基于节水的北京设施蔬菜生产效率及其对策研究

冯 献 李 瑾 郭美荣

（北京农业信息技术研究中心，国家农业信息化工程技术研究中心，农业部农业信息技术重点实验室，北京市农业物联网工程技术研究中心，北京 100097）

基于节水的北京设施蔬菜生产效率及其对策研究

冯 献 李 瑾* 郭美荣

（北京农业信息技术研究中心，国家农业信息化工程技术研究中心，农业部农业信息技术重点实验室，北京市农业物联网工程技术研究中心，北京 100097）

基于北京市郊区县设施蔬菜用水现状与农户节水行为的调研，采用DEA方法对采用节水技术的北京设施蔬菜投入产出效率进行了评价。结果显示，基于节水的京郊设施蔬菜生产效率为0.900，处于较高水平，但设施黄瓜和设施茄子仍存在10.212%、0.285%的节水提升潜力；基于膜下滴灌、水肥一体化、畦灌等技术设施蔬菜生产已发挥最佳投入产出的配置效率，但基于沟灌、膜下沟灌、膜下微喷的设施蔬菜仍存在2.902%、12.162%和2.792%的节水提升潜力。结论表明，不同的设施蔬菜品种、节水技术选择对于设施蔬菜生产效率存在差异性，通过调整结构和创新技术，可提升设施蔬菜节水效率。

北京；设施蔬菜；节水；投入产出效率

设施蔬菜节水是指根据设施蔬菜生长发育的需水规律以及当地自然条件下的供水能力，通过蔬菜种植结构调整，以及物联网、智能灌溉系统、雨水收集、水肥一体化等各类节水设施技术及装备，实现设施蔬菜生产节水增效的高效型农业节水（国亮等，2014）。北京属水资源短缺城市，人均水资源量为94 m3，仅为全国人均水资源量的1/20，世界人均水资源量的1/80，远低于国际人均1 000 m3的缺水下限。发展设施蔬菜节水，推进设施生产节本增效，是促进都市型现代农业可持续发展的重要科技支撑，也是实现水利现代化的重要组成部分，有利于推进京郊地区实现资源节约、环境友好的农业可持续发展目标（张振贤 等，2012）。为深入了解北京郊区设施蔬菜节水现状及存在的主要问题，本文以北京设施蔬菜生产效率为研究对象，探讨了基于节水的设施蔬菜投入产出效率，藉此提出了相关对策建议，以期为北京涉农部门出台相关农业节水政策提供借鉴。

1 北京设施蔬菜用水以及农户节水行为分析

因北京地区设施蔬菜生产，尤其是节水灌溉技术及设备的应用多为合作社、企业，因此，2015年7月，北京市农林科学院“北京设施蔬菜节水效益评价研究”课题组分赴大兴、房山、顺义、昌平、密云、怀柔等合作社（企业、基地）开展了关于北京市设施蔬菜节水技术/设备应用与需求的问卷调研，调研期间共发放问卷50份，通过数据处理，获得有效问卷48份。

1.1 调研基本情况

本调研的经营主体主要分为4类，按照占比高低从高到低依次为农民专业合作社（52%）、农业企业（25%）、专业大户（15%）和其他（8%）。经营主体规模大小不一，所建温室数量从几个到上百个不等，其中北京榆垡京南蔬菜产销专业合作社温室数量达到333个，北京泰华芦村种植专业合作社温室数量300个且全部种植设施蔬菜，种植面积达到30 hm2，其中220个温室采用节水灌溉。

1.2 设施蔬菜节水现状

为考察不同栽培作物的用水情况，本调研涉及的设施栽培作物主要是草莓、番茄、茄子、黄瓜、椒类、西甜瓜等高耗水作物。同时，为考察不同节水技术的应用情况，本调研选取了郊区比较常用的微喷灌、膜下沟灌、膜下滴灌、水肥一体化等节水技术进行分析。

