水资源约束对西北五省区农业发展的影响

华 坚，曹慧敏, 潘雪晴，刘 蕾

(1.河海大学商学院，江苏 南京 211100； 2.江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，江苏 南京 211100)

西北五省区是我国重要的传统农区，全域占据近1/3的国土面积，农业发展存在很大的潜力空间。但作为干旱、半干旱区，西北五省区水量短缺问题十分严重，其水资源总量仅占全国的9.25%，用水总量却占全国的14.08%，其中农业用水占比高达84.19%，水量短缺与土地资源富有形成反差，成为制约农业发展的主要瓶颈。与此同时，在“西部大开发”的战略背景下，西北五省区进行大规模粗放式的农业生产，滥用化肥农药、过度灌溉等导致次生盐碱化问题频发，区域内水质受损明显，逐渐演变为影响农业经济的另一威胁。水量和水质的双重约束严重阻碍了西北五省区农业经济发展的步伐，因此，现阶段缓解水资源约束，推动水资源高效利用对于西北五省区农业经济的可持续发展具有重要意义。

作为重要的生产性资源之一，水资源对经济增长的约束作用明显，水资源的有限性通常导致经济发展速度降低，这种现象一般称之为增长阻尼。增长阻尼研究始于Nordhaus[1]，后来Romer[2]将其明确定义为不存在资源约束下的经济增长与有资源约束下经济增长的差额。现有文献对水资源增长阻尼效应的研究包括水量与水质两部分[3]，一是研究水量约束，即水资源短缺的约束作用，如章恒全等[4]研究发现不同地区、不同产业之间均存在水资源增长阻尼，但地区和行业之间存在差异性；华坚等[5]从水资源消耗量和消耗结构两方面考虑水资源对经济增长的影响作用，并测算西北五省区水资源对经济增长的阻尼大小；王学渊等[6]度量水资源紧缺对我国农业生产的制约程度，计算得出我国水资源对农业经济增长的阻力为0.075%；华坚等[7]发现水资源约束促使我国农业经济从劳动密集型向技术和资本密集型转变，农业用水与农业经济存在着长期稳定的正向相关关系。此外，在空间分布上，受自然条件和经济社会因素的影响，水资源阻尼系数具有明显的区域集聚特征[8]。二是研究水质约束，即水环境恶化的约束作用[3]，秦腾等[9]引入水生态足迹研究水环境约束效应，实证发现农业发展的水环境约束强度大大超过水资源约束强度；严翔等[10]通过熵权法计算生态压力指标并将其作为生态资源投入，研究发现生态约束引起的增长阻尼较为明显。

从现有研究来看，水资源的有限性对农业经济增长的约束作用普遍存在，并存在时空差异性；但学者大多仅考虑水量或水质的约束作用。因此，本文在前人的研究基础上，构建综合考虑水量和水质两方面的水资源综合评价指标体系，并利用Romer增长阻尼模型量化分析水资源对西北五省区(陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区)农业发展的约束作用，以期为西北五省区农业经济在水资源约束下实现可持续增长提出针对性政策建议。

1 研究方法

1.1 水资源量质综合水平评价指标

近年来，综合考虑水量和水质特性的水资源综合水平研究成为区域水资源配置问题的重要发展方向[11-12]。参考杨东明等[13-14]的研究，本文认为水资源量质综合水平包括水资源水量和水质两个维度，水量指水资源禀赋及其利用程度，水质指排放强度及治污能力。在水资源节约和水体保护的目标下，水资源量质综合水平越高，表示水资源自然禀赋条件越好、利用效率越高、用水结构越合理以及受污染程度越轻。

基于水资源数量和质量两方面的特性，构建水资源量质综合水平评价指标体系，并参考杨丽等[15]的研究，利用加入时间变量的改进熵值法进行权重测算，具体指标及权重如表1所示。

表1 水资源量质综合水平指标体系

1.2 水资源对农业发展的约束模型

1.2.1模型选取

相关学者在研究水资源约束时通常采用多目标优化方法[16]、灰色关联法[17]，以及构建阻尼模型[7，10]等。前两种方法适用于分析水资源约束下的产业结构优化问题，本文为探究水资源对于农业经济发展的约束作用，选用阻尼模型作为研究方法，测度水资源约束对农业经济增长的影响，阻尼值等于无约束的经济增速与有约束的经济增速之差额。

