水足迹视角下三江平原地区农业水土资源配置效率研究*

栾福超，张 郁，刘岳琪

(东北师范大学地理科学学院，吉林长春 130024)

0 引言

水土资源的高效配置是农业生产的先决条件，并对区域农业生产具有重大影响[1]。目前，相关研究多采用水土资源匹配系数[2-6]，或建立基于基尼系数的水土资源匹配模型[7-8]，评价区域农业水资源与耕地资源的匹配状况，或应用数据包络分析方法(DEA)，对农业水土资源的利用效率、匹配效率进行评价[9-11]。

传统视角的农业水土资源配置研究，多基于宏观视角、采用自上而下的方法，分析区域单位耕地面积所拥有的水资源量或可利用水资源量，多注重灌溉用水而对耕地有效降水重视不够； 此外，区域农业水土资源配置效率问题不仅要考虑水资源、耕地资源的投入是否合理，还应分析是否存在规模不足或投入冗余、如何改进等问题。

近年来，虚拟水(Virtual Water)、水足迹(Water Footprint)的新概念拓宽了人们对传统农业水资源的认识范畴，这种广义的农业用水分析框架指出，农作物生长发育实际蒸散量一部分源于江河等地表水和地下水的灌溉用水即“蓝水”，另一部分源于有效降水(由降水转化的土壤水)即“绿水”，两部分之和形成农作物经济产量的总耗水量[12-14]。基于此，一定时期内作物生长过程中所消耗的蓝水、绿水之和，即作物生产水足迹，可揭示作物生产过程中消耗的水资源成分及来源，可用于统一评价雨养农业和灌溉农业的水资源利用效率问题[15]。

三江平原地区是国家重要的商品粮基地，自1985年以来，随着气候变暖及种植结构的不断调整，其农业生产已由雨养农业为主向雨养—灌溉兼具类型转变，并引起农业水土资源配置的变化。围绕三江平原农业水土资源匹配问题，现已取得一些研究成果，如土地资源丰富、水资源欠缺和利用率低、水土资源匹配度差，水土匹配系数低于全国均值[3， 6]。文章以三江平原地区为例，开展水足迹视角下的农业水土资源配置效率评价，力求为其农业水土资源高效利用及其种植结构调整提供参考。

1 研究区概况

三江平原位于黑龙江省东北部，由黑龙江、松花江及乌苏里江冲积而成，总面积10.9万km2，包括23个县、县级市、市辖区以及黑龙江农垦总局的4个分局。由于地处温带湿润、半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷，年降水量500～650mm，多年平均水资源总量为20.231万m3； 土壤肥力高，黑土层较厚，有机质含量高达3%～10%，已垦耕地土壤以草甸土、白浆土、黑土和暗棕壤为主，主要粮食作物是水稻、玉米、大豆和小麦。近年来，随着水田面积迅速增加，地下水资源开采过度，地下水位普遍下降，局部地区出现下降漏斗，影响到区域农业生产的可持续发展。

2 研究方法与数据来源

2.1 DEA模型

数据包络分析(Data Envelopment Analysis，DEA)是一种非参数的数学规划方法，用于评价多投入、多产出的决策单元相对效率，判断决策单元(DMU)是否实现规模有效、技术有效和综合有效[16]。因其无需预设投入与产出之间的函数关系、无需事先设定权重、无指标量纲要求且可给出未来改进方向等优点，现已成为效率评价领域的常用方法。

该研究选用投入导向型的BCC、C2R模型，对三江平原地区农业水土资源配置的有效性进行评价。模型输入指标包括作物生产的农业水土资源投入量，其中，x1为作物生产用水指标，以作物生产水足迹表示(亿m3)；x2为耕地指标，以作物种植面积表示(万hm2)； 模型输出指标为粮食产量Y(万t)，记作X=(x1，x2)T，Y=(y)T。

BCC模型如式1：

fmin=min[θ-∈(êTs-+eTs+)]

(1)

DEA评价结果介于0～1之间，若DEA评价数值为1，则评价单元农业水土资源配置相对有效； DEA评价数值越小，则评价单元的农业水土资源配置效率越差。该研究中农业水土资源配置综合效率，用于揭示决策单元是否以最小的农业水土资源投入达到最大的粮食产量； 纯技术效率用于评价规模收益不变条件下投入要素的使用效率，揭示决策单元水土资源利用中农业生产技术的发挥程度； 规模效率反映农业生产用水、耕地投入量的匹配状况，若规模效率等于1，表明决策单元的水土投入量比达到最优规模水平，规模收益不变； 若规模效率小于1，则决策单元水土资源投入未达到规模最优，规模收益可能递增，也可能递减。规模收益反映决策单元的投入按相同比例增加时对产出的影响，基于产出增加的比例与投入增加的比例关系，可出现3种情况：前者大于后者，规模收益递增； 反之，规模收益递减； 若两者相等，规模收益不变[17-19]。

