張娜娜, 王海濤, 吳穎超, 閔興華, 曹 磊, 趙言文

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095； 2.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用效率評價(jià)

張娜娜1, 王海濤2, 吳穎超1, 閔興華1, 曹 磊1, 趙言文1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095； 2.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

摘要：[目的] 研究江蘇省2002—2011年農(nóng)業(yè)水資源利用效率，為提高該省農(nóng)業(yè)水資源利用率提供依據(jù)。 [方法] 采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)模型中C2R和BC2兩種模型，選取的投入指標(biāo)為農(nóng)作物播種面積、農(nóng)田灌溉用水量、農(nóng)田灌溉耗水量和農(nóng)業(yè)在崗職工人數(shù)；產(chǎn)出指標(biāo)為有效灌溉面積、農(nóng)村居民人均農(nóng)業(yè)收入、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值和農(nóng)作物產(chǎn)量。 [結(jié)果] (1) 在2002—2011年期間，江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用效率處于較高的水平，DEA有效年份占50%； (2) 造成DEA無效既有技術(shù)原因也有規(guī)模原因，存在投入冗余和產(chǎn)出不足； (3) 隨著時(shí)代發(fā)展，江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用投入冗余和產(chǎn)出不足整體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。 [結(jié)論] 江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用情況得到了逐步改善。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè); 水資源; DEA模型; 利用效率

江蘇省濱江臨海，地處江淮流域下游，長江、太湖、淮河、沂沭泗4大水系在江蘇交匯，境內(nèi)水網(wǎng)密布、河湖眾多，長江、淮河穿腹而過，京杭運(yùn)河縱貫?zāi)媳?，既溝通?大水系，又連接太湖、邵伯湖、高郵湖、洪澤湖、駱馬湖、微山湖等一批主要湖泊，加之江蘇處在南北氣候過渡地帶，降雨時(shí)空分布不均，特殊的地理位置和氣候條件，決定了江蘇水資源有其明顯特點(diǎn)。江蘇多年平均降雨量1 018.4 mm，入境水量多達(dá)1.03×1012m3，水資源總量豐富。但過境水較多，受到工程和資金限制，可利用量較少。2011年該省水資源總量為4.92×1010m3，其中地表水資源量4.00×1010m3，地下水資源量1.15×1010m3，人均水資源占有量不足500 m3，為全國人均的1/4。江蘇省各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有一定的差異，用水結(jié)構(gòu)也有明顯的不同。農(nóng)業(yè)是江蘇省最大的用水戶，占總用水量的50%左右。長江和太湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，工業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水較多，而該地區(qū)降雨量豐富，灌溉用水量較少，兩者基本持平。而淮河流域主要為農(nóng)業(yè)用水，灌溉用水量占全省總灌溉用水量的55%以上，占淮河流域總用水量的68%。另外長江和太湖流域土地灌溉率已經(jīng)超過90%，加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展對耕地的占用，可增加的灌溉面積不大，用水量變化相對較小。而經(jīng)濟(jì)相對較弱的淮北地區(qū)，今后仍以農(nóng)業(yè)為主，而且由于氣候變化對該區(qū)復(fù)種指數(shù)影響較大，單位面積耕地農(nóng)業(yè)用水量有增加的趨勢。但隨著工業(yè)和城市化進(jìn)程的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水競爭加劇，加上南水北調(diào)東線工程水量北送要求提高，可供利用的農(nóng)業(yè)用水量將進(jìn)一步降低，加大了農(nóng)業(yè)水資源不足的矛盾。據(jù)估算，單方農(nóng)業(yè)用水的產(chǎn)值只有工業(yè)和城市的1%～2%，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)、城市用水的競爭中，農(nóng)業(yè)用水顯然處于不利地位，農(nóng)業(yè)用水被擠占將不可避免。從工業(yè)化國家的發(fā)展規(guī)律來看，農(nóng)業(yè)用水量所占比例一般會隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐步減少。江蘇省制定的用水發(fā)展規(guī)劃中，提出了農(nóng)業(yè)用水負(fù)增長，工業(yè)用水可適度增長，生活用水優(yōu)先保障，生態(tài)環(huán)境用水適度增加的要求，農(nóng)業(yè)用水量，尤其是目前缺水最嚴(yán)重的淮北地區(qū)，灌溉用水量將進(jìn)一步減少，使農(nóng)業(yè)用水面臨的形勢更趨嚴(yán)峻。因此如何解決農(nóng)業(yè)灌溉用水問題，成為當(dāng)今人們面臨的迫切任務(wù)。

