甘蔗種植的化肥利用率及碳減排潛力分析

朱 寧1,曹 博

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所,北京 100081;2.河北金融學(xué)院,河北 保定 071051)

食糖是重要的戰(zhàn)略性農(nóng)產(chǎn)品之一,食糖產(chǎn)業(yè)不僅關(guān)系著數(shù)千萬糖農(nóng)的生計(jì)和主產(chǎn)區(qū)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更關(guān)系著國(guó)家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展和居民的日常生活保障[1-3]。甘蔗是食糖的主要原料,2016年我國(guó)甘蔗產(chǎn)量是甜菜產(chǎn)量的11.90倍。從未來趨勢(shì)判斷,甘蔗產(chǎn)量占糖料產(chǎn)量的比重還有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)[3,4]。從甘蔗種植看,甘蔗是一種需肥量較多的作物,蔗農(nóng)為了獲得更高的產(chǎn)量,過量施用化肥[5],拉高了甘蔗的種植成本,帶來大量碳排放,引發(fā)環(huán)境污染,造成甘蔗產(chǎn)量和質(zhì)量雙降。如何提高化肥利

用效率,進(jìn)而在削減化肥施用量的前提下實(shí)現(xiàn)碳減排成為亟待研究和解決的重要問題[6,7]。

已有研究文獻(xiàn)中，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度對(duì)甘蔗種植的化肥利用率和碳減排的研究較少，從技術(shù)角度對(duì)甘蔗種植過程中肥料施用問題的研究相對(duì)較多,主要分析了有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥、氮肥、配方肥和特種肥料施用對(duì)甘蔗生產(chǎn)效果的影響[5-11]。從有關(guān)化肥利用率、碳減排效率研究上,學(xué)者們以糧食作為研究對(duì)象做出的研究成果較多,利用CD生產(chǎn)函數(shù)測(cè)算出我國(guó)糧食生產(chǎn)的化肥利用效率較低[12],增加了碳排放[13-15]。還有學(xué)者基于糧食主產(chǎn)區(qū)化肥利用率的測(cè)算,分析了碳減排潛力[16,17]。總體來看,對(duì)甘蔗種植化肥利用率、碳減排的研究有待加強(qiáng),需要借鑒以上研究思路、方法以及變量或指標(biāo)。本文利用甘蔗種植投入—產(chǎn)出數(shù)據(jù),基于CD生產(chǎn)函數(shù)測(cè)算了化肥的利用率,測(cè)評(píng)了甘蔗種植過程中的化肥過量施用數(shù)量和碳減排潛力,為提升化肥利用率和減少碳排放的對(duì)策建議提供依據(jù)。

1 研究方法

借鑒以往學(xué)者測(cè)算化肥利用率的方法[12],利用CD生產(chǎn)函數(shù)測(cè)算甘蔗種植過程中化肥過量施用問題,首先利用模型測(cè)算化肥的產(chǎn)出彈性,然后計(jì)算出最優(yōu)化肥投入量和過量施用量。CD生產(chǎn)函數(shù)的計(jì)算公式為:

(1)

式中,Y為產(chǎn)出;A為反映一般技術(shù)水平的效率參數(shù);Xi為各種生產(chǎn)要素(i=1,2,…,n);Zi為虛變量;αi為生產(chǎn)要素的產(chǎn)出彈性;βi為虛變量系數(shù)。

邊際收益等于邊際成本是利潤(rùn)最大化的基本條件,且生產(chǎn)要素價(jià)格與農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的比值等于生產(chǎn)要素對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的邊際效應(yīng)。據(jù)此,可推討出:

(2)

式中,PXj為生產(chǎn)要素Xj的價(jià)格;PY為農(nóng)產(chǎn)品Y的價(jià)格。生產(chǎn)要素對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的邊際效應(yīng)為:

(3)

對(duì)式(3)做進(jìn)一步轉(zhuǎn)化,可得:

(4)

進(jìn)而可得單位面積生產(chǎn)要素最優(yōu)投入量:

(5)

基于式(5),結(jié)合實(shí)際投入量,則可測(cè)算生產(chǎn)要素投入過量的數(shù)值:

Xj-overuse=Xj-actual-Xj-optimal

(6)

2 甘蔗種植化肥利用率

2.1 數(shù)據(jù)來源與指標(biāo)選擇

數(shù)據(jù)來源于2005—2017年《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》中甘蔗種植的投入—產(chǎn)出數(shù)據(jù),利用2017年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》中甘蔗產(chǎn)量的省份排名數(shù)據(jù),選取廣西、云南、廣東、海南甘蔗生產(chǎn)數(shù)據(jù),這4個(gè)省份2016年甘蔗產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的95.62%。

