下：一是统筹考虑生产、生活、生态用水以及地下水资源的分配，既要保障产业发展的合理需求，又要预留足够的生态需水，根据资源环境承载力及生态修复保护的需求，调整现有黄河水资源配置方案，优先保障生态用水[10,11,33]。二是大力发展节水产业和技术，推进精准深度节水，特别是农业节水[7,8,10]，提高粮食、能源行业的全要素生产率，减少水资源浪费[2]，推动用水方式由粗放向节约集约转变。三是建立水权交易制度，制定差异化的水价体系，提高水资源利用效率[4,11,32]。四是实施最严格的水资源管理制度，抑制不合理用水需求[6]；加强黄河流域的空间管控，调整种植业结构，提高水土资源开发效率，实现资源优化配置[34]。五是协调好人地关系[4]，实施资源型调水，以及防范水资源环境风险[6]。六是以区域功能确定水资源利用模式，推行适水发展，上游地区承担着水源涵养生态功能，要重点强化生态治理，中下游地区重点治理水土流失、环境污染等问题，提升重点城市群和区域的高质量发展水平[5,6,8,32]。七是推动节水目标下农业水价改革，创新农业水价定价模式，推动多方参与水价形成机制，加强水费收缴管理，实现水价节水激励机制[35-38]。

现有研究围绕黄河流域高质量发展面临的形势与问题，重点从宏观层面提出了生态保护和高质量发展要求下黄河流域发展策略。基于现有研究的分析，可以明确黄河流域高质量发展的最大瓶颈是水资源，实现水资源的合理利用是推动黄河流域高质量发展的首要任务。现有研究结论提示，促进水资源合理利用的着力点可以聚焦于两方面，一是合理调度水资源，匹配黄河流域面临的形势与高质量发展的新要求，调整生产生活生态配水方案，优化水资源配置；二是节约高效利用水资源，发挥市场调控作用，转变水资源粗放利用方式，抑制不合理用水需求。推进黄河流域高质量发展，做好水的文章是关键，现有研究基于宏观层面的分析为黄河流域高质量发展把脉定调发挥了积极作用，但怎么利用好有限的水资源？针对黄河流域生态保护和高质量发展的要求，如何调整水资源配置？具体实践层面的研究较为欠缺。特别是在黄河流域生态治理紧迫性凸显，生态用水需求强烈的形势下，如何发挥各行业的节水潜力，为生态用水提供更大的空间是迫切需要研究的问题。

2 模型设定与数据来源

2.1 模型设定

农业水土资源的优化问题已有较为丰富的研究，但大多是将水资源优化配置和土地资源优化配置两者分开进行研究，研究学者多为水利工程相关专业，主要从水土资源管理角度，构建水土资源优化配置模型，研究方法多为工程管理领域应用的计量方法。该文从经济学角度切入，基于柯布-道格拉斯生产函数，根据农作物生产单方用水收益最大化实现条件，推导出“以水定土、以土量水”的水土资源优化模型。在对其进行实地调研的基础上，计算主要农作物成本收益，测算不同配水方案及水价情景下，农作物的最优种植面积，同时，测算不同节水目标下，农作物种植面积的调整策略，以期为黄河流域水资源合理规划、种植结构优化布局提供决策参考。

2.1.1 农作物生产模型

对每种农作物生产，目标就是在给定生产用水价格和产品价格的条件下，如何合理调配生产用水及其他投入品的用量，使生产达到最优。

满足：

式（1）（2）中，i表示第i种农作物；v表示生产用水价格；mi表示第i种农作物生产用水量；wi表示用于第i种农作物的除生产用水以外所有其他投入品的综合价格；si表示用于第i种农作物的除生产用水以外所有其他投入品的单位面积用量；Ei表示第i种农作物的单位面积生产支出；Fi（vmi，wisi，Ei）表示第i种农作物的单位面积产量函数；fi(mi，si)表示第i种农作物的单位面积产量。

为简单起见，假定用于各种农作物的生产用水价格相同，每种农作物生产中除生产用水以外所有其他投入品归纳为一种投入品；每种农作物的生产函数简化为生产用水量和其他投入品用量的函数，并进一步假定生产函数为柯布-道格拉斯函数，函数形式为：

此时，该规划问题变为：

满足：

一阶导数条件为：

式（5）（6）相除，可得：

即：αi与βi之比，等于单位面积生产用水支出与其他投入品支出之比。不失一般性，进一步假定αi+βi= 1，即规模报酬不变（constant return to scale），则αi即为生产用水支出的比重，βi即为其他投入品支出的比重。