中國是農(nóng)業(yè)大國，很多學(xué)者[1-7]采取不同研究方法從不同層面、不同尺度研究了水資源利用效率，研究方法包括遺傳投影尋蹤法、GIS、比值分析法、包絡(luò)分析法、生產(chǎn)函數(shù)法及層次分析法等。尺度以縣市、省或者全國為研究對象。但對于江蘇省而言，目前還沒有看到學(xué)者運(yùn)用DEA對農(nóng)業(yè)水資源利用效率進(jìn)行評價(jià)，DEA方法以相對效率概念為基礎(chǔ)，以凸分析和線形規(guī)劃為工具的一種評價(jià)方法，應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃模型計(jì)算比較決策單元之間的相對效率，對評價(jià)對象做出評價(jià)，它能充分考慮對于決策單元本身最優(yōu)的投入產(chǎn)出方案，因而能夠更理想地反映評價(jià)對象自身的信息和特點(diǎn)，同時(shí)對于評價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)的多投入多產(chǎn)出分析具有獨(dú)到之處。適用于多輸人—多輸出的有效性綜合評價(jià)問題，在處理多輸人—多輸出的有效性評價(jià)方面具有絕對優(yōu)勢。DEA方法并不直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，因此決策單元的最優(yōu)效率指標(biāo)與投入指標(biāo)值及產(chǎn)出指標(biāo)值的量綱選取無關(guān)，應(yīng)用DEA方法建立模型前無須對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，也可以避免人為主觀因素的影響。本研究運(yùn)用DEA中重要的兩個(gè)模型C2R模型和BC2模型該模型，對江蘇省2002—2011年多投入多產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)水資源利用效率進(jìn)行評價(jià)，通過DEA識別相對有效無效年份，衡量無效的嚴(yán)重性，并通過對無效和有效年份的比較，發(fā)現(xiàn)降低無效的方法，以提高江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用率。

1研究方法

1.1　水資源利用概況

通過對江蘇省總用水量、總耗水量、農(nóng)田灌溉用水量及農(nóng)田灌溉耗水量4個(gè)要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從圖1可以看出，4個(gè)要素在2003年均明顯出現(xiàn)先下降后上升趨勢，其余年份變化緩慢。通過氣象分析，2003年年降水量為1 255.8 mm，較多年平均值增加了237.4 mm，降雨豐富，致使用水量及耗水量均減少?？傆盟繌?002年的4.79×1010m3增長到5.56×1010m3，雖然在2003年出現(xiàn)下降，但整體呈緩慢上升趨勢。其余3個(gè)要素在2003年出現(xiàn)明顯下降外，整體呈現(xiàn)先緩慢下降后緩慢上升的趨勢，總體變動不大。

圖1　江蘇省2002-2011年水資源利用情況

1.2　DEA評價(jià)模型

DEA(data envelopment analysis)，即數(shù)據(jù)包絡(luò)分析，是美國著名運(yùn)籌學(xué)家Charnes等[8]提出的一種效率評價(jià)方法，以傳統(tǒng)的工程效率概念和生產(chǎn)函數(shù)理論為基礎(chǔ)來評價(jià)決策單元之間的相對效率，不僅可以對決策單元的有效性作出度量，而且還能指出決策單元非有效的原因和程度，給單位部門提供管理信息。DEA具有多個(gè)模型，其中重要的兩個(gè)模型是C2R模型和BC2模型[8-10]。C2R模型為：

(1)

若上述問題的最優(yōu)解為λ*，s-*，s+*，θ*，則有如下結(jié)論與經(jīng)濟(jì)含義：

(1) 若θ*=1，且，s-*=0，s+*=0，則決策單元DMUi為DEA有效，此時(shí)，其形成的有效前沿為規(guī)模收益不變，決策單元DMUi的生產(chǎn)活動同時(shí)為技術(shù)有效和規(guī)模有效。

(2) 若θ*<1，則決策單元DMUi為DEA無效。其生產(chǎn)活動不是技術(shù)效率最佳，或不是規(guī)模效率最佳?！痞薺用來判斷DUM的規(guī)模收益情況：如果存在λj(j=1,2,…,n),使得λj=1，則DUM為規(guī)模收益不變；如果不存在λj(j=1,2,…,n),使得∑λj=1，若∑λj<1，則DUM為規(guī)模收益遞增。

令s=θ/σ，則s為規(guī)模效率。s=1，規(guī)模有效；s<1，則規(guī)模無效。

C2R模型和BC2模型配合使用，可以評價(jià)每個(gè) 的技術(shù)效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率。

1.3　數(shù)據(jù)來源

農(nóng)業(yè)是江蘇省最大的用水戶，占總用水量的50%左右。隨著工業(yè)和城市化進(jìn)程的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水競爭加劇，水資源短缺成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此解決如何以有限的水資源支持地區(qū)農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，成為各級政府面臨的迫切任務(wù)。

