中国粮食生产环境效率的时空演化特征及其影响因素分析*

吴永清，杜 荣，蒋 辉

（1.吉首大学法学与公共管理学院，湖南 吉首 416000；2.吉首大学商学院，湖南 吉首 416000；3.吉首大学乡村振兴战略研究中心，湖南 吉首 416000）

一、引言

粮食是人类生存和发展的基础，改革开放以来，中国的粮食生产发展取得了巨大成就，粮食产量从1978年的3.3亿吨增长到2018年的6.58亿吨。然而，在取得巨大成绩的背后却是化肥、农药投入的过度增加，中国化肥（折纯量）投入自1978年的884万吨增长到2018年的5653万吨。目前中国单位面积化肥使用量已达联合国粮农组织规定上限的2倍，农药使用量是世界平均水平的2.5倍以上。化肥、农药的投入和机械动力能源消耗等导致CO2排放、耕地中氮和磷元素的流失等问题，不利于农业生产的可持续性。农业发展带来的环境问题日渐成为当下关注的焦点。党的十八大报告提出“绿色发展”，中央一号文件多次提出走绿色发展道路，中国农业农村部于2018 年编写《农业绿色发展技术导则（2018—2030年）》，2020年印发《农业农村绿色发展工作要点》，2021年制定《“十四五”全国农业绿色发展规划》。目前更是将绿色发展作为实施乡村振兴战略的重要引领，旨在推动资源节约型、环境友好型生态农业发展。提高粮食生产环境效率是确保粮食安全、促进生态文明、实现农业可持续发展和巩固脱贫成果的重要保证，分析中国改革开放40年来粮食生产环境效率时空演化特征及其影响因素，为中国可持续发展提供参考，具有重要的现实意义。

全要素生产率是指多投入多产出时，总产出与总投入的比。在测量全要素生产率时常用的方法是数据包络分析和随机前沿分析。比较常用的数据包络分析法有方向距离函数、SBM 模型和超效率模型。为了反映全要素生产率的变化，引用Malmquist指数，形成dea-Malmquist指数和Malmquist-Luenberger指数。粮食生产效率是不考虑非期望产出的全要素生产率，即粮食生产中投入和期望产出的比率。为更加科学分析粮食生产投入产出关系，学者提出考虑非期望产出后的全要素生产率，即粮食生产环境效率。伴随全要素生产率的内涵和测量方法的演化，许多学者进行大量实证研究来测算粮食生产效率、粮食生产环境效率并分析其特征和影响因素。Young（2003）分析得出中国农业生产效率总体呈现上升趋势，粮食生产环境效率总体低于粮食生产效率。家庭联产承包责任制是中国改革初期经济增长的主要原因，此外农业全要素生产率还受到技术进步、投入要素、农业产品收购价格、财政支农、农村劳动力转移、产业结构、自然灾害和农业基础设施等影响。上述研究表明中国粮食生产环境效率呈现出东部高于中部和西部的特点，但由于样本选择和测算全要素生产率方法的不同，得出的结果也存在一些差异。上述研究尚且存在以下不足：（1）样本数据选择周期较短，大多是10年以内；（2）地域选择通常为几个省或省内几个地区，且主要集中于粮食主产区；（3）粮食产品选择单种，覆盖面不全；（4）以截面数据进行分析，采用面板数据的研究较少。由于样本和方法的局限，研究的结论难以反映中国改革开放以来大陆地区粮食生产环境效率时空演化的全貌。为弥补上述研究不足，本文拟在以下几个方面进行改进：（1）选取自改革开放以来的40年的样本数据；（2）在空间上选择中国大陆31个省市区；（3）采取Charnes等（1984）提出的DEA视窗方法。文章重点进行以下两个方面的探讨：（1）中国粮食生产环境效率演化的时空规律是什么？（2）中国粮食生产环境效率演化的驱动机理是什么？

二、研究方法和数据来源

（一）研究方法

1.环境效率

环境效率是衡量可持续发展能力的重要指标，其核心思想是利用最少的资源和能源，生产最多的产品，并且对环境产生最小的负面影响。

（1）环境生产技术。粮食生产的产出包括期望产出和非期望产出，根据Fare等（1994）提出的环境生产技术，需要构建一个多投入和多产出的生产可能集。假定有N个决策单元DMU，每个决策单元有m种投入X=(x1,x2,…xm)，s种期望产出，k种非期望产出，则多投入多产出的生产可能集为：

