农业灌溉水价对农户用水量影响的经济分析

摘要 本文目标是定量评估农业灌溉水价对农户用水量的影响。以往研究只考虑灌溉水价对于农户某种节水行为的影响,本文充分考虑在不同的价格水平阶段,农户会在多种节水行为中进行选择,引起用水需求弹性变化,并改变用水量,从而更全面更真实地反应价格水平与农户用水量之间的关系。在农村水价市场健全以及农户理性经济人假设前提下,本文通过建立局部均衡模型进行费用效益分析,研究农户节水行为随着价格水平而发生的变化,并在此基础上构建水价与节水量的关系。本文还结合实证研究的方法,以黑龙江省境内某农场为研究对象,开展实证分析。研究表明,在案例地区,当灌溉水价达到0.04元/m3的时候,水价具备了发挥作用的条件;水价在0.04-0.065元/m3之间的时候,农户开始减少灌溉用水,节水量为135-203 m3/hm2;水价在0.065-0.08元/m3之间的时候,农户开始采用当地的浅湿灌溉的节水技术,节水量为1 400 m3/hm2;水价在0.08-0.1元/m3之间的时候,农户开始采用地下水,节水量为1 400-6 309 m3/hm2;当水价高于0.1元/m3时,农户有水改旱的倾向,节水量为6 390-14 000 m3/hm2。本文所建立的分析方法和框架,不仅适用于案例地区,也为其他灌区的水价和用水量关系研究以及政策制定提供借鉴。

关键词 灌溉水价;成本效益分析;需水弹性;临界水价;极限水价

中图分类号 F062.2 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2010)09-0059-06 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2010.09.011

水资源已经逐渐变得稀缺并成为经济发展的制约因素。农业生产部门是粮食生产以及经济发展的重要部门,也是用水大户,它消耗了世界平均70%的水资源,在有些国家和地区甚至高达90%。以前的政策手段倾向于开发水源,增加水资源的供给,如利用修建水库、大坝以及大型灌溉工程等工程手段;并对水的供应给予大量的补贴,既增加公共开支,又消耗了自然资源,破坏了环境。水资源的稀缺和供水成本的上升,开源供水带来的增长已经无法抵消水资源低效利用和水环境污染所造成的破坏,使得人们意识到必须更加有效地配置和利用现有的水资源。在这种背景下农业灌溉水价政策被寄予很高的期望:希望合理的价格体系能够形成正确的价格信号,对用水行为加以规制,从而促进节约用水,并且合理配置水资源,提高用水效率,实现水资源的可持续利用。关于灌溉水价到底对于农户的用水量产生什么样的影响,对于提高农业水资源的利用率能起到多大的作用等定量研究较少且不成熟。

目前对于农业灌溉水价对农户用水量影响的研究一般只考虑了农户对于灌溉水价调整单一的反应方式。如尉永平[1]等只考虑了传统的灌溉方式下农户单纯用减少用水量的方法来应对水价的提高,没有考虑节水技术变动等因素的影响;于素华[2]等研究了农业水价与农业节水技术推广的关系;田圃德[3]、杨斌[4]、李宝萍[5]等进行了灌溉水价政策对于农户承受力的影响研究,探讨了农业水价可行的价格范围。

在研究方法上,Sumpsi[6]、VarelaOrtela[7]研究了线性的动态数学规划模型在水价与农户用水行为研究中的应用,VarelaOrtega[8]、VarelaOrtela[9]、Mejias[10]、Berbel[11]对此模型进行了实证研究,模拟农民的行为和他们对不同水价的反应。尉永平等用需水函数模型和实证研究相结合的方法探讨了水价与用水量的关系,裴源生[12]利用历史数据建立了水价和用水量的计量经济模型。

本文在总结前人研究方法的基础上,将影响水价和用水量的关系的各种因素全面地考虑,利用成本效益分析法,需水价格弹性模型法以及实证研究的方法探讨了价格政策发挥作用的有效范围,以及在不同价格水平下农户采取的不同的应对行为,在此基础上研究了水价和节水量的定量关系。本文研究是基于农村的水价市场有效性的假设,它包括两方面的内容:一是产权明晰,灌溉用水是一种公共物品,本文假定通过合理的制度设计,可以在技术上实现水资源消费的排他性,从而水资源利用的外部性内部化得以实现;二是完全理性经济人假设,认为农户具有完全理性,可根据市场信号做出经济利益最大化的行为选择。

