基于LMDI和脱钩模型的黄河流域农业用水驱动因素研究

冯晨，孔千慧

（河海大学商学院，南京 211100）

黄河流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、河南、山西、山东9 省（区），横跨三大阶梯，是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，构成中国重要的生态屏障，其经济与生态地位不容忽视。党的十八大以来，黄河流域在经济发展与生态环境治理方面作出重要贡献。然而，黄河独特的地形及生态环境特点导致75%左右地区地处干旱半干旱地带，水资源匮乏，时空分配不均，流域内生态环境脆弱，水土流失严重，出现水源性缺水和水质性缺水双重“水危机”。与此同时，黄河流域以灌溉农业为主，生产灌溉技术落后，水资源利用粗放，农户节水意识不强，加之全球气候变暖，进一步加剧了农业缺水态势，严重制约了农业可持续发展。2019 年9月，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上强调，黄河流域要坚持绿水青山就是金山银山的理念，坚持生态优先、绿色发展，以水而定、量水而行［1］。这意味着黄河流域要将水资源作为刚性约束，以水定产，合理管控，推动农业生产方式和居民生活方式由粗放向节约集约转变，促进水资源集约利用与可持续发展［2］。

学者们围绕黄河流域高质量发展及水资源问题开展诸多研究。在黄河流域生态保护与高质量发展研究层面，已有的研究成果主要是针对黄河流域城市群建设、产业升级转型、人地耦合等的研究。王铮等［3］基于黄河流域区域发展优势，讨论了黄河流域经济带建成的可能性。任保平等［4］对黄河流域地级市经济增长、产业发展与生态环境的综合水平及三者耦合协调度进行分析。陈富良等［5］对黄河流域制造业发展的动力及路径进行了探究。在黄河流域农业用水研究层面，研究重点主要集中在流域水资源承载力、水资源配置、农业用水效率与节水潜力的评价及测量。付俊怡［6］、崔永正等［7］利用超效率SBM模型对黄河流域农业用水效率进行了测量，并探析了流域各省的节水潜力。杨骞等［8］将投入导向的SBM-DDF 模型与全局参比的Luenberger 生产率指数相结合，测算了黄河流域农业绿色全要素生产率。张慧等［9］对黄河流域及流域各省的综合农业水资源利用效率进行了对比分析。在农业用水驱动因素研究层面，现有文献主要集中于全国或某些区域尺度对农业用水影响因素的研究。Geng等［10］和张玲玲等［11］运用超效率数据包络分析方法计算了中国各地区农业用水效率以及空间异质性对用水效率的贡献程度。张陈俊等［12］、盛前等［13］、刘晓东等［14］分别运用LMDI 模型对中国、长江经济带、河北省农业用水量变化的驱动因素进行了分析。李静等［15］基于MinDW 模型探究了中国农业的用水效率及其影响因素及驱动机制。

现有研究在黄河流域高质量发展的内涵要义、发展路径以及黄河流域农业水资源利用效率、农业用水影响因素等方面取得了丰富的成果，但尚未见对黄河流域农业用水影响因素的详细报道。本研究聚焦黄河流域9 省（区），利用LMDI 分解模型对黄河流域各省（区）农业用水影响因素及驱动机制进行分析，探究农业用水优化路径，为沿黄各省提供切实可行的水资源建议，以期缓解流域农业缺水态势，助推黄河流域生态保护与高质量发展。

1 研究方法与数据来源

1.1 模型构建

指数分解法（Index decomposition analysis，简称IDA）目前常被运用于水资源研究。Ang等［16，17］将指数分解法分为拉氏指数分解法和迪氏指数分解法，结果显示对数均值迪氏指数分解法（Logarithmic mean Divisia index，LMDI）是最优的分解方法，本研究采用该方法分析黄河流域9 省（区）农业用水量变化。

首先，依据Kaya 恒等式将农业总用水量（FW）分解如下。

式中，FW表示农业总用水量，单位为亿m3；I表示地区农业产值，单位为亿元；RP表示地区农村人口规模，单位为万人；P表示地区人口规模，单位为万人。

T=FW/I为技术效应，表示单位农业增加值耗水量；J=I/RP为经济效应，表示人均农业产值；L=RP/P为城镇化效应，表示农村人口占区域总人口的比重；P为地区的人口效应。农业总用水量（FW）的计算见式（2）。

