我國化肥投入的區域優化配置研究
——基于農業增產與環境保護視角

(東北農業大學 經濟管理學院,黑龍江 哈爾濱 150030)

我國化肥投入的區域優化配置研究
——基于農業增產與環境保護視角

張永強,張曉飛,周 寧,李 雪
(東北農業大學 經濟管理學院,黑龍江 哈爾濱 150030)

合理配置化肥資源對增加我國農業產出、改善農業生態環境意義重大。在化肥總投入量不變的約束條件下,為了提高化肥的配置效率、實現農業經濟持續增長、最大限度地減少環境污染,基于農業增產和環境保護視角，利用邊際效益理論對我國的化肥投入狀況進行了研究。結果表明:2000—2014年我國農業產出回報率和環境優化彈性存在顯著的區域差異,經過優化后的農業產出增長率顯著提高,農業生態環境得到明顯改善。從政府和農戶層面提出了相應的對策措施。

化肥;區域;優化配置;農業增產;環境保護

1 引言

隨著農業經濟的發展,我國農業生態環境日益惡化,尤其是農業面源污染問題日益嚴重。在諸多引致因素中,過量和不合理施用化肥成為中國農業面源污染最主要的來源之一[1]。1975年,我國單位面積化肥施用量僅為70kg/hm2,大致等同于世界的同期水平;2000年,我國單位面積化肥施用量達到279kg/hm2;2008年,我國單位面積化肥施用量達到300kg/hm2,已遠遠超過發達國家設置的225kg/hm2的安全標準[2],化肥污染將保持繼續上升趨勢,成為農業面源污染的重心[3]。近十年來,我國的化肥投入量以每年3%的速率增加,高環境風險區域擴大較快[4],糧食供給的質量安全面臨巨大挑戰。

2 理論基礎

提高農業產出效益的方式有很多,基于不同視角、使用不同方法會產生不同的投入—產出效應,但其中最關鍵的就是資源的合理配置。資源的合理配置應遵循特定原則,如產量最大、產值最高、盈利最大等分配在各種不同的用途中,以使有限的資源生產出總量最多,或社會、經濟、生態效益最佳,為社會所需要的產品[6]。化肥投入在區域上的優化配置是指將有限的化肥資源遵循系統最優原則,在不同的區域中均能達到經濟效益與生態效益最大化,最終實現帕累托最優。

經濟理論表明,資源配置的邊際報酬在不同部門或不同地區之間都相等是資源總效率達到最大化的必要條件。對具有既定預算約束的投資來說,其投資總額如需在不同部門、產品、地區或項目之間進行分配,則資源配置的最佳效率將出現在該投資在這些部門、地區、產品或項目上獲得均等的邊際收益之中[7]。對化肥投入的區域優化配置而言,當最后一單位的化肥在不同地區間的邊際收益相等時,化肥總投入的系統效應將實現最大化。在實際配置過程中,如果化肥投入并沒有在各個區域上實現農業產出最大化,則會造成化肥資源在使用和配置上的浪費。雖然在農業生產中可調整影響農業產出的各種要素投入量,使施肥量與產出量之間保持較高的投入—產出效率。但在通常的肥料實驗與生產實踐中,化肥投入的邊際報酬遞減規律是客觀存在的,故可用邊際產量或邊際收益將化肥作為在各區域上優化配置的理論依據。

3 模型與數據

3.1 模型

本文以農業增產和環境保護為研究視角,在理論基礎上構建了邊際經濟收益模型、邊際環保效益模型和區域優化模型。

邊際經濟收益模型：由于Cobb-Dauglas生產函數(C-D生產函數)具有經濟意義明確和參數易估的特點,故用其對數形式作為農業產出函數,可由式(1)表示。化肥投入對農業產出的影響不僅僅表現在化肥施用的當年,對之后若干年的農業產出均會產生不同程度的影響,故將化肥投入以存量的形式添加到式(2)中。由于通脹、經濟增長等因素,不同時期農業產出的資金價值不具有可比性。為了使資金價值統一化,需將每年的農業收益折現,然后加總各年收益作為農業產出的總收益。第t年的化肥投入在第t+r年的農業邊際收益(MR)和總邊際收益(TMR)中可分別由式(3)和式(4)表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Q為農業產出,F為化肥投入存量,X為除了化肥投入以外的其他投入要素,α為其它要素的產出彈性,β為化肥投入的產出彈性,t為時間,θ為滯后系數,ρ為折現比率。

①本文系2015年江西省高等學校教改課題“基礎教育新課改背景下高師《數學史》課程體系改革研究”(JXJG-15-23-7)系列成果之一.

