基于DEA－SBM模型的黄河三角洲现代农业生态效率评价

李首涵 ，杨 萍 ，3，李忠德 ，杨 洁

（1.山东省农业可持续发展研究所，济南 250100；2.农业部华东都市农业重点实验室，济南 250100；3.山东省农业科学院，济南 250100）

近年来，中国农业发展面临农产品价格 “天花板”封顶、生产成本“地板”抬升，土地、水等资源和生态环境“双红线”约束趋紧等新挑战。2015年8月国务院办公厅《关于加快转变农业发展方式的意见》指出，中国农业发展过程中积累了一些结构性矛盾，迫切需要转变农业发展方式。现实生活中农业发展应该转向何方，如何转变，转变效果怎样，这一系列问题都需要不断实践和探索。

从全球范围来看，农业生产生态转型起始于20世纪60年代世界环境意识觉醒。由于工业化农业大量消耗不可再生能源，严重污染土壤和水体环境，致使农产品安全受到了威胁。之后，人们开始努力寻求农业的替代方式，推动农业与资源、生态环境相匹配，追求可持续发展。农业生产目标也逐渐拓展为社会效益、经济效益、生态效益协调共存。骆世明［1］通过对有关美国、欧盟、日本、韩国等发达国家农业发展方式转变的文献梳理，认为工业化国家进入农业生态转型阶段的 “库兹涅茨曲线”拐点是人均GDP在1万～3万美元。

当前，中国农业发展已经进入转型升级的关键期。随着人均国民生产总值不断提高，农业生产过程中资源过度消耗、环境污染等所造成的经济损失逐年上升，人们逐渐认识到农业生产生态高效及可持续发展的必要性和重要性。据国家统计局的数据显示，2016年中国人均GDP达到了53 817元 （8 102美元），人均GDP按当年平均汇率计算超过1万美元的有9个省、市（天津、北京、上海、江苏、浙江、福建、内蒙古、广东、山东）。事实表明，中国农业的“库兹涅茨曲线”拐点已经来临，农业发展已经进入向高效生态转型的启动阶段。

山东省是中国现代农业向高效生态转型发展较早的地区之一，2008年3月，山东省人民政府印发《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》（［2008］46号文）；2009年11月，国务院批复印发《黄河三角洲高效生态经济区发展计划》（国函［2009］138号），黄河三角洲高效生态经济区建设上升为国家战略，该规划提出把黄河三角洲建成 “全国重要的高效生态农业基地和循环经济示范基地”的战略目标。2010年山东省农业厅发布 《黄河三角洲高效生态经济区高效生态农业发展规划（2010－2020）》，提出加快高效生态农业开发建设，努力提高生态环境修复改善能力、农业综合生产能力、农产品市场竞争能力和可持续发展能力。该规划的落地对深入实施国家战略、辐射带动东部沿海地区现代农业发展具有重要意义。

1 文献综述

1.1 研究方法的文献述评

国内外学者对于农业生产效率、生态效率问题的研究成果非常丰富。对生产效率的研究方法主要有比值法、指标体系法和数理模型（计量模型）法。

比值法较为简单，主要指将研究对象的投入产出活动用价值量来表示，用所有产出价值总和与投入要素价值总和的比值来表示农业生产效率；生态效率可以将环境影响转化为可以用货币表示的价值，采用成本收益分析法来计算。该种方法主要适用于单个项目或技术的非连续研究对象。

指标体系法主要指采用物耗、能耗、水耗、土地、劳动力以及环境影响等可以综合反映社会、经济、自然各子系统发展水平的指标来计算。其不足之处为表示产出与投入或环境和经济之间的关系时，权重选择时存在人为主观因素。

数理或计量经济模型法主要有数据包络分析法（DEA）和随机前沿分析法（SFA）。SFA是由Aigner等［2］和 Meeusen 等［3］提出的，它是利用随机前沿生产函数进行效率估计的方法。SFA的不足之处是，投入指标之间存在复杂的相关性时，评价结果出现较大误差；并且生产函数是多输入单一输出型，不能解决多产出问题。Charnes等［4］提出了DEA方法，后又改进为DEA－CCR模型，该方法被广泛运用于运筹学、管理学、数理经济学等领域的效率及生态效率研究。CCR（Charnes－Cooper－Rhodes）模型可以解决在规模报酬不变条件下多投入多产出生产活动的效率测算问题，它通过线性规划求出决策单元的生产边界，并计算相对效率值，计算结果为综合技术效率；效率值为1时，决策单元有效率，否则，表示相对于其他决策单元是无效率的。传统DEA模型都是基于径向、角度的计算模型，计算过程中没有考虑非期望产出及冗余问题，计算的生产效率存在较大偏差。Tone［5］提出一种改进后的DEA－SBM模型，将非期望产出和松弛变量问题纳入了效率评价中；SBM （Slacks－Based Measure）模型与传统的CCR模型的区别在于把松弛变量加入到目标函数里，解决了投入产出松弛性问题，同时考虑到非期望产出存在条件下的效率评价问题，可以更加真实地反映实际效率［6］。DEA方法的优点在于，需要指标少、有较高的灵敏性和可靠性、可以对无法货币化或难以确定权重的指标进行分析、无需统一指标的单位、避免了人为确定权重的主观影响、对具有共同特点的评价单元进行综合评价时无需确定函数形式，因此，其被广泛应用于生态效率的研究。

