化肥投入變化對糧食生產效率的影響

孫小鈞 伍國勇 任秀

摘要：【目的】探究化肥投入變化對貴州省糧食生產效率的影響，為貴州省實現農業綠色化、現代化發展和保障糧食安全提供理論參考。【方法】構建隨機前沿生產函數模型，基于2001、2006、2011和2016年貴州省糧食總產量及其生產要素投入的面板數據，測算貴州省糧食生產效率，運用空間自相關法分析其空間分布態勢和集聚態勢，利用重力模型分析化肥投入與糧食生產效率的空間耦合關系，并以Tobit模型實證分析化肥投入變化對糧食生產效率的影響。【結果】2001—2016年期間，貴州省糧食生產效率均值為0.8355，效率總體上雖呈下降趨勢，但提升空間較大;糧食生產效率空間地理分布呈西北向東南方向遞減趨勢，空間集聚態勢呈離散分布;化肥投入對糧食生產效率的正向影響顯著，但增產的邊際效用總體較低，且即將進入“內卷化”階段。【建議】充分考慮貴州省實際情況，采取測土配方施肥、加大農業生產科研投入、區域良種和技術研發有償合作、糧食分區生產政策，既能防止化肥施用“內卷化”，又能提高糧食生產效率。

關鍵詞： 化肥投入;糧食生產效率;空間自相關;重心遷移軌跡

中圖分類號： S147;F326.11? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）08-1869-09

The impact of chemical fertilizer input changes on grain production efficiency—An empirical analysis based on panel data of counties in Guizhou Province

SUN Xiao-jun1， WU Guo-yong1，2*， REN Xiu1

（1School of Economics， Guizhou University， Guiyang? 550025， China; 2China Karst Regional Rural Revitalization Research Institute， Guizhou University， Guiyang? 550025， China）

Abstract：【Objective】The aim of the study was to explore the impact of chemical fertilizer application on grain production efficiency in Guizhou Province， and provide guidance for Guizhou Province to achieve greening of agriculture， modernization and food security. 【Method】This paper constructed a stochastic frontier production function model， based on the four-stage panel data of total grain output and production factors input in Guizhou Province in 2001， 2006， 2011 and 2016， measured its grain production efficiency， and analyzed its spatial distribution situation and agglomeration situation by spatial autocorrelation method. The spatial coupling relationship between fertilizer input and its grain production efficiency was analyzed by gravity model. The Tobit model was used to empirically analyze the impact of fertilizer input change on grain production efficiency. 【Result】In 2001-2016， the average grain production efficiency in Guizhou Province was 0.8355， although the overall efficiency showed a downward trend， but the room for improvement was large. In 2001-2016， the spatial distribution of grain production efficiency showed a decreasing trend from northwest to southeast， and the spatial agglomeration situation was discrete. The positive impact of fertilizer input on grain production efficiency was significant， but the marginal utility of increasing production was generally low， and it was about to enter the involution stage. 【Suggestion】Taking full account of the actual situation in Guizhou Province， adopting soil testing and formula fertilization， increasing investment in scientific research in agricultural production， compensation for regional improved varieties and technology research and development， and sub-regional production policies of grain can prevent the involution of chemical fertilizer application and improve food production efficiency.

Key words： fertilizer input change; grain production efficiency; spatial autocorrelation; gravity shift trajectory

