中国农业生产中的节水灌溉：区域差异与方式选择

黄秀路,武宵旭,葛鹏飞,3,王小腾,3

(1.西安交通大学金禾经济研究中心，陕西　西安　710049；2.西北大学经济管理学院，陕西　西安　710127；3.西北大学中国西部经济发展研究中心，陕西　西安　710127)



中国农业生产中的节水灌溉：区域差异与方式选择

黄秀路1,武宵旭2,葛鹏飞2,3,王小腾2,3

(1.西安交通大学金禾经济研究中心，陕西西安710049；2.西北大学经济管理学院，陕西西安710127；3.西北大学中国西部经济发展研究中心，陕西西安710127)

本文考虑到农作物的经济效益和地区经济发展状况的差异，使用2003—2013年农业省级面板数据，研究了三大农业区域的最优节水灌溉方式的选择问题。结果指出，北方农业区应发展以喷灌、微灌和低压管灌为主的节水灌溉；南方农业区应实施喷灌；随着北方和南方地区经济的发展，对传统土渠进行改良的渠道防渗已不再促进农业生产；西部农业区应优先发展渠道防渗和微灌，对于基础设施相对落后的西部农业区，利用渠道防渗改良传统土渠，可以有效促进当地农业的发展。

农业生产；节水灌溉；农业区划

1　引言

近年来，以升温为主要特征的全球气候变化，引起了水资源在时间和空间上的重新分配，增加了洪涝、干旱等极端灾害发生的频率和强度[1]，这在一定程度上放大了水资源对农业生产的制约性。随着经济的发展，人民生活水平稳步提高，民众对食物消费的多样化加快升级[2]，国家对粮食的进口数量也屡创新高。为此，实现高效的现代化农业迫在眉睫。发展节水农业可以有效解决水资源约束，进而促进农业生产，推广节水灌溉农业是实现农业现代化的重要途径[3]。

现有以经济学视角研究农业节水灌溉的文献，主要探讨影响农户是否采用节水灌溉的因素，分为以农户自身禀赋、认知、所拥有的农田资源等内部因素和以水价、节水灌溉设备成本、社会网络以及政府政策为主的外在因素[4-6]。然而，这些研究仅关注农户选择行为，并未分析选择的节水灌溉方式是否合适。中国作为一个农业生产大国，虽然人多地广，但是优良耕地面积少，而且气候复杂。农业靠天吃饭的局面没有得到根本性的解决，破解农业的水资源约束，需要依靠发展节水灌溉农业。因此，各地区适合何种节水灌溉方式的议题摆在我们面前。

当前农业节水灌溉方式选择的文献，仍旧停留在微观层面研究农户的行为选择。在以农业作物经济效益为基础的研究中，也只得出应根据不同的地理条件，均衡发展微灌和渠道防渗技术的结论[7]，并未给出不同地区的具体节水灌溉方式的最优选择。中国地域辽阔，气候环境各异，农作物种植种类呈现多样化；地区经济发展水平有着明显差异，农业发展也参差不齐。因此，本文研究的核心问题为，从农作物的经济效益和地区经济发展程度出发，找到符合地区农业资源禀赋的节水灌溉方式。

2　节水灌溉：技术分类与作用机制

节水灌溉技术是农业生产现代化的直观体现，其以最低限度的用水量获得最大限度的农业产量或收益；不同的节水灌溉方式作用原理不同，对气候和地理环境的适用性也各异。

2.1节水灌溉技术分类及适用条件

采用传统土渠对农田进行输水灌溉，会使灌溉用水在渠道输配过程中，经由渠道底部、边坡等土壤孔隙造成部分渗漏，以及输水过程中会有部分蒸发，造成水量损失。该损失一般占到输水总量的50%～60%，土质较差的地区会高达70%。采用节水灌溉可以有效地降低灌溉用水的损失，提高水资源的利用效率。目前，中国农业采用的节水灌溉技术主要包括微灌、喷灌、低压管灌和渠道防渗。

