中國糧食生產化肥施用效率分析基于隨機前沿生產函數

劉德偉,李 強,宋孝航(北京林業大學 經濟管理學院,北京100083)

中國糧食生產化肥施用效率分析基于隨機前沿生產函數

劉德偉,李 強,宋孝航
(北京林業大學 經濟管理學院,北京100083)

我國約有13.8億人口,確保糧食安全已成為我國重要的政策之一。化肥施用對增加糧食產量發揮了不可替代的作用,但卻造成了嚴重的面源污染。2015年農業部提出《化肥零增長行動方案》,該政策是否會影響中國的糧食安全？采用CD隨機前沿生產函數(SFA)，對農業生產效率和化肥投入的單一要素技術效率進行估計。結果表明：我國農業生產中存在無效率,平均生產效率為0.894,化肥投入的技術效率低于生產效率,只有0.603,說明我國在化肥施用方面還存在很大的節約空間。通過合理施用化肥、提高化肥施用技術,可在保障糧食安全的前提下達到減少化肥用量的目的,實現糧食生產的可持續發展。探求合理利用化肥施用技術和方法將是下一步研究的重點問題。

糧食安全;化肥施用效率;隨機生產前沿

1 引言

民以食為天,糧食安全關乎國計民生,糧食安全對維護社會穩定和促進經濟發展至關重要。我國是世界上人口最多的國家,保障十幾億人的吃飯問題是進行各種生產活動的基礎。因此,確保糧食安全對我國尤為重要。保障糧食安全是我國重要的政策之一,在基本自給的糧食安全政策主導下,追求糧食產量成為了中國農業生產和管理部門的首要目標[1]。

化肥作為最重要的農業生產資料之一,是糧食的“糧食”。在農業生產過程中化肥施用對增加糧食產量發揮了巨大的不可替代的作用。根據聯合國糧農組織的資料,發展中國家施用化肥可提高糧食作物單產55%—57%,總產量可提高30%—31%[2]。同時,大量試驗結果顯示,化肥施用可提高水稻和玉米單產達40%—50%、小麥單產50%—60%[3]。研究結果還表明,無論在發達國家還是發展中國家,施用化肥都是最快、最有效、最重要的增產措施[4]。

化肥投入在農業生產中發揮了重要的作用,但過量施用化肥既造成資源浪費,更為嚴重的是造成了農業面源污染。從最佳施肥水平角度看,我國過量施用化肥已達到總施用量的30%—50%[5],過量施用化肥的直接結果是造成化肥施用的低效率。已有研究表明,我國農民過量施肥已是一種非常普遍甚至非常嚴重的現象[6],我國主要糧食作物的氮肥利用率僅有10.8%—40.5%[7]。化肥過量施用不僅會造成化肥利用的低效率,更為嚴重的是不被作物吸收利用的化肥會停留在土壤或隨降水和灌溉進入水體,導致水體中氮磷物質含量增高,加劇農業的面源污染。由于要素投入增加所導致的生態污染會直接阻礙中國農業生產的可持續發展,過量施肥對我國農業環境同樣會造成嚴重的負面影響。我國農業部提出了《到2020年化肥施用量零增長行動方案》(簡稱《零增長行動方案》)。即2015—2019年我國逐步將化肥使用量年增長率控制在1%以內,力爭到2020年主要農作物化肥使用量實現零增長[8]。《零增長行動方案》能否順利實施,其關鍵是我國糧食生產過程中化肥施用是否過量;若過量,其嚴重程度如何？

