农业生态效率空间尺度效应研究

张勤虎，喻晓玲，程玉龙

（塔里木大学经济与管理学院，新疆 阿拉尔 843300）

推动经济高质量发展是我国经济发展的根本要求，“生态优先、绿色发展”的农业发展路径将不断得到贯彻和实施。农业现代化要求创造一个高产、优质、低耗的农业生产体系和一个合理利用资源、保护环境、有较高转化效率的农业生态系统。这就要求统筹考虑农业产值和生态保护协调发展，在追求粮食高产量的同时，也要关注农资低投入、化学品高效利用和土地污染可控，以实现经济效益和生态效益的双重进步。农业生态效率统筹了农业高质量发展和耕地环境保护，响应了西部种植业产量提高和生态可持续发展二者协调进取的需要。测度西部地区不同空间尺度下农业生态效率，细化不同区域农业生态空间差异，对西部地区农业发展和生态保护具有双重意义。

农业生态效率是指在追求农产品数量和质量的同时，尽量减少农业生产中的环境污染和资源消耗，即倡导“适量、优质、减污、节源”为理念的现代生态农业发展模式［1］。目前关于农业生态效率研究包括三个方面，一是评价农业生态效率的测算方法，前期洪开荣等［2］用DEA方法和SE-DEA方法来测算农业生态效率，后期TONE K等［3］提出SBM模型作为新的农业生态效率测算方法，逐渐替代了DEA方法，是因为非期望SBM模型将负外部性产出加入模型，引入了模型里的非期望产出，有效解决了投入产出的松弛现象。潘丹等［1］、吴小庆等［4］实证了SBM 模型比DEA更有效、更详实地反映了农业生态效率的本质。随后王宝义等［5］、郑德凤等［6］、侯孟阳等［7］将SEDEA方法和SBM模型结合起来，发展出超效率SBM模型（Super-SBM），成为测定农业生态效率的主流技术方法，并被大部分学者使用。二是农业生态效率评价空间尺度，王宝义等［8］、曾福生等［9］从国土全局和省际尺度进行测算分析，还有学者把独立区域作为研究对象［10-11］。三是在农业生态效率的空间相关性分析，洪开荣等［2］用α收敛验证了东中西区域农业生态效率呈现差距缩小形态，侯孟阳等［10］提出中国各省农业生态效率具有显著空间收敛性特征，且空间因素使收敛加速。曾福生等［9］用全局和局部莫兰指数验证了中国农业生态效率呈正相关性并随时间波动。侯孟阳等［7］用数据可视化、空间分析方法考察了农业生态效率的时间、空间格局、空间差距、分布形态特征等内容。王宝义等［8］利用σ收敛检验发现中国及东中西三大区域的农业生态效率表现出离散趋势。葛鹏飞［12］进行了农业绿色全要素生产率的β收敛，发现国土空间格局在时间演变上存在明显条件β收敛。

综合上述研究发现，关于农业生态效率的研究丰富且不断深入，评价技术方法趋于成熟，多数学者验证了中国农业生态效率的空间集聚效应。然而，还有一些方面没有涉及：一是农业生态效率研究对象上缺乏针对东中西三大区域中的特定区域开展研究，尤其是生态脆弱的西部地区；二是关于农业生态效率空间尺度效应研究还鲜有报道，无法体现区域农业生态效率形态上从宏观到微观的格局对比；三是研究尺度上以地级市作为决策单元的农业生态效率研究文献还较为缺乏。由此可见，研究应该从宏观地区层面到中观省域层面再到市域微观层面等三个视角展开，逐级加深维度探究农业生态效率在不同空间范围内的差异和数值。空间尺度效应理论能够解释不同空间单元下研究对象的形态特征，以类似“放大镜”工具形象刻画每级地域单元下农业生态效率表现情况。西部地区在西北和西南两个组成区域范围内，因气候、地形条件上差异极大形成完全不同的生态局面，全局Super-SBM模型能够统筹分析不同生态背景下的农业生态效率，不仅能展现超效率区域数据，也无法掩盖低效率区域详情。据此，本研究选择西部地区12个省域行政单元、131个地级市域行政单元（其中重庆既作为省又作为地级市考察）1991—2018年的面板数据。利用空间尺度效应理论和全局Super-SBM模型，分地区、省域、市域三个空间尺度考察西部地区农业生态效率的空间尺度效应，为促进西部地区农业生态的改善提供决策参考。

