广西农业水资源利用效率及其影响因素研究
----基于Global超效率DEA与Tobit模型

陆泉志，陆桂军，范稚莲，莫良玉

(1.广西大学农学院，南宁 530004；2.广西壮族自治区科学技术情报研究所，南宁 530022)

0 引 言

广西作为全国水资源总量丰富的省区，大部分地市年降水量均在1 500 mm以上，受季风气候的影响，大部分河流丰水期(5-9月)来水量约占全年来水量的80%，但枯水期(10月-翌年4月)来水量仅占全年来水量的20%[1]，水资源时空分布十分不平衡。加之广西喀斯特地貌广布，地表水渗漏大，以及水利工程保障能力不足，常常是“下雨三日水成湖,无雨三日又成旱”，多发的旱涝灾害给农业生产造成了巨大的损失。因此研究农业水资源利用效率对于推进广西建设节水增效型现代农业有重要意义。

数据包络分析方法(DEA)是国内学者采用非参数方法测度农业水资源利用效率的常规范式，目前大部分文献通过构建全要素投入产出系统对农业水资源利用效率进行测度。有的学者借鉴Hu等[2]提出的全要素水资源利用效率思想，通过构建包含水资源投入的全要素农业生产系统，再基于Hu等“最优用水量与实际用水量比值”的水资源利用效率定义得出农业水资源利用效率值[3-5]。有的学者则直接选取与农业水资源利用效率相关的投入产出指标构建水资源利用效率评价模型[6-8]。一些学者还在测度农业水资源效率时考虑了污染排放等非期望产出指标，构建包含非合意产出的SBM-DEA模型测度农业水资源利用效率[9，10]。以上研究虽然从不同角度对农业水资源利用效率进行了测度，但均是采用单期截面决策单元的投入产出数据构建生产前沿面，测算的结果缺乏循环性和稳健性，无法对各决策单元的效率值进行跨期比较。因此，杨骞[11]通过借鉴Pastor和Lovell[12]提出的Global-DEA技术和Andersen[13]等提出的超效率DEA方法，构建了基于全局参比的Global超效率DEA模型来对中国农业水资源利用效率进行了测度，解决了效率值的跨期可比和多个有效决策单元(即综合效率值为1)间可比的问题，但其未对水资源利用效率值的影响因素作进一步研究。在农业水资源利用效率影响因素研究方面，大多学者采用Tobit模型从自然禀赋、社会经济水平、供水结构、科技教育、种植结构等多方面对不同区域下的农业水资源利用效率影响因素进行了研究[14-16]。综合以上研究，本文基于全要素水资源利用效率思想，运用以决策单元所有时期的投入产出指标构造共同前沿的Global超效率DEA模型，对广西区域内14个地市的农业水资源利用效率进行测算，使不同时期决策单元效率值之间具有可比性，能更准确地测度其区域差异及变动趋势。并运用面板Tobit模型对广西农业水资源利用效率的影响因素进行研究，以期深化对区域农业水资源利用效率的认识和理解，这对提高广西农业水资源利用效率有重要意义。

1 研究方法与数据

1.1 Global超效率DEA模型

DEA模型是进行效率评价的常规方法，其测度的是投入产出的相对效率，可以反映资源配置是否达到了最佳状态。在农业实际生产过程中，其产出是由水资源、劳动力、化肥、土地、资本在内的多种生产要素共同配置的。水资源作为农业生产中一项的重要投入要素，在与其他多种生产要素进行配置的同时，水资源利用效率也受到其他生产要素的影响。在测度水资源利用效率的时候，如果仅考虑水资源这一单要素投入，就忽略了水资源与其他农业生产要素之间的联系，无法反映农业生产过程中的产出是由多种生产要素共同配置所得，这样得到的农业水资源利用效率与实际有所偏差。因此，本文将水资源与农业劳动力、化肥、土地、资本在内的多种生产要素共同置于DEA评价模型中，在产出不变的假定下，得到各项农业生产要素最优配置状态下的水资源最优投入量，这更符合实际农业生产过程，也提高了下一步研究的准确度。通过对全要素投入框架下的农业生产效率进行评价，再将水资源投入要素从农业生产系统中分离出来进行研究，得到的结果更具有现实意义。本文首先根据杨骞[11]构建的Global超效率DEA模型对广西农业生产效率进行研究。传统的单期DEA以当期截面决策单元投入产出数据构建的生产参照集表示为PT，全局DEA通过所有年份的投入产出数据构造共同生产前沿表示为PGlobal，那么全局生产参照集包络所有时期的生产参照集，即：

