鄧路 阿斯甫江·阿不都熱義木 崔巍平 閆海龍

(新疆維吾爾自治區(qū)發(fā)展和改革委員會經(jīng)濟研究院 ，新疆 烏魯木齊 830001)

引言

水是寶貴的自然資源，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展的命脈，對于國家安全和民生大計都具有重大意義[1]。我國水資源總量非常充沛，約為31605.2億m3，但是由于人口眾多、水資源分布不均勻，人均占有量僅為世界平均水平的25%。2011—2019年，中國用水總量平均值為6082.2億m3，多年來均保持在6000億m3之上，在水資源總量無法大幅度提升和用水總量無法大幅度下降的前提下，只能不斷提高水資源利用效率，讓單位用水量創(chuàng)造更多的價值。根據(jù)中華人民共和國水利部發(fā)布的《2020年中國水資源公報》數(shù)據(jù)顯示，2020年用水總量為5812.9億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為3612.4億m3，占總用水量的62.14%，農(nóng)業(yè)用水依然是占比最高。同時，由于水資源分布不均、用水效率低等原因，水資源的稀缺一直也是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要制約因素之一[2]。因此，提高農(nóng)業(yè)用水效率，對保障農(nóng)業(yè)發(fā)展，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展都具有重要意義。

為了提高農(nóng)業(yè)用水效率，首先必須科學、客觀的評價農(nóng)業(yè)水資源利用效率，同時尋找其在時空分布中的客觀規(guī)律，才能針對性地提出提高水資源利用效率的意見建議，為農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。關于農(nóng)業(yè)用水效率，國內(nèi)外學者做了大量研究：楊騫等[3]采用全要素水資源效率的測度思路對農(nóng)業(yè)水資源效率進行了測度，夏蓮等[4]測度了甘肅省民樂縣馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的水資源利用效率，劉渝等[5]測算了湖北省農(nóng)業(yè)水資源利用效率，佟金萍等[6]對長江流域的10個省份農(nóng)業(yè)用水效率進行研究，王潔萍等[7]測算了新疆農(nóng)業(yè)水資源效率，陸泉志等[8]測算了廣西農(nóng)業(yè)水資源利用效率，李靜[9]、方琳[10]、王學淵[11，12]、劉濤[13，14]等將全國分成多個區(qū)域測算了農(nóng)業(yè)用水效率。關于農(nóng)業(yè)用水效率影響因素方面，也有部分學者進行了探索，黃昌碩等[15]從機理層面分析了農(nóng)業(yè)用水效率具有差異的原因；張玲玲[16]、韓穎[17]、陳洪斌[18]、尚杰[19]等研究認為，人均水資源量、降水量、地下水占供水量比例、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素對農(nóng)業(yè)用水效率有較大的影響；馬劍鋒等[20]分析了技術進步對農(nóng)業(yè)用水效率的影響。以上研究為農(nóng)業(yè)用水效率和影響因素分析研究奠定了堅實的基礎，但是也存在一些問題：部分研究忽略了水資源利用效率的空間分異規(guī)律；大部分對農(nóng)業(yè)用水效率影響因素的研究基于回歸方法，該方法存在預設條件過多、可能產(chǎn)生多重共線性等問題，會造成有偏估計。因此，本研究將首先測算分析全國農(nóng)業(yè)用水效率，在此基礎上運用莫蘭指數(shù)(Moran’sI)、LISA指數(shù)來分析農(nóng)業(yè)用水效率在空間上的演變規(guī)律，最后利用機器學習中的隨機森林算法研究農(nóng)業(yè)用水效率的影響因素，該方法對數(shù)據(jù)沒有預設條件，擬合效果好，以此為依據(jù)提出提高農(nóng)業(yè)用水效率的意見建議，以期為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力支撐。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

農(nóng)業(yè)用水效率分為單要素水資源利用效率和全要素水資源利用效率2種[21]，單要素水資源利用效率專注于研究水資源和經(jīng)濟增長之間的關系，全要素水資源利用效率則需要考慮其它要素的影響，本研究重點關注水資源和經(jīng)濟效益之間的聯(lián)系，因此采用單要素水資源利用效率，公式：

(1)

式中，AWUR表示農(nóng)業(yè)用水效率；Aval表示農(nóng)業(yè)產(chǎn)值；Wcon表示農(nóng)業(yè)用水量，該結(jié)果能直接有效地反映農(nóng)業(yè)用水效率的內(nèi)涵。