1 研究方法和指标数据

1.1 空间尺度效应

尺度效应（scale effect）指地理现象的格局形成过程具有尺度依赖性。目前尺度效应的研究大多集中在自然科学领域，尤其是生态研究领域，在人文社会科学领域的研究主要是关于人口、GDP等方面，对农业生态效率的空间尺度效应涉及较少，而这方面的研究有利于认识农业生态环保的空间集聚、格局特征。空间尺度理论提出任何地理实体的性质规律、时空分布和耦合等形成过程中都具有尺度依赖性［13］。尺度效应是广泛存在的判断标尺，其体现为集聚尺度、空间自相关和空间格局特征。需要对空间数据进行多尺度的衡量，才能获得其尺度效应规律，得出全面、真实、有价值的研究结果。岳邦瑞等［13］提出巢式系统的高层次结构由低层次结构组成，相邻的两个层次之间具有包含和被包含关系，如图1所示。学者们逐渐将尺度效应纳入区域经济差异的研究框架中，对区域经济相关性的空间尺度效应作了创新性研究。周杰文等［14］运用空间尺度效应机理，获得中部地区经济在县尺度上差异最大，市级尺度和省尺度依次降低。

图1 等级系统中相邻层次间的关系

1.2 全局Super-SBM模型

西部地区作为经济发展不平衡、不充分的重点关注区，其经济和生态双重地位举足轻重。西部地区生态本底较弱，包括西北草原荒漠化防治区、黄土高原水土保持区、青藏高原江河水源涵养区、西南石漠化防治区和重要森林生态功能区，呈现出的生态脆弱、土壤肥力弱、缺水少水等生态禀赋不足，加之经济落后致使农业有机肥料、无公害农药和农业机械现代化等现代农业科技没有足够惠及，由此导致西部农业发展和生态保护之间的矛盾不断突出［7，9-10］。全局Super-SBM模型能够分析西部地区不同生态背景下农业生态效率，兼具展示超效率单元农业生态效率数据和低效率单元农业生态效率数据，刘军华等［15］利用该方法在局部区域研究了农业生态效率。在测度农业生态效率时，DEA方法评价结果不具备跨时期可比性，而以当期DMU构造不符合经验法则，会导致效率评价结果高于实际，因此采取全局Super-SBM模型解决以上不足。该方法不仅解决了DEA造成的径向和角度问题，考虑了非期望产出，妥善处理了DMU效率值排名同为1的问题，更为关键的是解决了效率跨时期对比问题以及因设置变量过多导致的线性无可行解问题。构建模型如下：

假设有t个时期，N个DMU，m表示投入，其中，s1、s2分别表示期望产出和非期望产出，分别为DMUk的投入、期望产出和非期望产出，在CRS（规模报酬不变），构造PPS（生产可能集），形成全局Super-SBM模型，为权重向量，是效率评价中的最优解。最优解的进一步表达如下式：

式（4）为投入产出的效率分解式；式（5）为无效率分解式。

1.3 指标和数据

1.3.1 指标选择

在农业生态效率研究中，应首先确定研究的对象范围，以狭义的种植业作为研究对象。在产出指标选择上，农业期望产出用种植业总产值表征。目前关于农业非期望产出表征指标还莫衷一是［1-2，4-8］，本研究参考王宝义等［8］研究，以农业面源污染指标表征。农业面源污染指标选取主要参照赖斯芸等［16］研究方法，种植业的农业面源污染主要来自化肥，主要测算总氮和总磷。