邊際環保效益模型:化肥投入對環境的影響同它對農業產出的影響類似,均需要較長的作用時間。第t年由化肥投入造成的環境污染可能是前t-r年的化肥投入共同形成的結果。因此,第t-r年的化肥投入對環境的邊際影響可由式(5)表示;過去t-r年的化肥投入對第t年環境的共同影響可由式(6)表示。

(5)

(6)

式中,ME為邊際環保效益,TME為總的邊際環保效益,E為環境污染系數,δEtRt-r為第t-r年的化肥投入對t年的環境保護彈性,δEtQt為農業產出對環境污染的彈性,δQtRt-r為第t-r年的化肥投入對第t年的農業產出彈性。

區域優化模型:以邊際效益相等為理論基礎,可構建出化肥投入的區域優化模型。其中,區域優化模型主要包括目標函數和約束條件兩部分。由于邊際效益降低,利潤會隨之減少,化肥投入的風險增加,農戶可能會減少糧食播種面積,在某種程度上會造成糧食安全隱患[8]。此外,大量權威研究表明,在諸多引致因素中因過量和不合理施用化肥帶來的養分流失逐漸成為我國農業面源污染最主要的來源之一[9],不當的化肥施用還會導致土壤發生各種形式的退化,嚴重威脅著農業的持續發展[10],因此本文以農業增產(農業產出最大化)和環境污染水平最低為目標。為了分析化肥投入在我國不同地區的配置效率,以化肥投入總量為約束條件進行研究。為了清晰地表明化肥投入對農業產出與環境的影響,文中農業產出函數和環境保護函數除化肥投入以外的其他變量均設為常量,僅分析第t年的的化肥投入與其作用期內的農業產出與環境污染的關系。區域優化模型可表示為:

目標函數:

(7)

(8)

Qa(t+r)=Ya(Xa(t+r),Wa(t+r),…,Rat…,Ra(t-r-n))

(9)

約束條件:

(10)

式中,a為各個區域;A為區域總數;Ya為a區域的農業產出;變量上面有曲線表示常量,未加標識的為自由變量,其他字母的含義與前文相同。

3.2 數據

各區域農用化肥施用量和各地區農用地數據來自歷年的《中國農村統計年鑒》,其他指標數據來自歷年的《中國統計年鑒》。折現比率借鑒張玉梅等對科研投資優化配置的數據計算方法,折現率取值為10%,并將化肥投入和農業總產值統一轉化為2000年的價格進行分析。在模型參數方面,由于參數估計較復雜,本文借鑒農業資源區域優化配置的相關研究進行賦值計算。文中各區域數據由所在省份加總而得。

4 各區域化肥投入作用效果

4.1 區域總體概況

為了突出生態區域與行政區域相結合的特點,同時確保數據的完整性和統計分析的準確性,本文采用地理學區域劃分方法,將我國總體區域(臺灣省未在本文列出)分為東部、中部、西部三個地區。其中,東部地區的省份包括:北京、天津、上海、山東、江蘇、黑龍江、吉林、遼寧、河北、海南、廣西、廣東、福建、安徽;中部地區的省份包括:內蒙古、山西、湖南、河南、湖北、江西、重慶、四川、貴州、云南;西部地區的省份包括:陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆、西藏。需要特別說明的是,化肥對大氣的污染主要集中在氮肥上,施用于農田的氮肥會以氣體形式進入大氣,造成一系列的影響[11]。農田徑流帶入地表水的氮占人類活動排入水體氮的51%,使江河湖等水域中氨氮和硝酸鹽日益增多,富營養化日趨嚴重,同時造成江河、湖庫和地下水污染[12]。因此,本文選取各地區農業廢水廢氣排放量作為測度農業環境污染的指標。全國及三大地區各個指標統計量見表1。

