基于lca和dea法相结合的干旱区绿洲农业生态经济效率研究——以张掖市制种玉米为例-钟方雷.pdf

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1、122 生态经济第33卷第il期(2017年11月) Ecological Economy，V0133，No11 fNovember 2017)基于LCA和DEA法相结合的干旱区绿洲农业生态经济效率研究以张掖市制种玉米为例钟方雷1，2，杨肖1，郭爱君1(1兰州大学经济学院，甘肃兰州730000；2中国科学院西北生态环境资源研究院内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃兰州730000)摘要：绿洲农业是我国西北干旱区农业的精华，面临关键生产要素稀缺和生态环境脆弱的双重限制，低投入高产出的高生产效率无疑是破解双重限制的重要途径，因此十分有必要评估其生态经济效率，辨析其影响因素。在张掖市统计局投入产出调查

2、基础上增补专项调查，以制种玉米种植农户为研究对象，先利用生命周期评价方法，对制种玉米生产边界内的相关环境影响量化分析，并将干旱区主要的农业生产约束性要素水资源纳入其中，得出张掖市制种玉米环境影响归一化结果加权评估后的均值为128E一07；再将该值作为非期望产出纳入第二步的SBM超效率模型效率评价体系中，测算得出生态经济效率均值为o871 2；最后，分别采用OLS和Tobit两种方法对效率影响因素进行分析，并针对生态效率影响因素提出相关建议。关键词：干旱区农业；生态经济效率；中图分类号：F0622 文献标识码：制种玉米；LCA方法；DEA模型A 文章编号：16714407(2017)01 1-1

3、2206Study on Ecological Economy Efficiency of Oasis Agriculture in Arid Region Based on LCA andDEA Method：Taking Seed Maize Production in Zhangye City as an ExampleZHONG Fangleil一，YANG Xia01，GUO AOunl(1School of Economics，Lanzhou University,Lanzhou Gansu 730000，China；2Key Laboratory of Ecohydrology

4、of Inland River Basin，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，ChineseAcademy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China)Abstract：0asis agriculture iS the essence of arid agriculture in northwest China，facing the limitation of fragile key factorsand fragile ecological environmentThe high pro

5、duction efficiency of low input and high output is undoubtedly an importantway to break the double restrictionsThereforeit iS necessary to evaluate the ecological economy emciency,analysis ofinfluencing factorsBased on the input and output survey of Zhangye Municipal Bureau of Statistics，this paper

6、will supplementthe special investigation to prepare the seed maize farmers as the research objectFirstly,the life cycle assessment method iSused to quantitatively analyze the relevant environmental impacts in the seed maize production boundaryThe main agriculturalproduction constraint elements that

7、water resources into which the yield of seed maize in Zhangye CitY,the results of thenormalization ofthe results ofthe weighted average of 128E07then the value as the expected output into the second step oftheemciency evaluation system of SBM super-e伍ciency modelthe average ecoe伍ciency iS 087 1 2Fin

8、ally,OLS and Tobit wereused to analyze the influencing factors，and some suggesfions were put forward for the factors affecting the ecological efficiencyKey words：arid area agriculture；ecological economy efficiency；seed maize；LCA method；DEA model1引言面对农业经济发展的新常态，为更好地满足“十三五”规划转变农业发展方式，推进农业现代化要求，中国的农业发展

9、已不再局限于如何协调投入要素节约和农业经济增长的关系，还必须充分考虑自然资源的承载能力以及对农业环境的保护，实现资源节约、环境保护和经济增长的可持续发展模式。西北干旱区农业面临关键自然要素禀赋(如水资源)稀缺和生态环境脆弱的双重限制。在这样的背景下，将生命周期方法(1ife cycle assessment，LCA)和数据包络分析法(data envelopment analysis，DEA)相结合，评估西北干旱区农业的精华部分绿洲农业的生产效率，既将农业生产过程中各个阶段对于生态的影响做出了有效的评估，又可以反推生产过程中需要改进的环节和要素，可操作性强，对农业可持续发展具有很强的指导意义。

10、生命周期评价方法(LCA)是一种用于评估产品或服务生命周期过程中产生的环境影响的工具【2】，也是产业生态基金项目：国家自然科学基金面上项目“需水管理导向的农村居民用水行为研究以黑河流域为例”(41571516)；中国博士后科学基金项目“基于LCA和DEA方法结合的西北绿洲农业生态经济效率研究”(2016M590980)第一作者简介：钟方雷，博士，助理研究员，研究方向为生态经济学。E-mail：flzhonglzbaccn万方数据钟方雷等：基于LCA和DEA法相结合的干旱区绿洲农业生态经济效率研究 123学、生态经济学的主要理论基础和分析方法。国外对于生命周期评价方法的运用始于对包装品的分析，目