将土地投入、劳动力投入、农药投入、农膜投入、化肥投入、灌溉用水、农业机械投入和能源投入8种指标作为投入指标。土地投入用农作物播种面积表征；劳动力投入用第一产业从业人员与农业总产值/农林牧副渔总产值乘积计算获得；农药投入用农业生产中实际农药使用量表征；农膜投入用农膜使用量表征；化肥投入用各类化肥中含氮磷钾的总折纯量表征；灌溉用水用有效灌溉面积表征；农业机械投入用农业机械总动力表征；能源投入用农用柴油使用量表征。

1.3.2 数据来源

选取数据主要选自《中国统计年鉴》（1991—2018年）、《中国人口和就业统计年鉴》（1991—2018年）、《中国农村统计年鉴》（1991—2018年）和12个省域行政单元、131个地级市域行政单元统计年鉴和统计局网站。

2 不同空间尺度下农业生态效率空间形态特征

采用全局Super-SBM模型考察农业生态效率时，将西部地区分为西南地区和西北地区。其中，把广西归为西南地区，把内蒙古归为西北地区。西南地区包括重庆、四川、云南、贵州、西藏和广西，西北地区包括陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆和内蒙古。重庆作为省级行政单位，辖属区域都是县级行政单位，考虑到样本代表性不足和数据不易得，因此将重庆既作为省级行政单元又以地级市行政单元看待同时进行考察。利用等距分割方法，我们将农业生态效率值划分为5个区间，并对每个区间进行定义，如表1所示。

表1 农业生态效率值划分

2.1 各地区尺度农业生态效率数值特征和格局分布

各地区农业生态效率空间数据如表2所示，考察期内西部地区农业生态效率呈现总体上西部地区农业生态效率较优的特征。2018年西部地区农业生态效率为0.92，西北地区0.93，西南地区0.90，都在高效区间。由此体现习近平总书记“绿水青山就是金山银山”的科学论断近年来被不断贯彻和落实，生态正向效应表现卓著，全国上下在农业生态环保方面取得不断进步。各地区农业生态效率格局分布如图2所示，全时期内，西部地区农业生态效率总体上呈现先下降后上升趋势，西北地区和西南地区两个分区域的农业生态效率总体演变趋势和西部地区全区域演变趋势一致，也是先下降后上升。农业生态效率从第一节点（1991年农业生态效率值）向第二节点（1991—2000年农业生态效率值）过渡时呈现略微下沉。可能是因为90年代初，中国加速社会主义市场经济进程，世界各类科技和生产要素向中国流动，生态受到一定程度的影响导致的［11］。第二节点向第三节点（2001—2010年农业生态效率值）过渡再次下沉。可能是因为中国加入世贸组织后，承接国际产业转移，2001—2010年以高能耗和高污染为主的产业涌向我国，尤其中东部污染源向西部的扩散，农业污染物大量增加，环保受到极大的冲击［11］。第三节点向第四节点（2011—2018年农业生态效率值）过渡开始向上拉伸。可能是因为进入2011年后，人们逐渐注意到环境污染带来的消极后果，河道清污、生态补水、农业有机等各类环保政策推出和贯彻，农业生态从探底点向好发展。第四节点向第五节点（2018年农业生态效率值）拉伸到顶点，可能是因为习近平总书记倡导的生态理念不断得到压实进取，生态逐渐恢复并超越到90年初水平，生态重新归于健康［16］。本研究农业生态效率西北地区＞西部地区＞西南地区，证明西部地区农业生态效率存在区域异质性。效率值上西北地区三个阶段内都高于西南地区，西部地区效率值介于两个分区域之间。相比而言，西北地区农业生态效率在三个阶段内变化相对温和，西南地区农业生态效率较为明显。可能因为西南地区和西北地区气候和地势的差异，造成两地出现相对不一样的农业生态发展进程。西北地区少雨干旱，土地盐渍化严重，但随着生态补水、保护性耕作法政策实施，生态明显加速回转。西南地区因酸性土壤、地形崎岖、高寒缺氧等因素，生态保护进程相对西北地区略微落后，也可能导致农业生态效率存在一定的差异。而西部地区农业生态效率值高于西南地区，低于西北地区，综合折衷了两地的差异。