1.2 农业生态效率文献述评

1990 年，Stephan 等［7］提出生态效率概念，随后生态效率成为衡量可持续发展的重要分析工具。欧洲环境署认为生态效率是指在减少资源投入的情况下提高产出水平的能力。巴斯集团认为生态效率是产品生产过程中尽可能减少能源和物质使用，同时尽量减少污染物排放。生态效率在可持续发展的评价与量化分析中起到重要作用，生态效率的测算方法有经济／环境比值法、生产率模型法；在应用层面，国外侧重于微观的企业及其产品系统的生态效率分析，并开始将生态效率同产品的生态设计、关键问题辨识、系统开发等融合起来；对于区域等宏观大尺度的研究处于尝试阶段。国内在企业层面的研究甚少，研究重心主要集中在行业、生态园区、城市及区域等宏观大尺度的生态效率评价，并且多侧重于污染物分析［8］。

黄祖辉等［9］从农业经济效益和生态效益的视角来建立现代农业评价指标体系。李静等［10］将CO2、SO2、NOx等非期望产出作为产出指标，基于SBM模型评价了中国各个省份的环境效率，结果显示，环境污染降低了中国平均技术效率约10个百分点，经济效率和环境效率具有非一致性。潘丹等［11］将农业面源污染作为非期望产出，采用DEA－SBM模型对中国30个省份的农业生态效率进行测算，结果表明，1998—2009年中国农业生态效率虽然呈现缓慢上升态势，但整体仍处于较低水平，多数省、市需要改变投入产出来优化农业生态效率；并判断资源过度消耗和环境污染物过量排放是农业生态效率损失的主要原因。陈新华等［12］采用三阶段DEA模型对广东省农业生产效率进行了计算和分析，计算模型将农业碳汇效应、农业面源污染等指标纳入到农业生产效率的分析中。庞家幸［13］利用2003—2013年的面板数据，采用非期望产出的DEA－SBM模型，对中国农业生态效率展开研究，认为生态效率是经济效率与环境效率的综合体，是在投入产出过程中，期望产品产出最大化，非期望产品产出最小化。宫天洋［14］基于黄河三角洲地区的农业基础条件、发展环境、生态条件相对脆弱等，对黄河三角洲高效生态经济区现代农业发展研究认为，不能走传统的“高消耗、高产出”农业现代化发展道路，应该在提高资源利用效率、改善生态环境的基础上，实现区域农业的可持续发展，建设全国重要的高效生态农业示范区。赵丽萍等［15］构建了黄河三角洲高效生态农业发展水平的综合效率（包括生态效率）评价指标体系，对农业生产生态效率进行计算，并以滨州市五县二区为评价单元展开实证分析，结果显示，该区域农业经济效益较好，农业社会效益和生态效益发展滞后。

说话时他们坐在罗衫的单身公寓里吃面，罗衫闻到此言，猛抬起头，表情惊异。一根面条抻得很长，挂在她的嘴角，不停地荡来荡去。

通过对前人相关研究成果的梳理可以看出，有关生产效率的研究内容极为丰富，但对生态效率的研究较少。多数研究对农业投入产出指标选择时忽略了生产过程中对于资源环境破坏所造成的影响，并且对投入产出效率影响因素的分析不太全面，对导致效率较低的原因未能展开分析。随着社会经济的不断发展，资源节约、环境友好“两型农业”和可持续发展理念逐渐被社会接受和践行，因此，对农业生产效率的评价应该考虑到生态环境因素，在农业投入产出效率评价指标的选取时，应当综合考虑资源节约、环境保护和经济增长三者统筹协调发展的情况。