參考以往學(xué)者利用農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)投入—產(chǎn)出數(shù)據(jù)模擬CD生產(chǎn)函數(shù)和測(cè)算生產(chǎn)效率的指標(biāo)選擇,選取甘蔗產(chǎn)量作為產(chǎn)出指標(biāo)(期望產(chǎn)出),選取化肥(氮肥、磷肥、鉀肥,均為折純量)、農(nóng)藥、機(jī)械、勞動(dòng)力、其他等作為投入指標(biāo),指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 主產(chǎn)省份2004—2016年甘蔗種植平均投入—產(chǎn)出統(tǒng)計(jì)

2.2 化肥利用率測(cè)算

利用計(jì)量軟件對(duì)CD生產(chǎn)函數(shù)進(jìn)行模擬(表2),模擬結(jié)果通過了模型整體檢驗(yàn),可支撐本文的具體研究?jī)?nèi)容。就化肥對(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響來看,氮肥、磷肥和鉀肥對(duì)甘蔗產(chǎn)量有顯著影響,說明化肥對(duì)甘蔗產(chǎn)量的提升具有積極作用,但化肥利用情況如何,還需做進(jìn)一步測(cè)算。就其他變量對(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響來看,農(nóng)藥和其他投入對(duì)甘蔗產(chǎn)量具有正向影響,在甘蔗種植過程中應(yīng)予以重視,尤其是農(nóng)藥對(duì)甘蔗生產(chǎn)的保障作用。機(jī)械應(yīng)用對(duì)甘蔗生產(chǎn)具有顯著的正向影響,而勞動(dòng)力對(duì)甘蔗生產(chǎn)具有顯著的負(fù)向影響,說明甘蔗種植機(jī)械可替代勞動(dòng)力。

表2 CD生產(chǎn)函數(shù)模型結(jié)果統(tǒng)計(jì)

基于以上模型的結(jié)果,利用式(5)、式(6)測(cè)算了不同省份甘蔗種植的化肥最優(yōu)投入量、過量數(shù)量和利用率(表3)。就化肥最優(yōu)施用量來看,甘蔗種植需要化肥341.66kg/hm2。其中,氮肥、磷肥和鉀肥的最優(yōu)施用量分別為202.88kg/hm2、83.99kg/hm2和54.79kg/hm2,氮肥的施用量高于磷肥和鉀肥。4個(gè)甘蔗主產(chǎn)省中廣東的化肥最優(yōu)施用量最高,其次是廣西,排名最后的是海南,主要差額在于氮肥施用量。就化肥過量施用數(shù)量來看,甘蔗種植過量施用化肥435.03kg/hm2,該數(shù)值高于最優(yōu)施用量。其中,氮肥、磷肥和鉀肥分別過量施用206.57kg/hm2、118.64kg/hm2和109.83kg/hm2,氮肥過量施用量最高。4個(gè)甘蔗主產(chǎn)省中廣東的化肥過量施用數(shù)量最高,達(dá)到了741.58kg/hm2,其次是廣西。這一結(jié)果說明,甘蔗主產(chǎn)區(qū)的化肥減量施用潛力較大。就化肥利用率來看,甘蔗種植的化肥利用率約為43.99%。其中,氮肥的利用率相對(duì)較高,達(dá)到了49.55%;其次是磷肥,約為41.44%,最低的是鉀肥,僅為33.28%。4個(gè)甘蔗主產(chǎn)省中云南的化肥利用率最高,達(dá)到了62.25%,最低的是廣東,僅為34.67%。這一結(jié)果說明,不同化肥之間不僅存在利用率差異,不同地區(qū)之間也存在化肥利用率差異,驗(yàn)證了甘蔗主產(chǎn)區(qū)削減化肥的必要性。

表3 甘蔗種植的化肥利用情況統(tǒng)計(jì)