1.2.1 北京市蔬菜生产用水总体情况 调查结果显示，北京市设施蔬菜节水灌溉每667 m2年用水量平均为496 m3，生产效率为16.6 kg·m-3，常规灌溉每667 m2年用水量平均为598 m3，生产效率为13.6 kg·m-3。设施蔬菜种植中采用节水灌溉方式比常规灌溉平均每667 m2可节约102 m3用水，这在很大程度上提高了用水效率。而且节水灌溉的生产效率比常规灌溉平均每667 m2高出3.0 kg·m-3。

1.2.2 节水灌溉效益情况 调研发现，设施蔬菜节水灌溉技术采用率达到76.32%，节水效益显著。从耗水量来看，设施蔬菜节水灌溉比常规灌溉每667 m2年用水量平均可节约102 m3，水利用率提高17.06%；从用水生产效率来看，设施蔬菜节水灌溉生产效率平均每667 m2提高22.06%。对草莓、番茄、黄瓜、椒类、茄子、叶菜类等设施农业主要种植作物进行节水生产效率的数据分析发现，单方水经济效益最高的是草莓，达到62.6元，单方水产量较高的是番茄和黄瓜，分别达到14.42 kg和13.62 kg。从不同节水技术用水效率看，滴灌、喷灌节水效益最好。总体看来，北京设施蔬菜用水量平均值仍超过京发〔2014〕16号文所提出的7 500 m3·hm-2，通过样本的分组对比可以看出，喷灌、滴灌的用水量与水生产效率较高。设施茄子、椒类等存在较大的节水潜力与空间，未来可通过结构调整和节水技术推广实现水资源高效利用。

2 基于节水的北京蔬菜生产效率评价

为深入分析不同栽培品种、不同节水技术应用模式的综合效率，本课题结合郊区县调查样本结果，对基于节水的北京设施蔬菜生产效率进行了综合评价，得出了相关结论。

2.1 测评方法

2.1.1 方法选择 为测算基于节水的北京设施蔬菜投入产出效率，本研究引进规模报酬不变假设下（CRS）基于投入导向的DEA方法，通过构建包含节水设施设备投入在内的投入要素，测算北京设施蔬菜的投入产出效率。采用Charnes等（1978）的DEA技术效率测算模型：

式中，s为投入变量，y为产出变量。求解得到的θ值为各DMU的生产效率值，θ越接近1，表明其在既定产出环境下投入组合越接近生产前沿，当θ=1时，表明技术有效。

DEA需要通过线性规划识别处于前沿的点，作为非效率决策单元改进的目标（师博和沈坤荣，2008）。可通过处于前沿面的决策单元最大化产出标准化为1的图解说明（图1）。图1中，横轴表示每单位产出需要多少其他投入要素，纵轴表示每单位产出需要多少节水设施/设备投入。Q和Q’为最优生产前沿，而A和B则为无效。以A为例，A对应的效率分值θ为OA’/OA，A1保持产出Q不变条件下，用水投入可进一步减少AQ，为此对于决策单元A达到最优技术效率的潜在设施蔬菜用水投入应为OA’×θ-AQ。

图1 规模报酬不变前提下DEA技术效率分解

2.1.2 DEA投入产出变量选择 因调研过程中农药、农膜等投入数据的缺失，考虑到数据的真实性，模型的可变投入变量主要选择用水量（m3）、人工（工日）、化肥（元），在基于不同节水技术的测算中，还选择了节水设备投资（元）；产出变量主要选择单产〔kg·（667 m2）-1〕、产值〔元·（667m2）-1〕。相应的生产函数可以表述为：Y=f（f，l，a，w）。数据来源于笔者实地调研数据。

2.1.3 用水效率测算 所谓农业用水效率，即是指在既定的农业产出环境下，最优用水投入量与实际农业用水量之比。为此，结合DEA模型测算出来的最优用水投入量，可计算出用水效率。