研究數(shù)據(jù)來源于2002—2011年歷年《江蘇省水資源公報(bào)》和《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2實(shí)例分析

2.1　指標(biāo)選取

研究根據(jù)《江蘇省水資源公報(bào)》和《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》，選取了農(nóng)作物播種面積、農(nóng)田灌溉用水量、農(nóng)田灌溉耗水量、農(nóng)業(yè)在崗職工人數(shù)作為投入指標(biāo)，這4項(xiàng)指標(biāo)綜合反映了江蘇省農(nóng)業(yè)水資源的供給能力，以有效灌溉面積、農(nóng)村居民人均農(nóng)業(yè)收入、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值和農(nóng)作物產(chǎn)量作為產(chǎn)出指標(biāo)，進(jìn)而采用DEA模型評價(jià)全省農(nóng)業(yè)水資源的利用效率(表1)。

(1) 農(nóng)作物播種面積。指實(shí)際播種或移植有農(nóng)作物的面積，不論種植在耕地上還是種植在非耕地上，均包括在農(nóng)作物播種面積中。目前，農(nóng)作物播種面積主要包括糧食、棉花、油料、糖料、麻類、煙葉、蔬菜和瓜類、藥材和其它農(nóng)作物9大類。該指標(biāo)能反映實(shí)際種植有農(nóng)作物的面積。

(2) 農(nóng)田灌溉用水量。指從水源引入的農(nóng)田灌溉水量，包括作物正常生長所需灌溉的水量、渠系輸水損失水量和田間灌水損失水量。該指標(biāo)作為投入指標(biāo)之一，可以反映農(nóng)業(yè)對水資源需求情況。

(3) 農(nóng)田灌溉耗水量。主要消耗于渠系損失、農(nóng)田蒸發(fā)、滲漏以及深層入滲等。該指標(biāo)反映了農(nóng)業(yè)灌溉水資源有效利用情況。

(4) 農(nóng)業(yè)在崗職工人數(shù)。主要指國有單位、城鎮(zhèn)集體單位和其他類型單位從事農(nóng)業(yè)行業(yè)的工作人員。農(nóng)業(yè)水資源消費(fèi)主體是人，從消費(fèi)的角度考慮，農(nóng)業(yè)水資源利用效率高低跟農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的知識水平和技能有很大關(guān)系，因此選取該指標(biāo)作為投入指標(biāo)，用于分析農(nóng)業(yè)水資源利用技術(shù)投入情況。

(5) 有效灌溉面積。指灌溉工程或設(shè)備已經(jīng)配備，能夠進(jìn)行正常灌溉的水田和水澆地面積之和。該指標(biāo)作為產(chǎn)出指標(biāo)，可以反映農(nóng)田抗旱能力和水資源是否充足情況。

(6) 農(nóng)村居民人均農(nóng)業(yè)收入。水資源作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必備要素，其投入能帶給農(nóng)村居民一定的經(jīng)濟(jì)收入，因此選取該指標(biāo)作為產(chǎn)出指標(biāo)之一。

(7) 農(nóng)作物產(chǎn)量。指在一定時(shí)期內(nèi)(通常是一年)生產(chǎn)的各種農(nóng)作物產(chǎn)品總產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)是水資源消耗最大的產(chǎn)業(yè)，農(nóng)作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的主要指標(biāo)，因此，選取該指標(biāo)作為水資源在農(nóng)業(yè)發(fā)展利用中產(chǎn)出指標(biāo)之一。

(8) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值。反映了全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總規(guī)模和總水平以及農(nóng)作物產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。也作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)出指標(biāo)之一。

表1　江蘇省2002-2011年投入產(chǎn)出指標(biāo)值

2.2　結(jié)果分析

表2　C2R模型求解結(jié)果

表3　江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用技術(shù)效率(θ)、

從表3可以得出，在技術(shù)效率有效的年份，其純技術(shù)效率值都為1，達(dá)到純技術(shù)有效；技術(shù)效率值小于1的年份，只有2002年純技術(shù)有效，其余無效年份純技術(shù)效率小于1，純技術(shù)無效。說明農(nóng)業(yè)水資源利用沒有達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，需要進(jìn)一步調(diào)整投入資源，以達(dá)到最佳產(chǎn)出。從規(guī)模效率層面分析，技術(shù)效率為1時(shí)，規(guī)模效率均有效；技術(shù)效率無效時(shí)，規(guī)模效率值均小于1，規(guī)模效率無效。2003，2006，2007，2009和2011年DEA有效，規(guī)模收益達(dá)到最佳階段；2002，2004和2010年DEA無效，且規(guī)模收益遞減，需減少資源過度投入，造成浪費(fèi)；2005和2008年DEA無效，但規(guī)模收益遞增，表明可以擴(kuò)大資源投入，以獲得更多產(chǎn)出。