表1 全國及三大地區各個指標統計量

注:根據2001—2015年《中國統計年鑒》和2001—2015年《中國農村統計年鑒》整理而得。環境污染系數=各地區農業廢水廢氣排放量/相應區域農業生產總值;化肥施用強度=各地區農業化肥施用量/相應區域農業生產總值。

2000—2014年,化肥投入年均增長率在三大地區之間的差異十分明顯：西部地區高達4.6%;中部地區達3.0%,略高于全國平均水平;東部地區低于全國水平,僅為1.7%。2000—2014年,全國農業生產總值不斷增長。按2000年的價格計算,我國農業生產總值年均增長9.6%，其中西部地區農業生產總值年均增長率最高(11.8%)、中部次之(9.8%)、東部最低(9.2%),這與各地區間的化肥投入年均增長率相吻合。化肥污染強度和環境污染系數兩者總體趨勢均由東向西遞減,這與化肥投入年均增長率趨勢相反,說明中西部地區每單位耕地的化肥投入量高于東部地區。未來一段時間,中西部的化肥施用強度可能超過東部。

4.2 區域化肥投入效率

根據張玉梅等對農業資源區域優化配置的研究可知,農業研究階段一般為5年[13]。在化肥投入與農業產出增長兩者的關系方面,王祖力等分析出化肥投入對農業產出增長的彈性值為0.2[14]。因此,本文將化肥施用對農業產出和環境影響的滯后時間設為5年,將化肥投入存量的產出彈性值設為0.2。為了簡化計算,將農業經濟增長對環境優化的彈性值均設為1。表2顯示的是采用二次多項式中倒“U”型分布估算的化肥投入1—5期的滯后系數。

表2 化肥投入1—5期的滯后系數

表3 化肥投入對農業產出及環境的作用結果

我國2000—2014年化肥投入的區域農業產出效應與環境優化效應見表3。總體上來看,我國化肥投入的邊際經濟收益較高。其中,東部地區化肥投入的邊際回報率高達0.326;中部次之,為0.278;西部最低,為0.247。這可能是由于各地區自然環境、農業技術、土壤肥力等資源稟賦條件不同造成的。東部地區氣候條件優越、農業技術發達、土壤肥沃,化肥施用對農業產出的回報率高;雖然中西部地區的化肥投入年增長率高于東部地區,但中西部地區資源稟賦條件相對較差,對農業產出的回報率低于東部地區。在化肥投入的區域環境優化方面,三大地區的環境優化彈性值存在著顯著差異,呈現出由東向西依次遞增趨勢,東西部地區之間的差值達到0.174。造成地區之間存在顯著差異的原因可能是氣候條件、植被覆蓋、人為活動等因素不同。東部地區氣候適宜、植被覆蓋率高、環保意識相對較強、農業生態環境自我調節能力較強,化肥投入對東部地區環境優化的彈性系數較小;西部地區自然條件惡劣、水土流失和土地鹽堿化嚴重、農業生態環境自我調節能力較差，環境一旦遭到破壞,很難在短時間內得以恢復,化肥投入對西部地區環境優化的彈性系數較大。

5 化肥投入的區域優化配置

資源配置無論對任何行業和部門的發展都是重要的,農業尤其如此[15],而我國三大區域的農業產出回報率和環境優化彈性存在顯著的空間差異。在化肥投入總量不變的約束下,合理調整各區域間的化肥投入結構,區域間邊際效應相等時可提高化肥的配置效率,達到化肥投入在個區域間優化配置的目標。本部分基于農業產出效應和環境優化效應兩個角度,探索化肥投入在各區域的最優配置策略,為我國化肥投入在各區域的最優配置提供參考依據。

