黄河流域农业面源污染与农业全要素生产率关系研究——基于耦合和嵌套的视角

任海军，路志梅

(兰州大学 经济学院，兰州 730000)

提要：在黄河流域生态保护和高质量发展背景下，协同推进农业生产与农业面源污染防治是黄河流域发展农业必须要面对的现实。基于“通过提高农业全要素生产率来推动农业面源污染防治”这一思路，选取黄河流域61个地级行政区作为研究单元，分别从嵌套和耦合的视角出发，运用DEA-SBM模型和耦合协调度模型对农业全要素生产率与农业面源污染防治之间的关系进行研究。结果表明，农业全要素生产率与农业面源污染防治之间存在良好的耦合协调关系，可以通过提高农业全要素生产率来有效推进农业面源污染防治。

一、引言

黄河流域横跨我国东、中、西三大地带，是重要的粮食产区、能源基地和生态屏障，经济发展和生态安全地位十分重要[1]。为此，黄河流域的生态保护和污染防治引起了国家的高度重视。2019年八九月份，习近平总书记先后到甘肃、河南两省视察，均提到黄河流域的治理问题，并在郑州市召开的黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上指出：“黄河流域的工业、城镇生活和农业面源3方面污染，加之尾矿库污染，使得2018年黄河137个水质断面中，劣V类水占比达12.4%，明显高于全国6.7%的平均水平。”[2]近年来，随着经济的持续发展，沿黄农区生态保护压力日益增加。据第二次全国污染源普查数据显示，我国农业源化学需氧量占全国水污染物化学需氧量总排放量的49.8%，总氮排放量占46.5%，总磷排放量占67.2%[3]，这一比例与第一次全国污染源普查公报中的数据相比并无明显下降，污染形势依旧严峻。与工业污染、城镇污染相比，农业面源污染具有“面广点多、源头分散、不易监测、难以量化”等特点[4]，成为黄河生态治理和农业绿色发展的难点。

农业作为国民经济的基础，要实现农业发展绿色转型，关键在于提高农业全要素生产率。长期以来，我国农业增产离不开农药、农膜、化肥等物资的使用，加之禽畜粪便、作物秸秆等农业固体废弃物的处理技术不高，会产生大量农业面源污染物，通过地表径流、渗漏等方式进入土壤、水体，甚至扩散到大气，造成严重的环境污染，使得农业生态系统非常脆弱。因此，党的十九大报告明确指出，要“做好农业农村生态环境保护工作，打好农业面源污染防治攻坚战，全面推进农业绿色发展”[5]。在此背景下，分析农业全要素生产率与农业面源污染之间的耦合协调关系，对促进黄河流域生态保护和农业高质量发展具有十分重要的意义。

二、研究综述

目前，国内外已有的关于农业面源污染问题的研究较多地集中在概念界定，定量评价、成因分析、防控举措以及农业面源污染的影响因素等方面。针对农业面源污染的界定，Ennis L等认为农业生产过程中造成的面源污染分为两种，一是由于氮、磷元素排入造成水体污染的狭义农业面源污染；二是包括土壤、大气和水体污染在内的广义农业面源污染[6]。Vladimir认为化肥农药残余随着降水等渗入水体和土壤，是形成农业面源污染的重要原因[7]。李秀芬等将农业面源污染定义为在农业生产活动中，氮素和磷素等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质，通过农田的地表径流和农田渗漏形成的环境污染，主要包括化肥污染、农药污染、畜禽粪便污染等[8]。相较于工业污染、城镇生活污染，农业面源污染具有分散性、隐蔽性、难以监测、随机性和不确定性等特点[9]。

对于农业面源污染的定量分析，赖斯芸等首次运用单元调查法，将化肥农药、畜禽养殖、农业固废以及农村生活作为产污单元，测算了农业面源污染量[10]；陈敏鹏等在此基础上对单元调查法进行改进，并通过建立污染强度系数、资源综合利用系数等数据库来测算2003年全国农业面源污染量[11]。关于农业面源污染的成因，学者一致认为其主要来源于化肥农药过量施用、畜禽粪便随意排放以及农作物秸秆低效处理。

