王建鹏, 尹 士, 马立军, 甘天琦, 徐 磊,4

(1.河北农业大学 国土资源学院, 河北 保定 071001; 2.河北农业大学 经济管理学院, 河北 保定 071000; 3.中南民族大学 经济学院, 武汉 430074；

4.河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000)

1992年生态效率被德国学家Schaltegger和Sturn提出后，受国内外众多不同领域学者的青睐，被用于不同的领域[3-4]。国内外的研究主要集中在产品[5]、行业[6]、城市[7-8]及区域等[9]方面，而对农业生态效率，特别是耕地生态效率的研究相对较少。这与农业相较于其他产业更易受到轻视有关。随着对农业的重视和可持续发展的必然要求，国内逐渐开展对耕地生态效率的研究，并取得显著的成果。从研究内容的视角上，研究主要集中于生态效率的测度[10-12]、时空特征[13-15]、影响因素[16-18]、收敛性等[19-21]方面。除此之外，还有学者对以低碳视角来分析耕地生态效率的研究，如刘丽钦[22]将碳排放和碳汇纳入耕地生态效率中进行测度等。从研究单元尺度视角上，耕地生态效率的研究可分为宏观、中观和微观，并有逐步向微观研究方向发展的趋势[16]。宏观上，即以省为研究单元，如潘丹等[23]对全国各省的农业生态效率进行测度和分析；
中观上，即以市为研究单元的研究，如张红梅等[4]采 用DEA模型和协调发展模型分析黑龙江省各市耕地生态效率；
微观尺度上，即以县镇为研究单元，如王玲[24]对西吉县各乡镇的耕地生态效率进行分析。从研究的方法上，关于耕地生态效率的测度有DEA模型[4]、SBM模型[23]、超效率SBM模型[15]、混合方向性距离函数模型等[25]方法进行测度。

综上所述，已有耕地生态效率的研究成果较为丰富，为本文的选题与写作提供了坚实的理论基础和参考。对于耕地生态效率的研究有以下特征：从研究单元尺度上，大多从中宏观角度考虑，以县为研究单元研究耕地生态效率的研究还比较鲜见；
从研究方法上，应用SBM模型测度耕地生态效率已经比较成熟，但考虑生态效果，即低碳减排将CO2作为非期望产出，并同时考虑社会经济效益将农业产值和粮食产量作为期望产出的研究相对较薄弱；
从研究内容上，相关研究大多分析耕地生态效率时空特征和影响因素，针对耕地生态效率收敛性的研究还较为欠缺，而分析耕地生态效率收敛水平有助于分析不同区域间耕地生态效率是否存在差异，并剖析该区域差异是否会随时间而消失。区域内及区域之间耕地生态效率差异扩大，不仅加剧耕地生态效率较低地区的资源浪费和环境负外部效应，而且不利于农业生产的协调发展，甚至阻碍地区乡村农业发展的步伐。基于此，本文运用MATLAB软件，采用基于规模报酬可变的非径向SBM模型，对2000—2017年河北省137个县级单元耕地生态效率在考虑经济效应、社会效应、生态效应下进行测算，并结合GIS空间分析技术，从中宏观尺度(省域和各市，其中省域和各市的数据均为其范围内的各县平均值)和微观尺度(县级单元)出发，分析河北省耕地生态效率的时空特征，并通过收敛性分析，探究河北省全省的耕地生态效率的收敛情况，以期寻求河北省县域耕地生态效率提升的内在机制和演变规律、缩小地区及区域间耕地生态效率的差距，为促进河北省农业向低排放、低消耗、高产出的方向发展提供决策依据。

1.1 研究区概况

河北省位于36°03′—42°40′N，113°27′—119°50′E，其下设11个地级市，共有49个市区、21个县级市、91个县。东邻北京、天津，是京津冀地区重要组成部分，北与辽宁省和内蒙古自治区接壤，西与山西省交界，南紧邻河南省和山东省。河北省属于大陆性季风气候，辖内地形多样，有平原、高原、山地和丘陵，是华北地区产粮大省[26]。市区耕地较少，而县域耕地更具研究价值。因此，本文将137个县域(包括县，县级市以及一些近几年才划入市区的市区)作为研究区。