此外，采用莫蘭指數(shù)、LISA指數(shù)分析農(nóng)業(yè)用水效率變化情況，用隨機森林算法分析農(nóng)業(yè)用水影響因素。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中的數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》和《中國水資源統(tǒng)計公報》。

2 結(jié)果分析

2.1 農(nóng)業(yè)用水效率時空演變規(guī)律

2011年、2014年、2017年、2019年的農(nóng)業(yè)用水效率如表1所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，整體來看，全國的農(nóng)業(yè)用水效率整體上是不斷提升的，整體上呈現(xiàn)增長態(tài)勢。農(nóng)業(yè)用水效率提升的主要原因是農(nóng)業(yè)產(chǎn)值快速提升，而農(nóng)業(yè)用水量的增長相對平緩。分區(qū)域來看，中部地區(qū)是農(nóng)業(yè)用水效率較高的區(qū)域，以此為基礎，先向東南方向輻射，隨后向東北區(qū)域輻射，僅有西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率較低。中部地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率較高的主要原因是這些區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水量較低，說明中部地區(qū)的節(jié)水技術較為先進，提高了區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率。用水效率較低的區(qū)域分為2種情況，新疆和江西等地農(nóng)業(yè)產(chǎn)值較高，但是農(nóng)業(yè)耗水量較高，造成農(nóng)業(yè)用水效率較低，這一類地區(qū)應當大力發(fā)展節(jié)水技術，盡量降低農(nóng)業(yè)耗水量；青海、寧夏、西藏等地雖然農(nóng)業(yè)耗水量較低，但是農(nóng)業(yè)產(chǎn)值也比較低，這一類地區(qū)應當通過提高產(chǎn)量、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等手段，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，提高單位農(nóng)業(yè)用水量的產(chǎn)出。

2.2 農(nóng)業(yè)用水效率空間聚集情況

對2019年的農(nóng)業(yè)用水效率進行空間相關性分析，發(fā)現(xiàn)莫蘭指數(shù)不為零，說明其存在空間溢出效應，具體見表2。

通過分析原始數(shù)據(jù)并對照表2可知，高-高聚集的區(qū)域有5個，分別是四川、重慶、湖北、河南、山西，這些區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率較高的原因是區(qū)域農(nóng)業(yè)耗水量少，即這些區(qū)域的節(jié)水技術較強，說明節(jié)水技術的應用和發(fā)展不僅能促進當?shù)剞r(nóng)業(yè)用水效率提高，還存在較強的空間溢出效應，帶動周邊地區(qū)提高農(nóng)業(yè)用水效率。低-低聚集的區(qū)域有2個，分別是新疆和廣東，這2個區(qū)域的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值都不低，但是農(nóng)業(yè)耗水量較大，造成農(nóng)業(yè)用水效率較低。新疆及周邊地區(qū)是因為處于干旱半干旱區(qū)域，蒸散發(fā)量較大，造成農(nóng)業(yè)用水量大，應大力發(fā)展滴灌等節(jié)水技術，降低農(nóng)業(yè)耗水量；廣東及周邊區(qū)域因為水資源豐沛，因此節(jié)水意識較弱，應加強節(jié)水宣傳、教育，減少不必要的水資源浪費。大部分區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水效率在空間上無顯著相關性，可以進一步加強區(qū)域間的聯(lián)動，發(fā)揮優(yōu)勢地區(qū)的帶動作用，提高農(nóng)業(yè)用水效率。

表2 農(nóng)業(yè)用水效率空間聚集效應

2.3 農(nóng)業(yè)用水效率影響因素分析

2.3.1 影響因素選取

參考現(xiàn)有的研究[14-17]，同時按照可比性、科學性、獨立性、可獲得性原則，建立影響農(nóng)業(yè)用水效率的指標體系，詳見表3。

表3 農(nóng)業(yè)用水效率影響因素指標體系

該指標體系從3個方面測度農(nóng)業(yè)用水效率的影響因素，經(jīng)濟發(fā)展方面用人均地區(qū)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比重來衡量，人均地區(qū)生產(chǎn)總值能反映一個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平，發(fā)展水平更高的地方可能會擁有更先進的節(jié)水技術，而第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比重能反映區(qū)域經(jīng)濟結(jié)構(gòu)。

資源條件方面用人均水資源量、地下水占供水總量的比例、灌溉面積占播種面積的比重來衡量，這些指標能反映出地區(qū)水資源稟賦。

農(nóng)業(yè)投入程度用單位面積的農(nóng)業(yè)機械總動力、人均農(nóng)作物播種面積、R&D經(jīng)費來衡量，前2個指標反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的物質(zhì)投入、規(guī)?；潭?，這些要素有可能對水資源的利用方式產(chǎn)生決定性的影響，R&D經(jīng)費可以衡量對工業(yè)的投入程度，工業(yè)發(fā)展導致先進技術出現(xiàn)，就會反過來提高農(nóng)業(yè)用水效率。