在Romer[2]构建的包括自然资源和土地要素的柯布-道格拉斯函数(C-D函数)的基础上，考虑水资源要素，建立增长阻尼模型为

Y=KαWβ(AL)1-α-β

(1)

式中：Y为农业产出；K为资本投入；W为水资源投入；A为技术进步率；L为劳动力投入；α为资本的产出弹性；β为水资源的产出弹性。

对式(1)两边取对数可得：

lnY=αlnK+βlnW+(1-α-β)(lnA+lnL)(2)

由于变量增长率是其对时间的导数，因此对式(2)两边进行求导可得:

gY=αgK+βgW+(1-α-β)(gA+gL)

(3)

式中gY、gK、gW、gA、gL分别为Y、K、W、A、L的增长率。

(4)

(5)

(6)

阻尼系数为正，表明农业发展受到水资源的约束作用；阻尼系数为负，表明农业发展并未受到水资源的约束作用。然而，由于水质对农业发展的约束日益加重，仅考虑水量已不能全面衡量水资源对农业发展的整体约束，因此本文引入水资源量质复合要素，测度水量和水质对农业发展的约束程度，对式(1)模型进行了修正，即

Y=KαCβ1(AL)1-α-β1

(7)

式中：C为水资源量质复合要素投入；β1为水资源量质复合要素的弹性。进而得到考虑量质情况下的水资源对农业发展约束程度的水资源增长阻尼系数Zc，即

(8)

式中gC为水资源量质复合要素的增长率。

1.2.2变量说明与数据来源

鉴于数据可获得性，选取2001—2019年西北五省区数据进行实证分析。相关指标的原始数据来源于2001—2019年《中国统计年鉴》《水资源公报》和各省区统计年鉴，对于部分缺失数据利用插值法补齐。涉及的变量说明如下：

a.农业产出Y。以农业总产值表示，为消除价格因素的影响，将农业总产值按GDP指数折算为2001年不变价格。

b.资本投入K。鉴于农业固定资产大部分投入于农业机械[19]，参考王学渊等[6，8]的研究，用农业机械总动力来表示资本投入水平。

c.水资源量质复合要素投入C。该指标由利用熵值法测算得出的水平值表示。

d.劳动力投入L。以农业总产值占农林牧渔总产值的比例乘以农林牧渔就业人数表示，同时，假设技术进步率A附着在劳动力投入L上[20]。

2 实证分析

2.1 水资源量质综合水平测度结果

根据改进熵值法计算得出西北五省区2001—2019年水资源量质综合水平，计算结果如表2所示。

表2 2001—2019年西北五省区水资源量质综合水平

a.整体来看，2001—2019年西北五省区水资源量质综合水平呈波动上升趋势。区域整体水平年均值由2001年的0.480上升到2019年的0.697，年均增长率达到2.095%，说明样本期内西北五省区的水资源量质综合水平持续向好。2001—2014年，水资源量质综合水平上升较为平缓，个别年份甚至出现下降趋势，可能原因是西部大开发战略实施期间，西北五省区承接发达地区的落后产业，难免会对资源环境产生负向影响，导致水量和水质受损。2015年，随着“创新、协调、绿色、开放、共享”新发展理念的提出，水资源合理利用与保护意识逐步增强，推动水资源利用效率和水质情况提升，因此水资源量质综合水平在2015年之后有所提升。

b.分省份来看，西北五省区水资源量质综合水平的地区间差异明显，各省区均值从大到小依次为陕西、青海、甘肃、宁夏、新疆。陕西水资源量质综合水平最高，省际均值达到0.766，主要原因是陕西地跨黄河、长江两大水系，自然资源禀赋和社会经济发展情况良好，在水资源量质两方面都赋值领先，发展水平稳步提升。青海和甘肃水资源量质水平较高且数值接近，同时两省增长率最为平稳，其中青海在西北五省区中水资源禀赋丰富、开发利用程度低，使其水体可利用空间较大，发展潜力充足；而甘肃则得益于水污染治理方面的显著优势。宁夏和新疆不仅测度水平较低，且波动情况十分明显，年均增长率分别为2.737%和3.506%。宁夏是我国水资源最少的省区，大气降水、地表水等贫乏，且分布极其不均，水资源发展空间薄弱；新疆则受到传统农耕方式限制，尽管坐落着全国最大的内陆河——塔里木河，但粗放型发展使得农业用水比例极高，水土流失现象严重，水资源量质水平较低。