1.2 数据来源

本文利用河北省县域单元的面板数据，主要来源于2001—2018年《河北农村统计年鉴》《中国县(市)社会经济统计年鉴》，部分缺失数据采用插值法或相邻两年均值来替代。此外，为了剔除价值变动的影响，农业产值全部换算成基期为2000年的可比数据。

2.1 指标体系构建

耕地生态效率的研究旨在尽可能降低资源投入，不断提高期望产出水平，同时降低非期望产出。本文评价耕地生态效率的投入指标参考刘海龙等[16]研究成果，分别取土地、劳动、机械、化肥、农膜作为资源投入。考虑社会和经济上的影响，期望产出指标选择粮食产量和农业产值。农业生产的粮食产量关乎社会的稳定，农业产值则关乎从事农业生产人员的收入水平。考虑生态影响，非期望产出指标选取农业碳排放。参考已有文献[16,27-28]，结合数据可获性及口径一致性的原则，构建河北省耕地生态效率测度指标体系，见表1。

表1 耕地生态效率测度指标

2.2 非期望产出SBM模型

DEA作为研究组织效率的模型已被广泛运用，并延伸到各个领域。其采用帕累托最优原理，追求一种效率境界，即只有增加投入或减少其他项产出，产出项的产量才能增加或是只有减少产出量或者增加其他投入项的量，投入项才能减少[29]。DEA测算效率也有其弊端，国内外学者不断修正和完善，如麦氏DEA、SBM、超效率SBM，也早已将其用于农业生态效率的测算，并取得众多学术成果[2-3,29-30]。

本文采用非期望SBM模型，其是Tone[31]在前人的基础上提出的一种可以处理非期望产出的并考虑松弛性的模型，公式为：

(1)

(2)

式中:p为耕地生态效率值；
m，a，b分别为投入、期望产出、非期望产出个数；
x，yg，yb分别为投入、期望产出以及非期望产出值；
λ为投入产出权重；
s-，sg，sb分别为投入、期望产出、非期望产出的松弛变量。从严格意义来说，函数p关于s-，sg，sb单调递减，且0≤p≤1，当且仅当p=1时决策单元效率相对有效。

2.3 空间自相关模型

耕地生态效率可能受到空间关系的影响。为了探究效率的空间关系，本文运用全局空间自相关模型分析其空间集聚特征，其公式为：

(3)

3.1 基于SBM模型的耕地生态效率分析

3.1.1 河北省省域及市域耕地生态效率分析

(1) 河北省省域耕地生态效率分析。如图1所示，2000—2017年河北省耕地生态效率整体呈现震荡起伏的过程，其趋势为波动下降再波动上升。这说明18 a来河北省耕地生态效率整体上有所提升，但考虑到历年均未达到0.8，说明河北省耕地生态效率还具有很大的提升空间。大体呈现先下降后上升的原因可能是随着经济的发展，各种农药化肥等的投入使耕地生态效率降低，但又随着环保意识和认知的提升等因素致使耕地生态效率有所提升。

图1 2000-2017年河北省耕地生态效率变动趋势

(2) 河北省市域耕地生态效率分析。考虑到数据可比性和可视化，运用ArcGIS 10.6软件中的自定义分类法，分别对2000年、18 a年均和2017年各市耕地生态效率数据分为5类，分类区间分别(0.5,0.6]，(0.6,0.7]，(0.7,0.8]，(0.8,0.9]，(0.9,1.0]，为了便于描述，对应的区间分别赋予差、较差、良、较优、优5种描述方式，其结果见图2。根据4幅图以及数据得出以下两点结论。

图2 河北省各市耕地生态效率时空演变

① 2000—2017年各市耕地生态效率差距在缩短，整体上有所提升。2000年唐山市耕地生态效率整体处于优的状态，廊坊市、沧州市、秦皇岛市3市耕地生态效率处于差的状态；
由年均数据可知，唐山市耕地生态效率的状态由优到较优的转变，而廊坊市则从差到较差发展；
从2017年数据可知，处于较差状态的沧州市和秦皇岛市也已提升到更高的状态，各市耕地生态效率为0.6～0.9。