衡量化肥是否施用得當的關鍵指標就是化肥的施用效率。我國已有眾多學者分別運用田間試驗法、數據包絡法、隨機前沿法對農業生產過程中化肥施用的農學效率、經濟學效率進行了研究[6,7,9-12]。結果表明,不同的研究方法對化肥效率的測度差異很大,大多數都是從我國糧食總產量角度進行了研究,沒有從糧食單產角度進行研究,且研究采用的數據過于陳舊,不能完全反應當前化肥施用效率的變化趨勢。本文的研究目的主要是從化肥施用效率的角度分析我國糧食生產過程中的化肥施用是否過量。若化肥施用過量,其嚴重程度如何？針對這一研究目標,我們首先基于徑向投入導向的技術效率概念,將化肥的施用效率定義為:在當前的技術條件下,假設產出和其他投入要素不變的情況下,在不改變產出和其他投入的前提下,農戶可能達到的最小化肥施用數量與實際施用投入數量的比值。這是一個非徑向的投入導向概念,它承認任何化肥施用技術都有可能會由于農戶個體的差異存在技術無效率。在此基礎上，基于Battese、Coelli[13]提出的技術效率模型,著眼于我國省級層面,采用隨機前沿的方法估計我國糧食生產的技術效率和化肥這一單一要素投入的技術效率,分析我國糧食生產過程中化肥施用量的具體情況,并對2015年我國農業部提出的《化肥零增長行動方案》是否對我國的糧食安全構成威脅進行了實證研究,對提高我國化肥施用效率提出可行性建議。

2 研究方法

化肥施用效率包括兩個方面的內容:分配效率和技術效率。分配效率與化肥價格相關聯,技術效率則主要與施肥方式、環境條件、土壤類型、施肥時間等因素有關。雖然分配效率的提高十分重要,但分配效率在某種程度上也與化肥的技術效率有關,因此本文把研究重點放在化肥施用的技術效率上。

化肥施用技術效率是指在農作物生產過程中所能實現的最少化肥施用數量與實際投入施用化肥數量的比值。對不同種類的化肥,施用方式和方法不同,其技術效率也不同。因此,根據上述定義,化肥施用技術效率是衡量給定施肥的技術和管理水平條件下化肥施用的效率。如果管理水平不足,本來高效率的施肥方式也會導致施肥量的非正常增加。通過對化肥施用效率的研究,可分析農民在化肥施用上是否具有技術效率。即是否由于技術或管理水平不足造成了化肥的過量施用，從提高管理水平和改善施肥方式的途徑來提高化肥施用效率,控制化肥過量施用。

2.1 衡量化肥施用的效率方法

對化肥施用效率的評價方法主要有兩類:一是作物對肥料的吸收率。如張福鎖等[14]對我國糧食主產區的水稻、小麥、玉米的氮肥吸收率進行了測算。二是利用統計數據和經濟模型測算化肥利用效率。如李靜等[10]使用隨機前沿生產函數測算了化肥施用的技術效率;周芳等[15]構建了化肥產出率指標，測算了化肥的施用有關效率。

目前對生產效率的研究居多,但研究單一生產要素投入效率較少。如Reinhard等[16]對單個投入要素的衡量方法進行了介紹,并對環境因素效率進行了研究;Karagiannis等[17]則采用相同的方法對灌溉用水的效率進行了測算。本文采用上述方法對我國農業生產中化肥投入效率進行測算,分析化肥過量施用是否僅是由于分配無效率導致的。

假設生產技術由隨機前沿生產函數表示:

yi=F(xi,fi;α)×exp(εi≡υi-μi)

(1)

(2)

因為,μigt;0,所以0≤exp(-μi)≤1,而對投入導向型的技術效率的測算式為:

yt=F(gixi,gift;α)×exp(εi≡υi)

(3)

假設化肥投入效率是指給定生產技術觀測到的投入和產出水平,可觀測到的最小化肥投入量,則化肥施用效率是一個投入導向的,其效率公式為:

FTEI=min{λ:f(x,λf;α)≥y}→(0,1]

(4)

圖1 在常規投入X和化肥投入條件下的生產前沿

(5)

化肥施用效率可通過估計式(1)的參數求得。

2.2 實證模型設定

為了研究方便,本文以Battese、Coelli[18]提出的對數柯布—道格拉斯(CD)生產函數為基礎,則隨機前沿函數模型為:

(6)

式中,yi表示總產出;xi表示投入要素;T為時間變量;α、β為待估計參數。

根據式(2)求出技術效率水平。μi=0,則TEi=1,該生產點位于生產前沿上;μi≥0,則0≤TEi≤1,存在技術無效率,此時該生產位于生產前沿下方。

根據式(5)可導出:

(7)

(8)

3 數據來源和變量描述

3.1 數據來源

本文數據為1997—2012年我國31個省區16年的農業投入和產出數據(香港、澳門、臺灣因數據缺失未進行分析),主要來自1998—2013年《中國統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》。考慮到農業生產的區域差異,基于土壤、作物、自然和經濟社會因素的不同,將全國分為8個地區,見表1。