0 引言

【研究意義】化肥作為糧食生產投入要素，對糧食增產發揮了一定的促進作用。但過多的化肥投入會導致土壤有機元素結構不平衡，使土壤肥力下降，出現化肥對糧食增產的邊際產出遞減現象（陸文聰和劉聰，2017），此現象又被稱為化肥施用“內卷化”。同時，過量的化肥投入會使土壤酸化，造成生態環境污染（周亮等，2014）。近年來，貴州省糧食產量與農用化肥施用量總體上呈上漲趨勢，且農用化肥施用量增長速度快于糧食產量增加速度。貴州省獨特的山地地形使其耕地呈現小塊化、分散化特征，使得機械替代化肥潛能降低;尤其是喀斯特地貌的耕地土壤有機質流失嚴重，土壤難以存儲肥力，且過量投入化肥對其糧食生產效率帶來負向影響。因此，通過探討化肥投入變化對其糧食生產效率的影響，對貴州省糧食生產持續實施科學施肥指導意見提供依據，為實現其農業綠色化提供方向指引;同時對促進貴州省糧食生產要素投入結構升級、提升糧食增產潛能保障糧食生產安全及實現鄉村振興具有重要意義。【前人研究進展】目前，有關糧食生產效率的研究較豐富，多數學者運用相關模型測算糧食生產效率及其影響因素。范麗霞（2016）運用非徑向、非角度的方向性距離函數（SBM）模型和曼奎斯特（ML）指數法探討技術效率、技術進步與糧食生產效率的內在邏輯關聯，指出技術進步顯著推動了我國糧食全要素生產率的提高，而技術效率未產生實質性的影響;彭代彥和文樂（2016）運用超越對數隨機前沿生產函數（STF）模型探討勞動力結構對糧食生產效率的影響，認為老齡化抑制了我國北方地區糧食生產效率，而女性化推動了北方地區糧食生產效率的提升;唐建和Jose Vila（2016）、楊皓天等（2016）通過隨機前沿生產函數（SFA）模型分析指出，加強職業農民培育、大力發展農業新技術是提高糧食生產效率的重要抓手;高鳴等（2017）基于數據包絡分析（DEA）方法，運用樣本選擇模型探討了種糧補貼對糧食生產效率的影響，指出農業補貼有利于減少糧食生產效率損失;曾雅婷等（2018b）運用Tobit模型探討了農地流轉對糧食生產效率的影響，發現農地流轉推動了糧食生產效率的提高;卓樂和曾福生（2018）采用系統廣義矩估計法（SYS-GMM）驗證了農村基礎設施對糧食全要素生產效率的影響，認為水利基礎設施與交通基礎設施對糧食生產效率有正向推動作用。關于化肥對糧食生產影響的相關研究結果表明，化肥投入的增加對糧食生產起正向影響，以王祖力和肖海峰（2008）、王美兔和田明華（2016）、衛龍寶等（2017）為主要代表，認為農用化肥投入的增加有利于提高糧食生產能力，從而增加糧食產出。然而，化肥施用量的大幅增加會對糧食生產起負向影響，李想等（2017）進一步分析發現，化肥施用量有閾值限制，當化肥施用量低于該閾值時，糧食產量將會保持較快增長;反之，糧食產量將不再增長，甚至出現減產。當前，我國農業生產中化肥施用量的年均增速明顯快于糧食產量增速，使得化肥實際施用量已極大地超出了科學施肥量（史常亮和朱俊峰，2016），導致糧食生產中化肥的正增產效應正在逐漸降低，從而出現單位糧食播種面積內化肥投入卻帶來糧食實際產量不斷減少的現象（趙志堅和胡小娟，2013;張利庠等，2018）。因此，未來合理管控化肥投入是優化糧食生產要素投入結構的重要發力點。【本研究切入點】至今，鮮有文獻從省域層面探討化肥投入對糧食生產效率的影響，相關文獻也極少引入空間地理維度探討糧食生產效率的空間集聚分布態勢。【擬解決的關鍵問題】基于2001、2006、2011和2016年4個年份的貴州省糧食總產量與要素投入的面板數據，測算貴州省糧食生產效率，分析糧食生產效率的空間分布態勢和集聚態勢，探討化肥投入變化對貴州省糧食生產效率的影響，為優化糧食生產要素投入結構和提高糧食生產效率提供指導，同時為貴州省實現農業綠色化、現代化和保障其糧食安全提供理論參考。

1 數據來源與研究方法

1. 1 隨機前沿生產函數（SFA）模型

結合貴州省實際情況，構建測度糧食生產效率的SFA如下：

ln（Yit）=γ0+γ1ln（Lit）+γ2ln（Mit）+γ3ln（Pit）+γ4ln（Fit）+

γ5ln（Iit）+γ6ln（Ait）+νit-μit? ? ? ? ?（1）

式中，i為縣（區），t為年份，Y為糧食產量;L為勞動力;M為農機總動力;P為農藥施用量;F為化肥施用量;I為收入水平，采用農戶家庭人均純收入替代;A為糧食播種面積;γ0表示截距項，γi（i=1，2，3，…，6）為待估系數;ν為擾動項，用以測度系統非效率，并服從正態分布;μ為技術效率損失項，服從半正態分布。上述各變量描述性統計詳見表1。