② 耕地生态效率在空间上具有差异性，体现在以下两个方面：一方面具有区域差异，即河北中部3市(保定市、廊坊市、沧州市)的耕地生态效率明显比北部4市(张家口市、承德市、唐山市、秦皇岛市)以及南部4市(石家庄市、邢台市、邯郸市、衡水市)的差，但差距在缩小，中部3市耕地生态效率提升较快。2000年北部4市、中部3市和南部4市耕地生态效率处于较优及以上的状态分别占50%，33.3%，50%，处于较差及以下的状态分别占25%，66.6%，0%；
从年均可知，北部4市、中部3市和南部4市耕地生态效率处于较优及以上的状态分别占50%，0%，0%，处于较差及以下的状态分别占25%，66.7%，50%；
2017年仅有北部秦皇岛市耕地生态效率处于较差状态，其他各地耕地生态效率则均处于一般或较优的状态。

另一方面具有市间差异，即各市间耕地生态效率发展差异较大，主要体现在各市级单元的耕地生态效率增幅随时间变化呈现不同特征。对于耕地生态效率较好的市，其增幅相对较慢并呈现逐年下降的趋势；
而对于耕地生态效率较差的市，其增幅相对较快。2000—2017年唐山、石家庄、保定等市的耕地生态效率相对较好，但随着时间的推移耕地生态效率反而出现缓慢下降的趋势。对于唐山和石家庄而言，其原因可能与两个城市的经济水平和发展有着密切的关系(两市的GDP常年处于全省第一和第二的水平)。其经济发展水平较高，农业消费市场庞大和消费能力较强，使得更多的资源和资本流入到农业中，投入到耕地上，故其耕地生态效率长期处于较好状态。但是经济发展，使得农民不满农业的低收入，为提高产量而加大对化肥、农药、机械等资源的消耗使得耕地生态效率有所缓慢下降。对于保定和邢台而言，其原因更多与区位有关。保定紧邻北京，农业生产要受到北京农业技术和农业消费市场的影响，北京先进农业技术以及庞大的农业消费市场，使得保定的耕地生态效率处于较高水平，但张家口和廊坊等地农产品正不断蚕食保定农产品在北京的消费市场份额，使得保定农业产出更多依赖产量的提升，而产量的提升则更多依赖石油等资源的消耗，故耕地生态效率有缓慢下降趋势。而其他城市，尤其是起初耕地生态效率较差地区，如廊坊市和沧州市耕地生态效率的增幅较为明显。这可能与其区位有关，廊坊市紧邻北京、天津，沧州紧邻天津并处于沿海地带，更易使资本和资源以及先进技术和理念等优势条件流入农业生产中，使得其提高耕种水平，形成低碳发展和农业人口转型，促进优化投入产出配置，从而耕地生态效率提升较快。

3.1.2 河北省县域耕地生态效率分析 为了便于直观分析，本文利用ArcGIS软件的自定义法和自然间断点法，对2000年、18 a年均、2017年耕地生态效率和年均增幅数据结合遥感数据进行处理，制作可以反映河北省各县耕地生态效率的地图，见图3。

图3 河北省各县耕地生态效率时空演变

就分析结果而言，除少数县的耕地生态效率处于有效状态，绝大多数县的耕地生态效率均处于无效状态，有待进一步改善。容城县、栾城区等15个县级单元无论是2000年或是2017年，还是年均耕地生态效率均为1，即处于有效状态。这表明这些县级单元的耕地生态效率在河北省长期处于相对最前沿的位置。当然，其数量仅占总研究单元的10.9%，也就是说绝大多数县级单元处于无效，甚至是低效状态。有些县级单元耕地生态效率虽然从年均上看处于无效状态，但其值接近于1，如孟村回族自治县、内丘县等13个单元。这些地区的耕地生态效率仅有个别年份处于无效，大部分处于有效，即投入产出配置与产出效果处于河北省同县域单元的前沿水平。但是还有占总研究单元的79.6%，即109个县级单元，其耕地生态效率在绝大多数年份都处于无效状态，甚至低效率水平，并且有占15.3%，即21个县级单元耕地生态效率长期低于0.5。这进一步说明河北省各县的耕地生态效率有很大的改善空间。