11、前在工农业领域均建立比较完善的分析框架：在工业领域，Peqas等3】基于企业需求的不同，对不同材质的塑料注射器整个生命周期过程进行了研究，并做出评价；Poriyosh等【41用生命周期方法对一系列食品生产系统进行分析，得出若想减少环境负荷则需改变现有的生产、加工、包装、零售和消费模式的结论；Baydar等陋1将土耳其棉纺织品的生产边界确定为五个子系统，对这一较为复杂的产品进行了生命周期评价。在农业领域，Brentrup等61以甜菜为研究对象，运用生命周期方法对比了所施不同种类氮肥对于环境影响的差异，并对作物的效率做出评价；Charles等p1通过比较不同种植密度的小麦生命周期系统内所造成环境影

12、响的差异，得出了生态角度相对较优的种植密度。近年来，国内学者也逐步将这一方法运用于农业生产：Wang等伟1以华北高产粮区不同施肥水平的夏玉米为例，应用LCA方法对夏玉米生命周期资源消耗与污染排放进行清单分析和全面的影响评价；梁龙等91同样应用生命周期评价方法分析了该地区小麦生产过程，结果表明我国小麦生产能耗较高，水土资源的压力较大，富营养化、水体毒性、环境酸化和土壤毒素是主要的潜在环境影响；彭小瑜等【1卅同样应用此方法，分别对陕西关中地区耕作方式存在差异的富平和杨凌两地的冬小麦一夏玉米轮作系统进行评价，认为施肥方式不科学和农药施用过量，化肥、农药利用率低使农作系统产生环境酸化和富营养化污染物，

13、造成了严重环境负担。总结目前国内外的研究成果，可以发现迄今为止针对农作物生命周期内的效率评价仍然较少，且主要集中于外国以及中国华北平原，对于中国干旱区的研究几乎空白。因此，本文基于上述研究的不足，拟作出如下改进：(1)选择中国西北干旱区农业代表性地区张掖市为研究区域，运用国际普遍采用的生命周期评价方法(LCA)，将干旱区农业生产重要的水资源约束纳入评价体系，并将其结果作为非期望产出进行效率评价；(2)在效率评价的众多方法中，采用较新的SBM超效率模型，不但可以将非期望产出纳入其中，而且超效率模型的结果使得进一步的计量分析更加合理；(3)分别使用OLS和Tobit两种方法对影响农户制种玉米生态效

14、率的因素分析，进而归纳其所代表区域的绿洲农业效率，提出相应的改进措施和政策建议，无疑具有更好的操作性。2模型与方法设计本文首先采用生命周期评价方法对制种玉米生产边界内的相关环境影响量化分析，并将干旱区主要的农业生产约束性要素水资源纳入其中，将最后的归一化结果作为非期望产出纳入第二步的效率评价体系。第二步农户制种玉米生产效率的测算选用SBM超效率模型，使得后续的影响因素分析更加客观。最后，分别采用OLS和Tobit两种方法对影响效率的因素进行分析。21生命周期评价方法1990年，国际环境毒理学与化学学会(SETAC)提出了“生命周期评价”的概念，提出“生命周期评价是用来评价与产品、技术或服务相关

15、的整个生命周期相关环境负荷的过程”，它通过识别并量化资源与原料的使用以及环境影响的排放，评价这些投入与排放的影响，并评价和解释环境改善的机会”。具体分为四步：(1)确定评价目标与范围；(2)清单分析(1ife cycle inventory，LCI)；(3)影响评价与分析：(4)生命周期结果解释”。本文使用制种玉米的质量作为功能单元，单位(千克)取决于显示结果的便利性和充分性。功能单位为1千克制种玉米，系统边界从农用化学品的生产开始，终止边界为作物种植过程输出的农产品和污染物，即存在两个生产系统，分别是农资生产系统和作物生产系统，具体如图l所示。清单分析中，农资阶段的影响有农用化学品生产所导致