1. 2 空間自相關法、重力模型和Tobit模型

利用全局和局部Moran’s I指數測度貴州省糧食生產效率的時空演化趨勢和空間集聚態勢，計算公式如下：

I=[i=1nj≠inωij（xi-x）（xj-x）S2i=1nj≠inωij]? （2）

Ii=[（xi-x）S2][j=inωij（xj-x）]? （3）

式中，i、j為研究對象;ω為空間權重;x為糧食生產效率值;`x為糧食生產效率均值;S2為糧食生產效率值方差。其中，I∈[-1，1]。當I>0時，說明貴州省糧食生產效率為正空間相關性，此時以高—高（High-High）、低—低（Low-Low）集聚態勢分布為主;當I<0時，說明貴州省糧食生產效率為負空間相關性，此時以低—高（Low-High）、高—低（High-Low）集聚態勢分布為主;當I=0時，說明貴州省糧食生產效率并不存在空間相關性，其空間集聚態勢呈隨機分布。

運用重力模型（周亮等，2014）分析貴州省糧食生產效率與化肥投入變化的空間耦合關系及作用機理，計算公式如下：

X=[i=1nDixii=1nDi]，Y=[i=1nDiyii=1nDi]? （4）

式中，（xi，yi）表示次級地區i的中心經緯坐標，Di表示次級地區i的觀測值，（X，Y）為觀測值的重心經緯坐標。

另外，參考楊勇等（2017）的方法構建Tobit回歸模型，分析化肥投入變化對貴州省糧食生產效率的影響。

1. 3 數據來源

本研究數據均來源于《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《貴州統計年鑒》《新中國六十年統計資料匯編》中相應年份數據。在數據收集過程中，由于部分縣（區）要素投入數據空缺，因此采用各縣（區）糧食播種面積占農作物播種面積的比值與要素投入的乘積獲得相應數據。

1. 4 統計分析

運用Frontier 4.1測算貴州省糧食生產效率;運用Arcgis 10.2繪制貴州省糧食生產效率空間分布、集聚態勢圖及重心遷移軌跡;以GeoDa分析貴州省糧食生產效率空間相關性，并采用Stata v15.0分析化肥投入變化對貴州省糧食生產效率存在的影響。

2 結果與分析

2. 1 要素投入對貴州省糧食生產的影響

如表2所示，除農藥施用量對貴州省糧食生產呈負向影響外，其余要素均對貴州省糧食生產有正向影響。其中，糧食播種面積對貴州省糧食生產的正向影響最大，表明因地制宜提高糧食播種面積比例，發展適度規模經營，有利于充分釋放糧食增產潛能。農業機械總動力影響其次，表明增加農機投入有利于提高糧食生產效率。從事農業生產的勞動力對糧食生產的促進作用低于農業機械總動力，其主要原因是糧食生產中勞動力投入趨于飽和，邊際產出下降;同時，政府對農機的大力推廣，替代了一部分農業勞動力。農藥施用量對貴州省糧食生產有負向影響，表明在糧食生產中存在農藥施用“內卷化”現象。因此，實施農藥減量投入政策既能防止過量施用農藥對糧食生產帶來的負向影響，又能減少對生態環境的污染。化肥施用量對貴州省糧食生產有正向影響，但促進作用很弱，說明化肥投入也趨于飽和，導致化肥增產的邊際效應降低。通過實施化肥減量投入政策，防止過量施用化肥帶來的負向影響，能促進糧食生產。農戶家庭收入水平對貴州省糧食生產的正向促進作用也很弱，究其原因在于，糧食作物預期收益較低，出于理性決策，農戶在保持基本口糧安全的前提下，會把更多的收入投入到經濟作物生產中，使得糧食生產增長乏力。