各县耕地生态效率的时间演变分析。整体上各县生态效率水平有所提升，特别是耕地生态效率较差的县级单元的提升显著，但各县的耕地生态效率依然大多处于无效状态，有待提升。其中，2000年、18 a年均、2017年耕地生态效率最低的县，其值分别为0.319，0.266，0.357，且2000年排倒数第一的县，即抚宁区年均水平和2017年水平分别已排到134名和118名，抚宁区耕地生态效率的提升主要得益于抚宁区粮食单产的提高，2000年其粮食单产为2.16 t/hm2，到了2017年粮食单产为3.09 t/hm2，造成2000年抚宁区耕地生态效率无效的原因是很多投入和产出指标的冗余或产出不足，其中粮食产出不足是造成耕地生态效率低下的最大的制约因素，经过18 a的发展，可能受当地培育种植耐碱粮食品种、土地平整等积极因素影响，期望产出中的粮食产量已达到有效水平，因此抚宁区耕地生态效率有所提升；
2000年、18 a年均、2017年排倒数前10的县耕地生态效率值平均水平为0.374，0.353，0.388，导致其耕地生态效率先下降后上升的原因是最初这些地区投入的农药和农膜的过量使用造成冗余增加，期望产出的粮食产量增幅效果不大，产出不足率较高。随着时间的发展，粮食产量的大幅提升，大大降低粮食产量的产出不足率，因此耕地生态效率得以提升。无论是抚宁县还是耕地生态效率最低的10个县都受制于其他投入和非期望产出冗余或是期望产出不足，尤其是农药冗余和农膜冗余较大，使得耕地生态效率依旧较低，有待改善。

(2) 各县耕地生态效率的空间演变分析。首先对2000—2017年各县耕地生态效率利用莫兰指数，进行全局空间自相关分析，其结果见表2。可知，2000—2007年全局Moran′sI均通过5%的显著性检验，并且其值为正，说明耕地生态效率在该阶段存在显著的正向空间自相关性，即在空间上的集聚分布。但是在2008—2017年全局Moran′sI未通过显著性检验，其值也较小，说明该阶段耕地生态效率空间上的集聚在全局上并不明显。

表2 2000-2017年河北省耕地生态效率全局Moran′s I指数

各县耕地生态效率虽然在全局上的集聚效果不佳，但在局部明显存在集聚效应。由图3可知，2000年河北省各县耕地生态效率极高值集中在唐山、张家口、石家庄、保定以及邢台地区的县域，极低值集中在廊坊南部、保定东部、沧州、秦皇岛沿海地区；
河北省年均耕地生态效率极高值和极低值减少明显，极高值集聚在唐山—秦皇岛—承德交界地区以及张家口南部和东部、石家庄东南部地区，极低值分布在秦皇岛、沧州、衡水地区；
2017年河北省耕地生态效率极高值集中分布在张家口、石家庄—邢台—衡水交界地区以及在唐山—秦皇岛—承德交界地区，极低值较少，主要分布在承德西北地区以及衡水—邢台交界地区；
大部分地区年均变化幅度不大，石家庄部分地区(如平山县、正定县等县域单元)有小幅下降，唐山部分地区(如滦州市、丰南区等县级单元)有大幅下降，廊坊大部分地区(如广阳区、固安区等)和沧州沿海地区(如青县、东光县等县级单元)的耕地生态效率有小幅甚至大幅改善。对比2000年数据、18 a年均数据、2017年数据以及年均增幅数据，各县耕地生态效率略有提升，体现在耕地生态效率集低值区域大幅减少，廊坊的广阳区和安次区尤为突出，从2000年的极低值提升到2017年的极高值，这可能与其临近京津地带，农业生产资源投入和先进技术以及节约低耗理念等积极因素更易流入该县级单元，使其耕地生态效率得到大幅提升，而沧州沿海地区相对内陆地区更易接触到更多的资源和资金，加上其农业受盐渍化等的消极影响，该地区对农业更加重视，故该地区各县耕地生态效率有所提升。对于秦皇岛的若干县域单元的耕地生态效率长期处于低值，其原因可能是将发展中心放在经济效益较高的其他行业，从而忽视相对弱势的农业的发展，再加上经济的快速发展也一定程度上加剧了农业碳排放，导致其耕地生态效率长期处于低水平的无效状态。