16、的大量能源消耗和废水、废气及污染物排放，相关能耗和污染物排放系数，参考胡志远等1副的相关研究；种植阶段的影响包括整地、灌溉、施肥、病虫害防治等管理措施引起的燃料、电力、水资源消耗及径流、淋溶、挥发等过程的污染物排放【9】。本文主要考虑与化肥生产相关的资源消耗与环境影响，氮磷钾肥有效成分施用量根据生产过程所用复合肥与尿素有效成分进行换算，其中复合肥有效成分为(N：17，P20；：15，K20：17)，尿素有效成分为(N：455)【l 41，在玉米种植阶段，N20、NO。、NO，的排放量分别占氮肥施放量的49、53、65【1 51，每生产1千克玉米排放3克NH，【1 61。农药生产的相关能耗和排放

17、系数，由于具体环境的不同以及不同病虫害的防治，国内没有统一的标准，因此不予考虑。厂房设备、建筑设施、运输工具生产的环境影响由于资料缺乏，不予考虑7】。f、睫“t“系，t 11伽i pn最缩疗垡托、，l；iJ。1 fI掣 卜 脚情 卜lf粑，“，。；q 圳种#I：i。；图1制种玉米的系统边界本文需要得出制种玉米对环境影响的指标化数据，并将其作为非期望产出纳入生态经济效率评价体系。一般分为特征化、归一化和加权评估三个步骤。对生命周期中具有同类环境影响的物质，按照其相对于基准物质的当量因万方数据124 生态经济第33卷第11期(2017年11月) Ecological Economy，V0133，N

18、o1 1(November 2017)子(即LCA特征化因子)折算并累加，所得结果称为该影响类型的生命周期特征化指标。选择全球变暖潜值(globalwarming potential，WP)、酸化潜值(acidification potential，AP)、富营养化潜值(eutrophication potential，EP)、可吸入无机物(respiratory inorganics，RI)、淡水消耗(water use，WU)这五种环境影响类型，对污染物排放清单中的污染进行分类，分别以CO：、SO：、PO一、PM：，为当量因子(即特征化因子)，选择中国2010年归一化总量方案，通过计算得到

19、归一化结果。由于归一化数值并不能综合的说明潜在环境影响程度，因此需要对不同影响类型加权得到单一结果。LCIA指标管理器中内置3种加权综合指标，分别是“十一五”节能减排综合指标、“十二五节能减排综合指标、可持续消费与生产研究所一2009(ISCP 2009)，本文选择ISCP 2009作为加权方案，运用Ebalance软件对归一化结果加权得到生产1千克制种玉米对环境的综合影响值。22数据包络法及模型数据包络分析是一种基于线性规划的用于评价同类型组织(或项目)工作绩效相对有效性的特殊工具手段m】。这种非参数估计方法采用线性规划模型方法评估相似的决策单元(decisionmaking units，D

20、MUs)的相对效率。农业生产过程伴随着污染物的排放，因此传统的DEA模型不能将这些“非期望”产出考虑其中。Tone&Sahoo1 91于2004年提出了SBM超效率模型，使得DEA方法可以在测算时考虑到非期望产出，本文将制种玉米生命周期中环境影响的加权结果作为生产的非期望产出。投入导向的SBM超效率模型可以表示为如下规划式：土yFminp。：1+盟竺x三JxF乃一Ji (1)j=l，j*knybAjY rkj=l，jck其中：A0，S0，S+0；卢1，2，m；r=1，2，q；j=l，2，n(jCk)；P艇表示SBM超效率模型下决策单元的效率值；X：，表示第，个农户的第i种投入要素的总量；Y，表

21、示第，个农户的第，种产出的总量；五、S+、S一分别表示投入要素、期望产出和非期望产出的松弛变量；k表示位于有效生产边界的农户。23计量模型设定 在将LCA结果纳入效率评价体系之后，本文还将考察制种玉米生产过程中投入要素对最终生态经济效率的影响。由于效率值的最低限值是O，即在0处存在左侧断尾，而超效率模型的结果使效率值的大小不局限于1，因此在回归模型的选择时不具有局限性。本文分别选择OLS和Tobit两种模型进行分析。其中OLS估计时满足经典线性模型的基本假定，且服从正态同方差分布，模型的基本形式如下：Y=Xfl+E，s(O，62) (2)其中：活O。，X2，)7为解释变量向量，即要素投入量；y