2. 2 貴州省糧食生產效率時空演化趨勢

基于SFA估計結果，進一步描繪2001、2006、2011和2016年貴州省糧食生產效率空間分布態勢。總體而言，4個年份貴州省糧食生產效率平均值分別為0.8398、0.8370、0.8341和0.8312，其提升空間較大。圖1顯示，貴州省糧食生產效率的空間地理分布總體上呈由西北向東南方向遞減的趨勢，且空間變化趨勢平穩。從局部來看，糧食生產效率在0.8000以上的高值區主要分布在貴州省東北部、北部、西北部、西部及西南部，約占全省縣域總數的49.38%，具體包括銅仁市（松桃縣、銅仁市、印江縣、沿河縣、德江縣和思南縣）、遵義市、黔南州（甕安縣、福泉市、獨山縣、惠水縣）、畢節市、六盤水市（水城縣、盤縣）、黔西南州（興義縣、興仁縣、安龍縣）、安順市（普定縣）及黔東南州（天柱縣、黎平縣、從江縣）;糧食生產效率在0.7100～0.8000的較高值區分布在貴州省的東北部和南部地區，約占全省縣域總數的25.93%;糧食生產效率值在0.6100～0.7000的低值區分布在貴州省的中部、中東部、中南部及南部，約占全省縣域總數的22.22%;糧食生產效率在0.6000以下的較低值區分布在貴州省的東北部、西部及南部，約占全省縣域總數的3.70%，具體包括銅仁市的萬山特區、黔西南州的望謨縣以及六盤水市的鐘山區。上述結果表明，貴州省糧食生產效率空間分布特征與其地形地貌分布特征總體一致，反映出地形特征極大制約了糧食生產效率的提高。

2. 3 貴州省糧食生產效率空間自相關集聚特征

運用空間自相關法分析糧食生產效率空間集聚特征，通過全局Moran’s I指數分析得出，2001、2006、2011和2016年貴州省Morain’s I指數均值為 -0.0091，表明貴州省糧食生產效率呈離散分布特征，空間自相關為負。而根據局部Moran’s I指數分析發現，2001、2006、2011和2016年貴州省糧食生產效率主要呈High-Low、Low-High集聚態勢分布（圖2）。隨著時間推移，貴州省糧食生產效率空間變化總體平穩。

2. 4 化肥投入變化對貴州省糧食生產效率的影響分析

2. 4. 1 化肥投入與糧食生產效率的重心演化分析 將化肥投入指標分解為化肥施用量、化肥施用增長率、單位化肥施用量、單位化肥施用增長率和化肥施用結構比（氮、磷、鉀肥配施比例）。上述指標描述及統計值詳見表3。

運用重力模型測算化肥投入與糧食生產效率的重心遷移軌跡，通過分析二者間的空間耦合關系，有利于從理論上進一步揭示其內在邏輯關聯。結果表明，貴州省糧食生產效率重心由東南向西北方向遷移（圖3-a）;化肥施用量重心遷移軌跡在2001—2006年由東北向西南方向移動，2007—2016年由西南向東北方向移動（圖3-b）;化肥施用量增長率重心遷移軌跡在2001—2006年向西北方向移動，而2006年之后其軌跡由東北向西南方向移動（圖3-c）;單位化肥用量重心遷移軌跡在2001—2006年由東北向西南方向移動，而2006年之后由西南向東北方向移動（圖3-d）;單位化肥用量增長率重心遷移軌跡在2001—2006年向西北方向移動，而2006年之后其軌跡由東北向西南方向移動（圖3-e）;化肥施用結構比重心遷移軌跡在2001—2006年向西北方向移動，2007—2011年由東北向西南移動，而2012—2016年由西南向東北方向移動（圖3-f）。

綜上所述，在2001—2016年化肥施用量增長率、單位化肥用量增長率與貴州省糧食生產效率存在相關性;在2001—2006年化肥施用量、單位化肥用量與糧食生產效率存在相關性;在2007—2011年化肥施用結構比與糧食生產效率存在相關性。