表2 西南地区、西北地区和西部地区农业生态效率数值特征

图2 西南地区、西北地区和西部地区农业生态效率格局分布

2.2 省域尺度农业生态效率数值特征和空间格局分布

省域农业生态效率数据和格局如表3和图3所示。从表3中可以看出考察期内12省域农业生态效率呈现总体上12省域农业生态效率逐步提升的特征。图3中1991年格局图和2018年格局图显示，农业生态高效区间省域单元的省份数量逐渐扩大，低效区间省域单元数量在收窄。1991年格局图中农业生态效率高效区间省域单元有新疆，中高效区间单元有青海、四川、重庆和贵州，西藏、云南、广西、内蒙古和甘肃属于中低效区间单元，陕西和宁夏属于低效区间。2018年格局图可以看出，只有西藏和云南处在农业生态效率中低效区间单元，其他10省份都提升为中高效或高效区间单元，没有了低效区间单元。产生这种现象的原因可能是，随着技术的转型升级，有机农业进入各个省域，有机农业生产开始规范有序，进步速度加快。我国有机农业在生产标准、认证许可和管理措施方面不断完善，各级政府和社会的监管、监督力度也逐渐增强，有机农业生产企业农户自律意识也自我增强，各省有机农业生产先后进入规范发展时期。农业生产资料高浓度有害充分的农药，氮磷不能充分吸收的化肥渐渐得到环保规制的淘汰，取而代之的是有机性农药化肥广泛推广应用，土壤空气污染压力循序减小。农业生态效率西南地区局部省域稳定提升，西北地区局部省域经历“沉降-上升”变化过程。1991—2000年、2001—2010年和2011—2018年三个格局图中，西南范围内，西藏、云南和广西前两个阶段内农业生态效率基本稳定在低效区间，在2011—2018时期内实现跃迁，升级为高效区间单元。西北范围内，内蒙古和山西在第一节点向第二节点过渡时，农业生态效率由中高效区间降落至低效区间，到第三个节点两省又升为中高效区间。从2001年开始，国家对西部地区农林生态建设实行优惠补贴政策，加大资金扶持力度，林业作为生态屏障得到有力发展。在中央财政支持下，西部地区实施的退耕还林还草政策、造养天然林、防沙治沙工程有利于保护生态环境和退耕还林产出的农业种植收入。西部地区给荒山、荒地造林种草，对坡耕地退耕还林还草。落实“谁退耕，谁造林种草、谁经营，谁拥有土地使用权和林草所有权”的政策。农业生态效率区域异质进一步分化。不同时期，高效、中高效区间省域单元和中低效、低效区间省域单元呈现更为明显的差异分布。从1991年、1991—2000年、2001—2010年农业生态效率格局图中，可以清楚发现农业生态效率甘肃、宁夏、陕西、内蒙古、西藏、云南、广西等省份经历了明显的交替变化。甘肃、宁夏、西藏、内蒙古属于生态脆弱区，生态本底弱，稍有人类行为就对生态产生消极影响，改善生态的方法就是多予少取。陕西、云南、广西等因不合适的农业经营发生，粗放经营，导致生态经历一段疲弱期。