2.2 评价结果

2.2.1 不同蔬菜种类的效率评价 从调研情况看，郊区种植的设施蔬菜种类主要有番茄、黄瓜、茄子、椒类、叶用莴苣（生菜）、草莓、西甜瓜等。为此，本研究将采用节水技术的经营主体进行分组简单平均，对以上7类设施品种生产效率进行分析。为方便比较，本研究还对露地生菜、露地大白菜的投入产出进行了分析。运用DEAP2.1软件，将投入产出指标的相关数据带入求解，经过计算分析，得到以上设施蔬菜节水的生产效率评价结果（表1）。

表1 采用节水技术的北京郊区不同设施栽培品种生产效率

① 采用节水技术的设施蔬菜比设施西甜瓜及草莓的生产效率偏低。整体来看，2014年北京郊区采用节水技术的设施蔬菜生产效率相对于设施西甜瓜及草莓的效率要低。从评价结果看，综合效率达到1.000的设施栽培作物有草莓、西瓜和生菜。番茄、黄瓜、椒类、茄子、生菜的综合效率平均为0.851，设施西甜瓜及草莓为0.992。椒类、茄子的投入产出效率较低，分别为0.773、0.726，但比露地生菜高。总体而言，采用节水技术的设施蔬菜相对于露地种植有效，但仍有较大的提升空间。从纯技术效率来看，椒类、茄子纯技术效率分别为0.790、0.729，表明这两类设施品种的综合效率水平主要由低水平纯技术效率导致，可能的原因在于种植这两类设施品种的过程中，由于园区/企业/合作社管理和技术等因素（如技术产品使用不当、适用性和经济性的节水技术产品缺失等），导致设施栽培过程中各用水、用工、用肥等投入要素的产出效率低而影响了设施栽培的综合效率。因此，这两类品种的设施栽培节水技术改革重点应在于相关技术产品的研发、推广及管理服务方面（郭文忠 等，2005）。而设施番茄、设施黄瓜和设施甜瓜的投入产出低效则主要是由于经营主体在制度和管理水平一定的前提下，其投入的现有规模与最优规模存在一定差距，因此这3类设施栽培的节水改革重点应在于调整设施生产的规模使之发挥规模效益。

② 设施椒类及设施甜瓜属于规模报酬递增的栽培作物。从规模报酬的计算结果来看，设施椒类和设施甜瓜的栽培呈现规模报酬递增趋势，表明虽然两类栽培的节水综合效率不为1，属于非DEA有效，但在一定的农业投入（如劳动力、灌溉、化肥）规模下，资源利用效率和经济效益已表现出不断上升的良好趋势，在未来农业节水的结构调整中可适当进行品种栽培的调整。而设施番茄、黄瓜、茄子则处于规模报酬递减阶段，表明经营主体在栽培这些设施作物过程中可能存在投入要素的冗余或配置不尽合理等问题，阻碍了设施蔬菜生产效率有效性的提升。针对这种规模效率不足的情况，应注重在现有规模基础上调整产业结构，合理分配投资，在产业规模方面优化投入结构和转变发展重点，以提高规模效率。

③ 设施黄瓜与设施茄子存在节水优化潜力。根据用水量的冗余值计算结果可以看出，除设施黄瓜和设施茄子外，其他品种用水合理。根据评价结果，设施黄瓜和设施茄子的用水量的冗余量分别为29.410 m3和0.854 m3，即存在用水投入过量，用水效率分别为89.788%和99.715%，存在10.212%、0.285%的节水提升潜力，可通过节水技术的引入和设备的改造提升进而提高节水效率。如春茬果菜中，采用膜下滴灌分别比沟灌、畦灌节水570、1 215 m3·hm-2，平均节水14.672%、26.821%。而水肥一体化则比沟灌节水近1 050 m3·hm-2，平均节水可达到27.027%。以黄瓜为例，根据刘晓敏等（2011）研究，采用膜下滴灌不仅比膜下沟灌节水5.535%，同时可节肥13%。