从灌溉效率、实施操作的难易程度、每亩初始投资及后期维护费用等方面对4种节水灌溉方式进行对比。灌溉效率依次为：微灌、喷灌、低压管灌、渠道防渗；实施及操作的难易程度依次为：渠道防渗、低压管灌、喷灌、微灌；每亩工程投资，微灌成本最高，喷灌次之，低压管灌和渠道防渗费用较少。

2.2节水灌溉对农业生产的作用机制

农业生产通常包括播种、施肥、浇灌、杀虫等环节，要素在农业生产过程中的某一环节产生作用，最终转化为农业生产的产出。投入要素的利用效率决定着产出的多寡，提高投入要素的效率可以直接影响整个农业产出效率的提升。

一方面，节水灌溉技术可以直接作用于投入要素，通过提高要素的利用效率，促进农业生产。①2013年，农田有效灌溉面积9.37亿亩，仅占耕地面积的51.5%，仍有9亿亩左右耕地没有灌溉条件。实施节水灌溉将扩大农田有效灌溉面积，提高农业产出。②当前，农村劳动力外出务工所带来的农业劳动力老龄化和女性化，均对农业生产有负面影响[8]。实施节水灌溉，可以减少农业生产过程中的劳动力配置，提高劳动力的单位产出，抵消农村劳动力转移带来的不利影响。③肥料、杀虫农药和植物生长调节剂等投入要素，可以通过节水灌溉随水流入，有效提高投入要素的作用程度。④节水灌溉可以有效减少中耕、施肥、喷药、锄草等环节的作业次数，在提高肥料农药作用效率的同时，减少人力投入，节省机械动力等物力资源，最终促进农业生产。⑤节水灌溉会促进农业的规模化经营，而农业规模化经营会促进节水农业的发展[9]。因此，节水灌溉的实施，可显著提高地区农业抵抗旱涝灾害和病虫害的能力，弥补因劳动力转移对农业带来的负面影响，促进农业规模化经营等。

另一方面，节水灌溉间接影响农业的发展。实施节水灌溉提高了投入要素的效率，减少化肥、农药以及植物生长调节剂的使用量，降低农业机械的使用次数，进而促进低碳农业的发展。农业系统CO2、CH4与N2O排放量占全球人为温室气体排放量的21%～25%、50%和60%，由此可见节水灌溉对发展低碳农业有重要作用。节水灌溉带来的节水、节电、节能、节约土地以及低碳化等方面，提升了整个社会的福利，对减缓气候变化，实现经济社会的可持续发展有显著的促进作用，经济社会的发展反过来也会促进农业的发展。

节水灌溉的直接和间接影响，都将达到提高农业产出、促进农业发展的目的，对发展低碳农业和地区经济也有积极作用。图1为节水灌溉对农业生产的直接和间接促进作用机制。

图1　节水灌溉对农业生产的作用机制

3　模型构建、变量与数据

3.1计量模型的选择和设定

本文使用随机前沿分析方法(SFA)研究农业节水灌溉技术的最优选择。SFA方法在构建前沿生产面时，已经利用了隐性的价格信息因素[10]，得出的计量结果充分考虑了不同节水灌溉技术在实施过程中的成本。使用SFA方法分析时，如果某种节水灌溉方式对农业生产的效率有着正向影响，就认为此种节水灌溉方式促进了农业生产；反之，则认为未促进农业生产。根据农业生产系统的特点，引入形如CD生产函数的随机前沿模型：

lnYit=β0+β1lnMit+β2lnSit+β3lnFit+β4lnLit+β5lnWit+(vit-uit)

其中，lnYit表示农业实际产出，Lit、Sit、Fit、Mit和Wit分别表示农业生产中的劳动力、土地、农用化肥、农业机械动力和灌溉用水。

农业生产的技术效率不仅受到农业生产过程中投入要素的影响，也会受到各种环境因素的影响，其中农业节水灌溉方式是影响农业生产的主要环境因素。在控制了可观测的非随机变量和不可观测的诸如生产风险等随机变量之后，引入节水灌溉方式到效率解释函数中，以考查在农业生产决策中，节水灌溉的选择问题。本文从当前中国农业节水灌溉发展的实际情况出发，将节水灌溉具体分为喷灌、微灌、低压管灌、渠道防渗。效率解释函数具体表示为：

mit=δ0+δ1SIit+δ2MIit+δ3LIit+δ4CIit+δ5URBit+δ6EDUit+δ7SIit+δ8TIit+δ9MAit+δ10PRit+wit

