單永娟 尚禹彤 張家俊

（1.河北地質(zhì)大學(xué) 城市地質(zhì)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050000；2.河北省地下人工環(huán)境智慧開發(fā)與管控技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050000）

一、引言

在“十三五”期間，我國(guó)糧食產(chǎn)量穩(wěn)定保持在6.65 億噸以上，確保了糧食供應(yīng)的基本安全。然而，糧食生產(chǎn)過程中對(duì)化肥和農(nóng)藥的依賴程度較高，給生態(tài)環(huán)境帶來了持續(xù)增加的壓力。河北作為我國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)之一，肩負(fù)重大責(zé)任，這就要求河北省的糧食系統(tǒng)兼顧生態(tài)環(huán)境，在提高糧食生產(chǎn)效率的同時(shí)，確保糧食系統(tǒng)的綠色發(fā)展。

生態(tài)效率既是對(duì)綠色發(fā)展的定量描述，又是對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的科學(xué)測(cè)度[1]。生態(tài)效率于1990 年由Schaltegger 和Sturm 提出[2]，表示為增加的價(jià)值與增加的環(huán)境影響的比值，反映生產(chǎn)單元以最小的環(huán)境影響和資源投入獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的能力。1992 年，世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(huì)于對(duì)生態(tài)效率的內(nèi)涵進(jìn)行拓展，將其定義[3]為“生產(chǎn)提供價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力的、滿足人類需求并提高生活質(zhì)量的產(chǎn)品或服務(wù)，同時(shí)能逐步減少商品或服務(wù)生命周期的生態(tài)影響和資源強(qiáng)度”。此后，一些學(xué)者將生態(tài)效率引入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，糧食生態(tài)效率就是其中一個(gè)典型應(yīng)用與擴(kuò)展。相比傳統(tǒng)的糧食技術(shù)效率，糧食生態(tài)效率通過將糧食生產(chǎn)的環(huán)境代價(jià)納入效率的度量，反映糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展水平[4]。

目前，關(guān)于糧食生態(tài)效率的研究較為豐富。研究范圍涵蓋全國(guó)[5]、區(qū)域[6]、省域[7]層面。研究?jī)?nèi)容涉及效率水平測(cè)度[8]、影響因素[7]、空間差異[9]、發(fā)展路徑[10]等。研究方法方面，已有研究主要采用DEA-Malmquist 指數(shù)[11]、超效率模型[12]、SBM 模型[8]對(duì)糧食生態(tài)效率進(jìn)行測(cè)算，運(yùn)用Tobit 模型[7]、地理探測(cè)器[9]研究糧食生態(tài)效率的影響因素。評(píng)價(jià)體系包括水資源、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、機(jī)械投入、土地、勞動(dòng)力和糧食產(chǎn)出等指標(biāo)，與碳排放、面源污染等非期望產(chǎn)出指標(biāo)。已有研究為本文提供了良好的理論與方法支撐。

本文以河北省糧食作物系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用非期望產(chǎn)出的SBM 模型測(cè)度其生態(tài)效率，分析其時(shí)空變化特征，并運(yùn)用Tobit 模型對(duì)影響因素進(jìn)行研究，以期為推進(jìn)河北省糧食生產(chǎn)的綠色轉(zhuǎn)型與發(fā)展提供政策建議，并為其他省份推進(jìn)糧食生產(chǎn)的綠色發(fā)展提供參考。河北省擁有豐富的自然資源，但資源利用不合理問題比較突出[13]。本文研究結(jié)果可為優(yōu)化資源配置、提高資源利用效率提供決策支持，具有良好的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

二、研究方法

（一）模型設(shè)定

1.考慮非期望產(chǎn)出的SBM-DEA 模型

數(shù)據(jù)包絡(luò)法（DEA）用于測(cè)算多投入多產(chǎn)出的相對(duì)效率[14]。該方法通過將相對(duì)效率達(dá)到最優(yōu)的決策單元觀測(cè)值作為效率前沿面，通過計(jì)算各決策單元與前沿面的距離測(cè)度效率。隨著環(huán)境資源問題日益突出，生態(tài)效率的測(cè)算成為研究熱點(diǎn)。已有研究主要使用改進(jìn)的SBM 模型[4-10]。通過將污染物排放、能源損耗、生態(tài)破環(huán)等作為非期望產(chǎn)出，測(cè)算決策單元的生態(tài)效率?；赟BM 模型，本文模型設(shè)定如下：