PGlobal=P1∪P2∪…∪PT

(1)

在规模报酬不变假设下，第i个决策单元效率值可以通过Global超效率DEA模型测算得出，其非线性规划模型可表示为：

在具体测算过程中可运用Charnes-Cooper的转换方法进行求解。若在规模报酬不变基础上增加凸性假设 ∑z=1，则生产技术满足规模报酬可变。

1.2 基于全要素思想的农业水资源利用效率测度方法

在运用Global超效率DEA模型得到农业生产效率及各项生产要素最优投入量的基础上，借鉴Hu[2]等对全要素水资源利用效率的定义，将农业灌溉用水投入从整个农业投入产出系统中分离出来。该理论以产出不变作为基本假定，以“最优用水量与实际用水量比值”对农业水资源利用效率进行衡量，最优用水量即在目前农业产出及生产技术水平不变条件下，保持各项生产要素最优配置状态所需要的最少或最优的农业水资源投入。基于全要素思想的农业水资源利用效率(ATFWE)的具体测度方法可表示为：

式中：ATFWE即为本文所需要测度的农业水资源利用效率，最优用水量为实际用水量减去Global超效率DEA模型结果中农业水资源投入量的松弛量。

1.3 Tobit模型

本文将测算得到的广西农业水资源利用效率值作为被解释变量，各项影响因素作为解释变量构造计量经济模型来对农业用水效率的影响因素进行实证检验。由于超效率值是一个最低界限值为0的受限变量，直接采用OLS(普通最小二乘法)进行回归分析会使参数估计产生偏差，而Tobit模型可以较好地解决这类问题。因此，本文采用处理受限因变量的面板Tobit回归模型，模型形式如下：

式中：yi为因变量；xi为自变量；β 为待估参数；εi为随机误差。

1.4 样本数据与描述性统计

本文通过构建包含水资源投入的农业全要素生产系统以测度农业水资源利用效率。根据农业经济学理论，农业生产要素的投入主要包含土地、劳动力和资本等指标。本文依照科学性，合理性和数据可获得性的原则，在投入要素方面选取农作物总播种面积作为土地投入、选取乡村户数近似替代劳动力投入、选取化肥使用量(折纯)作为化肥投入、选取农业灌溉用水量作为水资源投入、选取农业机械总动力作为资本投入；在产出指标方面选取第一产业生产总值作为农业产出，为消除价格因素的影响，本研究以2007年为基期并按城市所在省份的CPI指数进行消胀处理。由于运用DEA模型时各项投入与产出之间必须满足“同向性”假设，即投入量增加时产出不得减少。本文运用皮尔逊(Pearson)相关性检验方法对各项指标进行检验，结果表明各投入项与产出项之间均能在1%的置信水平下通过双尾检验且相关系数为正，各投入产出指标符合“同向性”原则，具有合理性，可作进一步分析。

本文研究对象为广西所辖的14个地市，时间段为2007-2016年，观测值共140个，所有选取的指标数据来源于《广西壮族自治区统计年鉴》。所有投入产出变量的描述性统计见表1。

表1 描述性统计Tab.1 Descriptive statistics

2 广西农业水资源利用效率变动分析

利用MaxDEA.Ultra7.5软件，基于投入导向的Global超效率DEA模型和基于全要素思想的农业水资源利用效率测度方法计算出2007-2016年广西各地市农业水资源利用效率值与变动率，并以各地市农业水资源利用效率均值进行了排名。结果见表2。