根据生产可能集，产出的可能前沿为：

（2）SBM 模型和粮食生产环境效率。Tone（2001）提出基于投入和产出松弛变量的环境效率评价模型（slack-based measure），简称SBM，并于2004年拓展该模型，使之能处理非期望产出的环境效率评价问题。

模型（3）中的目标函数ρ*即为粮食生产环境效率。

为了比较处于前沿面单元，构建超效率SBM模型，得式（4）超效率SBM模型。

2.面板模型

设面板模型一般形式为：

xit'为随时间和个体而改变的影响因素，zi为不随时间而改变的个体影响因素，ui+εit为复合扰动项，ui与εit不相关，εit为随时间和个体而改变的扰动项。i=1,2,…,n；t=1,2,…,t。

（二）指标选取

1.投入指标

投入指标为劳动力、土地、水资源、机械动力、化肥、役畜等。劳动力是第一产业总人数×A。土地用粮食作物播种面积表示。水资源用实际农用土地有效灌溉面积×B衡量。机械动力等于农用机械总动力数量×B。化肥用粮食生产中化肥施用的折纯量×B度量。役畜用粮食生产中使用役畜总量×B 衡量，役畜总量用大牲畜年末头数作为替代变量。

2.产出指标

粮食产出分为期望产出和非期望产出。期望产出为粮食总产量，根据中国农村统计年鉴，粮食确定为：谷物、豆类和薯类。借鉴已有研究，粮食生产过程中的非期望产出为：碳排放、TN、TP。

3.影响因素

根据文献和理论研究，选择以下影响因素。经济结构，用第一产业增加值占地区生产总值比重表示；第一产业结构，用农业总产值占农林牧渔总产值比重表示；经济发展水平，用各省人均GDP 表示；城乡收入分配，用城市人均可支配收入与农村人均可支配纯收入比值表示；农村人均收入，用农村居民人均可支配收入表示；财政支持农业，用地方财政总支出中农业相关支出所占比重表示；科技因素，用R&D 占GDP 比率表示；城镇化率，用城镇人口占总人口的比值表示；劳均粮食种植面积，用农村粮食种植面积除以第一产业从业人员数表示；农村劳动力转移，用乡村从业人员数与第一产业从业人员数的比值作为替代变量；农村机械化水平，用农村机械总动力数除以耕地面积表示；复种指数，用年内农作物总播种面积与耕地面积之比表示；化肥使用量，用年化肥使用折纯量与农作物总播种面积之比表示；灌溉面积比例，用灌溉面积除以总耕地面积表示；对外开放，用汇率折算后的地区进出口货物总额与地区生产总值的比值表示；农村居民平均受教育年限为：小学比例×6+初中比例×9+高中比例×12+大专×15+本科比例×16+研究生比例×19；成灾率用成灾面积与农作物播种面积比值表示；收入结构，用农民纯收入中农业经营收入所占比例表示。

（三）数据来源

研究数据来源于全国31个地区（省、自治区、直辖市）（未包括港澳台）面板数据。

1.投入和期望产出

粮食生产环境效率的数据取自1980 年到2018 年，环境效率的影响因素数据取自1987 年到2018年。数据来自《中国统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国科技统计年鉴》《新中国六十年统计资料汇编》、各省的年度统计年鉴。海南省1988年设立，重庆1997年设立直辖市，相关数据从该年度开始。

2.非期望产出

非期望产出通过清单分析法测算得到。

TC为粮食生产中总碳排放量，Ti碳源，指粮食生产过程中使用的化肥、农药、农膜、柴油等使用量、翻耕与农业灌溉面积，σi碳源的排放系数，农业碳源碳排放系数为：化肥0.8956千克/千克，农药4.9341千克/千克，农膜5.18千克/千克，柴油0.5927千克/千克，翻耕3.126千克/公顷，农业灌溉20.476千克/公顷。

农业面源TN和TP的排放测量依据式（9）计算。

E为农业面源污染排放量，EUi为污染单元统计量，Pi为污染单元的产生系数，Ci为污染单元的流失系数。流失系数采取张佳卓（2019）整理的系数，并根据其方法确定西藏的氮和磷的流失系数，结果如表2所示。