2 研究对象及理论模型

2.1 研究对象的选取

黄河三角洲高效生态经济区位于山东省北部，地处黄河历史冲积平原和环渤海地区，海岸线长750 km，大陆纵深160 km，包括东营、滨州两市全部，潍坊的寒亭区、寿光市、昌邑市，德州的乐陵市、庆云县，烟台的莱州市、淄博的高青县，共涉及6市19 县（市、区）292 个乡镇，土地面积共计 2.65 万km2，约为山东省总面积的1／6。该地区较早提出“按照高效、生态、创新的原则，大力发展现代农业和节水农业，建设全国重要的高效生态农业示范区”。但由于地质、土壤等自然条件和资源利用效率等生产水平的限制，该区域的农业产业发展受到一定制约。如何提高资源利用效率，实现农业产业转型升级和优化发展，成为发展黄河三角洲高效生态农业的关键。滨州市是黄河三角洲高效生态经济区开发建设的主战场，因此，本研究选取滨州市作为实证分析的对象。

2.2 理论模型的构建

农业生态效率是指农业生产过程中以最小化资源消耗和最少的污染物产出获得最大化期望产出。传统农业生产评估主要侧重于农业产量及经济效益，通常忽略农业生产对生态环境造成的影响。农业生态效率评价将农业生产过程中的资源投入、产出和对环境的影响三者结合起来评估农业生产的综合效率。在借鉴前人研究成果的基础上，本研究将现代农业生态效率的评价理论模型设定如下。

假设评价系统有n个决策单元，每个决策单元都由m个投入变量X∈Rm，p个期望产出变量Yg∈Rp和 q 个非期望产出变量 Yb∈Rq， 并且 X=［x1，x2，……ynb］∈Rq×n，其中 X＞0，Yg＞0，Yb＞0，系统生产可能集为：

式中，s为投入产出的松弛变量；λ为权重向量；目标函数ρ为生态效率值，其关于s-，sg，sb严格递减，并且ρ∈［0，1］；对于特定的评价单元，当且仅当ρ=1，即s-=sg=sb=0时表示决策单元完全有效率；ρ＜1表示决策单元存在效率损失，可以通过优化投入产出关系来提高效率。

SBM模型可以计算各个决策单元的生态效率值，同时还可以根据某一特定单元与最优决策单元相比较的期望产出不足率和投入、非期望产出冗余率，提出各决策单元生态效率相应的改善方向。当生产单元存在效率损失时，基于松弛变量s-，sg，sb，可以将生态效率损失的来源分解为：投入冗余IR（IR=，表示投入要素的可伸缩比例；期望产出表示期望产出可增长的比例；非期望产出冗余表示非期望产出可缩减的比例［16］。

3 现代农业生态效率的实证分析

3.1 计量模型与数据

3.1.1 计量模型 由于农业生态效率综合反映了资源节约、环境保护和农业经济增长三者统筹协调发展的情况，本研究基于农业生态效率的概念和黄河三角洲高效生态经济区现代农业发展的实际情况，并参照前人的研究成果，选取DEA－SBM模型作为现代农业生态效率评价计量模型。选取土地、劳动力、化肥、农药、机械、水资源等作为农业生产投入要素指标；农业生产活动所产生的环境影响主要是农业面源污染等，将其作为非期望产出处理；农业经济增长用农林牧渔及农林牧渔服务业总产值表示。变量指标及说明见表1。

表1 黄河三角洲高效生态经济区现代农业生态效率投入产出指标

3.1.2 数据来源 农作物播面、水果和林业面积、水产养殖面积等土地数据、农林牧渔及农林牧渔服务业从业人员、农机总动力、有效灌溉面积、化肥和农药施用量数据均来自于 《滨州市统计年鉴》（2009—2016年）。

化肥和农药对农业生产造成的污染损失，采用间接指标化肥、农药无效投入量表示，通过公式 ①化肥污染量=化肥用量×（1－化肥有效利用率）和②农药污染量=农药用量×（1－农药有效利用率）计算得出。