2.2 基于水足迹的农业水资源测算方法

在广义的农业水资源分析框架下，仅见李保国等[20]采用自上而下的方法对全国及区域尺度的作物生产水足迹进行了测算。该文基于县域尺度，采用自下而上的方法，依据联合国粮农组织(FAO)推荐的标准彭曼公式和水足迹计算手册[21]，由CROPWAT 8.0软件测算出三江平原地区各县域尺度的水稻、玉米、大豆和小麦等四大作物生产虚拟水。结合三江平原地区的农业生产实际情况，明确其玉米、大豆和小麦等旱作的生产水足迹成分为绿水，水稻生产水足迹包括蓝水和绿水两部分； 在此基础上，进一步结合同期4种作物种植面积，求出研究区作物生产总水足迹，计算公式：

WFgb=WFgreen+WFblue

(2)

式(2)中，WFgb为某一时段作物生产总水足迹(m3)；WFgreen为某一时段作物生产绿水足迹(m3)；WFblue为某一时段作物生产蓝水足迹(m3)。

2.3 数据来源

该研究的数据包括2015 年三江平原地区的粮食生产统计数据、气象数据及作物生产水足迹计算的参数。其中，玉米、水稻、大豆和小麦等四大作物种植面积和产量等粮食生产统计数据源于《黑龙江省统计年鉴》(2016)及《黑龙江垦区统计年鉴》(2016)； 计算蓝水和绿水所需的日值气象数据来自中国气象数据共享网站(包括降雨量、日照时间、相对湿度、平均风速、最高气温和最低气温等)，缺失站点的气象数据借助ArcGIS中地统计分析模块的克里金插值方法获得； 作物生产水足迹的计算参数结合相关文献[22]及实地调研获取。

图1 2015年三江平原地区农业水土资源 配置综合效率空间分布

3 结果分析

3.1 三江平原地区农业水土资源配置效率评价

该研究采用投入导向型DEA方法，对三江平原地区农业水土资源配置效率进行评价，模型输入的投入与产出原始数据见表1。

综合应用C2R和BCC评价模型，得到三江平原地区四大作物农业水土资源配置效率评价结果，见表2。

表1 2015年三江平原地区农业水土资源配置效率DEA评价的投入、产出原始数据

地区种植面积x1(万hm2)作物生产用水量x2(亿m3)粮食产量Y(万t)地区种植面积x1(万hm2)作物生产用水量x2(亿m3)粮食产量Y(万t)鸡西市辖区3113918762199172汤原县142631803981304342鸡东县11888165326932535桦川县152533837801285807密山市2934991599992168534桦南县2325541333051422671虎林市4425992446623397097抚远县3566741845792665065七台河市辖区6062134537313536富锦市5436712878583908386勃利县13485978058917543同江市3592311878822801766双鸭山市辖区4141123013292694鹤岗市辖区140476767491113755宝清县3466841831862745393萝北县1962921045901494613友谊县108715582151056530绥滨县164303865981126282集贤县164903915651416553依兰县2178671191411731925饶河县3113751648582468709穆棱市9441352013410511佳木斯市辖区1043995746170536三江平原地区475973025765353524395

表2 2015年三江平原各地区水土资源配置效率评价结果

由表2可知，总体来看， 2015年三江平原地区农业水土资源配置综合效率为0.738，技术效率为0.864，规模效率为0.839。应用Jenks自然断裂法(类内差异最小、类间差异最大)，进一步界定基于DEA综合效率的水土资源配置等级分为4级：良好(0.884

2015年，仅友谊县实现了农业水土资源配置DEA评价相对有效(技术有效、规模有效、综合有效)，此外，汤原县的DEA综合效率接近1，二者处于农业水土资源配置良好水平，其作物种植面积约占三江平原地区种植面积的5%，粮食产量约占三江平原地区总产量的7%； 农业水土资源配置综合效率一般水平的地区包括桦川县、鸡东县、虎林市、宝清县、集贤县、抚远县、同江市、鹤岗市辖区、萝北县、依兰县、饶河县，这些地区作物种植面积占三江平原地区的58%左右，粮食产量占三江平原地区总产量的63%； 约37%的作物种植面积处于农业水土资源配置效率相对较差和最差水平，这些地区的粮食产量占三江平原地区总产量的30%。

从分效率评价结果来看，达到农业水土资源配置技术有效(TE=1)的地区包括友谊县、虎林市、宝清县、汤原县、鸡西市辖区、双鸭山市辖区、富锦市和同江市等8个地区，这些地区农业水土资源利用技术发挥较好； 其他15个地区的水土资源利用水平有待提高。