2.2.2 基于不同节水灌溉技术的设施蔬菜生产效率评价 根据调研结果，当前京郊地区采用的设施蔬菜的节水灌溉技术主要有：微喷灌、膜下沟灌、膜下滴灌、水肥一体化等方式。针对这些方式，对节水灌溉的投入产出效率进行DEA评价。为方便比较，本研究还对沟灌、畦灌的投入产出效率进行了分析。运用DEAP2.1软件，将投入产出指标的相关数据带入求解，经过计算分析，得到以上节水技术的投入产出效率评价结果（表2）。

表2 北京郊区不同节水灌溉技术的投入产出效率评价

① 基于膜下滴灌、水肥一体化、畦灌的设施蔬菜生产效率投入产出DEA有效。总体来看，北京郊区设施蔬菜在采用节水灌溉技术后其生产效率较高，平均为0.937，其中规模效率接近1。表明在政策指引和技术推动下，北京郊区设施蔬菜高效节水体系基本形成。但同时，不同技术下的设施蔬菜DEA效率存在差异。其中采用膜下滴灌、水肥一体化、畦灌等3类节水灌溉技术的设施蔬菜生产效率为1，属于DEA有效，即在既定的产出环境下，农业用水、用料（化肥、农药）、用工、节水设备投资的投入是有效的，这也得益于北京市在郊区县设施农业种植中对滴灌、水肥一体化技术的推广，郊区经营主体积极推行这些节水灌溉模式与技术，设施蔬菜高效节水的格局正在形成（杨胜敏，2011）。虽然畦灌在灌溉过程中的用水量相对其他灌溉方式要大，但综合其他要素的投入及设施栽培的产出水平，尤其是节水设备的投资较小，使得其综合效率处于低产出水平的有效。而沟灌、膜下微喷则非DEA有效，主要在于一方面京郊设施蔬菜的沟灌、微喷技术存在投入要素的冗余或资源配置的不合理等问题；另一方面节水技术设备的投资成本相对较高和技术应用的不当，导致在既定产出条件下投入尚未实现最小化。

② 设施蔬菜节水灌溉技术存在规模报酬递增现象。除膜下滴灌、水肥一体化、畦灌的规模报酬稳定不变，表明当前北京地区设施蔬菜在以上3类节水灌溉技术的投入产出正处于最适的规模水平，实现了最低投入和最佳产出。沟灌、膜下（上）沟灌、膜下微喷等规模的边际收益表现出增加趋势，表明尽管这些节水灌溉技术虽然非DEA有效，但在一定的要素投入规模下，资源利用率和节水灌溉取得的设施栽培综合生产率具有提升的空间。为此，需要合理配置设施蔬菜节水的资源，尤其是用水、用肥方面，以提高水资源利用效率。

③ 沟灌、喷灌的节水效率有待提高。根据评价结果，沟灌、膜下沟灌、膜下微喷虽然在产出方面取得较好成效，但同时投入方面存在用水量冗余问题。采用沟灌、膜下沟灌、膜下微喷的设施蔬菜每667 m2用水量投入冗余量分别为16.201、50.826、9.499 m3，即基于这3类节水灌溉技术的设施蔬菜节水效率仍可提升2.902%、12.162%和2.792%。为此，针对这一现象，今后在这些设施蔬菜节水技术投入中，应加大低成本节水技术产品的研发投入及成果转化，做到以水定产，加快设施蔬菜生产的“降成本、补短板”的供给侧改革，通过发展适度规模经营、减少水资源不合理利用、开展节水灌溉技术的社会化服务等降低设施蔬菜节水灌溉综合集成技术成本的相关措施，实现设施蔬菜节水的标准化、规模化和集约化发展（周玉玺 等，2014）。

3 结论及对策

3.1 结论

总体看，近年来北京市大力推行设施栽培高效节水技术，切实加快农业节水发展步伐，北京郊区经营主体农业节水意识不断提高，设施农业节水取得较好成效，北京地区农业用水效率及节水技术产出效率得到有效提高，通过构建DEA模型，得出以下结论：