假定存在n 個(gè)決策單元，m、S1、S2分別為每個(gè)單元的投入、期望產(chǎn)出、非期望產(chǎn)出的變量個(gè)數(shù)。投入表示為，期望產(chǎn)出表示為，非期望產(chǎn)出表示為，且。糧食生產(chǎn)可能集P 定義為：。某一特定決策單元的SBM 模型如下：

投入方面主要包含直接輸入到糧食作物系統(tǒng)并由系統(tǒng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的物質(zhì)量，即種子、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、灌溉水、各類能源、土地投入及勞動(dòng)力投入?，F(xiàn)有統(tǒng)計(jì)年鑒尚未有關(guān)于種子的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文依據(jù)單位面積種子用量與播種面積乘積表示種子用糧，參照姚成勝[15]的研究，按小麥150kg/hm2，稻谷、玉米和豆類75kg/hm2，其他谷物225kg/hm2，薯類按照120 kg/hm2的比例計(jì)算?；?、農(nóng)藥、農(nóng)膜投入和能源數(shù)據(jù)直接從年鑒獲取。水資源投入則參考作物生長(zhǎng)需水量計(jì)算法[16]：

產(chǎn)出端主要指糧食作物系統(tǒng)向外界環(huán)境排放的物質(zhì)，包含期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出，其中期望產(chǎn)出細(xì)分為物質(zhì)產(chǎn)出及非物質(zhì)產(chǎn)出。期望物質(zhì)產(chǎn)出主要指糧食作物產(chǎn)量，期望非物質(zhì)產(chǎn)出主要指糧食作物生產(chǎn)過程中吸收CO2的量，即農(nóng)業(yè)碳匯。糧食作物系統(tǒng)將大氣中的CO2通過光合作用轉(zhuǎn)化為植物有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)通過合理施肥、耕作和灌溉等方式促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累。這一過程有助于減緩氣候變化，在大氣中捕獲了CO2并將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)和土壤有機(jī)質(zhì)，從而降低了大氣中的CO2濃度，稱為農(nóng)業(yè)碳匯。農(nóng)業(yè)碳匯的計(jì)算公式如下[17]：

表1 糧食作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)、含水量和碳吸收率

非期望產(chǎn)出作為糧食作物系統(tǒng)的“壞產(chǎn)出”，包含糧食作物系統(tǒng)產(chǎn)生的作物秸稈、化肥盈余、農(nóng)藥盈余、農(nóng)膜殘留、CO2和CH4等對(duì)環(huán)境存在威脅的物質(zhì)?；视?、農(nóng)藥盈余、農(nóng)膜殘留參考相關(guān)研究分別按0.65、0.5 和0.1 的比例計(jì)算[19]；水稻種植CH4排放參照徐興英[20]等計(jì)算方法：

本文糧食作物秸稈廢棄物主要考慮玉米秸稈、小麥秸稈和水稻秸稈，秸稈燃燒是CH4排放的主要來源，排放量參照樂群[21]等的計(jì)算方法：

結(jié)合上述對(duì)糧食作物系統(tǒng)投入端與產(chǎn)出端的分析，糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率投入產(chǎn)出指標(biāo)如表2 所示。

表2 糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率指標(biāo)體系

2.Tobit 模型

為研究河北省糧食生態(tài)效率的影響因素，將生態(tài)效率作為因變量，各影響因素為自變量，構(gòu)建多元線性回歸模型。由于效率值介于0-1 之間，不適用于最小二乘法回歸模型，因此本研究選取由經(jīng)濟(jì)學(xué)家托賓提出的適用于變量取值受限的Tobit 模型進(jìn)行回歸分析，其公式如下：

在變量的選取上，參考現(xiàn)有文獻(xiàn)[22-23]，本文從自然條件、政策支持、經(jīng)濟(jì)水平、農(nóng)業(yè)投入和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)五個(gè)方面共選取8 個(gè)指標(biāo)（表3），以分析其對(duì)糧食生態(tài)效率的影響程度。