2.3.2 農(nóng)業(yè)用水的影響因素

圖1顯示了隨機森林方法下影響因子的重要性排序情況。其中，第1列表示去掉某個變量袋外誤差上升的百分比，該值越大，表明變量越重要。第2列表示節(jié)點不純度平均減少值，表示該變量對決策樹節(jié)點的影響，該值越大，說明變量越重要。

圖1 基于訓練樣本的變量重要性排序

無論使用哪種方法，灌溉面積占播種面積的比重，R&D經(jīng)費和地下水占供水總量的比例對模型影響較大，因此，本研究將選取這3個變量繪制偏相關圖，分析其作用方式。

圖2 灌溉面積占播種面積的比重對農(nóng)業(yè)用水效率的影響

從圖2可以看出，灌溉面積占播種面積的比重達到20%左右時，農(nóng)業(yè)用水效率最高；20%～50%迅速下降；隨后的影響區(qū)域平緩。這說明灌溉面積占播種面積的比重在20%～50%區(qū)間內(nèi)時，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增長的速度不及灌溉規(guī)模的提升，隨后繼續(xù)提升灌溉規(guī)模，對農(nóng)業(yè)用水效率的影響將變小。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)量，無法將灌溉面積占播種面積的比重限制在20%以下，因此可以在其比重超過50%以后盡量向上提升，這樣可以增加作物產(chǎn)量，同時對農(nóng)業(yè)用水效率的影響也較小。

圖3 R&D經(jīng)費對農(nóng)業(yè)用水效率的影響

從圖3可以看出，R&D經(jīng)費對農(nóng)業(yè)用水效率的提升非常明顯，這說明投入工業(yè)研發(fā)的資金會對農(nóng)業(yè)用水效率形成非常顯著的正向效益，科技的提升能有效形成節(jié)水效應。當R&D經(jīng)費小于50億元時，增加R&D經(jīng)費能對農(nóng)業(yè)用水效率產(chǎn)生非常明顯的正向效益，這是因為科技費用的投入對于節(jié)水技術的研發(fā)、使用具有推動作用。建議R&D經(jīng)費小于50億元的地區(qū)增加該項費用的比例，提高農(nóng)業(yè)用水效率。

圖4 地下水占供水總量的比例對農(nóng)業(yè)用水效率的影響

從圖4可以看出，地下水占供水總量的比例對農(nóng)業(yè)用水效率的總體影響是正向的，僅頭部有少部分觀測值有負向影響。這可能是因為少量應用地下水的區(qū)域技術較為落后、規(guī)模較小，無法有效提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，而利用地下水較多的區(qū)域，隨著地下水利用規(guī)模的擴大，有可能會帶動相應的節(jié)水技術發(fā)展，促進農(nóng)業(yè)用水效率逐漸提高。

3 結(jié)論與建議

本研究基于2011—2019年全國的省際面板數(shù)據(jù)，測算了全國區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水效率及其時空演變規(guī)律，隨后利用隨機森林模型，分析了影響農(nóng)業(yè)用水效率的因素，得出以下結(jié)論。全國的農(nóng)業(yè)用水效率整體上增長的，應當維持目前農(nóng)業(yè)政策的穩(wěn)定性，保持全國范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)用水效率的穩(wěn)步提升。農(nóng)業(yè)用水效率具有較為顯著的空間溢出效應，分為高-高聚集和低-低聚集2種，應繼續(xù)發(fā)揮高-高聚集區(qū)域的帶動效應，如四川、重慶、湖北、河南、山西等地應進一步帶動周邊地區(qū)提高農(nóng)業(yè)用水效率整體提高；分類施策的打破低-低聚集區(qū)域的短板，如新疆及周邊地區(qū)應大力發(fā)展滴灌等節(jié)水技術，降低農(nóng)業(yè)耗水量，廣東及周邊區(qū)域，應加強節(jié)水宣傳、教育。灌溉面積占播種面積的比重對農(nóng)業(yè)用水效率的影響是負向的，但并非線性影響，應在其比重超過50%地區(qū)，進一步提高占比，增加作物產(chǎn)量?？萍纪度胧谴龠M農(nóng)業(yè)用水效率上升的重要因素，當R&D投入資金小于50億元時應大力增加投入力度，此時的投入能大大增強農(nóng)業(yè)用水效率的提升。