2.2 水资源对农业发展的约束强度

2.2.1水资源数量对农业发展的约束强度

首先，测度水资源数量对农业发展的约束强度，以期为后续研究提供对照组。对于水资源数量的评价，采用改进熵值法进行计算。其次，利用普通最小二乘法(OLS)进行回归，发现变量间存在多重共线性问题，因此采用岭回归的方法进行改进。表3为仅考虑水资源数量情况下西北五省区农业发展受到约束的情况。

表3 西北五省区水资源数量对农业发展的约束强度

总体来看，西北五省区水资源数量对农业发展的阻尼系数为-3.888%，为无约束状态。随着创新型国家战略的实施以及资源节约型社会的建设，我国对自主创新的投入不断提升，推动农业领域科学技术持续发展，农田灌溉更多采用节水灌溉技术和设备，提升了农田水资源利用效率，使得农业发展受水资源数量的制约作用较小。具体而言，除陕西和青海外，其他三省区的阻尼系数均为负值，说明在仅考虑水量的情况下，这三省区的农业发展未受到水资源数量的约束。从各要素的弹性看，资本弹性整体显著大于水资源弹性和劳动力弹性，表示农业发展对资本的依赖程度大于资源和劳动力投入。青海水资源弹性为负值，表明在资源禀赋充足且合理开发的情况下，农业发展对水资源数量的需求不高。甘肃劳动力弹性为负值，这是由于随着粮食播种、农田灌溉以及收割技术的发展进步，劳动力需求降低，农业年均劳动力呈负向增长。

2.2.2水资源量质综合水平对农业发展的约束强度

综合考虑水资源量质的情况下，西北五省区水资源量质综合水平对农业发展的阻尼系数等参数测算结果见表4。

表4 西北五省区水资源量质综合水平对农业发展的约束强度

总体来看，水资源量质综合水平对农业发展的阻尼系数为-2.294%，仍处于无约束状态。西部大开发战略的实施对西北五省区资源环境造成了极大的威胁，但“十一五”以来，随着绿色节约型发展理念的提出，西北五省区对水资源数量和质量的保护力度加强，农业发展整体上受水资源量质的双重制约作用较小。各省区水资源量质综合水平对农业发展的约束存在较大差异，除陕西、青海仍处于约束状态之外，纳入水质考虑的新疆水资源综合水平农业发展也存在约束作用，三省区的农业经济增长速度在受约束的情况下将分别下降0.685%、1.673%和1.760%。阻尼系数的正负主要受到资本弹性、水资源弹性以及劳动力投入增长率与水资源增长率之差的影响。阻尼系数为正值的三省区中，陕西的资本弹性最大，在充足的资本支持下农业经济加速发展，而增长缓慢的劳动力和水资源难以满足农业现代化需要，对其产生较大约束；青海和新疆尽管水资源弹性为负，但劳动力增长率明显小于水资源增长率，农业发展仍很大程度依赖于资源投入，因此受到明显的水资源约束作用。除此之外，在水量水质双重约束下，甘肃和宁夏农业发展仍然为无约束状态。甘肃水资源量质综合水平较高，且始终以平稳的趋势增长，现阶段仍能满足农业发展的客观需要；宁夏则是因为地区经济较为落后、资源禀赋条件较差，农业发展始终没有过多依赖于资本和资源投入，加上地区劳动力波动情况最为平稳，从而使其受资源影响较小。

2.2.3约束强度对比

由上述分析可知，将水质约束纳入研究范畴后，水资源对农业发展的约束作用明显提升，如陕西的阻尼系数从0.136%上升至0.685%，青海的阻尼系数由1.438上升至1.673，新疆则由无约束状态转变为约束状态。可能原因是随着工业化和城镇化的加速推进，农业废水排放量和化学需氧量不断增加，对于区域内水环境容量产生较大影响。此外，经济的快速发展衍生出大规模的掠夺性开发，加之农业生产中化肥农业的过度使用，进一步加重水质的恶化，因此在纳入水质约束后，水资源对农业发展的约束作用将会显著提升。