农业水土资源配置规模有效(PSE=1)的地区只有友谊县，勃利县、桦南县、绥滨县的农业水土资源规模效率相对较高但综合效率较差，亟待提高其水土资源利用技术效率； 鸡东县、勃利县、鸡西市辖区、七台河市辖区、双鸭山市辖区、佳木斯市辖区、穆棱市等地区的农业水土资源规模收益递增，表明可进一步扩大这些地区的水土资源投入规模； 汤原县、桦川县、密山市、虎林市等15个地区农业水土资源配置规模收益递减，说明扩大这些地区的作物种植面积和增加其作物生产用水量等投入，并不会带来粮食产量的增加，需要加强农业技术管理措施、提高水土资源利用技术效率。

3.2 三江平原地区农业水土资源配置效率的改进方向及建议

应用DEA方法，进一步对各评价单元水土资源投入的有效值和冗余值进行分解，见表3。

表3 2015年三江平原地区农业水土资源投入的有效值和冗余值

地区投入有效值投入冗余值地区投入有效值投入冗余值种植面积(万hm2)作物生产用水量(亿m3)种植面积(万hm2)作物生产用水量(亿m3)种植面积(万hm2)作物生产用水量(亿m3)种植面积(万hm2)作物生产用水量(亿m3)鸡西市辖区311391876200汤原县1426318039800鸡东县97496525092138512817桦川县140503771721203006608密山市2650011420402849817959桦南县159386888397316844466虎林市44259924466200抚远县3353651772422130907337七台河市辖区42136240061848510531富锦市54367128785800勃利县96139518193872026240同江市35923118788200双鸭山市辖区414112301300鹤岗市辖区116547633372392913412宝清县34668418318600萝北县170401907952589113796友谊县1087155821500绥滨县118543633764576023222集贤县158607880690629603496依兰县2031771108971469008243饶河县3076521628570372302001穆棱市51636284474277723566佳木斯市辖区31139187627326038699三江平原地区4309809232414449921252393

表4 2015年三江平原地区分作物水土资源投入的冗余比例

%

由表3可知，虎林市、宝清县、友谊县、汤原县、富锦市、同江市、鸡西市辖区、双鸭山市辖区等8个地区农业水土资源投入有效值和原始值相同，说明这些地区农业水土资源投入的量比合理，且只有友谊县达到了农业水土资源匹配最佳、粮食产出最大的状态； 宝清县、虎林市、富锦市、同江市、汤原县、鸡西市辖区、双鸭山市辖区等7个地区农业水土资源投入技术有效但规模无效，表明这些地区农业水土资源投入规模不匹配、需要调整，其中，鸡西市辖区和双鸭山市辖区需适当扩大农业水土资源投入规模，其余5个地区应减少农业水土资源投入规模； 此外，密山市、鸡东县、集贤县、勃利县等15个地区都存在不同程度的水土资源投入冗余现象。

基于DEA评价结果，可得到分作物水土资源投入的有效值和冗余值，该文将分作物水土资源投入的冗余量值占原始投入值的比值记作冗余比例(%)，见表4。其中，大豆、玉米及小麦等三大旱作的种植面积投入冗余比例约为51%，水稻的种植面积投入冗余比例为15%； 从作物生产用水的投入冗余比例来看，旱作约为53%，水稻为16%。总体来看，水稻的水土资源利用技术效率明显高于其他三大旱作。

基于投入导向型的DEA评价结果表明， 2015年三江平原地区仅有5%的粮食作物种植面积达到水土资源配置良好水平，大部分地区尤其是旱作生产中水土资源利用效率偏低的现象普遍，这与三江平原地区长期的雨养农业粗放生产特征有关，“靠天吃饭”的痕迹及其影响仍然存在。今后应在加强水土资源利用的管理措施、提高资源利用效率方面多下工夫。从种植区域水土资源特点出发，完善水田灌溉工程建设、实施节水灌溉技术，加强“排降蓄灌”、除涝降渍等工程措施； 旱作生产可采取少耕深松等措施，增厚耕层，降低土壤容重，增大土壤水库有效调节库容，进而提高绿水资源的利用效率[23]。三江平原地区水土资源配置效率有较大的提升空间，需因水而宜、因地制宜，系统治理、空间均衡，科学规划、精准施策，进而实现农业可持续发展目标。

4 结论

(1)三江平原地区农业水土资源相对丰富，但水土资源配置效率不高，水土资源匹配良好的地区包括友谊县和汤原县，仅占三江平原地区种植面积的5%，大部分地区水土资源配置综合效率较低。此外，总体来看，农业水土资源配置的技术效率好于规模效率，达到技术有效的地区有8个，规模有效的地区只有1个。

(2)农业水土资源投入的冗余分析结果表明，三江平原地区水稻生产的水土资源配置技术效率高于其他三大旱作。改变传统雨养农业的粗放生产模式，加强农业科技及管理创新，提高水土资源利用技术效率，是提高三江平原地区农业水土资源配置的规模效率、进而实现综合有效的关键。

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