1 研究思路和方法

1.1 研究思路

牛坤玉等:农业灌溉水价对农户用水量影响的经济分析

中国人口•资源与环境 2010年 第9期总体来讲,水价是通过影响农户的用水行为从而对最终的用水量产生影响的,不同的用水行为对应不同的节水效果。本文的研究思路:首先对案例地区农户针对灌溉水价的激励可能作 出的反应,即节水行为进行识别,在成本效益分析的基础上确定节水行为改变的临界水价,在此基础上分析不同的价格区间内水价与用水量的关系。

1.2 临界水价

所谓临界水价,是指农民发生节水行为方式改变的价格水平。

根据经济学的成本效益法可计算节水行为改变的临界水价。即行为经济学认为,当一种行为产生效益大于其成本时,该行为才有经济上的可行性。如公式(1)所示:

Bj≥Cj(1)

在本研究中,Bj表示采取了某种节水行为后与原来的灌溉方式相比较而少交的水费;Cj代表某一节水行为的成本。

Bj=PjQj(2)

Pi为可调整的每立方米水的价格,Qj为每种节水行为相对于原来的灌溉方式的节水量。

可以推得公式:

Pj≥Cj/Qj(3)

此公式表示,当灌溉水价大于单位节水量所花费的成本时,农民就会有采取这种节水行为的经济动力。当二者相等时,这个价格水平是由一种节水行为模式向另一种节水行为模式转变时的水价水平,即节水行为转变的临界水价。

关于节水成本和节水量的计算方法,可根据具体的节水行为确定。

1.3 极限水价

极限水价分为需水方的极限水价(PD),以及供水方的极限水价(PS):

用水方极限水价即指的是农户可承受的水价的极限值:消费者对某种商品的消费量及其支付意愿,最终由消费者获取最后一单位商品所带来的边际效益决定的。农业用水的平均效益反映了农民对水费的客观负担能力,而水的边际效益则决定了农民对水费的主观支付意愿。对于农民来说,灌溉所带来的净效益的增加是农民所支付水费的上限。这里把农业单方水所产生的效益作为水价可能调整的极限,将达到单方水效益的水价称为极限水价。水价若超过单方水的效益时在任何情况下农民都无法接受。

供水方的极限水价指的是不存在政府补贴的假设下,灌溉工程运行维护的最低费用。只有当水费大于最低维护费用时,才有可能保证输水和配水的有效,从经济学意义上,才能保证产权的明晰,才可能使得水价政策发挥效果。

2 实证研究

以黑龙江省宝清县境内某农场为研究的对象,笔者走访了当地的农业局、水利局,该农场分局、农委以及税务局等政府部门,对研究的区域作了农户问卷调查。

2.1 农民节水行为的识别

通过实地调研识别了农户应对水价调整的几种可能的节水行为模式:

(1)行为1:在传统的灌溉方式下减少灌溉用水量,这种节水方式会导致产量减少;

(2)行为2:选择节水技术,当地可行的节水技术为浅湿灌溉法;

(3)行为3:采用井渠双灌的水利用方式;

(4)行为4:改变作物的种植结构,将需水型的农作物改为抗旱型农作物。

2.2 临界水价的计算

每种节水行为的成本和效益的计算方法,思路以及数据来源如图1所示:

图1 农户节水行为的成本效益分析图

Fig.1 Costeffective analysis of farmers' watersaving activity

2.2.1 节水行为的成本效益分析

(1) 行为1:传统灌溉模式下的节水行为成本效益分析。灌溉用水价格水平与用水量的关系,以及与农作物减产成本的关系可以由田间需水价格弹性模型[1,13]求得。在一定灌水范围内,在农户的种植行为和不采用任何节水技术的条件下,作物产量与灌水量之间的水分生产函数可总结为二次曲线。

Y=a+b×X+c×X2(1)

式中: Y为作物产量(kg/hm2);X为耗水量(mm);a、b、c为经验系数;式中的a=-11 645,b=29.332,c=-0.010 2[14]。

农户的收益为:

B=Y×P-C=(a+b×X+c×X2)×Pc-Pi×X-L(2)

Pc为水稻作物单价,Pi为水的价格(元/mm)。L为其他种植成本,农药、化肥、用工等投入。Pc取2007年黑龙江水稻的价格1.60元/kg。其它生产资料固定成本的投资L为9 226.5元/ hm2,来自该农场的调研资料[15]。