表1 我國糧食種植區域劃分

3.2 描述統計

糧食生產與化肥施用概況:由圖2可見,我國糧食總產量變化分為三個階段:第一階段(1995—1998年),我國糧食產量基本呈現增加態勢(除1997年稍有減產外)。第二階段(1999—2003年),我國糧食總產量呈下降趨勢,到2003年糧食總產量僅有43069.53萬t,糧食減產的主要原因是播種面積減少和糧食價格下降導致農民種糧積極性降低等。第三階段(2004—2014年),糧食總產量處于上升階段,到2014年我國的糧食總產量達到60702.61萬t,年均增長率為3.72%,其中2003—2004年糧食總產量增長率達到了9%。

注:數據來源于1998—2015年的《中國統計年鑒》。

圖2我國化肥施用量與糧食產量

從圖2可見,在此期間我國化肥施用量持續增加(2006年和2008年化肥施用量略有減少),從1995年的3593.7萬t增加到2014年的5995.94萬t,增長了66.85%,年均增長率為3.71%。從圖3可見,糧食播種面積占作物播種面積的比例明顯要高于蔬菜和其他作物的播種面積。糧食播種面積占比在65%以上,而蔬菜種植面積占比均低于15%。

注:數據來源于1996—2015年的《中國統計年鑒》，圖5同。

圖3我國作物播種面積占比

從圖4可見,谷物的化肥施用量占農業化肥施用總量的大部分,年均占比超過55%,而糧食作物的施化肥用量占比更大,蔬菜的化肥施用量占比基本都在25%以下(2003年稍高,占比約為27%)。

注:數據來源于1999—2015年的《中國統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》。

圖4我國作物化肥施用總量占比

圖5 我國單位化肥施用量與糧食單產

由圖5可見,1995—2014年我國糧食單產的變化可以劃分為兩個階段:第一階段(1995—2002年)，該階段我國糧食單產基本維持在4250—4500kg/hm2左右；第二階段(2003—2014年)，該階段我國糧食單產總體上保持增長態勢,但糧食單位面積產量增長緩慢,年均增長率僅為1.1%。其中,2009年和2010年略有下降。在該階段,化肥單位面積施用量的變化并沒有階段性差異,始終保持絕對施用量上的持續增長,從1995年的239.8kg/hm2增加到2014年的362.4kg/hm2,增長了51.1%。

由圖6可見,從整體看我國八大區域糧食單產都呈現出增長態勢,但各地區之間無論從絕對數量還是增長率來看都具有很大差異。從地域差異來看,我國東部沿海地區糧食單產最高,年均糧食單產達到5910.624kg/hm2；其次是長江中游地區和南部沿海地區,年均糧食產量達5000kg/hm2,東北地區和北部沿海地區地區年均糧食單產保持在4500—5000kg/hm2之間,黃河中游地區和西南地區年均糧食單產則保持在4000—4500kg/hm2之間,西北地區糧食單產最低,年均僅為3988.255kg/hm2。從時間差異來看,2003年全國八大區域糧食單產都不同程度地下降,尤其是東北地區在2000年和2001年糧食單產只有1999年的70%左右。2003年之后,全國八大區域糧食單產都有不同程度的增加,尤其是東北地區增產最為明顯,西南地區增產較少。

注:數據來源于2004—2015年的《中國統計年鑒》。

圖6我國八大地區的糧食單產

變量描述:由于我國統計數據(農林牧漁業從業人員)2012年和2013年統計口徑有所變動,本研究選取1997—2012年的農業生產數據,共計496個樣本。為了避免糧食產量與糧食播種面積之間的共線性關系,本文將我國糧食單產作為農業產出變量(Y)。為了控制其他作物生產中生產要素投入,將非糧食作物播種面積占總播種面積的比重(P)作為控制變量納入模型中。