其中，SI、MI、LI、CI、URB、EDU、SI、TI、MA、PR分别表示喷灌、微灌、低压管灌、渠道防渗、城市化水平、教育水平、工业化水平、服务业水平、是否为主产粮区、降水量水平。

3.2变量解释及来源

本文以种植业作为研究对象，选取2003—2013年作为研究时段，来分析农业节水灌溉技术的选择问题。

(1)投入产出变量。使用种植业的总产值来度量产出，投入要素为劳动力、土地、农用化肥、农业机械动力和农业灌溉用水。

(2)核心解释变量。喷灌、微灌、低压管灌及渠道防渗等节水灌溉方式为核心解释变量，用节水灌溉面积表示。

(3)控制变量。在生产过程中，生产决策者把投入转化成产出的能力，经常会受到外生变量的影响，外生变量刻画生产过程在何种环境下进行的。控制环境因素对得到无偏的估计结果是有利的。本文选取控制经济社会发展的一些非随机变量和控制农业生产风险的天气变量作为控制变量，其中经济社会发展因素包含城镇化、高等教育、经济结构以及是否为主产粮区，农业生产风险用地区降水量来标识。

所有原始数据均来源于各年《中国农村统计年鉴》《中国统计年鉴》《中国林业统计年鉴》《中国畜牧业年鉴》《中国农业统计资料》以及《中国环境统计年鉴》。

4　实证研究结果及解释

4.1节水灌溉方式的基本选择

本文采取从简单到复杂的回归策略，估计结果见表1。模型1的效率解释函数中只包括喷灌、微灌、低压管灌、渠道防渗等节水方式变量；随后，模型2加入了城镇化、高等教育、工业化、服务业、主产粮区等影响农业生产的控制变量；在模型2的基础上，模型3加入影响农业生产的风险因素。在加入控制变量后，节水灌溉方式变量的系数符号未改变，回归结果较为稳健。

模型1的结果显示，喷灌和低压管灌对农业的生产效率有着促进作用，微灌与农业的生产效率负相关。渠道防渗在模型1和模型2的回归结果中，对农业生产效率均有负向作用(不显著)，在控制气候风险(降水量)以后，渠道防渗对农业生产效率呈显著负相关。

因此，中国农业在节水灌溉方式的选取上，应该以喷灌和低压管灌为主,尽量少推广微灌和渠道防渗。得出这样的结论，可能的合理解释为，单从灌溉效率上来讲，微灌技术对水资源的利用效率最高，可以显著提高作物的产量，节省劳动力投入。结合社会发展的实际，中国虽然是农业大国，但农民的收入普遍偏低，实施微灌，如果没有政府的补贴会增加农民的负担，这样农业产值不仅不会提高，相反还会降低。模型1和模型2回归结果显示渠道防渗变量的系数为正且不显著，说明渠道防渗对农业生产效率不存在提升作用；当加入气候风险因素后，回归结果显示渠道防渗对农业生产效率存在显著的负向作用。我们认为，虽然渠道防渗与传统的土渠等农业灌溉方式相比，提高了农业利用水资源的效率，但是相比农业的科技进步，渠道防渗已经不能满足当前农业现代化的发展要求。

表1　全国节水灌溉效率解释函数的估计结果

4.2中国农业的区域划分

上文的最优节水灌溉方式是针对全国范围内平均而言的，但中国地域辽阔，气候各异，土地类型和农作物种植种类呈现多样化，节水技术在各地区表现出显著的差异性。找出不同农业区域的最优节水方式是本文研究的重点。学者们对其它经济问题进行区域比较分析时，往往把中国划分为东中西部，这样划分可以考虑到各区域的经济发展水平。但就节水灌溉方式的选择来说，东中西部的划分显然是不科学的，以东部地区的山东省和广东省为例，二者在地理气候、农作物种类和土壤结构等表现出巨大的差异性，对最优节水灌溉的选择自然也会不同。