利用利润最大化原理可求得耗水量与水价之间的关系:

X=Pi2×Pc×c-b2×c(3)

Qmax=-b/(2×c)(4)

式中,Qmax为水稻达到最大产量的灌水量,通过以上式子,可以计算出农民受水价影响后的节水量。从而求得节约的水量与水价之间的关系:

QTWS=-Pi/(2×Pc×c)(5)

其中,QTWS为在传统的灌溉模式下通过减少灌溉用水节约的水量,节水效益为:

BTWS=-P2i/(2×Pc×c)(6)

节水的成本为农作物的减产成本:

CTWS=Pc×4ac-b24a-(a+b×X+c×X2)(7)

(2)行为2:浅湿灌溉法成本效益分析。通过对当地农业部门进行访谈,采用此技术可节约10%的灌溉水量,因此,此节水技术产生的效益为:

BWSP=QTWU×Pi×10%(8)

BWSP为采用节水技术的节水效益,QTWU为在传统灌溉方式下的灌溉用水量。QTWU为14 000m3/ hm2。

浅湿灌溉的节水技术的成本由两部分成本构成即:

CWSP=Ctraining+Cmanagement(9)

Ctraining为节水技术培训成本,Cmanagement为管理成本。其中Ctraining为70元/household,Cmanagement为20元/household[15]37。

(3)井渠双灌的利用方式的成本效益。采用井渠双灌的成本主要为提水耗油费,为436元/hm2,采用问卷调查的方式求得。

采用井渠双灌的利用方式的节水量为:

QWCI=QTWU×(1η1-1η2)(10)

效益为:

BWCI=QWCI×Pi(11)

式中,QWCI表示采用井渠双灌的利用方式所带来的节水量;η1是井灌水的利用效率,为0.55;η2是渠灌水的利用效率,为0.7。Ewi为井渠双灌的节水效益。

(4)行为4:水改旱的成本效益。Moore[16]等认为提高水价对种植作物类型的影响是短期无法实现的,即农户采取改变种植类型的节水方式是水价政策实施的长期效果,这里以30年为周期对水改旱的成本和效益进行贴现:

CPTD=Cshortterm+∑29t=1Ctlongterm/(1+r)t(12)

Clongterm=Csubsidy+Cincome(13)

Cshortterm=Clevelland+Cproductivity(14)

EPTD=∑Nt=1QPTD×Pi(1+r)t(15)

QPTD=QP-QD(16)

其中:CPTD是30年水改旱的成本的现值;Cshortterm指短期成本,短期成本发生在第一年据调研,改种旱地作物的第一年往往发生减产现象。,由Clevelland以及Cproductivity构成,Clevelland为500元/hm2,Cproductivity为800元/hm2;Ctlongterm为水改旱后每亩付出的长期成本,长期成本从第二年起发生,包括种植不同作物带来的补贴变化和净收益变化。Csubsidy是第t年政府提供给水田和旱地作物(例如玉米和大豆)的补贴的差值,为300元/hm2;EPTD是30年水改旱成本的现值;Cincome是种植水田和旱田的带来的每hm2净收入的差值,为1 150元/hm2;r为贴现值,QPTD为水改旱所节约的水量,等于水田的需水量QP减去旱田的需水量QD[15]。

2.2.2 临界水价的计算

通过上述各种节水行为相对于原来的灌溉方式的节水量以及不同节水行为所付出的成本的数据,根据公式(3)可以得到节水行为转变的临界水价。

表1为计算出的案例研究地区的极限水价和临界水价的计算结果。

由表1显示的结果可以看出,在第一个阶段,水价较低的阶段,即供水成本低于节水技术的推广的阶段,这个阶段的水价主要是通过影响农民在传统的灌溉方式下单纯的减少灌溉用水量的方式来影响最终用水量的需求;第 二个阶段,是水价提高到用水的成本大于节水技术的使用

表1 597农场的极限水价和临界水价(元/m3)

Tab.1 Limiting and critical water prices of state farm 597

项目ItemPⅠPⅡPⅢPⅣPSPD水价00.0650.080.10.040.69

注:PⅠ是采取在传统的灌溉模式下减少用水量的临界水价,PⅡ是采用节水技术的临界水价,PⅢ是采用井渠双灌的灌水方式的临界水价,PⅣ是水改旱的临界水价。PS为供给方极限水价,PD为需求方极限水价。