表2 2007-2016年农业水资源利用效率及排名Tab.2 Agricultural water resource utility efficiency and ranking，2007-2016

由表2可知，从广西总体层面来看，2007-2016年广西农业水资源利用效率呈现先升后降再上升的波动走势，效率均值从2007年0.530增长至2016年的0.780，平均增长率为4.40%，总体上呈小幅增长态势。从平均水平来看，研究期内广西农业水资源利用效率平均值为0.650，这一结果与一些学者测算得到的效率值较为一致[8,9,17]，总体上广西农业水资源利用效率偏低，距离有效前沿面尚有一定距离，表明广西还有较大的节水潜力和水资源利用空间。

从各地市效率值变动率来看，2007-2016年广西除了贵港、梧州、崇左、柳州和来宾5个地市的水资源利用效率值存在小幅下降外，剩余的9个地市均呈现不同程度的增长态势，南宁、北海、玉林和桂林4市平均增长率均在10%以上。其中，桂林市增幅最大，平均增长率达20.52%，这主要是由于在研究期初桂林农业用水量的松弛调整值与径向调整值均较大，松弛调整值较大表明桂林在水资源管理方面表现不佳，径向调整值较大表明农业水资源投入与其他生产要素间的配置不合理，管理水平与资源配置的双重失效导致了桂林市初期的农业水资源利用效率值较低。随着各项技术进步，桂林市农业水资源利用水平逐年向前沿面移动，从而成为广西农业水资源利用效率“最佳进步示范市”。

从各地市的效率均值及排名来看，本文发现效率均值排名1至8位的地市中有6个地市属于广西北部湾经济区，分别为防城港(0.975，排名1)、钦州(0.926，排名2)、北海(0.763，排名3)、南宁(0.747，排名4)、崇左(0.687，排名7)、玉林(0.675，排名8)，其中效率值排名1至4位的防城港、钦州、北海和南宁属于北部湾经济区4大核心城市。这个排名结果可能与北部湾经济区相对较高的经济发展水平有关，理论上，经济发展水平较高地区的水利基础设施更完善，节水技术与水资源管理模式较为先进，较高的产业聚集程度更容易实现水资源利用的规模效应，从而提升水资源利用效率。王莹[14]和王洁萍[15]等的研究结果也印证了社会经济发展水平对农业水资源利用效率具有显著的正向影响这一观点。而排名最低3个地市分别是河池(0.453，排名12)、百色(0.451，排名13)、贵港(0.328，排名14)，主要是由于这3个地市农业用水的径向调整值过大，表明其在农业生产中没能将水资源投入与其他生产要素进行合理配置，在资源配置方面还存在很大的上升空间。

3 广西农业水资源利用效率影响因素分析

3.1 变量选择及数据来源

为进一步探究广西农业水资源利用效率的影响因素，本文运用随机效应 Tobit模型对农业水资源利用效率的影响因素进行计量分析。基于前人研究和数据可获得性，结合广西农业发展现实背景，本研究主要考虑以下影响因素：①自然资源禀赋。以年均降水量、年均气温和人均水资源量来反映自然资源禀赋对水资源利用效率的影响。年均降水量和年均气温预期为双向影响，降水充沛一方面有利于作物产出，另一方面可能会降低农民节水意识导致水资源浪费。同样地，年均气温增高利于作物生长，但会加剧蒸腾作用从而降低水资源利用效率。人均水资源量预期为负向影响，诸多学者研究表明人均水资源量与水资源利用效率之间存在负相关关系[3-5,15,16]，由于人均水资源量的数值较大，本文采用其自然对数值，以减少异方差带来的波动影响。②供水结构。以地表水占供水总量的比重反映供水结构的变动，预期为负向影响。③农作物种植结构。以广西广泛种植的水稻、甘蔗和蔬菜三种耗水作物的播种面积比重反映种植结构，通常耗水作物种植比重与水资源利用效率呈负向影响。④农业经济水平。以农村居民纯收入反映地区经济发展水平，预期为正向影响，具体采用其自然对数回归。⑤农田水利设施。以有效灌溉面积占总灌溉面积比重反映农田水利设施建设情况，水利设施建设可提高水资源利用效率，预期为正向影响。