中国农业的地区差异性主要表现在东部和西部的差异(以400毫米年降水量为界)、南方和北方的差异(降水和热量的差异)。为进一步研究农业节水灌溉技术在不同农业区域上的适用情况，根据地理学的知识，考虑气候类型和降水量等方面因素，对31个行政区进行区域划分，以期达到在样本满足实证研究的基础上，尽可能详细地得出分区域间节水灌溉技术的最优选择情况。我们把中国分成北方、南方、西部三大农业区域，在同一农业区内，气候条件、干湿情况较为相似。划分结果如表2所示，虽然部分省份同属多个区域，但考虑到统计年鉴中数据均是分省数据，故同一省只能归属一个农业区。

表2　农业区域划分

4.3节水灌溉方式的区域选择

依据上文划分的农业三大区域，本节进行区域分析。考虑到样本量较小，进行区域计量回归时未加入控制变量，这并不影响不同节水灌溉方式的区域最优选择，而且从残差结果来看，回归结果良好。表3给出了详细的参数估计结果。根据结果，我们对农业分区域的节水灌溉选择进行解释。

回归结果显示，喷灌、微灌、低压管灌等节水灌溉技术对北方农业生产效率均有显著的提升作用，而渠道防渗对北方农业区的生产效率则有显著的抑制作用。北方农区以旱田为主，水资源的短缺严重影响了北方农业的发展。随着北方地区经济水平的提高，对传统土渠改良的渠道防渗节水灌溉技术已经不能满足北方农业的发展需求，所以需要更加高效的喷灌、微灌和低压管灌技术的实施。对比变量系数发现，喷灌对北方农业的促进作用最大，微灌次之，低压管灌促进作用最小。从现实来看，北方地区耕地多，水资源少，耕地以平原为主，而且在农作物灌溉期风力相对较小，适合进行大田喷灌。在水资源约束条件下，北方发展以喷灌为主的节水灌溉农业，可以较好的服务粮食作物。另外，成本相对较高的微灌技术可适用于北方农区的经济作物的种植。

南方地区的回归结果显示，喷灌对南方农业区的生产效率有着显著的促进作用，微灌和低压管灌的影响不显著，和北方农业区类似，渠道防渗对南方农业区的发展也存在显著地负向影响。结合南方地区的实际，喷灌的促进作用不仅仅在于水资源的有效利用，还在于喷灌对地形的适合性，以及半机械化的喷灌作业带来的劳动力节约。微灌对南方农区的不确定性源自于：①南方地区相对较丰富而且分布较均衡的水资源；②冬季的南方不需要像北方那样，以农用大棚的形式种植蔬菜等经济作物。在水资源约束和气候约束相对较小的南方，虽然微灌可以有效提高农业的经济效益，但提高的收入相对成本并不显著。低压管灌对南方农业的影响不显著主要因为，南方地区地形增大了低压管灌的实施难受。与北方农区类似，渠道防渗对南方农区有显著的负作用。