从一阶导数条件，可得：

2.1.2 农作物总产模型

对于所有在生产过程中使用水的农作物，目标就是给定生产用水使用总量，如何合理调整生产用水价格和各个作物的种植面积，在各种作物之间合理地分配生产用水量并使农作物生产单方用水收益最大。

约束条件为：

式（11）至（13）中，M表示生产用水量；pi表示第i种农作物的市场价格；Ai表示i种农作物的总面积。

根据Fi(v，wi，E)函数的形式，问题可变为求解：

约束条件为：

则拉格朗日方程为：

得一阶导数条件：

γ为生产用水量对农作物生产的影子价格，即约束条件式（17）的松驰对农作物生产总收益的边际贡献值。根据式（20）和式（22），γ与生产用水限量、每个作物的种植面积、每种农作物的生产支出成反比，与生产用水的市场价格成正比，与所有作物生产用水支出的比重之和成正比，但与单个作物的生产用水支出的比重成反比。据此得出：放松对生产用水量的控制对农作物生产总收益的边际贡献值随生产用水量的递增而递减，随每个作物的种植面积递增而递减，随每个作物的生产支出递增而递减，也随每个作物的生产用水支出的比重递增而递减；放松对生产用水量的控制对农作物生产总收益的边际贡献值随生产用水的价格递增而递增，也随所有作物生产用水支出的比重之和递增而递增。

根据式（20）和式（22），可得：

式（25）给出了生产用水量M、每种作物的种植面积Ai、生产用水价格v、每种农作物的生产支出Ei、每种农作物生产用水支出的比重αi和所有作物生产用水支出的比重之和的关系。据此关系式，可以根据不同的条件，给出相应的农作物最优用水方案和最佳种植面积方案。

进一步考虑生产用水价格的影响，根据式（25），用每种作物的播种面积对生产用水价格求导，并进行类似的“斯拉茨基分解”为：

2.2 数据来源

依据上述模型计算方法，测算每种农作物最优生产规模，需要每种农作物详细的生产成本投入和效益数据。为了掌握真实有效数据，保证模型测算结果，该研究将调查问卷分为大田作物、设施作物和种草养畜三大类，在该县17个乡镇共收集农户调查问卷1 933份，表1详细列出了每个乡镇大田、设施和种草养畜的问卷数。大田作物问卷894份，主要涵盖小麦、玉米、葵花、茴香、西瓜、葫芦（白瓜籽）；设施作物问卷517 份，主要涵盖蕃茄、人参果、蜜瓜、西瓜、沙葱、小乳瓜、辣椒、西葫芦等13 种农作物；种草养畜问卷520 份，苜蓿种植245 份，养羊273 份，养牛2 份。问卷作物分布详细情况见表2。

表1 M县各乡镇问卷分布

表2 M县作物问卷分布

3 实证结果与分析

3.1 设施作物与大田作物成本收益

根据农户调查数据，M县设施作物主产品单产水平为79 277.85kg/hm2，大田作物主产品单产水平为9 113.25kg/hm2；设施作物单位面积总收入达25.52 万元/hm2，大田作物单位面积总收入为3.86万元/hm2，设施作物单位面积收入约为大田作物的6.61 倍；设施作物单位面积收益为14.03 万元/hm2，大田作物单位面积收益为2.39万元/hm2，设施作物单位面积收益约为大田作物的5.87 倍；设施作物单位面积成本为11.48 万元/hm2，其中，水费支出占总成本的2%，种苗费占总成本的22%，肥料费占总成本的25%，大棚及设备折旧费占总成本的24%；大田作物单位面积成本为1.47 万元/hm2，其中，水费支出占总成本的25%，种苗费占总成本的11%，肥料费占总成本的25%。设施作物总用水量为6 123.45m3/hm2，大田作物总用水量为9 210.3 m3/hm2，大田作物用水量约为设施作物用水量的1.5 倍；设施作物单方水收入为41.67 元/m3，大田作物单方水收入为4.19 元/m3，设施作物单方水收入约为大田作物的9.9 倍；设施作物单方水收益为22.92元/m3，大田作物单方水收益为2.60元/m3，设施作物单方水收益约为大田作物的8.8倍（表3）。

表3 M县设施作物和大田作物成本收益

3.2 多情景最优种植规模测算

M 县灌溉水源主要来自于渠灌和井灌，其中，渠灌水价为0.35 元/m3，井灌水价为0.43 元/m3。M县农田灌溉配水总量为21 962 万m3，其中，设施作物配水量为1 838.85 万m3，大田作物配水量为20 123.15万m3。