2. 4. 2 化肥投入變化對糧食生產效率影響的實證分析 基于Tobit模型，選取化肥投入變量指標分析化肥投入變化對其糧食生產效率的影響，模型設計如下：

GPEi=α0+λ1CFi+λ2GRFi+λ3CFPi+λ4GRPFi+

λ5SRFi+εi? （5）

式中，i為縣（區）;GRP為糧食生產效率;CF為化肥施用總量;GRF為化肥施用增長率;CFP為單位面積化肥施用總量;GRPF為單位化肥施用增長率;SRF為化肥施用結構比;α為常數項;λ為待估系數;ε為擾動項。

為反映各變量隨時間變化對糧食生產效率的影響，選擇2001、2006、2011和2016年4期截面數據進行Tobit回歸分析，模型Ⅰ～Ⅳ分別表示上述4期截面數據回歸分析結果（表4）。Tobit回歸分析結果表明：（1）化肥施用總量（CF）在模型Ⅰ～Ⅳ中對糧食生產效率的正向影響均在1%水平上顯著，但化肥增產的邊際效用總體上較低。（2）化肥施用增長率（GRF）對糧食生產效率的影響總體在5%水平上顯著（除模型Ⅲ外）。其中，在模型Ⅰ和模型Ⅱ中對糧食生產效率有負向影響，在模型Ⅲ和模型Ⅳ中對糧食生產效率有正向影響。其主要原因是2001—2006年貴州省經濟社會發展水平較低，農業生產資金投入不足，使得農業生產機械化程度較低，一定程度上促使農戶增加化肥投入以保障糧食產量。但在2006年之后，隨著全省經濟社會的快速發展，農業生產獲得大量資金投入，農業機械和良種研發并推廣，一些傳統投入要素開始被農機和良種替代，在一定程度上也推動了化肥減量投入。（3）單位化肥施用量（CFP）和化肥施用結構比（SRF）對糧食生產效率的負向影響差異顯著，但隨時間推移影響總體上降低。一方面，貴州省糧食生產中存在不合理施肥行為，導致化肥施用存在過量現象;另一方面，隨著農機和良種等要素投入替代與測土配方施肥政策的實施，減少了不合理施肥行為帶來的負向影響。（4）單位化肥施用增長率（GRPF）對糧食生產效率的影響差異顯著，但其影響逐漸降低。其中，在模型Ⅰ和模型Ⅱ中正向影響逐漸降低，表明單位化肥投入使得其正增產邊際效應降低，此時存在施肥過量行為;在模型Ⅲ和模型Ⅳ中負向影響逐漸降低，則表明隨著農機和良種等要素投入替代與測土配方施肥政策的實施，減少了不合理施肥行為帶來的負向影響。

3 討論

本研究構建了SFA模型，并基于2001—2016年中4個年份貴州省糧食總產量及其生產要素投入的面板數據測算貴州省糧食生產效率，結果表明，2001—2016年貴州省糧食生產效率均值為0.8355，雖然貴州省糧食生產效率總體上呈下降趨勢，但提升空間較大。該結論與閔銳和李谷成（2013）、田旭和王善高（2016）、曾雅婷等（2018a）在分析我國糧食生產效率過程中測算出的貴州省糧食生產效率基本一致。此外，SFA模型估計結果進一步證實了唐建和Jose Vila（2016）關于糧食播種面積的變化顯著影響糧食生產效率的結論。