成本时,则会促进节水技术的推广;第三个阶段当水价提高到引用地表水的成本大于开发利用地下水的成本时候,农民会采取井渠双灌的利用方式;当水价再提高到一定的层次,任何的节水行为所产生的效益不能弥补水价的上升所带来的成本的时候,农民会选择改变种植结构的方式,减少需水型农作物的种植面积,即水改旱。

2.3 极限水价的计算

(1) 需水方的极限水价。需水方的极限水价为水稻的单方水效益为,即当地的水分生产率(一立方米水的粮食产值);而当水分生产率提高时,需求方的极限水价提高。案例研究地区水稻的单方水效益为0.69元/m3。

(2) 供水方的极限水价。在不存在政府补贴的假设下,灌溉工程的运行维护成本为0.04元/m3,因此供给的极限水价为0.04元/m3;政府的补贴可以降低供给方的极限水价。

2.4 水价和用水量的关系分析

2.4.1 水价低于供水成本时,起不到调节农户用水行为的作用

由上文计算的供水方极限水价的概念可知,在当地,只有当水价达到0.04元/m3 的时候,收取的水费才能用于弥补灌溉工程的运行成本,即在当地,当水价达到0.04元/m3的时候,水价才具备发挥作用的条件,因此,在0-0.04元/m3的价格区间内,用水量对于水价的弹性系数为0,即水价起不到调节农户用水行为的作用,如图4所示。

2.4.2 在传统的灌溉模式下,水价与用水量之间的关系

由上文的数据结果可知,在农村地区,传统的灌溉模式与节水技术的推广之间的 临界水价为0.065元/m3。水价在0.04-0.065元/m3的范围内的水价与节水量之间的关系可以由公式(5)求得,在不同的水价水平下,农户的节水量,收益以及成本如表2所示,传统的灌溉模式下节水效果有限,水价与节水量的关系见图2。在此价格区间内,节水量对于水价之间呈线性关系,其弹性系数为1。

图2 某农场灌溉水价与用水量关系图

Fig.2 Relationship between water price andwater resources demand in the State Farm

2.4.3 在节水技术推广的情况下,水价与节水量的关系

水价大于0.065元/m3时,农户会采用节水技术来减少成本。这时的节水量为原灌溉量的10%,即1 400元/hm2[15]。

表2 在传统的灌溉模式下水价影响效果

Tab.2 Impact effects of water price under the traditional model

水价(元)

Water price节水量(m3/hm2)

Watersaving amount效益(元/hm2)

Effect 成本(元/hm2)

Cost0.041355.413.060.051698.454.780.0620312.176.880.0827021.6412.240.0930427.3815.490.133833.8119.12

2.4.4 井渠双灌的利用方式所带来的节水量

当水价大于0.08元 / m3时,人们会倾向于寻找地表水的替代水源,寻找替代水源除了受价格因素的影响,还受自然条件状况的影响,地下水的利用率γtra受到农户灌溉习惯、自然地理因素以及灌溉水价等因素的影响。可由下面的公式表示:

γtra=f(P,α,β,μ)

α表示农户的传统习惯,β表示自然地理因素,μ表示其他随机因素的影响。

当水价大于0.08元 / m3时,随着灌溉水价的提高,人们越来越倾向于采用地下水的灌溉方式。虽然无法判断水价与地下水的利用率γtra的定量关系,但是可以定性地判断它们成一种正相关关系,根据公式(10),得到节约的用水量在0 -4 909 m3/ hm2。若考虑到节水技术与灌溉方式改变的叠加效果,那么节水量应该在1 400-6 309 m3/hm2之间。

2.4.5 改变作物的种植结构所带来的节水量

水改旱的节水行为也是一个渐进的过程,当水价大于0.1元 / m3时,农户有水改旱的倾向,但是水改旱的行为还受到其他条件的影响。除价格信号P外,土壤条件e,水资源状况f,政府的政策导向g都是重要的影响因素。将水改旱的面积比率γs与水价P的关系用函数方程可表示如下:

γs=f(P,e,f,g,h)

平均的每hm2节水量Q又为rs的方程:

QPTD=f(rs)

水改旱的面积比率γs与每hm2的节水量Q呈现正相关关系,即γs越大,Q越大。当水价达到0.1元/m3时,农民会倾向于改变作物的种植方式,节水量在6 309-14 000 m3/hm2之间。

针对土壤条件e,水资源状况f,政府的政策导向g对于用户的节水量的影响,农户的承受力h可以有如下的分析:

土壤条件越适合种水稻,节水量、对于价格水平的需求弹性越低;水资源状况越好,则节水量、对于价格水平的需求弹性越低;政策导向如果倾向于鼓励种水稻,则节水量、对于价格水平的需求弹性越低。农户的承受力越高,则节水量、对于价格水平的需求弹性越低;价格水平越高,农民的水改旱倾向性越强。

3 结论和建议

(1) 研究建立在对研究区域农户的节水行为充分识别的基础上的,不同于一般的只考虑应用模型,或者只研究价格水平与潜在的节水行为之间关系的研究。虽然不能对于灌溉水价对于节水量的关系做到完全的定量,但是由于立足于当地的实际,较为真实的反映了当地的价格水平与节水量的关系,可以为水资源规划和水价政策制定提供建议。本文建立的分析思路可以用于全国其他灌区灌溉水价与用水量关系的定量研究。

(2)在案例研究地区,当水价达到0.04元/ m3的时候,水价具备了发挥作用的条件,农户开始减少灌溉用水;当水价达到0.065元/m3时,农户开始采用当地的浅湿灌溉的节水技术;当水价达到0.085元/m3时,农户开始采用地下水;当水价达到0.1元/ m3的时候,农户有水改旱的倾向。水价在0.04-0.065元/m3之间的时候,节水量为135-203 m3/hm2;水价在0.065-0.08元/m3之间的时候,节水量为1 400 m3/hm2;水价在0.08-0.1元/m3之间的时候,节水量为1 400-6 309 m3/hm2;当水价高于0.1元/ m3时,节水量为6 390-14 000 m3/ hm2。

(3)本研究基于经济人完全理性和水资源产权明晰、水价市场可以充分发挥作用的假设前提下进行的分析。事实上,农户的行为选择可能不是完全理性的,农村的水价市场也存在一定的缺陷,在这两个方面,政府发挥作用十分必要。

(4)政府可以对农户进行宣传教育和引导,以提高农户对价格信号的敏感度。政府通过改善供水水利设施,安装计量设施等办法,可以明晰水权,逐步建立农村的水价市场;另外,政府的经济手段,如补贴等,也可以改变农户采用节水行为的成本,从而改变临界水价,进而影响水价与用水量的关系。

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Economic Analysis of Impact of Irrigation Water Price onFarmers' Waterusing Consumption

NIU Kunyu1,2 WU Jian2

(1. Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012, China;2. School of Environment and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China)

Abstract The relationship between water price and waterusing demand is analyzed quantitatively. Former studies just took one single watersaving practice into consideration. Actually, farmers have several watersaving choices and will take different activities at different water price levels, which leads to the change of water demand elasticity. This paper, under the assu mptions that profit maximization is the only target for the choice of farmers' behavior and the water property right is clear and water price market is functional in rural area, by setting up partial equilibrium model to conduct a costbenefit analysis, simulates farmers' watersaving behaviors changes under different water price levels and establishes the relations between water price level and the waterusing amount. Empirical study is conducted in a statedowened farm of Ba oqing County of Heilongjiang Province, to illustrate how the watersaving actions change as the rising of the water price. Through our investigation, there are four potential watersaving behaviors in this area, which are reducing waterusing amount in the traditional irrigation pattern, choosing watersaving techniques, using both surface and underground water, and switching from paddy to dry crops.In this case study area, only when the agricultural water price meets the supply cost of 0.04 RMB /m3, can farmers react to the rising water price and make some watersaving actions to reduce waterusing amount in traditional irrigation pattern at the first beginning, and the water saved is at a range of 135 m3/hm2 and 203 m3/hm2. When the water price rises at 0.065 RMB /m3,farmers will choose watersaving behaviors, and the watersaving amount will be around 1 400 m3 /hm2. When the water price reaches 0.08 RMB/m3, farmers willmake use of both surface and underground water for irrigation, and the watersaving amount will range from 1 400 m3/hm2 to 6 309 m3/hm2. The behavior of sw itching from paddy to dry crops will be conducted when the price ascends to 0.1 RMB/m3, thus the watersaving amount will range from 6 390 m3/hm2 to 14 000 m3/ hm2.The analysis framework and method developed in this study can also be applied to analyze the water price impact in other irrigation areas in China.

Key words irrigation water price; costeffective analysis; water demand elasticity; critical water price; limiting water price