碳排放根据式（8）计算，TN和TP根据式（9）、表1和表2的相关参数计算。

表2 中国及其各地区（省、自治区、直辖市）氮肥、磷肥流失系数

三、结果分析

（一）粮食生产环境效率时空演化特征

根据模型（3），测算1980年至2018年中国及其大陆31个地区（省、自治区、直辖市）的粮食生产环境效率。

1.时间演化特征

图1显示，中国粮食生产环境效率，整体呈现下降、底部振荡和后期上升的特征。在六五期间处于高位（0.404），在七五、八五、九五处于下降过程，十五处于最低点（0.327），以后逐期上升，十三五期间为0.395。在1980～1984 年，粮食生产环境效率逐年提高；在1985～1994 年期间波动下降；在1995～1996年为上升趋势；在2004～2010年呈现缓慢上升趋势；2011～2018年期间上升趋势加快。各个省市区的粮食生产环境效率具有不同的演化特征，可从其演化形状和趋势等分析其演化规律。图2显示，粮食生产环境效率时间趋势具有明显N 形状特征的有重庆；L 形状特征有的天津、内蒙古、江西、湖南、四川、西藏、青海；U 形状有辽宁、吉林、江苏；W 形状的有黑龙江；反L 形状的有河南；倒T 形状有新疆；下降趋势的有北京、浙江、福建、湖北、广东；上升趋势的为安徽、山东；低位水平波动的有河北、山西、广西、海南、贵州、云南、陕西、甘肃、宁夏；高位水平波动的有上海。其趋势归纳于表3中。

图1 中国5年规划粮食生产环境效率

图2 中国及大陆各地区（省、自治区、直辖市）粮食生产环境效率

2.空间演化特征

（1）东部、中部、西部的比较①东部：北京、天津、河北、辽宁、上海、江苏、浙江、福建、山东、广东、广西、海南；中部：山西、内蒙古、吉林、黑龙江、安徽、江西、河南、湖南、湖北；西部：重庆、四川、贵州、云南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆。（见图3）。西部地区平均值为0.3467，比东部低0.134，较中部低0.153。中部比东部高0.0189。东部地区在八五、十五、十一五期间粮食生产环境效率最高，在开始时期和结束时期（六五、七五、十二、十三时期）处于第二。中部地区的粮食生产环境效率在六五及九五较高，中间时期粮食生产环境效率较低，在十二五和十三五提高速度加快，逐渐与东部拉开距离，至十三五期间高出东部地区0.126。

图3 东部、中部、西部5年规划粮食生产环境效率

（2）省市区粮食生产环境效率的空间演化。用自然断点法分别将不同时期各个省市区的粮食生产环境效率分成5个等级（高、较高、一般、较低、低）。

高等级粮食生产环境效率的省市区分布呈现从南方向北方迁移的演化特征。在六五期间，广东、江西、浙江、江苏处于高等级粮食生产环境效率行列。七五至十二五期间，江西从高等级退出并降到较高等级，新成立的海南省进入低等级，广东和浙江先后退出高等级行列，黑龙江、吉林、江苏在高等级和较高等级之间徘徊，重庆进入过一次高等级，但随后退出，上海始终位于高等级行列。十三五期间只有黑龙江、吉林、江苏、上海为高等级，广东、浙江、江西则处于中等或较低等级行列。粮食生产环境效率空间分布由原来的南高北低，演化为北高南低。

低等级粮食生产环境效率的省市区分布的演化过程相对平稳，陕西、甘肃、云南、宁夏、海南处于低等级，新疆、河南、河北、山西、青海、天津等在低等级和较低等级徘徊。

较低等级粮食生产环境效率的省市区分布在粮食生产环境效率低等级省市区附近，和低等级粮食生产环境效率有较明显的聚集特征（福建除外）。较高等级粮食生产环境效率的省市区分布经历东部向中西部，又回到东部的演进过程。

（二）粮食生产环境效率影响因素分析

1.模型选择

在分析粮食生产环境效率影响因素时，将中国大陆30个省市区作为研究对象②重庆为1997年成立直辖市，分析时间是1987～2018年，较成立时间早10年，在分析环境效率时未将重庆纳入。。

进行固定效应面板回归，在假设个体效应不显著时得到F(29,912)=56.79，Prob＞F=0.000，假设个体虚拟变量进行混合回归，得到30个个体系数联合检验显著，由此可得固定效应面板回归优于混合回归。进行随机效应和混合回归比较，chibar2(01)=3448.11，Prob＞chibar2=0.0000，得到随机效应优于混合回归。比较固定效应和随机效应，用xtoverid检验，得到Sargan-Hansen statistic为65.382，固定效应优于随机效应。至此，可得固定面板模型适用于样本数据。