5.1 農業產出最大化目標下的優化配置

2000—2014年我國三大區域間的化肥投入水平呈波動起伏趨勢。為了便于分析,本文將2000—2014年劃分為2000—2005年、2006—2010年、2011—2014年三個階段,然后分別計算每個階段的化肥投入平均變化率。經計算分析可知,2000—2005年我國三大地區的化肥投入平均變化率由東向西依次遞增,中西部地區的變化率普遍高于全國同期平均水平,東部地區的平均變化率比全國同期水平低5.7%;2006—2010年,我國三大地區的化肥投入平均變化率差異化水平最高,東西部地區相差高達20.4%;2011—2014年,我國三大地區的化肥投入平均變化率差異化水平降低,東部地區化肥投入出現負增長。整體而言,2011—2014年我國的化肥投入水平均比2006—2010年降低。化肥投入結構經過優化后,各個時間段的農業產出均有所提高。用優化后的新增農業產出分別除以化肥投入總量和農業總產值,可得到經過優化后的化肥投入增收率和農業新增總產值增長率。優化后的化肥投入增收率和新增農業總產值增長率總體呈上升趨勢,兩者之間的整體變化大致相同。2008—2012年,我國化肥投入增收率和農業新增總產值增長率兩者增速最顯著,均在2012年達到峰值,別分為4.1%和3.6%,具體變化趨勢見圖1。

圖1 優化后2000—2014年化肥投入增收率及農業總產值增長率趨勢

5.2 環境污染最小化目標下的優化配置

在化肥投入總量不變的約束下,為了達到環境污染最小化的目標,需增加東部地區的化肥投入量,相應減少中西部地區的投入量。化肥投入結構經過優化配置后,三大地區的化肥投入對環境的邊際影響均為0.026,即減少1萬t的化肥投入量,可使各個地區的環境污染系數降低2.6%。2000—2014年我國的化肥投入經過優化配置后環境污染系數降低了3.172,凈優化值占全國水平的16.7%。在環境保護方面,環境改善率大多維持在8%左右,部分年份超過10%,環境改善效果明顯。2000—2014年環境污染最小化目標下的化肥投入優化配置狀況見表4。

表4 2000—2014年環境污染最小化目標下的化肥投入優化配置

注:作者計算,環境改善率=(優化前的環境污染系數-優化后的環境污染系數)/優化前的環境污染系數。

6 結論與建議

6.1 結論

化肥資源的區域優化配置是提高化肥配置效率的有效方式,有助于增加農業產出并減少環境污染。我國化肥資源的配置效率在東部、中部、西部三大地區間存在著顯著的差異,化肥施用強度呈現出由東向西遞減的趨勢,但化肥投入年均增長率呈現出由東向西遞增的趨勢。東部地區的農業總產值年均增長率低于西部地區,兩者相差2.6%。從農業生態環境來看,我國西部地區的農業環境污染水平明顯高于東部地區的農業環境污染水平,環境污染系數相差8.166。農業新增總產值增長率最高達4.1%,環境改善率均維持在8%左右,化肥投入的邊際產出效應及環境改善效應均較為明顯。

6.2 建議

基于農業增產與環境保護視角,本文從政府和農戶兩個層面提出以下建議:①在政府層面,一是制定防治農業面源污染的法律法規,明確防治農業面源污染的具體指導原則,制定出可行的農業面源污染防治方案,用法律力量切實保證農業生態環境;二是實施農業環保補貼與種糧補貼相結合的政策,將農業環保補貼納入到財政支農體系中,在追求糧食增產的同時,加強對農業生態環境的保護;三是實行農田輪耕休耕制,在生態環境污染嚴重的地區強制實行退耕制度。同時，根據地域發展狀況,制定符合當地農業可持續發展的耕作制度。②農戶層面:一是要嚴格遵守政府制定的法律法規,提高保護農業生態環境的意識。在實際生產中,使用高效環保的農業投入品,多使用有機肥、生物肥、農家肥,減少化肥的使用量。二是改變傳統的耕種方式,提高化肥的利用率。通過深耕、翻耕的耕作方式改變以前粗放型的施肥方法,由撒肥轉變為埋肥,提高化肥的利用率。

[1]鄭鑫.丹江口庫區農戶有機肥施用的影響因素分析[J].湖南農業大學學報(社會科學版),2010,11(1)∶11-15.