按表1所分地區,將地區變量(Di)納入模型作為控制變量,單位面積要素投入量作為自變量。生產投入變量主要包括:①化肥施用量(折純量,F)。以本年內實際用于農業生產的單位播種面積化肥折純量(包括氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥)來計算(kg/hm2)。②勞動要素(L)。以單位播種面積的農林牧漁業從業人員計算(人/hm2)。③農業機械動力要素(M)。以單位播種面積投入的農業機械總動力來計算(kW·h/hm2)。④灌溉要素(I)。以有效灌溉面積與糧食播種面積的比值來計算。⑤農藥投入(PT)。以單位播種面積的農藥使用量計算(kg/hm2)。由表2可見,1997—2012年我國的糧食單產平均為4685kg/hm2,最小值為2406kg/hm2,最大值7251kg/hm2,差異很大。化肥(折純量)平均值為482.7kg/hm2,最小值為124.1kg/hm2,最大值為1108kg/hm2,差異也很大。

表2 變量描述

注:數據來源于1998—2013年的《中國統計年鑒》。

計量模型:

(9)

式中,i=1,2,…,31表示中國31個省、市及自治區(未包括香港、澳門特別行政區和臺灣地區),X表示除化肥投入外的其他要素投入(包括I、M、PT和L)。其中,k=1,2,…,7表示中國不同的區域地區,其中西北地區=0,t=1,2,…,16表示1997—2012年的16個年份,然后利用統計軟件STATA13.0對上述模型進行回歸。

4 實證結果

4.1 隨機前沿參數估計結果

表3 回歸結果

注:***表示plt;0.01,**表示plt;0.05,*表示plt;0.1。

表4 技術效率與化肥施用效率

表5 我國各地區化肥施用效率

4.2 技術效率和化肥施用效率分析

根據式(2)和式(7)可得到我國各個地區生產的技術效率和化肥施用效率。從表4可見,我國糧食生產的技術效率變動區域為0.776—0.965,均值為0.894。說明在現有的技術條件下,如果技術無效率完全消除,即使不增加要素投入,產出也可增加10.6%。化肥施用的效率明顯低于技術效率,化肥施用效率變動區域為0.306—0.848,均值為0.603。這一結果說明,在保持其他投入要素數量不變的條件下,通過減少39.7%的化肥的投入量可保持原有的產出數量。Hu等[19]利用農戶層次的數據研究結果表明,與農民的施肥習慣相比,采用合理的施肥技術可保證產出在不變的條件下減少35%的化肥投入量,說明化肥的合理利用還存在很大的改進空間。

從全國范圍來看(表5),我國糧食生產中化肥施用效率的變化大體可以分為以下三個階段:第一階段(1997—2000年)為化肥施用效率降低階段;第二階段(2000—2003年)為化肥施用的低效率階段;第三階段(2004—2012年)為化肥使用效率的提高階段。我國各個地區化肥施用效率見表5。

1998年、2003年、2007年、2012年我國各省的、自治區、直轄市化肥施用效率分布見圖7。從圖7可見,我國化肥施用效率普遍不高且地區差異十分明顯，東部地區明顯高于中部和西部地區;我國化肥施用效率有一個下降階段(1997—2003年),后經歷低效率階段(2004—2007年),最后是效率稍有增加階段(2008—2012年)。

圖7 我國化肥施用效率分布

5 結論與建議

化肥能否高效施用關乎中國糧食安全和農業的可持續發展。本文利用省級糧食生產數據,采用隨機前沿方法對我國農業生產的技術效率,特別是對化肥投入的施用效率進行了估算,得出我國糧食生產過程中化肥投入存在嚴重過量現象,化肥施用技術效率偏低。研究發現，我國農業生產中存在技術無效率,平均技術效率為89.4%,而化肥的施用效率則相對較低,平均效率只有60.3%,說明在化肥節約施用上還存在很大的改進空間。根據部分學者的研究,目前我國的化肥施用已過量到50%以上[20]。我們研究的結果發現,化肥施用量雖然不同省份節省的程度不同,但平均可節約39.7%。本研究從化肥施用技術的角度證明了目前我國農業生產中化肥施用是不合理的。糧食生產過程中存在嚴重的化肥過量施用問題,重要原因是化肥施用技術存在無效率部分。因此,從化肥施用技術效率的角度來考慮,我國化肥施用的技術效率非常低,通過提高對化肥施用的管理水平和提高施用技術是可以減少化肥投入量的。