在截面相关性检验中，Frees' test 值为2.954，Pesaran's test 值为6.529，Friedman's test 值为96.284，对应的P值显著，说明样本具有截面相关性。用xttest1 进行Serial Correlation 自相关检验中，ALM(lambda=0)=83.42，对应的P值显著，表示样本存在一阶自相关。用xttest3 进行异方差检验，得到chi2(30)=8162.31，P值显著，表明样本存在异方差。系列检验表明，样本数据存在自相关、截面相关和异方差。

综合上述研究，分析影响因素时应考虑相关性和异方差，选择xtscc（模型3），xtpsce（模型4），xtgls（模型5）模型回归分析，根据AIC和BIC准则，可知模型5优于其他模型。

2.影响因素分析

根据式（4），得到粮食生产环境超效率，和原来粮食生产环境效率小于1的数据合并作为因变量，各影响因素为自变量，回归分析得表4。

表4 粮食生产环境效率影响因素回归分析结果

经济结构有显著正向影响，表明结构的调整加大了农业生产对环境的影响，粮食生产为粗放模式，粮食产量的增加意味着粮食生产对环境污染加大。这与田红宇等（2018）、杜江等（2016）等的研究结论相近。经济发展水平有显著正向作用。经济发展对环境效率的影响有两种相反作用，在经济发展初期降低环境效率，而在后期对提升环境效率有利。这表明我国的经济发展降低非期望产出。这和张海鑫等（2012）、林楠等（2019）等的结论一致。城乡收入分配有显著正向影响，城乡收入差距有利提高环境质量，与杜江等（2016）等的分析结论一致。而Magnani（2000）认为收入分配的平等化有利于环境质量的提高。农村人均收入、城镇化率、农村劳动力转移等三个因素有显著负向作用。杜江等（2016）认为随着收入的增长，环境技术效率将降低。学者对城镇化率的作用有两种截然不同的结论，陈红等（2018）认为城镇率不能提高环境技术效率，而张海鑫等（2012）的研究结论相反，此次的研究结论与陈红等一致。劳动力转移有利于提高粮食生产环境效率。科技因素对粮食生产环境效率有显著正向作用。科技因素的正向作用表明科技在农业领域的投入不但实现增产，还改善农业生产对环境的影响。财政支持农业对粮食生产环境效率有负向但不显著作用。“财政支农的靶向始终瞄准‘增产’，一定程度上激励农户通过过度要素投入实现‘增产’”，在一定程度上刺激了化肥和农药的使用，财政支持农业细碎化导致财政支持农业的效率受到影响，导致粮食生产环境效率下降。对此，杜江等（2016）、田红宇等（2018）得到负向作用，而陈红等（2018）则得出正向影响作用。劳均粮食种植面积有显著正向影响，劳均粮食种植面积的增加，能在一定程度上实现规模经营，有利于技术采纳能力提升，形成机械化耕作、集约化施肥等，还能提升污染性要素投入的使用效率，从而减少生产环节的环境代价，进而间接提升粮食生产的环境技术效率。农村机械化水平、化肥使用量对粮食生产环境效率有显著负向作用。机械化水平与粮食生产环境效率的负向关系，说明当下机械化水平提升引起的环境代价增量大于其实现的粮食增产增量。化肥的使用增加粮食产出的同时造成环境中总氮和磷的排放增加，后者的作用大于前者。复种指数对粮食环境效率有显著正向影响。复种不仅可以提高耕地的利用效率，而且有利于提高土壤肥力和有机质含量，实现耕地的自我养护和可持续利用。对外开放、平均受教育年限和收入结构对粮食生产环境效率有显著正向作用。受教育年限长，掌握丰富的农业生产技术知识，可以促进农业生产环境效率提高。收入结构比例越高，受到农业生产效率的影响越大，越有利于激发提高生产效率的内生动力。成灾率对中国粮食生产环境效率有显著负向作用。

（三）稳健性分析

表4显示，各影响因素具有较好的稳健性。模型5与其他模型在影响方向和显著性上具有较高的一致性，除第一产业结构、经济发展水平、科技因素、平均受教育年限、灌溉面积比例外，模型5的18 个因素与其他模型具有一致性，而在显著性上模型5 有12 个因素与其他模型在5%水平上具有一致性。参考幸汉龙（2018）的研究，将研究区域限定为粮食主产区和粮食产销平衡区③辽宁、吉林、河北、内蒙古、黑龙江、山东、河南、湖南、湖北、江西、四川、江苏、安徽为粮食主产区；山西、广西、重庆、贵州、云南、西藏、山西、甘肃、青海、宁夏、新疆等为产销平衡区。，得到模型6，除农村人均收入、城镇化率、对外开放、常数项外，模型5和模型6其他因素的影响方向和显著性完全一致。