[2]龔琦,王雅鵬.我國農用化肥施用的影響因素——基于省際面板數據的實證分析[J].生態經濟(中文版),2011,(2)∶33-38,43.

[3]李海鵬,張俊飚.中國農業面源污染與經濟發展關系的實證研究[J].長江流域資源與環境,2009,18(6)∶585-590.

[4]劉欽普.中國化肥投入區域差異及環境風險分析[J].中國農業科學,2014,47(18)∶3596-3605.

[5]王瑞玲.優化化肥資源區域配置 提高糧食整體生產能力[J].中國農業資源與區劃,2005,26(1)∶42-47.

[6]林忠輝,陳同斌,周立祥.中國不同區域化肥資源利用特征與合理配置[J].資源科學,1998,20(5)∶26-31.

[7]朱晶.公共投資優化配置的理論與方法——以農業科研公共投資的地區分配為例[J].南京農業大學學報(社會科學版),2003,3(2)∶50-55.

[8]洪業應,安和平. 基于糧食安全與化肥投入的協調發展研究——以畢節地區為例[J]. 農業現代化研究,2011,32(5)∶577-580.

[9]趙志堅,胡小娟,彭翠婷,等.湖南省化肥投入與糧食產出變化對環境成本的影響分析[J].生態環境學報,2012,21(12)∶2007-2012.

[10]黃成敏.化肥施用與土壤退化[J].資源開發與市場,2000,16(6)∶348-350.

[11]鄭良永,杜麗清.我國農業化肥污染及環境保護對策[J].中國熱帶農業,2013,16(2)∶76-78.

[12]胡社祝.淺談農業化肥污染與環境保護[J].廣東農業科學,2008,(9)∶138-139.

[13]張玉梅,劉鳳偉,劉麗娜.中國農業科研投資區域優化配置研究[J].農業經濟問題,2008,(S1)∶42-50.

[14]曾靖,常春華,王雅鵬.基于糧食安全的我國化肥投入研究[J].農業經濟問題,2010,(5)∶66-70,111.

[15]陳錫文.資源配置與中國農村發展[J].中國農村經濟,2004,(1)∶4-9.

StudyonRegionalOptimalAllocationofChemicalFertilizerInputinChina——BasedonAgriculturalProductionIncreaseandEnvironmentalProtection

ZHANG Yong-qiang,ZHANG Xiao-fei,ZHOU Ning,LI Xue
(College of Economics and Management,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Rational allocation of chemical fertilizer resources was of great significance to increase the agricultural output and improve the agricultural ecological environment.In order to improve the allocation efficiency of chemical fertilizers and achieve sustainable economic growth and minimize environmental pollution under the constraints of the total input of chemical fertilizers,this paper,based on the agricultural production and environmental protection perspectives,studied on chemical fertilizer input in China by using marginal efficiency theory.The results showed that there were significant regional differences in the rate of return of agricultural output and the optimal elasticity of environment between 2000 and 2014,and the growth rate of agricultural output after optimization was significantly improved,and the agricultural ecological environment was also improved obviously.Finally,the corresponding countermeasures were put forward from the government and farmers.

chemical fertilizers;regional;optimal allocation;agricultural production;environmental protection

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.02.009

S147.22；X592

A

1005-8141(2017)02-0169-05

2016-12-15；

2017-01-12

國家軟科學項目“利用國際科技合作資源打造東北現代農業升級版對策研究”(編號:2014GXS2D017);中國博士后基金項目“農村循環經濟產業鏈研究”(編號:20100480973);黑龍江省科技廳攻關項目“新農村建設生態技術工程及配套技術示范”(編號:GA08B601-11);黑龍江省社科基金項目“糧食安全框架下黑龍江省種子產業創新戰略研究”(編號:14B066)。

及通訊作者簡介：張永強(1971-),男,內蒙古自治區包頭人,博士,東北農業大學經濟管理學院副院長,副教授,碩士生導師,主要研究方向為農業經濟管理、農產品市場營銷。