针对如何防控农业面源污染，学界也进行了大量研究。与点源污染相比，面源污染有随机性、滞后性、广泛性等特点，治理难度更大，短期内有效治理面源污染的技术较为薄弱。Koob T等研究发现，生态技术(如美国人工水塘技术)对农业面源污染的防控效果可观[12]；刘蝉娟通过总结日本的农业发展经验，认为先进农业技术的推广有利于农业面源污染的防控[13]；Shortle认为，通过建立税收优惠或财政补贴等激励机制来减少农户对化肥农药等农用物资的投入，有利于防控农业面源污染[14]。

关于农业面源污染影响因素的研究，葛继红和周曙东运用多元线性回归模型研究了江苏省农业面源污染的经济影响因素，结果表明农业技术进步以及农业面源污染治理政策的实施确实能够有效降低农业面源污染物排放量，间接证明了农业经济增长与环境质量相互协调是可以实现的[15]。张智奎和肖新成运用协整检验和Granger因果检验方法，考察了三峡库区重庆段经济发展与农业面源污染之间的相互关系，分析结果表明经济增长是影响三峡库区重庆段农业面源污染的主要原因[16]。徐承红和薛蕾基于全国30个省份的面板数据，采用空间计量模型分析了农业产业集聚对农业面源污染的影响机制，其研究结果表明，在区域层面上，特定阶段的农业产业集聚可以促进面源污染减排，而且科技研发和城镇化也对农业面源污染产生负向作用[17]。

综合梳理现有文献发现，农业技术进步对于农业面源污染防治存在正向作用，但单独研究农业技术进步与农业面源污染关系的文献相对较少，且现有相关文献中对农业技术进步的衡量欠妥。考虑到农业全要素生产率是农业技术进步的最佳表征，本文尝试借鉴现有关于农业全要素生产率的最新研究成果，以黄河流域61个地级行政区为研究对象，从嵌套和耦合两个视角对农业全要素生产率与农业面源污染的关系进行较为深入地探讨。

三、农业面源污染与农业全要素生产率之间的相互作用机理

农业生产效率通常用农业全要素生产率来衡量，它等于农业总产出除以农业总投入。当农业总产出减少或农业总投入增加时，都会使农业全要素生产率降低，从而降低农业生产效率，反之会提高农业生产效率。

(一)农业面源污染使得农业总产出减少

农业要发展，农民要致富，大量的农业生产要素投入是必不可少的。近年来，政府不断出台利农惠农政策，如粮食直补、减免农药税等，使得农民的生产积极性提高。为了达到增产、增收的目的，粮食种植面积大部分使用地膜覆盖，并过量使用化肥农药，导致土壤性质恶化。长此以往，农作物无法有效吸收的化肥农药残余、加上未降解的塑料薄膜以及农业固体废弃物，这些农业面源污染所产生的氮、磷等元素易被土壤固结，使得土壤养分严重流失，导致粮食减产，农民歉收。因此，农业面源污染会降低农业总产出，进而降低农业全要素生产率。

(二)农业面源污染导致农业总投入增加

农业面源污染所产生的氮、磷等元素会固结土壤，导致土壤养分不足。为了获得高产出，又必须对土壤进行施肥，这必会增加农业投入。此外，氮、磷混合物伴随着降水的产生，通过地表径流等方式流入环境，造成大气、水体等污染，又会影响下游农作物的生长。基于增收的目的，必须对水质进行改善，亦会增加农业投入。所以，农业面源污染会导致农业总投入的增加。

(三)农业全要素生产率与农业面源污染防治

根据农业全要素生产率计算公式，要提高农业全要素生产率需要增加农业总产出的同时降低农业总投入。总产出的增加离不开农用物资的科学合理利用。过量使用化肥、农药虽然有可能增加当年的产出，但同时也破坏了土壤理化性质，使得后期的土壤养护成本上升，长远来看，并不利于提高农业生产效率。反过来，农业生产率高就意味着较高的产出和较低的投入，较高的产出说明土地全部得到充分利用，而较低的投入说明在改善土壤、水体等方面成本较小。因此，提高农业全要素生产率有利于防治农业面源污染。

综上所述，农业绿色转型和高质量发展是当下农业发展的必然抉择。一方面，要注重已形成的农业面源污染的末端治理。如减少化肥、农药等农用物资的使用，短期内可能会引起农业全要素生产率下降，导致农业经济发展处于“瓶颈期”。但从长远来看，农业面源污染的有效治理势必会带来农业全要素生产率的不断提高。另一方面，注重科学防治农业面源污染，如推广生态技术、大量使用有机肥、农业固废循环利用、施用高效低毒农药等，从源头严格控制农业面源污染的产生，提高农业生产效率的同时，兼顾生态效率。