有效利用率是获取化肥、农药无效投入量的关键，总结前人的研究成果（表2），结合滨州市当地实际情况，化肥有效利用率取值为0.31，农药有效利用率取值为 0.35。

表2 中国农药化肥有效利用率研究结果

3.2 结果与分析

利用DEA－SOLVER－PRO软件，分别采用CCR和SBM模型计算黄河三角洲高效生态经济区滨州市农业技术效率和农业生态效率。

在规模报酬不变的假设前提下，通过将投入、产出带入DEA－CCR和DEA－SBM模型，可以得到黄河三角洲高效生态经济区的农业技术效率和农业生态效率的相对效率值。

3.2.1 农业生态效率

1）农业生态效率的时间分布。通过DEASOLVER－PRO软件计算得出滨州市各县（区）不同时段的农业技术效率和农业生态效率，然后在各年度取平均值得到黄河三角洲高效生态经济区滨州市不同年份的农业技术效率和农业生态效率 （图1）。由图1可知，滨州市现代农业生态效率均低于现代农业技术效率，表明以化肥、农药过量施用为代表的农业环境污染对现代农业发展产生了明显的负面影响。同时，随着社会经济的不断发展及农业生产资源不断优化配置，无论以技术效率来衡量还是生态效率来衡量，现代农业发展生产效率不断提高。2012年后，生态效率与技术效率之间的差距加快缩小，表明2010年山东省“黄河三角洲高效生态经济区高效生态农业发展规划（2010－2020）”实施以来，黄河三角洲高效生态经济区现代农业发展向高效生态农业方向迈出了实质性的步伐，现代农业生态效率不断提高。

图1 2008-2015年滨州市现代农业生态效率变动趋势

2）农业生态效率的空间分布。通过DEASOLVER－PRO软件计算得出滨州市各区县不同时段的农业技术效率和农业生态效率。针对不同县（区）历年数据取平均值得到黄河三角洲高效生态经济区滨州市不同县（区）的农业技术效率和农业生态效率（图2）。由图2可知，滨州市各县（区）农业生态效率值均低于农业技术效率值，考虑环境污染等生态因素，滨州市各县（区）现代农业技术效率会降低，说明化肥、农药过量施用所带来的环境污染对现代农业综合技术效率产生负向作用。无论是按技术效率还是生态效率排序，五县二区农业生产效率由高到低的顺序为：沾化区、无棣县、滨城区、邹平县、惠民县、阳信县、博兴县；受化肥、农药所造成的环境污染影响由大到小的排序为：滨城区、博兴县、惠民县、阳信县、无棣县、邹平县、沾化区。

图2 滨州市五县二区农业生态效率均值

3.2.2 农业生态效率损失的原因分析 根据SBMDEA理论可知，当现代农业生态效率值＜1时，松弛变量s－，sg，sb的大小可以反映现代农业生态效率损失的原因［24］。本研究将2013—2015年滨州市各地区农业生产投入变量松弛量s－除以对应的投入指标值得到投入冗余率，将面源污染松弛量sb除以相应的农业面源污染值得到农业面源污染冗余率，将农业产值松弛量sg除以相应的农业产出值得到农业产出扩张率（表3）。

表3 黄河三角洲高效生态经济区现代农业生态效率投入和产出的优化结果

由表3可知，对应于当前农业产值，农业生态效率最差的博兴县生态效率损失的主要原因是农业机械、化肥投入过量，农药、劳动力、土地、水资源等投入均超出理想值；农业生态效率倒数第二的阳信县生态效率损失的原因也是投入要素过量，程度由大到小依次为化肥、农业机械、农药、土地、劳动力、水资源；农业生态效率倒数第三的惠民县生态效率损失的原因也是投入要素过量，程度由大到小依次为化肥、农业机械、土地、劳动力、农药、水资源；滨城区农业生态效率虽然相对高于博兴、阳信和惠民，但其受环境污染影响较大，生态效率损失的主要原因依次为劳动力、农药、化肥、土地、水资源投入过量。

4 结论与建议

4.1 结论

通过对黄河三角洲高效生态经济区主要区域之一滨州市农业技术效率和农业生态效率的计算与分析，可以得到如下结论。

1）整体来看，2008年以来，黄河三角洲高效生态经济区的现代农业生态效率不断提高。

2）从区域结构来看，不同县（区）现代农业生态效率存在较大差异，生态效率最低的博兴县生态效率值仅为 0.44，与生态效率最高的沾化区（0.84）相差 0.40。

3）黄河三角洲高效生态经济区现代农业生态效率损失的主要原因是化肥、农药过量投入带来环境污染，治理污染的投入或污染对最终产值的负向作用造成现代农业生态效率损失；同时，传统农业机械、劳动力、土地、水资源的粗放管理和过量使用也是造成生态效率损失不容忽视的原因。

4.2 政策建议

高效生态农业建设的关键在于对资源消耗和面源污染等方面的调控，基于实证结果，对提高黄河三角洲高效生态经济区现代农业生态效率提出以下建议。

1）政府应鼓励和引导新型经营主体、农业生产服务性组织等创新经营方式和规模化发展，优化投入要素的搭配结构、提高投入要素的使用效率。

2）加大对农业高新技术研发及农业高新技术成果转化的投入力度，支持和引导科研院所及相关农业企业开展对化肥、农药减量使用技术、生物防治、有机肥利用等技术及产品的开发和推广，提高化肥、农药等化学要素的有效利用率，以保证农产品质量和产量。