图3 西部地区12省域农业生态效率空间格局分布

表3 西部地区12省域农业生态效率数值特征

2.3 市域尺度农业生态效率数值特征和空间格局分布

市域农业生态效率数据如表4所示，考察期内市域尺度农业生态效率呈现效率区间有“同效吸引”的连片分布特征。例如，以塔城为中心，与地理邻接的阿勒泰、昌吉州、乌鲁木齐、博州、伊犁州，形成农业生态效率高效和中高效区间的连片分布。类似的还有分布以锡林郭勒、海南藏族自治州、西宁、汉中等为中心与邻接市域单元为外围的连片区域。低效和低效区间地域连片分布形态特征亦是符合此特征。市域层面，各地生态禀赋因地理位置、地形地势、气候特征相似，而形成邻接市域单元相似的农业生态效率格局。比如以天山为界，北疆湿润多雨，处在北疆的阿勒泰、塔城、博州等地农业生态表现卓越。而处在南疆地区的阿克苏、喀什、和田等市域单元因共同属于塔里木盆地内，源于干旱少雨同一种气候特征，农业生态效率表现较为不足。农业生态效率区域异质在省内表现清晰，例如新疆的南疆内部地级市域单元和北疆地级市域单元，内蒙古的西部地级市域单元和东北部地级市域单元，四川的西部地级市域单元和东部市域单元，云南的中部市域单元和南部北部地级市域单元。同一省域内生态禀赋不一致，造成地级市出现迥异的农业生态形态，形成同省不同效率的农业生态效率格局。西部12省域（区市）农业生态效率空间格局如图4所示，农业生态效率超效区间地级市域单元首次出现。阿坝州、甘孜州、凉山州、西宁、黄南州、博州、伊犁州、塔城、阿勒泰的农业生态效率大于1，而在地区和省域单元考察时，农业生态效率均未达到1。此类现象的出现推测和工业产业发展可能相关，例如四川西部的阿坝、甘孜和凉山等州，因工业污染有限，大气土壤给农业污染源留足了代谢空间和能力，因此农业生态效率较高。此外，青海除了海西州接近干旱区气候外，其他区域人类足迹很少涉及，出现生态盈余，农业生态效率表现较优。习近平曾说“保护好青海生态环境，是‘国之大者’”［15］。青海有黄河、长江、澜沧江的溯源三江源，祁连山、青海湖跃储水丰富，紧接天山与中国最大内陆湖博斯腾湖，生态禀赋十分优越，故而农业生态效率表现卓著，黄南州效率值突破1，处于超效区间。

表4 西部地区131个市域农业生态效率数值特征

续表4

3 研究结论与政策建议

3.1 研究结论

基于西北地区1991—2018年面板数据，利用全局Super-SBM模型和空间尺度效应理论，选取地区、省域和市域三个嵌套空间尺度，据此分析不同级别区域下西部地区农业生态效率的空间尺度效应，结论如下：

1）西部地区农业生态效率空间尺度效应表现显著。随着空间尺度由大到小变化，西部地区农业生态效率空间异质性逐渐体现。全时期内，西部农业生态效率各尺度地域单元大多经历一个先下降再上升的“V”型发展路线。多年来西部地区在中央一系列优惠政策支持下，农业基础设施如水利工程大为改观，生态补水工程成效显著，先进农业技术不断得到推广，轻污染或无污染农药化肥广泛应用，使西部地区农业生产产量和产值得到大幅度跃升，生态出现较大的改良。

2）农业生态效率表现上，地区宏观层面表现较优，处于高效和中高效区间；省域中观层面上部分省域表现不足，落在中低效和低效区间；市域微观层面表现不足的市域数量和分布位置更为具体。西部地区农业生态维护很大程度上依赖中央政策的支持，而具体到省域层面，资源禀赋差异表现较为明显，比如西北5省气候干旱，农业禀赋不足，生态脆弱性显而易见。再到地级市层面，资源禀赋和技术推广更突出地解释了部分农业生态效率的微观区别。