西部农区的回归结果显示，微灌和渠道防渗技术对西部农业的发展有积极的作用，喷灌和低压管灌对西部农区的发展有着抑制作用。西部农业区适合水资源利用率最高的微灌技术，以及水资源利用率较高但造价最便宜的渠道防渗技术。水资源利用率和成本处于中间的喷灌和低压管灌，对西部农业的生产效率无促进作用。究其原因，我们认为，这是由于西部地区特殊的气候和地质环境造成的。本文设定的西部地区包括内蒙古、宁夏、甘肃、新疆、青海和西藏，这些省份属于干旱和半干旱地区，蒸发量大，降水量小。喷灌实施时，会把灌溉用水(包括肥料和农药等)以雾状的形态喷到作物根部或作物上方，在多风和蒸发量较大的西部地区气候条件下，雾状的灌溉方式会使得水或肥料等的蒸发损失较大，而不能作用于作物本身，故喷灌对西部地区的农业并无促进作用，甚至有着显著的负向影响。西部地区地广人稀，地势起伏，可耕种的土地不像平原那样广袤，这些都影响着低压管灌技术的实施，在管道的铺设存在较大难度的情况下，使得低压管灌技术对西部地区的农业存在显著地抑制作用。微灌技术会把水或肥料直接运送到作物根部，不会造成损失，尤其把微灌应用于价值较高的经济作物，会产生良好的经济效益。所以，虽然微灌技术造价较高，却依然促进西部农业的发展。例如，新疆生产建设兵团较早的把微灌应用于棉花等经济作物的种植[11]。

表3　分地区节水灌溉效率解释函数的估计结果

西部地区的经济落后于北方和南方，相比而言，节水灌溉农业的普及率低下，传统的土渠灌溉仍占很大的比重，对土渠进行渠道防渗的改良也可以显著的提高西部农业的生产效率。总而言之，西部地区发展节水灌溉农业要以微灌和渠道防渗为主：使用微灌技术发展价值较高的经济型作物；使用渠道防渗技术对传统土渠进行改良，可以有效提高粮食作物的灌溉效率。

5　结论与启示

全国范围内，中国农业应以喷灌和低压管灌为主，尽量少推广微灌和渠道防渗技术。分农业区来说，北方农区发展喷灌、微灌、低压管灌等节水方式均会显著提升农业生产效率，而渠道防渗对北方农业的生产效率有显著的抑制作用。北方农区以旱田为主，水资源的短缺严重影响了北方农业的发展，随着北方地区经济的发展，对传统土渠改良的渠道防渗技术已经不能满足北方农区的发展需求，所以需要实施更加高效的喷灌、微灌和低压管灌技术。南方地区发展喷灌可以显著促进农业生产，渠道防渗对南方农业的发展存在负向的影响。西部农区应发展微灌和渠道防渗，喷灌和低压管灌对西部农业的发展有着抑制作用。西部地区特殊的气候、地质环境以及较落后的经济发展水平，造成了西部农区适合发展水资源利用效率最高的微灌技术，以及造价最便宜水资源利用率较高的渠道防渗技术。

本文研究结论对当前各地发展节水灌溉农业的启示为，各地区对农业基础设施的建设要因地适宜，找到符合本地区实际的最佳节水灌溉方式。不能盲目地推行最新技术和最新设备，要充分考虑作物的经济效益和地区的经济发展水平。

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(责任编辑沈蓉)

China’s Water Saving Irrigation for Agricultural Production：Regional Differences and Methods Choice

Huang Xiulu1，Wu Xiaoxu2，Ge Pengfei2,3,Wang Xiaoteng2,3

(1.Jinhe Center for Economic Research，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China;2.School of Economics and Management，Northwest University，Xi’an 710127，China;3.Center for Studies of China Western Economic Development，Northwest University，Xi’an 710127，China)

Given differences in economic benefits of crops and regional economic development，this paper applies provincially agricultural panel data from 2003 to 2013 to explore optimal water-saving irrigation methods for the three agriculture region.Results show that northern agriculture region should develop sprinkler irrigation，micro-irrigation and low pressure pipe irrigation and southern region should implement sprinkler irrigation.With the economic development，the northern and southern agriculture region no longer suits canal seepage control which is an improvement for traditional earth canal.The western agriculture district should give priority to canal seepage control and micro-irrigation.Contrast to the northern and southern，canal seepage control can efficiently enhance agriculture development for the relatively backward western agriculture region.

Agricultural production；Water-saving irrigation；Agricultural regionalization

西北大学“十二五”“211工程”研究生自主创新项目(YZZ15053)。

2015-11-06

黄秀路(1987-)，女，湖南桂阳人，西安交通大学金禾经济研究中心博士研究生；研究方向：资源经济、风险管理。

F320.1

A