本研究運用空間自相關法分析貴州省糧食生產效率的空間分布態勢和集聚態勢，并采用重力模型分析化肥投入與其糧食生產效率的空間耦合關系，結果顯示，貴州省糧食生產效率空間地理分布呈由西北向東南方向遞減趨勢，空間集聚態勢呈離散分布;在研究時段內化肥投入與其糧食生產效率保持相關性。同時，本研究運用Tobit模型實證分析化肥投入變化對其糧食生產效率的影響，結果表明，貴州省糧食生產中化肥的正增產效應總體上較低，即將進入“內卷化”階段，與趙志堅和胡小娟（2013）、李想等（2017）、張利庠等（2018）的研究結果基本一致，但與王祖力和肖海峰（2008）、王美兔和田明華（2016）的研究結論相反，也與化肥施用量與糧食生產效率通常呈現的倒“U”形關系有所不同。總體來看，主要原因是研究對象選取的不同，現有文獻大多基于全國層面數據進行分析，忽視了各省份間的具體差異，而本研究以省域為研究對象，選取縣域層面數據進行分析。具體來看，其主要原因有：（1）相對于中東部發達地區，貴州省經濟發展水平滯后，農戶人均收入較低，難以購買農用機械，而化肥相對便宜。同時，耕地呈現小塊化、分散化特征，使得糧食生產難以實現機械化、規模化經營，極大限制了機械替代化肥的潛能釋放。農戶為保證糧食正常生產，會增加化肥施用，但尚未極大超出最優施肥量，使得化肥對本省糧食生產仍起正向促進作用。（2）鑒于研究時段內貴州省糧食生產概況，本研究重點考察化肥投入與其糧食生產效率的線性關系，而兩者間的非線性關系未納入研究范疇。因此，本研究結論與通常呈現的倒“U”形關系不同。這也是本研究存在的不足，后續討論中可適當引入平方項、立方項等考察化肥投入與糧食生產效率間的非線性關系。

此外，由于缺乏長期穩定的調研數據，尚未引入農戶化肥施用次數變量，在后續研究中可根據實際情況進行補充;本研究僅探討了化肥對貴州省糧食生產效率的影響，而糧食生產效率受勞動力資源稟賦、農藥施用量、農業基礎設施、氣候變化、種糧補貼、農地流轉、城鎮化及耕地質量等多種因素共同制約，因此，在后續研究中可適當引入上述變量構建一個綜合分析框架進行探討。

4 建議

4. 1 堅定實施測土配方施肥措施

繼續建立和完善適合貴州省的農業土壤環境檢測體系，定期對土壤進行質量評估，尤其加強對黔東北、黔北、黔西北和黔西等高糧食生產效率地區的土壤環境監測與質量評估，制訂一套有針對性的農用化肥施用方案。同時，加大貴州省實施測土配方施肥補貼政策力度，積極鼓勵農戶使用農業有機肥逐步替代農用化肥，以減緩化肥施用強度，防止化肥施用“內卷化”。

4. 2 加大農業生產科研投入

為促進貴州省糧食生產效率的提高，應大力實施科技興農、藏技于糧戰略。第一，繼續孵化和培育本土農機企業，在財政上給予此類企業較大的扶持力度，以增強貴州省農機企業“自主創新、自主研發、自主生產”一體化能力。第二，根據貴州省地形地貌特征，研究開發適合各類地形農業生產的小型多功能農機，構建完善的農機售后服務體系，進而提高農業生產的農機配套綜合能力。第三，依托省內高校、農業科學院等核心機構開展優質玉米和冬馬鈴薯培育，并加大對超級稻的研究和開發投入。

4. 3 實施區域良種和技術研發有償合作

建立橫向區域農業生產合作補償機制，科學引導黔中、黔東和黔南等地區的低糧食生產效率市縣與黔東北、黔北、黔西北和黔西等地區的高糧食生產效率市縣開展農業生產技術有償合作，適當引入優質、高產的糧食作物新品種與先進的農作物種苗培育、作物栽種技術和經營管理理念。推動貴州各地區糧食生產投入要素合理流動，實現糧食生產資源的科學配置，保進糧食生產低效率地區糧食生產效率的提高，共同推動貴州省糧食生產效率的提升，從而確保貴州省糧食生產安全。

4. 4 實施糧食分區生產

穩定黔東北、黔北、黔西北和黔西等地區的高糧食生產效率市縣的糧食生產，加強該地區高標準農田建設和現代化農業生產體系建設，在全省范圍內形成示范效應。重點加強黔東北、黔南等地區的較高糧食生產效率市縣與黔中、黔中東和黔中南等地區的低糧食生產效率市縣的農業生產投入，有步驟地引導該地區農地流轉，適當擴大糧食播種比例，實現機械化和規模化生產。扶持黔東北、黔西、黔南等地區的較低糧食生產效率市縣的糧食生產，保障人均基本口糧安全。同時，對地處城郊邊緣的糧食生產區可適度引導其三產融合發展，推動產業結構升級，發展現代農業。

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（責任編輯 鄧慧靈）