情景一：以M 县现状为基准，保持现行水价及配水方案不变。在当前农田配水总量下，根据单方水收益最大化实现条件，计算得出，设施作物种植面积为1.10 万hm2，单位面积用水量为1 670.55m3/hm2；大田作物种植面积为7.27 万hm2，单位面积用水量为2 769m3/hm2；即总种植面积为8.37 万hm2时，单方水收益达到最大值，其中，设施作物单方水收益为85.14 元/m3，大田作物单方水收益为9.61 元/m3（表4）。测算结果显示，实际用水量远大于单方水收益最大化的用水量，其中，设施作物实际用水量比单方水收益最大化的用水量高4 452.90m3/hm2，大田作物实际用水量比单方水收益最大化的用水量高6 441.3m3/hm2；而实际单方水收益显著低于最优单方水收益，其中，设施作物实际单方水收益比最优收益低62.22 元/m3，大田作物实际单方水收益比最优收益低7.01 元/m3。通过对比可看出，实际农业生产中存在水资源低效利用，或在同等收益下，过量投入水资源的问题，M 县具有较大节水空间和水资源利用效率提升空间。以水资源节约利用为目标，农田灌溉配水量依次减少20%、30%、50%，计算实现单方水收益最大化，设施作物和大田作物适宜的种植面积。结果显示，设施作物种植面积调减至0.88万hm2，大田作物种植面积调减至5.81 万hm2，总种植面积减少至6.69 万hm2时，农田灌溉配水量可减少20%；设施作物种植面积调减至0.77 万hm2，大田作物种植面积调减至5.09 万hm2，总种植面积减少至5.86 万hm2时，农田灌溉配水量可减少30%；设施作物种植面积调减至0.55 万hm2，大田作物种植面积调减至3.63 万hm2，总种植面积减少至4.18 万hm2时，农田灌溉配水量可减少50%，同时，可保证原收益水平不变。

表4 情景一不同配水量最优种植规模测算

情景二：保持M县现行水价不变，改变配水方案，使设施作物配水量增加一倍，由目前的1 838.85万m3增加为3 677.7 万m3；大田作物配水量由20 123.15 万m3减少至18 284.3 万m3。在现行农田配水总量下，根据单方水收益最大化条件，计算设施作物与大田作物合适的种植面积。此时，设施作物种植面积增至2.20 万hm2，大田作物种植面积下降至6.60 万hm2，总种植面积比基准水平①以情景一现状水平为基准增加至8.80 万hm2（表5）。按照情景二的配水方案，农田灌溉配水量依次减少20%、30%、50%，计算实现单方水收益最大化，设施作物和大田作物适宜的种植面积。结果显示，在该配水方案下，设施作物种植面积比基准面积调增至1.76万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至5.28万hm2，总种植面积比基准面积减少至7.04万hm2时，农田灌溉配水量可减少20%；设施作物种植面积比基准面积调增至1.54万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至4.62 万hm2，总种植面积比基准面积减少至6.16 万hm2时，农田灌溉配水量可减少30%；设施作物种植面积保持基准面积1.10 万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至3.30 万hm2，总种植面积比基准面积减少至4.40万hm2时，农田灌溉配水量可减少50%，同时，仍可保证总收益水平不变。

表5 情景二不同配水量最优种植规模测算

情景三：保持M 县配水方案不变，水价提高一倍，渠灌水价由0.35 元/m3提高至0.7 元/m3，井灌水价由0.43元/m3提高至0.86元/m3。在现行农田配水总量下，根据单方水收益最大化条件，计算设施作物与大田作物合适的种植面积。此时，设施作物的种植面积减少至0.68万hm2，大田作物的种植面积减少至4.53万hm2，总种植面积比基准水平减少至5.21 万hm2（表6）。按照情景三的水价方案，农田灌溉配水量依次减少20%、30%、50%，计算实现单方水收益最大化，设施作物和大田作物适宜的种植面积。结果显示，在该水价方案下，设施作物种植面积比基准面积调减至0.54万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至3.62 万hm2，总种植面积比基准面积下降至4.17 万hm2时，农田灌溉配水量可减少20%；设施作物种植面积比基准面积调减至0.47 万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至3.17 万hm2，总种植面积比基准面积下降至3.64 万hm2时，农田灌溉配水量可减少30%；设施作物种植面积比基准面积调减至0.34 万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至2.27 万hm2，总种植面积比基准面积下降至2.60 万hm2时，农田灌溉配水量可减少50%。需要注意的是，按照情景三的调整方案，设施作物用水量比基准水平增加至2 716.05m3/hm2，大田作物用水量比基准水平增加至4 442.10m3/hm2；而设施作物单方水收益下降至51.77元/m3，大田作物单方水收益下降至5.47元/m3。