上述影响因素的面板数据均来源于《广西壮族自治区统计年鉴》，样本地区为广西所辖的14个地市，时间段为2007-2016年。

3.2 Tobit模型回归结果分析

运用Stata14.0软件，采用最大似然估计法对参数进行估计，Tobit模型回归结果如表3所示。

表3 Tobit模型回归结果Tab.3 The regression results of Tobit model

根据表3的回归结果，各因素的影响效应讨论如下：

(1)在自然资源禀赋方面，尽管3个指标的回归结果不甚显著，但可以看到年均降水量与年均气温2个指标对广西农业水资源利用效率呈正向影响，广西广泛种植的水稻、甘蔗和蔬菜等多数作物都具有喜温好水特性，充沛的降雨与年均气温升高有利于作物生长进而增加农业产出，在一定程度上减少了灌溉用水。人均水资源量对水资源利用效率呈负向影响，这与诸多学者关于人均水资源量与水资源利用效率呈负相关关系的研究结论一致[3-5,15,16]，出现这种负向影响的主要原因在于人均水资源量增多缓解了缺水压力，一方面会弱化农民的节水意识，造成用水浪费；另一方面，随着人均水资源量的增加，水资源的稀缺约束性也随之弱化，农民对节水灌溉技术的投资回报率降低，造成节水技术需求与技术开发驱动力不足。近年来广西人均水资源量均在4 000 m3以上，远远高于全国平均水平，人均水资源量丰沛而导致的节水意识淡薄可能是造成农业水资源利用效率不高的人为因素。

(2)在供水结构和种植结构方面，所有指标都对水资源利用效率在1%的水平上存在显著的正向影响，影响效应与本文预期相反。出现这种情况可能与广西水资源时空分布不均有关，受季风气候影响，广西雨季(4-9月)降水量占全年降水量的70%～85%，而干季(10月-翌年3月)降水量仅占年降水量的15%～30%，干湿季各占半年，季节性缺水问题突出。而广西多年来地表供水量均占供水总量的90%以上，且目前广西种植面积占比较大的水稻、甘蔗和蔬菜等耗水作物都以地表水灌溉为主，耗水作物种植比重越大意味着在旱季广西农业面临的缺水压力更大，当水资源的稀缺约束性增强，耗水作物种植比例增加反而会促使水资源利用效率的提高。傅文华和康永辉[18]对广西干旱发生特征和原因进行研究后认为，广西季节性缺水问题虽然可以通过工程节水解决，但广西属经济相对落后地区，大量水利基础设施存在年久失修老化严重的问题，流域缺水也是以工程性缺水为主，工程性缺水仍是造成广西干旱的重要原因。由此看来，季节性缺水和工程性缺水都是造成广西农业水资源利用效率不高的重要原因。所以当地表供水量比重增大的时候，为了保障旱季的作物生产需求，反而会促使蓄水工程的兴建，以缓解缺水压力，从而促进地表水资源的有效利用。

(3)在农业经济水平方面，农村居民纯收入对水资源利用效率在1%的水平上存在显著的正向影响，影响效应与本文预期相符。一般来说，经济发展水平较高地区的农民更容易接纳先进的农业技术理念，资金的充裕使得农民有能力采用高效的节水技术及设施，从而提高农业水资源利用效率，广西农业经济水平较高的北部湾经济区水资源利用效率值相对较高也符合这一观点。但从广西全省来看，2016年农民人均纯收入仅为10 359元，而全国农民人均纯收入为12 363元，整体上广西农业经济发展水平远低于全国平均水平，这也在一定程度上导致了广西农业水资源利用效率也处于全国偏低水平。