22、一。，Y2，此)为被解释变量向量，即农户的生态经济效率值；户。，皮，以)为参数向量；萨(s。，62，)7为残差向量。Tobit模型也称样本选择模型、受限因变量模型，即被解释变量连续但受到某些限制时的取值模型，适用于被解释变量有零值，其余取值为正且连续的情况。模型在估计时用潜在的被解释变量y，y满足经典线性模型的基本假定，且服从独立正态同方差分布，模型的基本形式为：Y+=Xfl+c，sU(0，52)+ f 0ifY+20亩 显著性均值 标准差 均值 标准差 均值 标准差 均值 标准差效率值 O871 2 0074 8 1066 7 0072 8 0807 7 O048 9 0788 6 0062

23、 4 a C注：a、c分别表示甘州区与高台县、甘州区与临泽县之间差别的显著性；”+表示u检验结果在1的水平上显著。42生态效率影响因素回归分析本文分别选择OLS和Tobit两种模型，将纳入生命周期评价方法和数据包络分析模型的5种投入要素作为自变量，分别是：种植面积(五)、每亩化肥使用量(五)、每亩农药使用量(墨)、每亩生产性服务支出(五)、每亩灌溉用水量(五)。将由DEA模型测算出的生态效率值(y)作为因变量，并对两边分别取对数，构造以下多元线性回归模型：ln降邯llnXl+饺lnX2+p3lnX3+P4lnX4+；：；lnXs+# (4)其中：系数风为截距项，回归系数卢。、尻、屈、屈、屈分别

24、表示投入要素变化对生态效率值变化影响的百分数，是随机误差项。从表4可以看出，两种模型回归的结果比较接近。解释变量回归系数的符号都为负，表示解释变量的增加会对制种玉米的生态经济效率值产生不利的影响，且系数的t值和z值都比较大，意味着这些解释变量在统计意义上都较为显著，具有解释力。制种玉米的种植面积与其生态经济效率值成反比，即制种玉米的种植面积越小，其生态经济效率值越高；反之，种植面积越大，其生态效率值越低。在以往的研究中发现农户所拥有农地的大小会表4生态经济效率影响因素回归结果OLS模型 Tobit模型解释变量回归系数 t值 回归系数 z值lnZ 一0165 2 一438 0165 4 一457

25、lnX2 0203 5” -187 0204 2” 一194ln墨 一0120 9 一242 0121 1 一253lnX4 一O217 8 一390 0218 1 一407lrL墨 0048 9 118 0048 9 123C0nS 4297 2 564 4303 6 587注：+、+和+分别表示变量在10、5和1的水平上显著。万方数据126 生态经济第33卷第11期(2017年11月) Ecological Economy，V0133，No1 1(November 20 1 7)对农户的生产效率产生影响【2 31，本文将环境影响纳入效率评价体系后这样的现象依然存在，支持了Sen【241提出

26、的小农生产更具效率的结论。在张掖市，制种玉米种植面积的扩大会使其生态经济效率值降低大约165。制种玉米生产过程中，每亩土地的化肥使用量与其生态经济效率值成反比，即单位土地所施化肥量越大，其生态效率值越低；反之，单位土地所施化肥量越小，其生态经济效率值越高。单位土地所施化肥量变化对生态经济效率值变化影响的百分数约为204。由于化肥中所包含的氮肥、磷肥和钾肥是全球变暖潜值、酸化潜值、富营养化潜值的主要来源，因此化肥的使用对环境的影响比较大。相比于化肥而言，有机肥在生产过程和使用过程中相关物质的排放系数都较低，对环境的影响也较小。制种玉米生产过程中每亩土地使用的农药量与其生态经济效率值呈负相关关系。

27、2015年，张掖市杂交玉米制种播种面积达到660万公顷，产量达52 85331万千克，产值突破2386亿元，制种面积占全国全部制种面积的近30。考虑到制种的重要意义，张掖市针对玉米主要存在锈病、瘤黑粉病、红蜘蛛、棉铃虫等病虫害，采取了较为严格的生产技术规程，相比于土地受农药污染较为严重的东北地区【2 51，农药对制种玉米生态经济效率的影响较小，约为121。制种玉米生产过程中的服务费用支出对其生态经济效率值的负向影响较大，约为218，这是因为服务支出包括生产过程外雇运输费、外雇机械作业费和外雇用工费，制种玉米种植户往往采用租赁的方式使用农用机械，而机械的燃料柴油的生产和使用过程都会对环境产生较大