四、模型构建及指标选择

(一)研究方法

1.单元调查法

考虑到农业面源污染随机、分散、隐蔽等特点，本文参照了赖斯芸的处理方法，采用单元调查法对农业污染源进行综合核算。根据本文所用研究指标，可能的产污单元包括化肥施用、水产养殖、禽畜养殖以及农业固体废弃物等类型(如表1所示)。

表1 农业面源污染产污单元清单

2.DEA-SBM模型

数据包络分析(DEA)因无须设定函数关系、预估参数权重等优点，被学者广泛运用于决策单元的效率测度上。但传统的DEA模型往往忽略了变量的松弛性，也无法衡量非期望产出的效率值。因此，本文选择Tone[18]提出的非径向、非角度的SBM模型进行测算和效率评价。

将每一个地级市(自治州)看作一个生产决策单元(DMU)，假设每个市(州)投入产出分别为投入、期望产出和非期望产出，其元素可表示成x∈Rm，Yg∈RS1，yb∈RS2，定义矩阵：

(1)

则生产集为

Q={(x，yg，yb)|x≥Xλ，yg≤Ygλ，yb≥Ybλ，λ≥0}。

(2)

其中，λ是权重，Σλ=1表示生产技术是规模报酬可变(VRS)，Σλ≠1则表示规模报酬不变(CRS)。按照SBM处理方法[19]，考虑非期望产出时评价DMU效率的SBM模型可写成：

(3)

(4)

3.耦合协调度模型

耦合度模型是估计耦合协调度模型的前提，该模型是用来衡量系统内部序参量之间或不同系统序参量之间的协同作用，这种协同作用是系统由无序走向有序机理的关键[20]，模型公式如下；

(5)

式(5)中，C为耦合度，Ai为i市(州)域农业全要素生产率标准值，Bi为i市(州)域农业面源污染标准值。该模型中C∈[0，1]，其大小表征着农业全要素生产率与农业面源污染之间相互作用的联动强度，C越接近于1则两者之间越接近良性共振耦合并趋向新的有序结构，C越接近于0则两者之间越接近无关状态。

耦合协调度模型是在耦合度模型基础上构造出来的，用来评判系统内部序参量之间或不同系统序参量之间交互耦合的协调程度，克服了耦合度模型因序参量都比较低而不能真实反映序参量之间协同程度的缺点，其模型公式为

(6)

式(6)中，D为耦合协调度，C为耦合度，T为农业全要素生产率标准值和环境友好指数标准值的综合评价指数，α和β为待定系数，参考其他研究对待定系数的处理方法，确定待定系数都为0.5。耦合协调度按照数值大小可以划分为不同的等级，划分标准如表2所示。

表2 耦合协调度评价标准

(二)指标选取和数据处理

1.指标体系的构建

(1)农业产出指标。本文选择各市(州)农林牧渔总产值(剔除价格影响)表示农业期望产出。

(2)农业投入指标。参照已有研究，并结合研究区域、数据可得等因素，选取以下几类投入：①土地投入，由于受土地休耕、复耕、弃耕等因素的影响，农作物总播种面积比年末耕地面积更适合表示土地投入，并加入水产养殖面积和果园面积；②劳动力投入，用第一产业从业人员数来计算；③机械投入，除非农用机具以外的农业机械总动力；④化肥投入，全年实际用于农业生产的包括氮肥、磷肥、钾肥以及复合肥在内的化肥施用折纯量；⑤畜牧投入，以各个市(州)当年猪牛羊出栏数来代替畜牧投入。具体指标如表3所示。

表3 农业投入指标体系

2.数据来源

本文选取黄河流域除藏族自治州之外(由于藏族自治州生产条件相对严苛，与其他地区可比性较差，且数据缺失严重故除外)的61个地级市(自治州)作为决策单元，分别针对2007年、2012年和2017年的农业TFP进行测算。数据主要来自各市(州)相应年份的统计年鉴、国民经济和社会发展统计公报以及第三次全国农业普查主要数据公报。其中，个别市(州)第一产业从业人员数2017年数据缺失，用2016年数据代替；少数市(州)猪牛羊出栏数据缺失，用其年末存量来代替。

表4 2012年指标的描述性统计

五、实证结果及分析

(一)农业面源污染现状

本文测算的农业面源污染主要是指化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)3类，计算公式为

E=ΣEUiθi(1-δi)Qi。

(7)