ΔT、ΔJ、ΔL、ΔP分别为技术效应、经济效应、城镇化效应、人口效应变化量对农业用水变化量的贡献值，从t-1到t期，技术效应、经济效应、城镇化效应、人口效应变化量的计算见式（3）至式（6）。

在加法分解模式下，农业用水量变化量ΔFW的计算见式（7）。

1.2 衡量标准

运用LMDI 模型对农业用水驱动因素进行分解，若分解效应为正，说明该项因素促进农业用水量的增长，为耗水因素；若分解效应为负，说明该项因素抑制农业用水量的增长，为节水因素。技术效应、经济效应、城镇化效应和人口效应的分解值之和代表当期跨度的农业用水总量，若总和为正，说明当期农业用水总量增加，总和为负，说明当期农业用水总量减少。

1.3 Tapio 脱钩模型

脱钩模型常被用于阐述经济发展与能源资源环境消耗的内在关系，也常被用于探析经济增长与水资源消耗的关系。OCDE 脱钩指数法和Tapio 脱钩模型是脱钩分析中常用的模型［18］。Tapio 脱钩模型因其在基期选择和脱钩类型上较OCDE 脱钩指数法更优，故本研究选用Tapio 脱钩模型构建农业用水与经济增长的脱钩关系，计算方法如式（8）所示。

式中，e表示脱钩弹性；FW表示农业总用水量，单位为亿m3；I表示地区农业产值，单位为亿元。根据弹性系数划分的各种脱钩状态见表1。

表1 脱钩状态分解

1.4 数据来源

选取2006—2019 年作为研究期，所用黄河流域农业用水量、农业产值、农村人口数、地区人口总数等原始数据来源于《中国统计年鉴》《中国水资源公报》、各省《水资源公报》以及全国第六次人口普查数据，部分分析所需数据根据核算得到。

2 实证结果与分析

2.1 分解因素效应的时间差异

基于LMDI 模型，对2006—2019 年黄河流域9省（区）的农业用水的面板数据进行分析，结果见表2。结果显示，经济效应和人口效应为正值，表明经济效应和人口效应促进农业用水量的增长，为耗水因素；除2017 年技术效应为正值，其他年份技术效应和城镇化效应均为负值，说明技术效应和城镇化效应基本能够抑制农业用水量的增长，为节水因素。黄河流域农业用水量变化波动较大，其中，技术效应波动最不稳定且变化最大，且除2015—2017年，其他年份技术效应对农业用水量的抑制作用均强于城镇化效应，表明农业节水技术的提升能够有效降低水资源消耗，但是传统粗放型的农业灌溉方式向现代节水技术的演变依然需要较长时间的科技创新投入及政策推广。城镇化效应均为负值，表明随着农村人口不断涌入城市，城镇化水平提升，能够有效抑制农业用水量的增长。经济效应和人口效应总体上分别呈减弱、加强的趋势，且经济效应的绝对值总体高于人口效应、城镇化效应和技术效应，是流域农业用水量上升的第一助推因素，表明黄河流域经济发展尚未摆脱水资源的束缚。2012—2014 年总效应出现显著的下跌趋势，产生该变化的主要原因是2012 年《关于实行最严格水资源管理制度的意见》的出台，多地为缓解水资源短缺及水污染严峻等问题严格控制水资源的开发和利用。2016—2019年，农业用水量总效应逐渐趋于平缓。

2.2 分解因素效应的区域差异

为进一步探讨各地区农业用水及其驱动因素的时空特征，分别计算得出黄河流域9 省（区）2006—2019 年农业用水量变化驱动因素，各省用水量变化的总效应和分解因素效应见表3。

表3 黄河流域各区域2006—2019 年农业用水量LMDI分解结果 （单位：亿m3）

从总效应变化来看，青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山东6 个省（区）用水量出现下降，表明这6 个省（区）农业用水总体得到有效抑制，四川、山西、河南3 个省份用水量出现上升，农业用水尚未得到有效抑制。各省（区）中，对农业用水促进作用和抑制作用最大的省份分别是四川和山东，用水变化量分别达32.71 亿m3和-18.11 亿m3，说明流域各省（区）用水量存在较大差异。2006—2019年，黄河流域9省（区）总效应变化较大，其中四川总效应变化最为曲折，青海最为平缓。经济效应对农业用水的促进作用占据主导地位，其中四川省的经济效应对农业用水的促进作用最大，青海省的经济效应对农业用水的促进作用最小。这进一步说明青海省、四川省的农业用水量与两地的经济发展水平密切相关。