(4)在农田水利设施方面，反映耕地抗旱能力的有效灌溉面积比重对水资源利用效率在5%的水平上存在显著的负向影响，影响效应与本文预期相反。这可能与广西粗放式的农田灌溉方式有关，由于本文鉴于数据的可获取性，只选取了有效灌溉面积占比作为代理变量，但有效灌溉面积并不能准确地反映节水灌溉面积，仅可作为参考变量。但凌贤宗[19]根据灌溉水利用系数测算,2010年广西农业灌溉水利用系数仅为0.415, 灌溉水利用系数低于全国平均水平。广西农业粗放式用水的现象是客观存在的。根据统计年鉴数据，2016年，广西节水灌溉面积仅占有效灌溉面积的59%，而代表着高效节水技术的喷滴灌面积仅占有效灌溉面积的5%。而根据第三次全国农业普查公报的数据显示，目前我国喷滴灌等设施灌溉面积占有效灌溉面积的16%，广西远低于全国平均水平。可见农业用水粗放式灌溉也是造成水资源利用效率的降低的重要因素，升级改造高效节水灌溉设施是今后提高广西农业水资源利用效率的着力点。

4 结 论

综上所述，可以得出以下结论。

(1)2007-2016年，广西各地市农业水资源利用效率呈现明显差异，防城港、钦州、北海、南宁等北部湾经济区城市的农业水资源利用效率排名较高，而河池、百色、贵港这3个地市农业水资源利用效率排名较低，桂林农业水资源利用效率的增长率最大。从整体上看，广西农业水资源利用效率均值呈现先上升后下降又再次上升的波动走势，但总体上呈增长态势，用水效率均值为0.650，总体偏低，广西农业水资源利用效率仍有较大的提升空间。

(2)Tobit模型回归结果显示，年均降水量、年均气温、地表水占供水结构比例、耗水作物种植面积比重、农村居民纯收入对广西农业水资源利用效率呈正向相关性，人均水资源量、有效灌溉面积比重对广西农业水资源利用效率呈负向相关性。结合广西农业发展的现实背景分析发现，农民节水意识不强、季节性与工程性缺水、农业经济发展水平较低、粗放式灌溉都是造成农业水资源利用效率不高的原因。

5 政策建议

5.1 优化农业要素资源配置，合理规划作物种植结构

构建与水资源相匹配的农业生产布局，优化农业各投入要素间的资源配置，以提升农业生产效率以及农业增加值，进一步提高农业经济发展水平。各地市要因地制宜地合理规划农作物种植结构，充分利用广西雨热同期的气候优势探索种植新模式，建立不同作物生长阶段需水与降水季节分配相吻合的节水型农业种植结构。

5.2 推进农田水利设施建设，提高农业用水管理水平

继续加大对农田水利工程的投资规模，适当引入社会资本参与小型农田水利设施的建设与管护，集聚多方资本大力推进水利基础设施建设。在重点建设重大水利项目的同时，对现有老旧供水沟渠、堤坝等水利配套设施进行改造升级。重点加强桂西、桂中等易旱地区的小型水库、水柜等蓄水保水设施的建设能力，采取蓄、引、提等多种措施引水入库，提高农业生产抗旱能力。要创新农业水资源管理方式，利用云端大数据技术打造农业用水信息化管理平台，做好水情监测预报及旱涝灾害监测预警工作，进一步提高农业用水管理水平。

5.3 加强农业节水宣传教育，大力推广节水灌溉技术

开展农业节水宣传“上山下乡”活动，增加农业节水技术试验示范及现场技术指导的频次，从微观层面引导农民改变粗放用水行为，提高其节水意识及技术水平。探索农业节水奖励激励机制，促使农民提高其用水效率。在发展设施农业的基础上大力推广膜下滴灌、微喷灌、集雨节灌、覆盖保墒等高效节水技术和水药、水肥一体化技术。但需要注意的是节水灌溉虽然可以提高水资源利用效率，但在广西一些水资源丰富的地区大力推广或许还应考虑成本收益率的问题，各地区应结合其实际情况选择“经济高效”的节水灌溉技术。