四、结论与政策建议

（一）结论

根据对粮食生产环境效率的时空演变和影响因素分析，得出以下结论：第一，以年为周期考察，中国粮食生产环境效率表现出低位水平波动的演化特征，以五年为周期分析则呈现V型演化。第二，分区域看，东部、中部、西部粮食生产环境效率均呈现U型演化特征，东部和中部的粮食生产环境效率明显高于西部。第三，除北京、吉林、海南、四川、青海省市区外，各个省市区（仅考察大陆31个省市区）粮食生产环境效率后期呈现上升趋势，各个省市区的演化形态各异，但以低位水平波动的居多；粮食生产环境效率高的省市区分布，从改革开放初期的南方迁移到十三五期间的北方，较低等级和低等级粮食生产环境效率的省市区分布具有一定聚集特征。第四，除财政支持农业、灌溉面积比例因素外，其他因素均对粮食生产环境效率产生显著影响。

（二）政策建议

第一，科学规划粮食产业区域布局。粮食生产环境高效率区域已由南方向北方迁移，规划主产粮区要考虑这一因素，北方成为我国重要产粮区，以提高整体粮食生产环境效率和粮食生产促进产量和效率叠加，确保我国粮食安全。

第二，转变农业生产方式。推广生态肥和测土施肥相结合，靶向施肥，缩减化肥使用量；科学套养套种，生态防治病虫害，减少农药使用。推广生态和绿色种植，粮食的种植要符合当地的生态环境特征，宜林则林，宜农则农，宜推广复种则进行复种。

第三，改善农业投入。一是，加强农业生产基础建设，提高农业发展的硬件设施，在推广农业机械同时，开发新能源农业机械，减少CO2排放，扩大土地流转规模，实现规模经营，加强高标准农田建设，提高农业综合生产能力。二是，优化农业财政投入结构，财政支持农业要从过去的产量导向向质量导向转变，缩小粮食生产中非期望产出，要将过去分散在各个部门的细碎化投入集中起来。三是，加大农业科技投入，科技投入的导向要有利于减少粮食生产非期望产出和投入，提高期望产出，鼓励高校、科研院所发挥特长，指导施肥和除病虫害，提高粮食产量和质量，解决农业生产中遇到的问题，鼓励科技人员多下乡进行农业科技指导，结合当地情况进行技术改造，为当地培育优质高效的产品品种。

第四，进行内涵式产业结构调整。一是，经济结构的调整应和当地的资源禀赋相匹配，充分发挥资源优势，结合各地实际情况因地制宜发展第一产业，系统地构建农业现代化发展体系。发展农业具有优势的省市区，提高第一产业到合适的比例。二是，不仅要考虑各产业之间比例是否恰当，更要注重各构成部分的质量，在发展过程中应不断优化调整一二三产业结构，立足实际激发各产业发展活力。三是，提升三产融合水平，通过优化重组、整合集成的方式深化产业层次和产业范围，探索新兴产业融合新态势，坚持以农业发展为优先方向提高第一产业的粮食生产环境效率。

第五，加快农业与科技融合。融合原则是既要提高粮食的产量和质量，又要控制粮食生产对环境的负面影响。一是，明确发展思路，找准发展定位，拟定总体建设方案，建立第一产业与二、三产业的融合示范区，引领区域农业生产与农业环境保护转型升级。二是，鼓励经贸合作，加快农业企业精准招商引资，依靠日益强大的平台优势、物流发展水平以及消费市场规模，打造国际农产品标准化生产示范区，着力构建农业生产产业集群，通过企业带产业，推动技术升级、产业转型，激活区域农业生产内生发展动力，促进本地农业提高经营水平。

第六，建立科学收益分配机制。分配导向要促进农村劳动力流动，大部分人流向城镇，能人留在农村；吸引资本投入农村绿色生产；提高农业从业人员从农业中获得收益比例，提高农业绿色生产积极性。

第七，提高农业生产资源的流动性。积极探索国家层面的跨省、直辖市、自治区的农业生产合作机制，充分发挥国家制度的优越性，提高资源在地区间的流动效率。各级政府也应当合理制定农业发展目标和规划，立足市场需求引导资金、信息、人员、货物等流通资源的积累，降低各地农业市场准入门槛，重点帮扶生产效率低集聚地区的省份，破解当下效率与竞争能力低的难题，加快农业技术异地推广并结合地区特点因地制宜，缩短地域之间农业生产环境效率的差距，实现统筹区域协调绿色发展。