2.3 水资源对农业发展约束强度的时空分异特征

2.3.1时序特征分析

在分析西北五省区水资源量质综合水平对农业发展阻尼系数的基础上，进一步测算各省区2001—2019年各年度数据，结果如图1所示。整体来看，2001—2019年间各省区农业发展均在个别年份受到不同程度的水资源量质约束。根据《水资源公报》数据显示，西北五省区年均降水量仅为全国的61.93%，地区气候干旱、降水稀少，地理位置及气候特点导致其水资源短缺严重、生态环境较为脆弱。同时，西北五省区水资源利用效率较低，单位GDP用水量达全国的2.86倍，而农业用水占比达87.02%，不合理的灌溉方式更加重了农业用水的浪费，水量短缺引起水资源对农业发展的约束作用明显。随着西部大开发战略的深入推进，大量能源及资源投入工业发展之中，污染排放量大幅度提升，生态系统逐步恶化，造成水质和水量进一步下降。在西北五省区中，陕西、青海、新疆农业发展受到水资源约束的年份明显更多，这也与其多年平均阻尼系数的测度结果一致。

图1 2001—2019年西北五省区水资源阻尼系数

观察阻尼系数的变化情况发现，水资源量质综合水平对农业发展的阻尼系数波动变化特征十分显著，这表明水资源对农业发展的约束作用是不断变化的。一方面，当阻尼系数为正时，各省区通过劳动力和资本要素的替代性投入缓解水资源约束，同时水资源约束诱导技术创新，使节水净水等新技术得到推广，从而降低资源消耗和污染排放，推动农业经济的增长，使水资源阻尼系数转为负值。但资源替代效应存在一定的极限，当生产力水平趋向稳定时，水资源对农业发展的约束会随时间增大，使得阻尼系数波动特征显著。另一方面，西北五省区阻尼系数的波动特征说明地区节水净水措施取得一定效果，水资源利用效率得到提升，水资源整体状况有所改善，缓解了水资源对农业发展的约束。但现阶段的政策措施仍存在不健全不完善的问题，导致约束作用呈现波动趋势，因此需要继续因地制宜地制定水资源利用与水污染管理的措施，从而减小水资源对西北五省区农业发展的约束作用。

2.3.2空间特征分析

为更好地揭示西北五省区水资源约束对农业发展的影响，比较不同年份下的约束变化情况，利用ArcGIS绘制约束强度图，选择2001年、2007年、2013年、2019年各省区的测算结果进行分析。为对具体数值进行比较，本文将约束强度划分为无约束型(阻尼系数低于0)、低约束型(阻尼系数0～5%之间)、中约束型(阻尼系数5%～10%之间)和高约束型(阻尼系数10%以上)。需要说明的是，上述约束强度仅是对数值相对水平的划分，并不直接表示水资源约束绝对水平。不同年份的约束情况见图2，可见2001年、2007年、2013年和2019年西北五省区水资源阻尼系数空间变化总体较为明显，且存在空间集聚特征，约束强度整体呈先减小后增大的趋势。

2001年，陕西处于低约束状态，新疆处于中约束状态，甘肃、青海、宁夏处于无约束状态。这一阶段约束地区分布在西北五省区的两侧，无约束地区集中在中部。21世纪初，西北地区成为我国的重点开发区和农业基地，西北五省区农业用水所占比例均超过70%，其中新疆占比超过90%。尽管新疆水资源总量充足，但极高的农业用水占比和广阔的农田灌溉面积导致水资源耗用量大且利用率低，传统的灌溉方式更是加重了水量负担，农业发展受到水资源较大约束。而陕西在2001年旱情严重，降水量平均下降13.7%，粮食作物因旱减产192.69万t，对农业经济造成冲击；此外，由于陕西工业化发展稍显落后，污染物排放无法及时处理，农业发展受到水量水质的双重约束。