从技术效应来看，黄河流域9 省（区）的技术效应基本均为负值，说明技术效应能够有效抑制农业用水量的增长，其中技术效应对抑制四川、甘肃、宁夏、内蒙古、河南、山东的农业用水消耗的作用明显，对青海、山西作用不明显，表明青海、山西两省农业节水能力有限，水资源利用效率低，节水潜力有待开发。技术效应绝对值最大值（内蒙古，172.43 亿m3）是最小值（山西，32.30 亿m3）的5.3倍，表明节水技术水平存在较大的省际差异。流域内技术效应对农业用水的作用总体波动较大，表明黄河流域总体节水技术不够先进，节水设备投入不够稳定，节水效果受外部的影响较大。2010—2011年，除山西和山东外，黄河流域各省（区）节水技术均有提升，产生该变化的主要原因可能是2010 年《中国城市节水2010 年技术进步发展规划》的出台［19］，对水资源节约使用提出一系列政策指示。

从经济效应来看，流域农业用水量变化与经济增长密切关联，农业产值的提升需要投入更多的生产要素，水资源是主要投入要素之一，因此对水资源的需求量增加。经济效应最大值（四川，239.89 亿m3）是最小值（青海，39.19 亿m3）的6.1倍，说明各省（区）经济增长对农业用水量上升的影响存在较大的省际差异，主要与经济发展水平的差异有关。流域较多省（区）经济效应在2010—2017 年逐步减弱，说明随着第二、第三产业的发展，农业增加值占GDP的比重逐渐回落，农业用水量随之减少，导致经济效应对农业用水的促进作用逐渐减弱。流域各省（区）经济效应在2017—2019 年总体呈上升趋势，产生该变化的原因可能是《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》的出台，在农业经济发展方面提出了新的目标和规划，农业用水量回升，经济效应对农业用水量的促进作用增强。

从人口效应来看，除个别地区个别年份外黄河流域9 省（区）人口效应均为正值，说明人口数量的提升能够带动经济规模的扩大，从而促进农业用水量的增长。相较于经济效应，人口效应对农业用水量变化产生的影响较小，人口规模效应的最大值（山东，12.84 亿m3）是最小值（甘肃，1.92 亿m3）的6.7倍，说明东西部人口流动水平与经济发展水平相关。2006—2019年，青海、宁夏、内蒙古、山西、山东人口效应均为正值，四川、甘肃、陕西、河南人口效应由负转正，说明这几个省份人口流入现象明显。

从城镇化效应来看，黄河流域9 省（区）城镇化效应均为负值，说明城镇化效应对农业用水量的上升起到抑制作用。人口从经济欠发达的农村地区流动到经济发达的城镇地区，水资源消耗结构改变，对农业用水量增长产生显著的负向影响。四川、内蒙古、河南、山东城镇化效应对减少农业用水量的作用较为明显，青海、甘肃、宁夏、陕西、山西不明显，总体呈东高西低的态势，自然条件对黄河流域城镇化空间分异的作用依然存在［20］。

2.3 对农业用水经济驱动因素的进一步分析

由表2 可知，农业用水的4 个驱动因素中，经济效应的累计效应最大，在一定程度上说明农业产值的增长促进了农业用水量的变化。为进一步探究黄河流域农业产值对农业用水量变化的影响，以人均农村农业产值和农业用水为研究对象，在LMDI 分析的基础上，引入脱钩模型中的Tapio 指标，准确考察黄河流域9 省（区）农业用水量对农业产值提高的反应程度。依据公式（8），测算出2006—2019 年黄河流域九省（区）农业用水与人均农村农业产值增加的脱钩指标e(FW,I)，再根据e(FW,I)的数值，参照表1，得到对应的脱钩状态，整理后如表4 所示。

表4 黄河流域9 省（区）农业用水与经济发展的脱钩关系

从脱钩状态上看，黄河流域9 省（区）由于各自的经济发展、地理位置以及资源禀赋的不同，在水资源利用与经济增长的脱钩态势方面存在差异。总体上看，黄河流域9 省（区）均实现了农业用水与经济增长的脱钩，且绝大多数省（区）处于强脱钩状态。相对中国经济的高速增长，农业用水量表现出相对不变或缓慢增加的发展态势，两者逐渐呈背离趋势。青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山东为强脱钩，既达到了经济的正增长，又实现了农业用水的负增长，是最理想的一种脱钩状态，强脱钩状态显著的省（区）中，宁夏的脱钩指数最高，其次是山东和陕西。四川、山西和河南为弱脱钩，在保证经济增长的前提条件下，实现了农业用水的低速增长，是较理想的一种脱钩状态［21］，说明山西、四川和河南在农业用水与经济增长的协调关系仍然面临一定的压力，农业用水与经济增长的协调关系还需进一步改善。