3.2 耕地生态效率的收敛性分析

耕地生态效率的收敛性分析可以更清楚地了解随时间变化，地区间是否还存在耕地生态效率差距，是否生态效率较差地区的增速比较好地区更快，从而最终都达到相同的水平。或者反过来说检验是否存在效率上的“马太效应”，即耕地生态效率较好地区是否会与耕地生态效率差的地区差距逐渐扩大。常用的收敛分析有σ收敛和β收敛，而β收敛又分为绝对β收敛和条件β收敛。为了解河北省内部耕地生态效率收敛情况，本文根据地理纬度与耕地生态效率时空演变特征将河北省分为北部(即张家口市、承德市、唐山市、秦皇岛市的县级单元)、中部(即保定市、廊坊市、沧州市的县级单元)、南部(即石家庄市、邢台市、邯郸市、衡水市的县级单元)，采用σ收敛和绝对β收敛来检验河北省各县、北部各县、中部各县以及南部各县的耕地生态效率的收敛性。

3.2.1 耕地生态效率σ收敛分析 耕地生态效率σ收敛是分析不同地区间的耕地生态效率差异变化的水平趋势，通常用标准差和变异系数来验证[32]，其公式为：

(4)

(5)

根据河北省各县耕地生态效率计算出标准差和变异系数，分析河北省和3个区域县域耕地生态效率的σ收敛情况。

从全省视角分析(图4)，可知河北省县域耕地生态效率的标准差和变异系数在2000—2017年同步呈现波动起伏的趋势，但整体呈现下降的趋势，说明河北省县域耕地生态效率整体上σ收敛，但这种收敛性并不稳定，具有“总体收敛，局部发散”的特点。

图4 河北省县域耕地生态效率σ收敛结果

从北部、中部、南部3个区域分析，由于全省和3个区域的标准差和变异系数的变化趋势十分相近，本文仅展示变异系数，见图5。可以发现北部、中部和南部同河北省收敛变化趋势大致相似，其中北部和中部整体上具有同全省相同特点的不稳定的σ收敛，但相比较而言，北部稳定性最好，中部稳定性最差，但中部的σ收敛效果最好。这是因为中部地区的廊坊和沧州大部分县在2000年耕地生态效率较低，到2017年耕地生态效率提升较快，耕地生态效率年增速分别达到了1.37%，1.10%，而保定大部分县耕地生态效率在2000年处于较好状态，但2017年有所下降，年均增幅为-0.4%，因此σ收敛效果较好一些。而南部整体上有微弱的上升，但局部有下降趋势，这表明南部不存在σ收敛，具有“总体发散，局部收敛”的特点。

图5 河北省及其北中南部县域耕地生态效率σ收敛结果

3.2.2 耕地生态效率绝对β收敛分析 耕地生态效率绝对β收敛是检验是否存在耕地生态效率暂时落后地区追赶暂时领先地区的趋势，最终都达到一个共同稳定值的现象[33]，其公式为：

(6)

式中：Ii,t，Ii,t+T分别为各地区在t期、t+T期的耕地生态效率；
T为时间跨度；
α为常数项；
β为收敛系数；
εi，t为随机扰动项。若β为负值且显著，说明存在绝对β收敛。