2007年，陕西、青海、新疆处于低约束状态，甘肃和宁夏处于无约束状态。这一阶段水资源约束出现微减弱趋势，而集聚特征较为明显，区域西部两省相连形成低约束集聚区，无约束集聚区仍然位于区域中部。新疆转为低约束状态，主要原因是2007年前后新疆水土流失治理和污水排放处理能力增强，继而缓解了对农业经济的约束。青海由无约束状态转为低约束状态，尽管青海水资源禀赋良好，水资源量质水平在2007年以前也始终保持上升趋势，但由于资本投入水平较低、农业劳动力流失严重，致使该地区农业发展只能过度依赖于资源投入，因此水资源的约束作用明显。

2013年，甘肃和宁夏处于低约束状态，新疆处于中约束状态，陕西和青海处于无约束状态。2010年，国务院出台《关于中西部地区承接产业转移的指导意见》，中西部地区对高耗能、高污染等产业的承接给生态环境造成极大影响，水质污染大幅度增加，导致甘肃和宁夏步入低约束状态，新疆回升为中约束状态。2012年，国务院发布《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，确定了水资源开发利用控制、用水效率控制及水功能区限制纳污“三条红线”，陕西和青海严格遵循该政策，全方位加强水资源量质管理，水资源短缺及水环境污染的情况得到缓解，农业发展情况良好，水资源约束程度逐渐转为无约束状态。

2019年，陕西和青海处于低约束状态，新疆处于高约束状态，甘肃和宁夏转为无约束状态，西北五省区中部重新成为无约束集聚区。新疆近年来大力加快农业发展步伐，不断加强粮食生产功能区建设，农业生产要素的投入力度持续加大；同时农田建设对于水资源的需求极高，但受到气候和降水量的影响，新疆2019年水资源总量明显下降，较2013年相比降低了8.89%，难以为农业经济增长提供有力支撑。因此，现阶段构建与农业发展进程相符的水资源管理体系是新疆解除水资源较高约束的重要方向。

3 结论与建议

本文采用西北五省区2001—2019年数据，构建水资源量质综合水平指标体系，并采用基于生产函数的阻尼模型探究水资源约束对农业发展的影响，主要结论如下：

a.在考虑水量和水质两个维度的情况下，2001—2019年西北五省区水资源综合水平呈现波动上升趋势，区域整体水平的年均增长率达到2.095%，发展状况持续向好。各省区水资源量质综合水平从大到小依次为陕西、青海、甘肃、宁夏、新疆，其中宁夏和新疆的水资源量质水平波动率最为明显，年均增长率分别为2.737%和3.506%。

b.与水资源数量单一约束相比，水资源量质综合水平对西北五省区农业发展的约束作用明显增大。样本期内，水量约束下仅有陕西和青海两省区阻尼系数为正值，而水资源量质约束下陕西、青海和新疆三省区阻尼系数均为正值。与此同时，水资源量质约束下的阻尼系数增大，表明约束强度变大。

c.从时间层面看，2001—2019年西北五省区农业发展均在个别年份受到水资源量质综合水平不同程度的约束，且水资源约束的阻尼系数波动变化特征十分显著，这表明水资源对农业发展的约束作用是不断变化的。从空间层面看，西北五省区水资源阻尼系数总体变化较为明显，且存在空间集聚特征，约束强度整体呈现先减小后增大的趋势。

基于上述研究结论，为进一步缓和目前西北五省区水量短缺和水质恶化的水资源约束，实现农业可持续发展，提出以下政策建议：

a.提高农田灌溉水利用效率，发展高效节水农业。西北五省区的农业发展应把“建立水资源刚性约束制度”作为核心，在水资源开发和取用过程中科学部署，完善水资源配置格局、提高水资源利用效率、增强节水型农业建设。

b.减少污染排放，加大污水治理力度。水质恶化对农业发展带来的约束日益突出，因此需要控制高能耗、高污染的工业企业，推动产业结构不断优化升级，同时合理控制废水排放，加大污水处理力度，提高污水排放达标率。

c.加强区域统筹协调，满足地区差异化需求。考虑到西北五省区水资源约束的集聚特征，在区域水资源管理中要避免分散多头的管理模式，建立有效的区域统一水资源管理合作机制。正确把握总体谋划和久久为功的关系，一方面加强区域沟通联动，落实水资源管理中的 “三条红线”和 “四项制度”，在开发利用中注意地表水与地下水的合理调配，优化水资源配置；另一方面关注各省区差异化特征，尽量满足不同地区农业发展对水资源的个性化需求。