對DEA無效的年份進(jìn)行有效平面投影調(diào)整，得到各個(gè)投入、產(chǎn)出指標(biāo)需調(diào)整情況，“+”號代表投入冗余，“-”號代表產(chǎn)出不足。具體情況詳見表4。從表4可以得出，在2002，2004，2005，2008和2010年，江蘇省農(nóng)作物播種面積沒有得到充分利用，農(nóng)田灌溉用水量、農(nóng)田灌溉耗水量和農(nóng)業(yè)在崗職工人數(shù)投入過多，造成水資源、人力資源的浪費(fèi)。有效灌溉面積DEA投影為0，說明江蘇省農(nóng)業(yè)有效灌溉面積規(guī)模合理，而農(nóng)村居民人均農(nóng)業(yè)收入、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值和農(nóng)作物產(chǎn)量3方面產(chǎn)出不足，需進(jìn)一步提高農(nóng)作物產(chǎn)量，增加農(nóng)村居民農(nóng)業(yè)收入。

表4　無效年份DEA投影結(jié)果

3結(jié) 論

(1) 通過C2R模型分析，在2002—2011年期間，江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用效率處于較高的水平。DEA有效年份占50%，并且在無效年份中，其農(nóng)業(yè)水資源利用效率都達(dá)到0.95以上。

(2) 造成江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用DEA無效的原因，既有技術(shù)原因也有規(guī)模原因。在投入指標(biāo)中，農(nóng)作物播種面積、農(nóng)田灌溉用水量、農(nóng)田灌溉耗水量和農(nóng)業(yè)在崗職工人數(shù)存在冗余現(xiàn)象；產(chǎn)出指標(biāo)值中，農(nóng)村居民人均農(nóng)業(yè)收入、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值和農(nóng)作物產(chǎn)量存在產(chǎn)出不足現(xiàn)象。需進(jìn)一步調(diào)整資源之間組合，以達(dá)到最佳產(chǎn)出。

(3) 從時(shí)間層面進(jìn)行分析，隨著時(shí)代發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用投入冗余和產(chǎn)出不足整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。說明江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用情況得到逐步改善。

(4) 江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用效率已達(dá)到較高的水平，為了進(jìn)一步提高利用效率，需減少水資源利用量和勞動力的過多投入，鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，提高技術(shù)進(jìn)步在農(nóng)業(yè)水資源利用中的貢獻(xiàn)。

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Evaluation on Agricultural Water Utilization Efficiency of Jiangsu Province Based on Data Envelopment Analgsis Model

ZHANG Nana1, WANG Haitao2， WU Yingchao1, MIN Xinghua1, CAO Lei1, ZHAO Yanwen1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China； 2.JiangsuSurveyingandDesignInstituteofWaterResourcesCo.,Ltd.，Yangzhou，Jiangsu225009，China)

Abstract：[Objective] The agricultural water utilization efficiency of Jiangsu Province from 2002 to 2011 was investigated in order to provide the basis for improving the utilization efficiency of agricultural water resources in the province. [Methods] Both C2R and BC2models of data envelopment analysis(DEA) were used. The input indicators included crop planting area, farmland irrigation volume, water consumption of farmland irrigation and the numbers of employed staff engaging in agriculture. The output indicators included effective irrigation area, agricultural per capita income of rural resident, gross agricultural production and crop yield. [Results] (1) The agricultural water utilization efficiency of Jiangsu Province is at a higher level during the periods from 2002 to 2011, the effective years of DEA accounted for 50%. (2) Reasons were both technology and scale in the invalid years of DEA. The invalid years of DEA had shown the input redundancy and output deficiency. (3) With the development of times, the trend of input redundancy and output deficiency in agricultural water utilization is slowing down in Jiangsu Province. [Conclusion] The utilization of agricultural water resources in Jiangsu Province had been improved.

Keywords:agriculture; water resources; DEA model; utilization efficiency

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)04-0299-05

中圖分類號：S273.1

通信作者：趙言文(1965—),男(漢族),江蘇省徐州市人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)、生態(tài)農(nóng)業(yè)和水土保持方面的研究。E-mail:ywzhao@njau.edu.cn。

收稿日期：2013-12-06修回日期：2013-12-31

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“農(nóng)村發(fā)展中生態(tài)環(huán)境管理研究”(70833001)

第一作者：張娜娜(1988—),女(漢族),陜西省榆林市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)農(nóng)業(yè)、水土保持、環(huán)境規(guī)劃與環(huán)境影響評價(jià)。E-mail:2011103038@njau.edu.cn。