3 小结与建议

3.1 小结

本研究基于2006—2019 年黄河流域9 省（区）的农业面板数据，运用LMDI 方法将农业用水驱动因素分解为技术效应、经济效应、城镇化效应、人口效应4 个驱动效应，以时间和区域分别进行测算，探究每种效应对农业用水量的响应程度，最后引入Tapio脱钩弹性指标，进一步分析LMDI 中对农业用水量影响程度最大的经济效应与农业用水量的响应关系，得到以下结论。

1）从总体上来看，技术效应、城镇化效应均为负值，说明技术效应、城镇化效应抑制农业用水量的增加，为节水因素，通过改善节水技术、提高城镇化水平，将有效促进农业用水量的减少；经济效应、人口效应为正值，说明经济效应、人口效应促进农业用水量的增加，为耗水因素，随着经济发展水平的提高、人口规模的不断扩大将促进农业用水量的提升。

2）从区域上来看，黄河流域9 省（区）分解因素效应具有较大差异。各省（区）中，技术效应和城镇化效应均促进农业用水量下降，且技术效应的促进作用强于城镇化效应，实现农业用水量下降仍有赖于农业节水技术的提高；经济效应和人口效应均助推农业用水量上升，其中经济效应占主导地位。四川、甘肃、宁夏、内蒙古、河南、山东技术效应抑制作用明显，青海、陕西、山西作用不明显。四川、内蒙古、河南、山东城镇化效应抑制作用明显，青海、甘肃、宁夏、陕西、山西城镇化效应作用不明显。

3）从脱钩指标来看，2006—2019年，黄河流域9省（区）均实现农业用水与经济增长的脱钩，即农业用水的增长速度低于经济增长的速度。青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山东6 个省（区）为强脱钩，四川、山西、河南3 个省份为弱脱钩。

3.2 建议

基于以上研究，为了缓解黄河流域9 省（区）农业用水压力，推动高质量发展提出以下建议。

1）提高农业节水技术。黄河流域水资源利用较为粗放，农业用水效率低，推进节水灌溉技术对缓解黄河水资源供需矛盾、推动水资源高效利用、助推高质量发展具有积极作用。各省（区）需进一步加大节水灌溉技术推广，实施高效节水灌溉工程，减少耗水农业，推广应用节水技术。尤其是青海、陕西、山西3省，应加快推进节水技术和设备投入，加快农田水利设施提档升级，促进农业节水科技成果转化，加强农业节水增效。

2）推进新型城镇化建设。城镇化水平的提升能够有效抑制农业用水量的增加，黄河流域应不断探索符合自身条件的城镇化发展之路，青海应发挥生态环境优势，不断形成服务自然的开发格局；甘肃应以兰西城市群为主体，结合自然条件，适度推进迁移性城镇化，完善生态补偿机制，发展县域经济；宁夏、陕西、山西应处理好生态环境保护与资源开发的关系，以兰西、关中、晋中、呼包鄂和宁夏城市群为载体，发挥历史文化比较优势，加快构建以文旅为重点的现代服务业体系，加强西安市的培育。

3）优化人口空间分布。人口从农村向城市流动，虽促进了农业用水量的下降，但一定程度上导致了城镇用水量的提升。针对此，一方面，需要不断形成协调联动的城乡区域发展体系，实现城乡优势互补，释放城镇人口压力；另一方面，需要不断发挥沿黄城市群和中心城市的引领作用，提升对农村区域的辐射和影响，以城市带动农村，促进城乡协调发展，引导人口合理流动。

4）推动农业水资源利用与经济协调发展。黄河流域9 省（区）已基本实现农业用水与经济发展的脱钩，在青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山东6 个强脱钩省（区）中，内蒙古适配指数最差，推动水资源节约集约利用势在必行。四川、山西和河南需提高农业灌溉技术，提升灌溉利用效率，实现经济发展的同时降低水资源消耗。