式(7)中，E是农业面源污染排放量；EUi是单元统计数；Qi是排污系数。其中农业固体废弃物的处理方法借鉴张国[21]的研究思路，主要是作物秸秆的还田过程中造成污染，且不同的还田方式其污染排放量不同。

本文首先对COD、TN和TP进行极差标准化，然后采用熵权法确定相应的权重，再分别计算每个排污单元的污染指数，最终计算出污染强度指数。考虑到耦合协调度模型的计算必须为两个正向的指标，本文根据污染强度指数定义一个正向指标——环境友好指数，其计算公式如下：

环境友好指数=1-污染强度指标。

(8)

图1呈现的是不同年份研究单元农业面源污染强度的空间分布状况。

如图1所示，2007年农业面源污染比较严重的地区主要集中在黄河上游和下游，中游地带大多数属于轻度污染；2012年重度污染区大多处于黄河上游、下游地带，但开始向中游扩散，且部分地区已由低度污染向中度污染过渡，甚至出现重点污染的情形；2017年黄河流域的高污染地区仍然集中在黄河上游，甚至出现集中连片的状况，下游高度污染区在减少，中游污染强度最低。

综合来看，污染强度高的地区主要集中在青海、内蒙古、河南以及山东境内，可能的原因包括青海和内蒙古畜牧业发达，牲畜养殖属于产污单元；河南、山东作为我国的农业大省，化肥、农药的大量投入以及农业固废都会产生污染。因此，这些地区污染强度相对较高。

a 2007年

b 2012年

c 2017年

(二)基于嵌套视角的农业全要素生产率与农业面源污染关系

从嵌套的视角出发，将农业面源污染作为非期望产出嵌入农业全要素生产率的测算之中，从而计算出农业绿色全要素生产率。将农业面源污染(COD、TN、TP)作为非期望产出，选用SBM模型测算61个市(州)2007年、2012年和2017年的农业绿色全要素生产率。考虑到各市(州)的农业经济发展状况不同，故选用规模效率可变(VRS)的生产技术约束。效率值在0和1之间，越接近1说明该市(州)生产投入越有效，越接近0则表明该市(州)生产效率越无效。

结果表明：(1)考虑非期望产出的效率值均低于不考虑非期望产出的效率值，说明农业面源污染的超额排放会造成农业生产技术的效率损失，一味地追求产出而忽略环境质量的做法是不可取的。(2)西宁、包头、乌海、商洛、西安、咸阳、滨州、济南和淄博这9个市(州)的绿色农业全要素生产效率值和传统农业全要素生产效率值排名始终居于前列，表明这些地区农业生产条件相对较好，投入要素利用率高，农业经济增长的同时保持较高的生态环境质量。(3)中卫、吴忠、晋城、临汾以及朔州等市(州)的农业全要素生产效率值排名靠后，尤其是考虑非期望产出之后的效率值较低，很有可能是过于追求农业高产出，反而忽略了农业面源污染排放对环境造成的破坏。

(三)基于耦合视角的农业全要素生产率与农业面源污染关系

首先对环境友好指数和农业全要素生产率进行极差标准化，然后代入耦合协调度模型，进而计算出各市(州)农业全要素生产率和环境友好指数之间的耦合协调度，进而反映出农业全要素生产率和农业面源污染之间的关系。

如图2所示，2007年，黄河流域61个市(州)中，达到高度协调的有26个，占42.62%，主要集中在河南、陕西和山东的部分地区；达到中度协调的有27个，占44.27%。其中，运城市的耦合协调度最高，为0.996 5。

2012年，黄河流域达到高度协调的市(州)有22个，占36.07%，主要集中在黄河中游，且有成片的趋势；达到中度协调的有29个，占47.54%。其中，吕梁市的耦合协调度高达0.997 9，西宁市仍处于极度失调状态。