3）地区尺度上农业生态效率西北地区＞西部地区＞西南地区，区域异质性不明显。西南地区和西北地区因地形和气候的差异，导致种植业产量和生态保护有不同的产出，农业生态效率也结果存在差异。西部地区综合折衷了两地的差异。因为西南地区和西北地区气候和地势的差异，造成两地出现相对不一样的农业生态发展进程。西北地区少雨干旱，土地盐渍化严重，但随着生态补水、保护性耕作法政策实施，生态明显加速回转。西南地区因酸性土壤、地形崎岖、高寒缺氧等因素，生态保护进程相对西北地区略微落后，农业生态效率存在一定的数值差值。

4）省域尺度上，考察期内西北地区局部省域和西南地区局部省域的农业生态效率沿着两个截然不同的过程发展，区域异质性开始初步显现。甘肃、宁夏、西藏、内蒙古属于生态脆弱区，生态本底弱，稍有人类行为就对生态产生消极影响，改善生态的方法就是多予少取。陕西、云南、广西等因不合适的农业经营发生，粗放经营，导致生态经历一段疲弱期。

5）在市域尺度农业生态效率考察时，效率区间呈现“同效吸引”的连片分布特征，农业生态效率区域异质性在省域内部分布更为清晰。此外，农业生态效率超效期间首次在市域尺度地域单元出现。个别地级市如黄南州和伊犁州，本身为生态涵养区，消解污染能力强，农业生态达到最佳水平。互为邻居的地级市上因地形、气候、生态本底相似，加上经济的紧密相连，互促互进，农业生产要素的流动频繁，很大几率上产生农业生态的相似性。

3.2 政策建议

基于结论，针对未来西部地区农业生态效率的改善，提出两方面政策建议：注重中央地方间的分层政策保障和纳入细致完善的环保规制。第一，政策保障。各级政府应充分重视不同行政区域单元农业生态效率的发展。国家层面上，关注西部地区农业和生态的统筹发展，推动农业现代化和环境保护的双重进步，做好顶层设计，引领绿色发展，推进现代农业发展进程。实行政府主导，社会参与模式。加大政府宏观扶持力度，实施差别化管理政策，建立起农业生态保护的长效机制。吸引企事业单位、民间组织和个人主动生态建设，多渠道建立公共基金，形成全员关爱自然、全社会保护自然的生态建设氛围。尤其关注西南地区农业生态效率的提升，加快生产方式的革新。省级政府应做好本省农业高质量发展规划，做到因地制宜，分类保护。从不同地区农业自然生态特征着手，充分利用生态系统自我修复能力，合理配置生物、工程和农艺等措施，采取不同治理思路和模式。做好农地环保分类施策，加快发展有机农业科技的引进和推广，做好农业生产污染物排放环保规制。同时也应加强省域之间的农业科技合作。地级市政府层面，应基于本地农业发展需要和生态本底，找准生态阈值，合理发展有机农业，保证农业满足基本需要的同时又能守住生态底线。根据“同效吸引”西部地区农业生态效率空间尺度效应特征，加快地区间联动，吸引先进地区的绿色农业发展要素进入邻接地区，以点带面，促成高效、中高效区间区域溢出效应最大程度发挥。同时，应避免农业生态效率低效、中低效区间区域“近墨者黑”的传播效应发生，阻断粗放经营、污染物排放等种植行为方式的相互效仿。第二，环保规制。依法治理重点环保区域，建设自然保护区、践行统一环境准入和退出行政制度、加快农地相关的河湖湿地生态保护修复。针对西南地区污水管网建设基础设施进行改造，及西北地区城乡结合部污水整治引发的法律案件进行专项法治规制，推动西部地区农业水系整体治理。对向大气、水、土壤等农业环境介质非法排放有毒有害物质，损害土地及其生态系统服务功能的行为产生涉及环境介质如河道污染、土壤有毒有害物质污染、机械能量污染等的违法行为，应制定相应环保法律法规进行规制。对涉及开发矿产资源和利用等产生的环境权益不法行为，应重点清查和治理，实现自然资源合理开发和利用、做到资源节约与环境保护同步进行。根据西部不同地区能源结构现实，制定实现能源合理配置的规制。