3 甘蔗種植碳減排潛力

利用以往學(xué)者測(cè)算出的符合我國(guó)發(fā)展情況的氮肥、磷肥和鉀肥溫室氣體排放系數(shù)[18],分別為2.116碳當(dāng)量、0.636碳當(dāng)量和0.180碳當(dāng)量,測(cè)算了3種化肥的碳排放量與碳減排潛力(表4)。在化肥最優(yōu)施用量條件之下,甘蔗主產(chǎn)區(qū)的化肥碳排放總量為492.58kg/hm2。其中,氮肥碳排放量為429.30kg/hm2、磷肥碳排放量為53.42kg/hm2、鉀肥碳排放量為9.86kg/hm2。相比較來看,氮肥的碳排放量是由于施用量過多和溫室氣體排放系數(shù)大,使該數(shù)值較大。此外,廣東的甘蔗種植化肥碳排放量最高,其次是廣西。在化肥最優(yōu)施用量條件下,甘蔗主產(chǎn)區(qū)化肥碳減排總量為532.32kg/hm2。其中,氮肥碳減排量為437.09kg/hm2，磷肥碳排放量為75.46kg/hm2，鉀肥碳排放量為19.77kg/hm2。4個(gè)甘蔗主產(chǎn)省的碳減排規(guī)律與化肥最優(yōu)施用量條件下的化肥碳排放量分布規(guī)律一致,廣東甘蔗種植的碳減排量最高,其次是廣西。總體上,甘蔗種植的碳減排潛力較大。在化肥最優(yōu)施用量條件下,甘蔗主產(chǎn)區(qū)化肥碳減排比例超過了50%。其中,鉀肥的碳減排比例最高,達(dá)到了66.72%;其次是磷肥,雖然氮肥的碳減排比例相對(duì)最小,但碳減排的比例仍超過了50%。4個(gè)甘蔗主產(chǎn)省碳減排比例最高的是海南,其次是廣東,碳減排潛力最小的是云南省,約為41.32%。在保障甘蔗產(chǎn)量的條件下,有必要推進(jìn)化肥最優(yōu)施用量,以挖掘碳減排潛力,緩解面源污染問題。

表4 甘蔗種植的化肥碳減排潛力統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與建議

結(jié)論包括：①氮肥、磷肥和鉀肥對(duì)甘蔗產(chǎn)量具有顯著的正向影響,化肥施用能有效提升甘蔗產(chǎn)量,模型結(jié)果驗(yàn)證了農(nóng)藥對(duì)甘蔗生產(chǎn)的保障作用和機(jī)械對(duì)勞動(dòng)力的替代作用。②在保障甘蔗產(chǎn)量的前提下,甘蔗種植的化肥利用率為43.99%,化肥減量施用的潛力較大,尤其是氮肥的減量施用。廣東甘蔗種植的化肥施用過量最多,利用率最低。③在化肥最優(yōu)施用量條件下,甘蔗種植的碳減排潛力超過了50%,單位面積碳減排可達(dá)532.32kg/hm2。其中,海南的碳減排潛力最大,廣東的碳減排量最高。

基于以上研究結(jié)論,本文提出以下對(duì)策建議:①加強(qiáng)對(duì)甘蔗種植碳排放和環(huán)境問題的重視程度。提高對(duì)甘蔗種植造成環(huán)境污染的重視程度,主產(chǎn)省份研究制定與發(fā)布實(shí)施符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的有關(guān)甘蔗種植過程中化肥等生產(chǎn)要素投入過度造成碳排放和環(huán)境污染方面的處理措施。同時(shí),通過政府相關(guān)部門的技術(shù)培訓(xùn)、技術(shù)指導(dǎo)、宣傳等,提高種植戶對(duì)甘蔗種植碳排放造成環(huán)境問題的重視程度,并指導(dǎo)農(nóng)戶利用環(huán)境友好型技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳減排，緩解對(duì)環(huán)境的污染。②制定并推廣適用于不同省份的科學(xué)施肥方案。甘蔗主產(chǎn)區(qū)應(yīng)積極提倡科學(xué)合理施肥,更為重要的是,不同省份應(yīng)結(jié)合甘蔗種植過程中化肥過量情況,科學(xué)制定施肥方案,如在保障甘蔗產(chǎn)量的前提下,廣西和廣東應(yīng)全面削減化肥施用量,云南重點(diǎn)削減氮肥和鉀肥施用量,海南省重點(diǎn)削減氮肥和磷肥施用量。在提倡科學(xué)施肥的同時(shí),需發(fā)揮農(nóng)業(yè)科研部門和農(nóng)技推廣部門的作用,全面推廣科學(xué)施肥和測(cè)土配方施肥技術(shù),在保障甘蔗生產(chǎn)產(chǎn)量的前提下進(jìn)行土壤改良和碳減排,實(shí)現(xiàn)化肥使用量的“零增長(zhǎng)”目標(biāo)。③推進(jìn)畜禽糞污有機(jī)肥的發(fā)展與應(yīng)用。基于國(guó)家發(fā)布或出臺(tái)的與畜禽糞污資源化利用的相關(guān)通知、意見、方案等,制定扶持環(huán)境友好型肥料——畜禽糞污有機(jī)肥的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品推廣等方面的政策措施,充分利用項(xiàng)目的帶動(dòng)作用,鼓勵(lì)甘蔗種植戶使用畜禽糞污有機(jī)肥,推進(jìn)甘蔗種植過程中有機(jī)肥部分替代或完全替代化肥。