表6 情景三不同配水量最优种植规模测算

情景四：同时改变M 县水价及配水方案，水价提高一倍，设施作物配水量增加一倍，相应调减大田作物配水量。在现行农田配水总量下，根据单方水收益最大化条件，计算设施作物与大田作物适宜的种植面积。此时，设施作物种植面积比基准水平增加至1.35 万hm2，大田作物种植面积比基准水平减少至4.12 万hm2，总种植面积比基准水平减少至5.47 万hm2（表7）。按照情景四的水价及配水方案，农田灌溉配水量依次减少20%、30%、50%，计算实现单方水收益最大化，设施作物和大田作物适宜的种植面积。结果显示，在该方案下，设施作物种植面积比基准面积调减至1.08万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至3.29 万hm2，总种植面积比基准面积下降至4.38 万hm2时，农田灌溉配水量可减少20%；设施作物种植面积比基准面积调减至0.95 万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至2.88 万hm2，总种植面积比基准面积下降至3.83万hm2时，农田灌溉配水量可减少30%；设施作物种植面积比基准面积调减至0.68万hm2，大田作物种植面积比基准面积调减至2.06万hm2，总种植面积比基准面积下降至2.74万hm2时，农田灌溉配水量可减少50%。与情景三相同，情景四单位面积用水量比基准水平增加，单方水收益比基准水平下降。

表7 情景四不同配水量最优种植规模测算

3.3 情景优化选择

基于水土资源优化模型对多情景最优种植规模进行的测算分析表明：情景一至情景四分别实现了方案目标下的最优种植规模。一方面，节水是最重要的目标，也是解决黄河流域当前水资源短缺的关键，仅从节水目标来看，情景一至情景四均实现了节水，都可以作为优化选择方案；另一方面，水土资源优化配置作为该研究的重要目标，不仅要实现节水目标，还要考虑到当地土地资源现实情况，节水不能以牺牲大量种植面积为代价，否则会影响到粮食生产和粮食安全，更不能以牺牲农民收益为代价，否则会影响农民福利和社会稳定。首先，四种情景的方案一结果显示，单方水收益最大化条件下的作物种植面积分别为8.37 万hm2、8.80 万hm2、5.21 万hm2、5.47 万hm2（表4~7），其中，情景三和情景四牺牲了大量的作物种植面积，很可能会影响到粮食生产和粮食安全，所以相对情景三和情景四而言，情景一和情景二更优；其次，比较情景一和情景二的方案二至方案四可以看到，情景二相对于情景一，在分别达到20%、30%、50%减水方案时所减少的种植面积更少，同时情景二设施作物播种面积比例大于情景一，设施作物相对于大田作物，单位收益和节水效果更好，更符合农业高质量绿色发展的目标。所以，综合考虑黄河流域资源禀赋、生态环境承载力和农业高质量发展等因素，情景二是更适合该地区的水土资源优化配置方案。

4 研究结论与政策启示

4.1 研究结论

该文基于柯布-道格拉斯生产函数，根据农作物生产单方用水收益最大化实现条件，推导出“以水定土、以土量水”水土资源优化模型。运用黄河流域西北干旱区M 县1 933份农户实地调研数据，计算了不同配水方案及水价情景下，农作物的最优种植面积；同时，测算出不同节水目标下，农作物种植面积的调整策略。测算结果表明，在现行水价及配水方案下，实际用水量远高于单方水收益最大化的用水量，而实际单方水收益显著低于最优单方水收益，说明实际农业生产中存在水资源低效利用，或在同等收益下，过量投入水资源的问题，具有较大节水空间和水资源利用效率提升空间。进一步，在保持总收益水平不变的情形下，测算出调减设施作物和大田作物种植面积可实现农业节水目标。

实地调研数据显示，设施作物收益水平显著高于大田作物，设施作物总用水量低于大田作物，单方水收益高于大田作物。从水资源利用的比较优势来看，适度侧重发展设施作物有利于提高水资源利用效率和收益水平。基于这一判断，该研究进一步测算了在保持总配水量不变的情形下，调整配水方案，增加设施作物配水量，压减大田作物配水量，设施作物和大田作物种植面积的调整策略。研究结论显示，调增设施作物种植面积，缩减大田作物种植面积，可在当前农业用水量下，实现水资源利用效益的提升。