我國《零增長行動方案》所要控制的化肥施用量遠遠小于化肥施用無效率的部分,因此適當減少化肥的施用量并不會降低我國的糧食產量,也不會對我國的糧食安全造成影響,反而會通過提高對化肥的管理水平和施用技術,可有效地減少化肥施用量,提高化肥的利用效率,節約生產成本,減少農業的面源污染,有效維持我國農業生產的可持續發展。從本文得出的結果可見,若有效提高我國的化肥施用效率,《化肥零增長行動方案》所制定的目標是完全可以實現的。通過減少化肥施用可緩解我國的農業面源污染問題,保護我國農業生態環境,從長遠看有利于我國農業生產的可持續發展。

如何減少過量的化肥施用量、提高化肥施用效率,是擺在當前我國糧食生產面前亟需解決的問題。許多學者對我國化肥施用效率的影響因素進行了研究,但學術界對我國化肥過量施用的原因并沒有形成一致的結論。如張福鎖[21]認為,農民對科學施肥相關知識和技術缺乏是導致化肥過量施用的主要原因;黃季火昆等[22]認為,發展中國家的農業政策和種植補貼都可能促使農戶多施加化肥;也有學者研究了農業經營規模、財政支持、農民收入和農業技術推廣等因素對化肥施用效率的影響[10,23-24]。

本文針對我國化肥施用現狀,為減少化肥的施用和提高化肥施用效率,保障我國糧食安全和農業的可持續發展,提出以下建議:首先,加大對農業技術的推廣力度。農業技術推廣是提高農戶合理施肥技術的重要環節。通過農業技術推廣活動,發揮農業技術推廣人員的能力,培訓農民的肥料管理和施肥技術,引導他們根據土壤質量、自然環境和糧食作物生長規律進行合理施肥。其次,增加有機肥、農家肥、測土配方肥施用,用有機肥等代替化肥施用,降低農業的面源污染,提高農民的施肥技術。第三,農民受教育程度相對較低也是造成化肥過量施用的重要原因。提高農民的素質，可相應提高化肥的施用效率。第四,由于農民對化肥增產效果的高度依賴,將加大化肥用量作為避免糧食減產的主要手段。因此，如果政府部門健全農業保險制度,引導他們轉變規避風險的方式,可有效減少化肥的施用量。

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AnalysisonFertilizerApplicationEfficiencyofGrainProductioninChinaBasedonStochasticFrontierFunction

LIU De-wei,LI Qiang,SONG Xiao-hang
(College of Economics and Management,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

China is an agricultural country,which had about a population of 1.38 billion,which was the Chinese most basic national condition.The guarantee of food security was one of the important policy in China.It was the fact that chemical fertilizer played an important even non-substitutable role in improving the food production. Nevertheless,which also caused serious non-point source pollution,such as,fertilizers could release nitrogen into natural systems such as rivers,upsetting the natural balance However,in many parts of China fertilizer use could be slashed by up to 60%.The action plan of zero growth of fertilizer was put forward by the ministry of agriculture in 2015,but it was still a question whether the policy would influence on the food safety of China.In this paper the authors used the CD Stochastic Frontier Analysis(SFA) on the per elements of agricultural production efficiency and fertilizer inputs to estimate technical efficiency.The results indicated that the inefficiency actually existed in agriculture of China,the average efficiency was 0.894.The fertilizer input technology efficiency was lower than the production efficiency,the former only was 0.603.It could be concluded that there was still great save space for using of fertilizer.The goal on some degree of chemical fertilizer and the sustainable development of grain production could be achieved through the reasonable application of chemical fertilizer and improvement of fertilizer technology under the premise of guarantee food security.In the further research,the key point for us would be finding out the reasonable using technology and methods of fertilizer.Therefore,there were such work for us to research thoroughly and thought deeply.

food safety;fertilizer application efficiency;stochastic production frontier

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.04.004

F301.24

A

1005-8141(2017)04-0401-07

2017-02-07；

2017-03-14

中央高校“基本科研業務費專項”資金資助(編號:TD2012-10)。

劉德偉(1989-),男,山東省諸城人,碩士研究生,主要從事農業理論與政策研究。

李強(1974-),男,山西省長治人,博士,副教授,主要從事農業政策及農村勞動力轉移等方面的研究。