表3 糧食生態(tài)效率影響因素指標(biāo)

（二）數(shù)據(jù)來源與描述性統(tǒng)計(jì)

本文所用農(nóng)林牧漁業(yè)CO2排放數(shù)據(jù)來自中國(guó)碳核算數(shù)據(jù)庫(kù)（CEADs），其余數(shù)據(jù)來自《河北省統(tǒng)計(jì)年鑒》，《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012-2021 年），缺失數(shù)據(jù)采用線性內(nèi)插法補(bǔ)齊。糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率測(cè)算指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

表4 糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率變量描述性統(tǒng)計(jì)

糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率影響因素指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)如表5 所示。

表5 影響因素變量描述性統(tǒng)計(jì)

三、基于物質(zhì)流的糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率分析

（一）基于核算結(jié)果的系統(tǒng)生態(tài)效率分析

通過Matlab 軟件編程運(yùn)行SBM-DEA 模型，對(duì)河北省11 個(gè)地級(jí)市2011-2020 年糧食生態(tài)效率進(jìn)行計(jì)算，得到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合效率值的結(jié)果如表6 所示。通過比較生態(tài)效率值可知，河北省11 個(gè)地區(qū)的生態(tài)效率值均在0.3 以上，大多數(shù)地區(qū)的效率值大于0.8，小部分地區(qū)的效率值接近1。這說明河北省多數(shù)地區(qū)的生態(tài)效率達(dá)到較高水平。

表6 河北省糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率

由圖1 可知，河北省糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率均值在研究期內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中，2011-2015 年效率水平波動(dòng)上升，2015-2018 年間大幅上升，增幅達(dá)36.29%，隨后幾年小幅下降。

圖1 河北省2011-2020 年糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率均值

（二）生態(tài)效率時(shí)空分析

為進(jìn)一步分析研究區(qū)糧食作物系統(tǒng)空間格局變化趨勢(shì)，采用ArcGIS 軟件分析工具，選取2011 年、2014 年、2017 年和2020 年河北省11 個(gè)地級(jí)市的生態(tài)效率值分別繪制空間分布圖（圖2）。

圖2 河北省糧食作物系統(tǒng)生態(tài)效率空間分布

2011 年，糧食生態(tài)效率處于較高水平的有石家莊、衡水和邯鄲3 個(gè)地級(jí)市，處于中等水平的有邢臺(tái)、保定等5 個(gè)地級(jí)市，出于較低水平的有張家口、承德和秦皇島3 個(gè)地級(jí)市?？梢?，2011 年糧食生態(tài)效率處于較低水平。2014 年，糧食生態(tài)效率處于較高水平的3 個(gè)地級(jí)市依舊是石家莊、衡水和邯鄲，處于中等水平的僅有保定、滄州和邢臺(tái)3 個(gè)地級(jí)市，處于較低水平的增加到5個(gè)地級(jí)市分別是廊坊、唐山、秦皇島、承德和張家口。糧食生態(tài)效率有所下降，廊坊和唐山由中等水平下降到較低水平。2017 年，糧食生態(tài)效率處于較高水平的有石家莊、衡水、邢臺(tái)和邯鄲4 個(gè)地級(jí)市，處于中等水平的是保定、滄州、張家口、承德和秦皇島5 個(gè)地級(jí)市，處于較低水平的是廊坊和唐山2 個(gè)地級(jí)市。糧食生態(tài)效率明顯提升，有1 個(gè)地級(jí)市由中等水平上升至較高水平，3 個(gè)地級(jí)市由較低水平上升至中等水平，這一階段生態(tài)效率大幅提升。2020 年，糧食生態(tài)效率處于較高水平的是邯鄲、邢臺(tái)等8個(gè)地級(jí)市，中等水平的有秦皇島、唐山和廊坊3 個(gè)地級(jí)市，沒有處于較低水平的城市，表明此階段全省生態(tài)效率已達(dá)到較高的水平。