① 基于不同设施蔬菜品种，考虑节水的京郊设施蔬菜平均投入产出综合效率为0.904，处于较高水平，用水效率平均达到98.688%，存在1.312%的节水空间。分品种看，采用节水技术的设施蔬菜生产效率比设施西甜瓜及草莓的节水提升空间大，尤其设施黄瓜与设施茄子在节水灌溉技术应用推广过程中仍存在用水过量现象，设施椒类及设施甜瓜位于规模报酬递增，存在节水优化潜力。

② 基于不同节水灌溉技术，膜下滴灌、水肥一体化、畦灌等节水灌溉技术已发挥最佳投入产出的配置效率。基于沟灌、膜下沟灌、膜下微喷的设施蔬菜仍存在2.902%、12.162%和2.792%的节水提升潜力。鉴于当前节水灌溉技术在京郊设施蔬菜种植中仍存在技术和管理不当、节水设备运维成本较高等问题，导致基于沟灌、膜下沟灌、膜上沟灌、膜下微喷等节水灌溉技术的设施蔬菜生产效率不高，需通过调整要素投入结构、加大低成本技术产品成果转化等以提高基于节水的设施蔬菜的纯技术效率。

3.2 对策

“十三五”期间，北京地区计划实现农业节水2亿m3的目标，要以京发〔2014〕16号、全国农业可持续发展规划和中央关于加快水利改革发展的决策部署为指导，针对设施蔬菜灌溉方式粗放、结构不合理、技术管理不到位等情况，结合发展需求与可能，以农业用水为约束，综合集成节水灌溉工程、管理、农艺及信息化等措施，提高设施蔬菜灌溉水利用效率和菜田水利现代化水平，为加快北京都市型现代农业发展进程和水资源可持续发展提供有效支撑。

3.2.1 优化设施生产结构，深挖设施蔬菜节水潜力

① 稳步推进设施蔬菜品种结构。鼓励种植耗水少、附加值高的农作物，扩大抗旱、节水、专用、高效品种面积（姚增福和李全新，2014），优化设施蔬菜和设施西甜瓜及草莓的种植结构调整，适当提高番茄、生菜等设施蔬菜种植面积，减少椒类、黄瓜等耗水蔬菜面积，推广塑料大棚“果—果”、“瓜—果”和“果—叶”和日光温室草莓、“瓜—果”、“果—叶—叶”和“果—果”的设施茬口栽培模式，提高农用地复种指数，发展高效节水栽培模式。

② 改造提升设施蔬菜生产基地。利用好菜篮子建设等资金，对老旧蔬菜种植园区、低效观光蔬菜果园进行设施升级改造，结合菜田土地自身情况如水利设施、地块平整度、土壤性状、经验产量等和当年当季技术资金等各种生产要素投入情况，建设现代高效节水基本菜田。鼓励北京市蔬菜龙头企业到外埠，尤其到津冀地区建立外埠蔬菜生产基地，减小北京市蔬菜种植耗水压力，在全市蔬菜面积略有增加的基础上，实现高效节水种植全覆盖。

3.2.2 完善科技支撑体系，提高设施蔬菜节水效率

作为北京农业节水行动的“第二条腿”，应用推广各种高效节水技术正成为增强京郊设施蔬菜节水潜力的“助推器”。研究表明，通过采取高效的节水灌溉措施，可进一步提高灌溉用水的效率和效益。伴随物联网、大数据、智能机器人等信息技术的发展，迫切要求加快构建以覆膜灌溉和水肥一体化为核心的工程节水技术体系（马洪峰，2015）。

① 加强关键技术及产品研发力度。针对当前北京设施蔬菜生产亟需的节水灌溉技术及产品，重点开展节水、抗旱、高产新品种，以及专用肥、农药、微量元素和种子科技攻关。综合“互联网+”技术体系，融合模型、公式、数据，攻克地膜覆盖下喷滴灌降湿防病技术、防堵塞水肥一体化技术、设施蔬菜水肥精准控制与决策等技术瓶颈，推进设施蔬菜节水灌溉自动化、智能化管理（吴普特和冯浩，2005）。研发适合不同设施规模的农业智能水管理系统，结合不同地区、不同品种需求研制省力、便携、省钱、实用、低门槛、“傻瓜化”的节水新设备。此外，加强灌溉试验、水资源综合开发利用、资源配置等方面的基础研究，为水资源的可持续利用，高效节水灌溉的健康发展提供基础支撑和保障。