28、的影响。西北干旱区农业生产最重要的生产要素为水资源。在实际灌溉时，由于大水漫灌、串灌，张掖市制种玉米的灌溉量通常超过最佳灌溉额，使得当地紧缺的水资源不但没有发挥其约束性作用，反而加剧了土壤盐渍化。在样本的估计结果中显示，农业灌溉用水的增加会使得制种玉米的生态效率值减少约49。5结论及建议本文采用张掖市统计抽样调查2012年投入产出表时，增加专项调查所获得的数据，首先利用生命周期评价方法，对制种玉米生产边界内相关环境影响量化分析，并将干旱区主要的农业生产约束性要素水资源纳入其中，得出张掖市制种玉米环境影响归一化结果均值为128E一07；再将加权评估结果作为非期望产出纳入第二步SBM超效率模型的效

29、率评价体系中，测算得出生态经济效率均值为0871 2；最后采用OLS和Tobit两种方法对影响效率的因素进行分析。得出了以下几点结论及启示：(1)将环境影响纳入效率评价体系之后，张掖市制种玉米的生产依然存在投入冗余的状况，对环境的影响并未给予足够的重视。建议建立经常性的效率评估措施，对所出现的明显造成效率低下的生产要素及时改进。(2)当地制种玉米生产过程中化肥和生产性服务支出是对生态经济效率值影响最大的解释变量。针对这些影响因素，应当对区域内的生产情况进行一次普查，包括区域内生产的基本环境、要素的投入、环境概况、污染物排放等，并依此建立长期的跟踪评估体系，做到科学的生产。增强对农户的教育，提高

30、环境保护意识，提倡可持续生产。增施有机肥料，推广“秸秆还田”，实行生物配肥土壤技术，增强发展后劲，使纯经济效率与生态经济效率同步提高。同致谢：感谢张掖市统计局、甘州统计局、高台统计局、临泽统计局及抽样点乡镇为本次调查提供的帮助，感谢中科院西北生态环境资源研究院宋晓谕博士提出的数据分析建议。参考文献：【1于法稳，尚杰西北半干旱区农业可持续发展的模式选择J中国农村经济，2001(10)：54582】杨建新，王如松生命周期评价的回顾与展望【J】环境科学进展，1998(2)：21283Pecas PRibeiro I，Folgado R，et a1A life cycle engineering mo

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35、necht R，et a1Life cycle assessment：Part 1：Framework，goal and scope definition，inventory analysis，andapplications【J】Environment International，2004，30(5)：701720【12Ekvall TSETAC summariesJJournal of Cleaner Production，万方数据钟方雷等：基于LcA和DEA法相结合的干旱区绿洲农业生态经济效率研究 1272005，13(13一141：1351135813i钥志远，谭丕强，楼狄明，等不同原料

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40、5】苏少泉我国东北地区玉米田除草剂使用现状、问题及若干新品种【J】农药，2010(12)：859861(责任编辑：张海艳)行为。因此，即使可持续投资基金的管理者在实际投资过程中，愿意按照可持续投资基金的投资理念进行投资，然而其所能获取的上市公司的环境信息有限，环境信息质量也需进一步验证，导致心有余而力不足。应继续强化绿色证券政策的建设与执行，完善上市公司环境信用评级和社会责任信息披露制度的建设和执行。(3)基金评级方法未考虑环境因素。基金评级是投资者进行投资决策的重要参考指标之一，“买基金，看星星”的方法被多数投资者选择，“星级”己成为基金公司进行营销宣传的重要砝码。2010年起实施的证券投资

41、基金评价业务管理暂行办法对基金评级提供了指导和规范。但是，国内三大机构(晨星、银河证券、理柏)的基金评级方法各有不同，无论是哪一评级机构的评级方法和指标，都未考虑基金的环境绩效。这可能是因为，作为间接投资方式的基金，其环境绩效难以衡量，导致环境因素难以囊括进基金评级指标中。基金评级是基金公司的重要营销宣传点。然而，当前基金评级方法中并没有考虑环境因素，相当于基金环境绩效不是基金公司的必考题，这就可能导致基金管理人员，侧重评级体系中的现有指标，忽视环境绩效指标。当前迫切需要强化对可持续投资基金评级方法的研究和应用。同参考文献：1】马中，刘青扬，谷晓明，等发展绿色金融，推进供给侧结构性改革J】环境

42、保护，2016(16)：3337【2Benijts TSustainable investment funds and the government：A comparative study on public policies in the Netherlands andBelgiumJEnvironment Development Sustainability，2009，11(6)：1155-11743EurosifEuropean SRI study 2006EBOL2016-1020http：、】1wneurosiforgabout-US4Renneboog L，Horst J T，Zh

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