整體來看，河北省糧食生態(tài)效率空間上呈現(xiàn)出“從南向北遞減”的格局逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬哪媳毕蛑虚g遞減”的新格局。2011-2014 年，廊坊市和唐山市由中等水平降至較低水平，原因可能是近幾年自然條件惡劣，光照時(shí)長(zhǎng)縮短，降水較少，同時(shí)作物有效灌溉率較低，導(dǎo)致其糧食生態(tài)效率降低。2014-2017 年張家口市、承德市和秦皇島市由較低水平上升至中等水平，邢臺(tái)市由中等水平上升至較高水平。2017-2020 年，河北省北部地級(jí)市生態(tài)效率大幅度提升。其中提升最為明顯便是張家口市，其糧食生態(tài)效率從2011 年的0.329迅速上升至2020 年的1，表明張家口市生態(tài)環(huán)境治理及保護(hù)措施采取得當(dāng)，糧食生態(tài)效率穩(wěn)步提升。

三、系統(tǒng)生態(tài)效率改善的因素分析

運(yùn)用Stata16 軟件編程進(jìn)行Tobit 回歸模型運(yùn)算，結(jié)果如表7 所示。8 個(gè)解釋變量中有4 個(gè)通過了顯著性檢驗(yàn)，且相關(guān)系數(shù)（rho）值為0.71，表明模型擬合度較好，對(duì)糧食生態(tài)效率的變異具有良好的解釋力。

表7 Tobit 回歸結(jié)果

由表7 可知，化肥使用強(qiáng)度、糧食作物種植結(jié)構(gòu)、農(nóng)村居民人均可支配收入對(duì)糧食生態(tài)效率具有顯著影響。具體如下：

（1）農(nóng)村居民人均可支配收入對(duì)糧食生態(tài)效率具有負(fù)向影響，且通過5%的顯著性水平檢驗(yàn)。理論上，農(nóng)民收入水平與糧食生態(tài)效率存在“U 型”關(guān)系，即農(nóng)民在收入水平較低時(shí)，不斷追求經(jīng)濟(jì)利益從而造成了對(duì)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致糧食生態(tài)效率的降低；隨著經(jīng)濟(jì)水平的上升，農(nóng)民會(huì)逐步意識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要性，從粗放型發(fā)展方式向生態(tài)化發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，在農(nóng)業(yè)發(fā)展中兼顧經(jīng)濟(jì)與環(huán)境問題，從而糧食生態(tài)效率不斷提高?，F(xiàn)階段河北省正處于前半個(gè)階段，農(nóng)村居民人均可支配收入與糧食生態(tài)效率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）化肥使用強(qiáng)度對(duì)糧食生態(tài)效率具有負(fù)向影響，且通過1%的顯著性水平檢驗(yàn)。合理地投入農(nóng)業(yè)化學(xué)品可有效提升農(nóng)作物的產(chǎn)量，但不合理以及過度投入農(nóng)業(yè)化學(xué)用品就會(huì)產(chǎn)生一定的冗余，對(duì)環(huán)境造成破壞，進(jìn)而對(duì)生態(tài)效率產(chǎn)生負(fù)影響。近些年來國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提高、相關(guān)政策不斷完善，河北農(nóng)業(yè)化學(xué)品投入量呈逐漸下降趨勢(shì)，投入控制在合理范圍內(nèi)，進(jìn)而促進(jìn)了糧食生態(tài)效率的提升。

（3）有效灌溉率對(duì)糧食生態(tài)效率具有正向影響，且通過10%的顯著性水平檢驗(yàn)。有效灌溉率可以反映區(qū)域水資源利用情況。有效的灌溉可以提升糧食作物產(chǎn)量，增加期望產(chǎn)出。尤其是當(dāng)出現(xiàn)旱災(zāi)時(shí)，利用農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)耕地進(jìn)行有效灌溉可以有效減少糧食作物損失，從而提高糧食生態(tài)效率。

（4）糧食作物種植結(jié)構(gòu)對(duì)糧食生態(tài)效率具有正向影響，且通過1%的顯著性水平檢驗(yàn)。河北作為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，省內(nèi)糧食作物種植在農(nóng)業(yè)所占比重較大，糧食種植業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中擁有重要地位。

四、結(jié)論與建議

（一）結(jié)論

本文使用2011-2020 年河北省農(nóng)業(yè)的投入與產(chǎn)出數(shù)據(jù)，利用SBM-DEA 模型測(cè)算糧食生態(tài)效率并分析其時(shí)空分布，利用Tobit 模型分析其影響因素。主要結(jié)論如下：