2017年，达到高度协调的市(州)有25个，占40.98%，集中区域向黄河中下游转移；达到中度协调的有28个，占45.91%，上游绝大多数处于中度协调状态。其中，运城市的耦合协调度最高，为0.999 2。以上数据均说明黄河流域农业全要素生产率与环境友好指数之间存在较好的耦合协调关系，进一步表明农业全要素生产率高的地区，农业面源污染程度低。

a 2007年

b 2012年

c 2017年

六、结论与建议

(一)主要结论与启示

通过DEA-SBM模型对黄河流域61个地级市(州)的农业全要素生产率进行测算，并对农业面源污染和农业全要素生产率之间的关系进行耦合协调分析，得出以下结论：(1)考虑非期望产出的效率值更能准确、客观地反映农业技术效率；(2)加入环境因素也就是农业面源污染之后，农业全要素生产效率值明显降低，个别地区下降幅度不大；(3)农业全要素生产率与环境友好指数之间存在相对良好的耦合协调关系，也就是农业全要素生产率高的区域污染强度低，这对我国农业绿色化发展提供了有力支撑。

基于上述结论，本文得出以下启示：第一，农业发展必须与生态保护协调统一。建立绿色GDP核算体系，衡量农业发展与生态改善是否和谐，并纳入政府政绩考核。绿色兴农、科技兴农已成为当下的热点，即实现农业生产现代化的同时注重生态保护。因此，要开发、推广适用的农业清洁生产技术，形成绿色环保型农业新模式。第二，生态保护需要政策扶持和资金支持。黄河流域多是欠发达地区，政府应出台一些农业扶持政策，并给予资金支持，一方面提高农民生产积极性和农业生产技术普及率；另一方面吸引一些农村企业，发展循环农业，实现黄河流域可持续发展。第三，实现跨区域生态综合补偿。黄河流域生态保护和高质量发展离不开区域协调，实施自上而下的生态补偿，政府给予一定的资金支持，既能补偿中上游居民因初始水权界定造成的权利失衡，也可以增强中上游地区生态保护的积极性。也可以由下游受益者直接补偿，提供资金支持中上游农业技术创新以及农业绿色转型，最终实现区域协调和黄河流域高质量发展。

(二)对策建议

1.提高农户环保意识

我国农户的环保意识比较淡薄，也不了解化肥施用对环境的危害，对于农业种植活动造成的环境破坏行为及其后果浑然不知。因此，必须加强宣传，普及科学知识，提高农户环保意识，引导农户主动保护环境。一是加强农业技能培训，研发生态无污染的农业技术，科学规范使用农用物资，让农户熟练掌握先进的农业技术，自觉进行农业安全生产。二是积极引导农户相互交流学习，鼓励使用无公害农药化肥。建立绿色防控示范基地，实施农业“全绿”防控技术示范，从源头防治农业面源污染。

2.建立和完善相关制度体系

良好的制度环境是保证农业面源污染控制目标实现的重要途径，也是激发农户活力的基础。一方面，加强相关工作人员的作风和能力建设，将农村面源污染整治作为生态保护工作中的重点，引入绿色绩效考核机制，提升工作效率[22]。另一方面，建立、完善各级农村农业面源污染的监控与管理体系，促进农村环境监督管理一体化建设，逐步开展农业环境监测工作，适时、精准地反映当地农业面源污染的治理现状，保障农业面源污染防治工作有序开展。

3.有效落实科学防治措施

保护农业生产环境是防治面源污染、改善区域环境质量的必由之路。针对农药、化肥、农膜污染，要开展专项整治，改变“三高”的生产经营方式，加大新型生产方式的推广力度，力争从源头根治面源污染。一是大力提倡使用高效低毒的生态农药，提高农药使用效率；推广生物防治技术，通过引进虫害天敌的方式整治农作物病虫害。二是提高地膜使用率与回收率，减少白色污染；增加有机肥的使用，减少化肥施用，保障农作物生产安全和农业生态环境安全。三是加强畜禽粪便的无害化处理及对生活垃圾的科学分类处理。对重点流域、地区的禽畜养殖场进行整治，建设污水处理设施，防止地下水污染。四是研发推广秸秆再利用技术，提高农业固废再利用率。

4.促进生态农业可持续发展

发展生态农业是防治农业面源污染的有效方式。要发展生态农业，一是要建立农村生态技术保障体系，满足生态农业发展需求。制定农业技术标准，有效结合各类农业生产要素。二是通过技术研发和改良，不断完善生态农业生产技术标准和产品管理体系，为生态农业建设和科学管理提供全面技术支持。三是推进生态农业产业化发展，激励企业和农户投身生态农业产业开发，延伸生态农业产业链[23]。四是招商引资，出台财税、信贷等方面的优惠政策，以奖代补，扶持相关企业加速发展，推进绿色、有机农产品的生产流通。