根据表3显示可知，β系数小于0，且结果具有显著性，河北省县域耕地生态效率存在绝对β收敛，即各县级单元之间存在随时间推移，耕地生态效率较差的地区在追赶较好地区，各地区间差距在逐渐缩小。但是北部、中部以及南部都不存在绝对β收敛，说明在北部、中部、南部地区各县耕地生态效率差异不会消失，这与全省收敛情况有一定出入，综合考虑说明在全省范围内存在绝对β收敛，但并不存在于北部、中部、南部区域内，而存在于3个区域间，即随着时间的推移，河北省北部、中部、南部内的各县的耕地生态效率之间差距会拉大，但3个区域间各县的耕地生态效率之间的差距会缩小。

表3 河北省及其北中南部县域耕地生态效率绝对β收敛结果

4.1 结 论

(1) 从省、市角度来看，河北省总体耕地生态效率在18 a内波动起伏，大致呈现先下降后上升的趋势，整体水平有待提高，各市耕地生态效率存在差距缩小和水平提升的时间特征以及区域差异和市间差异的空间特征。在区域差异上，河北中部3市的耕地生态效率明显比北部4市以及南部4市的差，但差距在缩小，中部3市耕地生态效率提升较快。在城市之间差异上，各市之间耕地生态效率发展差异较大，主要体现在各市级单元的耕地生态效率增幅随时间变化呈现不同特征，此外，各市耕地生态效率增幅情况不一，且耕地生态效率较好的地区增幅较慢甚至略有下降趋势，较差地区增幅较快。

(2) 从县域来看，整体上各县耕地生态效率水平有所提升，但耕地生态效率处于有效状态的县级单元较少，仅占10.9%，大多县级单元处于无效状态，而且存在一定的空间聚集效应。从时间上分析，整体上各县生态效率水平有所提升，特别是耕地生态效率较差的县级单元的提升显著；
从空间上看，通过全局空间自相关分析，河北省各县耕地生态效率在2000—2007年有明显时空分布特征，即存在正向自相关，在2008—2017年全局上空间特征并不明显，但局部仍具有空间特征，即局部空间集聚效应，体现在唐山、石家庄、张家口等地区的县级单元长期处于耕地生态效率极高值，耕地生态效率增长较快地区集中在廊坊地区以及沧州沿海地区。

(3) 从收敛性情况来看，河北省和北部、中部的县域耕地生态效率整体上均存在不稳定的σ收敛，具有“总体收敛，局部发散”的特点。而南部不存在σ收敛，具有“总体发散，局部收敛”的特点。同时河北省耕地生态效率存在绝对β收敛，但绝对β收敛体现在北部、中部、南部之间，其内部各县则不存在绝对β收敛。

4.2 建 议

(1) 从耕地生态效率的时间演变特征来看，耕地生态效率较差的地区提升较快，耕地生态效率较好地区有缓慢下降趋势。因此，经济和耕地生态效率较高的县级单元，要侧重生态保护和资源节约，以防耕地生态效率下降；
经济差但耕地生态效率好的县级单元，应在保障耕地生态效率不降低的前提下增加农业投入和产出；
经济好但耕地生态效率差的单元，要充分利用经济优势，加大对耕地的经济投入，调整资源投入结构，从而提升耕地生态效率；
经济和生态效率较差单元，要优化资源配置，发展特色农业产业，从而改善耕地生态效率水平。

(2) 从耕地生态效率的空间演变格局来看，耕地生态效率高高集聚区，如唐山、石家庄等地区的县域未来应加强先进技术和要素配置分享，将有利要素流通到周边耕地生态效率相对较差区域，以改善周边耕地生态效率；
耕地生态效率低低聚集区域，特别是沿海和临近北京、天津或石家庄的县级单元应充分发挥区位优势，向周边耕地效率较好区域学习，以提升自身耕地生态效率。

(3) 从耕地生态效率的收敛特征来看，河北省北部、中部、南部区域内部各县耕地生态效率差距扩大，不利于农业生产的协调发展，如果不加约束和管控，耕地生态效率较差地区不仅会浪费资源，带来环境污染，还会对周边地区带来较强的负外部效应。因此河北省北部、中部、南部各县应相互合作，进一步探索耕地生态效率收敛机理，缩小区域内部耕地生态效率差异，促进区域各县农业协调发展。

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