（1）糧食生態(tài)效率。河北省平均生態(tài)效率由2011 年的0.659 增長(zhǎng)至2020 年的0.837，多數(shù)地級(jí)市十年間糧食生態(tài)效率發(fā)展不斷向好，越來越注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，有效緩解了糧食作物系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成的污染；生態(tài)效率在空間上呈現(xiàn)出從南向北遞減的格局逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺哪媳毕蛑虚g遞減的新格局。

（2）河北省糧食生態(tài)效率的影響因素。糧食作物種植結(jié)構(gòu)、有效灌溉率對(duì)糧食生態(tài)效率有顯著正向影響，化肥使用強(qiáng)度和農(nóng)村居民人均可支配收入對(duì)糧食生態(tài)效率有顯著負(fù)向影響。

（二）建議

1.調(diào)整優(yōu)化糧食作物種植結(jié)構(gòu)

第一，根據(jù)各地區(qū)土壤肥力，氣候條件等情況，選取最為合適的糧食作物品種，鼓勵(lì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民選取高產(chǎn)、高效、抗逆性強(qiáng)的新品種，提高糧食產(chǎn)量和品質(zhì)；第二，鼓勵(lì)農(nóng)民參與鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)合作社，可確保糧食產(chǎn)品銷售渠道同時(shí)穩(wěn)定收入；第三，加大科技研發(fā)投入與農(nóng)業(yè)技術(shù)引進(jìn)，推廣更先進(jìn)的種植技術(shù)與管理模式。

2.完善灌溉設(shè)施，提升有效灌溉率

第一，強(qiáng)化群眾節(jié)水灌溉意識(shí)，讓基層群眾認(rèn)識(shí)到水資源缺乏的現(xiàn)狀；第二，政府加大對(duì)農(nóng)田水利建設(shè)的支持力度，由于節(jié)水灌溉技術(shù)前期投資大，不能短時(shí)間內(nèi)見到效益，農(nóng)戶籌資能力有限，需政府加強(qiáng)對(duì)節(jié)水灌溉設(shè)施的財(cái)政支持；第三，加快水價(jià)改革，建立合理水價(jià)機(jī)制，將節(jié)水與農(nóng)民利益掛鉤，實(shí)行“多用水，多收費(fèi)”，超額用水加價(jià)收費(fèi)的規(guī)則，鼓勵(lì)節(jié)約用水。

3.降低化肥使用強(qiáng)度

第一，根據(jù)土壤具體情況與糧食作物需求進(jìn)行科學(xué)具體的施肥方案，如可通過土壤監(jiān)測(cè)技術(shù)與作物營(yíng)養(yǎng)診斷技術(shù)精準(zhǔn)分析，從而精準(zhǔn)施肥，減少化肥過度施用；第二，推廣有機(jī)農(nóng)業(yè)，生物農(nóng)藥及有機(jī)肥料等綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)，改善土壤肥力，降低化肥對(duì)土壤的負(fù)面影響；第三，加強(qiáng)糧食種植人員的技術(shù)培訓(xùn)，并宣傳科學(xué)施肥的重要意義，提高農(nóng)民環(huán)保意識(shí)，推廣新型農(nóng)業(yè)技術(shù)。

4.改善農(nóng)村居民生活水平

第一，政府需大力支持農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)組織發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)升級(jí)，鼓勵(lì)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展更具有競(jìng)爭(zhēng)力的農(nóng)村新興產(chǎn)業(yè)，如農(nóng)作物加工業(yè)，鄉(xiāng)村電商等，增加農(nóng)村就業(yè)機(jī)會(huì)，提高農(nóng)民收入；第二，完善農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施，如農(nóng)村道路，水電供應(yīng)，鄉(xiāng)村數(shù)字設(shè)備基站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，提高農(nóng)村人民的生活便利性與生產(chǎn)條件；第三，完善鄉(xiāng)村社會(huì)保障，提高鄉(xiāng)村養(yǎng)老保險(xiǎn)覆蓋率，為農(nóng)村居民減輕生活壓力。