调节水价是水资源管理的重要措施之一。针对水资源利用效率低、存在浪费现象的情况，提高水价，增加用水成本，有利于用水方减少浪费，采纳节水技术，提高水资源利用效率。基于此，该研究测算了水价提高情景下，作物种植面积调整策略。研究结论显示，随着水价的提高，作物种植面积显著缩减，在农田配水总量不变的情形下，单位面积用水量增加，而单方水收益下降。这一特征意味着，由于作物种植面积下降，按基准水平的单位面积用水量及单方水收益水平，农田配水量可以减少。

多情景最优种植规模测算结果表明，当前水资源利用水平下，至少有两条途径可提高水资源利用率：一是调整配水方案，根据比较效益，调增具有水资源利用比较优势作物的配水量，进而调整该类作物的种植面积，压减水资源利用效益较低作物的配水量，进而减少此类作物的种植面积，有利于提高收益及资源利用效率；二是调节水价，根据水资源低效利用状况，提高水价，增加用水成本约束，以降低不合理用水需求，激励节水技术运用，进而提高水资源利用效率。相比而言，调整配水方案的方式，侧重于在当前农业用水量下，提高水资源的产出收益，由于具有比较优势的作物获得更多的水资源分配量，种植面积大幅调增，使得作物总种植面积呈扩增趋势；调节水价的方式，侧重于通过增加用水成本，降低用水需求，可有效减少农业用水量，但用水成本的增加，使得作物种植面积呈下降趋势。两种方式下，均可在保持单方水收益不变的情况下，通过调减作物种植面积，实现节水目标，其中，调整配水方案的方法，达到同等节水目标，作物种植面积下降幅度较小。

4.2 政策启示

（1）坚持“以水而定、量水而行”，推进水资源节约集约利用。坚决不能把水当做无限供给的资源，必须把水资源作为最大刚性约束，合理规划农业水土资源配置，按照水资源利用比较优势，调整种植业布局，调增耗水量小、产出效益高的作物种植面积，结合实际，尽可能压减耗水量大、产出效益低的作物种植面积；大力发展节水技术，通过技术创新高效推进农业节水，以最小的水资源投入量，争取最大化的农业产出效益。既要保证农业产业的发展增值，又要尽最大限度地节约集约用水。

（2）完善水资源定价机制，坚决抑制不合理用水需求。实证研究结论显示，在水资源极度稀缺地区，依然存在水资源浪费以及低效利用问题，加剧了资源短缺程度，必须坚决遏制。较低的水价导致需求方对用水成本不敏感，缺乏节约集约用水的紧迫感，进而难以形成节约集约用水的内生动力。在面临经济建设、生态保护、农业发展等多重用水需求的情形下，水资源的竞争性凸显，应充分发挥市场机制在竞争性资源配置中的决定性作用，使价格能够反映资源的稀缺程度。由市场机制主导水资源合理优化配置，对于具有基础性、公益性的生态产业及农业产业采取价外补贴等方式给予必要补偿。

（3）推动设施农业发展，实现水土优化与高质量并行。实证分析结果显示，设施作物耗水量少于大田作物，但单位面积收入远远高于大田作物。黄河流域本身属于干旱半干旱气候，设施农业改善了设施内气候条件，实现了多季作物，高效利用水资源的同时，增加了农民收益。在不影响大田作物最基本粮食生产的基础上，设施作物的发展，可以作为优化水土配置、实现黄河流域农业高质量发展的一个选择。

（4）坚持生态优先、绿色发展，着重发挥农业的生态功能。黄河治理“重在保护、要在治理”，生态保护修复和建设应是黄河流域各项工作的重中之重，特别是黄河上游生态脆弱地区，应更为侧重生态保护，以打造生态功能区为首要任务，为黄河全域的保护和治理做出贡献。农业本身也是生态环境的一部分，具有生态功能，在生态脆弱地区应更为注重开发农业的生态功能，发挥农业对生态环境的支撑和改善作用。实证研究显示，在保持单方水收益不变的情况下，可通过调减作物种植面积，实现节水目标。以生态优先为原则遵循，通过适当调减作物种植面积，节约农业用水，为生态用水提供更大的空间，应是黄河流域生态脆弱区的重要策略选择。大力推广实施节水种植技术、休耕轮作技术，不以规模论发展，向技术、管理、质量要效益，着力提高农产品品质，走质量兴农、绿色兴农、品牌强农的农业高质量发展之路。