② 强化技术综合集成及应用示范。加强设施蔬菜高效节水技术集成创新支持，注重水利、农艺、农机和管理综合节水技术集成模式的经验总结与推广应用，引进和推广设施蔬菜节水品种，对技术成熟、综合效率好的节水技术进行组装配套。按照规模化发展、园区化建设、标准化生产的要求，率先在京郊农业产业化龙头企业基地、合作社和家庭农场建立以覆膜灌溉和水肥一体化为核心的高标准设施菜田高效节水技术集成与示范基地，加快熟化不同类型区不同节水灌溉措施综合节水技术集成模式，推进简易适用技术模式的试点示范。

③ 推广和普及高效节水灌溉技术。当前，北京市降低灌水量、提高水资源利用效率存在一定潜力。迫切需要针对不同水功能区，适应经济发展新常态的要求，依靠创新驱动加快推进设施蔬菜节水现代化，积极把现代科技成果、产业组织方式和新商业模式等引入农业，引导企业开展节水技术体系专用产品的开发与应用。分区规模化推进设施蔬菜高效节水灌溉，加快农业高效节水体系建设，因地制宜加快农村地区实用、低成本的节水技术产品的普及推广。科学引导经营主体重点发展管、喷、微等高效节水灌溉模式，大力推广管灌+喷灌或管灌+滴灌的灌溉模式（袁丽和魏新平，2013）。在地下水超采旱作区，推广保护性耕作、膜面集雨高效利用、膜下微喷灌、滴灌施肥、水肥一体化等旱作高效节水技术，积极推行设施蔬菜农艺节水保墒技术，改进耕作方式，实现设施蔬菜高效精量节水全覆盖。

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Studies on Efficiency of Facility Vegetable Production Considering the Watersaving in Beijing and Its Development Countermeasures

F ENG Xian，LI Jin*，GUO Mei-rong
（Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture，National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture，Key Laboratory of Agri-informatics，Ministry of Agriculture，Beijing Engineering Research Center of Agricultural Internet of Things，Beijing 100097，China）

In order to investigate the input-output efficiency of facility vegetable production considering the water-saving in Beijing，this paper used DEA model to evaluate the production efficiency based on the survey of water usage status of facility vegetable and water-saving behavior of farmer households in outskirts of Beijing．The results showed that the input-output efficiency of facility vegetable production considering the watersaving in outskirts of Beijing was 0.900，which was at a higher level，but there were 10.212%，0.285% watersaving potential in facility cucumber and eggplant production．The facility vegetable production had displayed a best configuration status based on the application of drip irrigation，integration of water and fertilizer， and border irrigation technology，but there were still 2.902%，12.162% and 2.792% water-saving potential，based on the application of furrow irrigation，furrow irrigation under membrane，and membrane micro spray technology in facility vegetable production．All these conclusions indicated that different facility vegetable varieties，and watersaving technology could bring about different efficiency．The water-saving efficiency of vegetable production would be improved by structure adjustment and technology innovation．

Beijing；Facility vegetable；Water-saving；Input-output efficiency

冯献，女，博士，助理研究员，主要从事农业与农村信息化战略研究，E-mail：fengx@nercita.org.cn

*通讯作者（Corresponding author）：李瑾，女，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事农业与农村信息化战略研究，E-mail：lij@nercita. org.cn

2016-04-29；接受日期：2016-07-10

2016年北京市农林科学院创新能力建设专项（KJCX20160501），2016年北京市社科基金项目（16LJC010），2016年北京市自然科学基金项目（9162006），中国工程院咨询课题（2016-ZD-03-04）