農(nóng)業(yè)機(jī)械投入對(duì)化肥減量化的作用效果研究

周家俊　周德

[摘要]基于全國(guó)232個(gè)地級(jí)市數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限混合模型（FMM）分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械投入對(duì)化肥減量化的作用效果。結(jié)果表明：總樣本由農(nóng)業(yè)機(jī)械化低水平樣本和高水平樣本組成;機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度之間存在非線性關(guān)系;在機(jī)械化低水平階段，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系;在機(jī)械化高水平階段，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;要通過(guò)增加農(nóng)業(yè)機(jī)械投入促進(jìn)化肥減量化，關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)變農(nóng)戶施肥需求。建議加快研發(fā)推廣大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，推廣秸稈還田、化肥機(jī)械深施等技術(shù)，改善土壤理化性質(zhì)，提高化肥利用率，實(shí)現(xiàn)化肥減量化。

[關(guān)鍵詞]化肥減量化;農(nóng)業(yè)機(jī)械化;施肥方式;作用效果;有限混合模型

[中圖分類號(hào)]F323.3[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

近年來(lái)，化肥過(guò)度施用造成了資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題，制約了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。研究農(nóng)業(yè)化肥減量化的有效途徑具有重要現(xiàn)實(shí)意義。為了加快實(shí)現(xiàn)化肥減量化目標(biāo)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部于2015年2月發(fā)布了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，為化肥減量化工作提供了政策條件。同時(shí)，秸稈還田、化肥機(jī)械深施、種肥同播等技術(shù)的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械相繼出現(xiàn)，為農(nóng)業(yè)化肥施用方式的轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)條件。由此，增加農(nóng)業(yè)機(jī)械投入是否能促進(jìn)傳統(tǒng)化肥施用方式轉(zhuǎn)向精細(xì)化施肥進(jìn)而實(shí)現(xiàn)化肥減量化？針對(duì)該問(wèn)題的思考，有助于為實(shí)現(xiàn)化肥減量化提供有益參考。

1 文獻(xiàn)綜述

目前，對(duì)于我國(guó)化肥減量化實(shí)現(xiàn)路徑的研究仍較少，已有研究大多數(shù)為定性研究，從化肥施用對(duì)象、施用總量等角度分析總結(jié)我國(guó)化肥施用現(xiàn)狀，根據(jù)當(dāng)前不同作物的化肥施用強(qiáng)度提出減量化的作物對(duì)象優(yōu)先順序，也有學(xué)者關(guān)注中國(guó)化肥減量化的目標(biāo)值，基于農(nóng)產(chǎn)品供給和水資源壓力的雙重約束設(shè)定中國(guó)化肥減量化總體目標(biāo)。對(duì)于農(nóng)戶化肥施用行為影響因素的研究，主要集中在農(nóng)戶的認(rèn)知風(fēng)險(xiǎn)、個(gè)人特征、家庭特征層面，大多直接采用傳統(tǒng)線性回歸分析進(jìn)行影響因素識(shí)別，或從結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和效率驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的角度對(duì)化肥施用強(qiáng)度的變化進(jìn)行分解;有學(xué)者研究了水稻種植這一單一作物生產(chǎn)類型中的農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)對(duì)稻農(nóng)化肥減量化施用行為的影響，認(rèn)為生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變是實(shí)現(xiàn)化肥減量化的關(guān)鍵途徑。

關(guān)于機(jī)械化發(fā)展帶來(lái)的系列影響，從已有成果來(lái)看，主要集中在機(jī)械化與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)出、糧食產(chǎn)出、生產(chǎn)效率、糧食播種面積、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的勞動(dòng)力要素替代等方面，認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展能夠增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)出，對(duì)糧食生產(chǎn)存在正的空間溢出效應(yīng)，對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變具有正向影響，但對(duì)糧食播種面積沒(méi)有顯著影響。少量研究從定性角度關(guān)注了機(jī)械化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展與農(nóng)業(yè)資源利用效率提高、農(nóng)村環(huán)境改善和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，應(yīng)大力研發(fā)節(jié)能、低碳農(nóng)業(yè)機(jī)械，發(fā)展精準(zhǔn)耕整、播種、施肥等技術(shù)，但仍未明確涉及對(duì)化肥減量化影響的作用效果。

總體而言，關(guān)于化肥減量化實(shí)現(xiàn)路徑的研究仍處于起步階段，存在較大空白，鮮有針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械投入對(duì)于化肥減量化效果的討論，因此，及時(shí)展開這方面的研究，除了為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安排和政策制定提供參考，對(duì)于補(bǔ)充新的研究案例也具有一定意義。

為分析農(nóng)業(yè)機(jī)械投入能否促進(jìn)化肥減量化，本文假設(shè)一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平發(fā)展具有階段性，并且不同的階段存在一定概率混合，在不同階段農(nóng)戶的化肥施用方式和施用需求不同，農(nóng)業(yè)機(jī)械投入與化肥施用存在多階段演變關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，以2015年232個(gè)地級(jí)市數(shù)據(jù)為樣本，運(yùn)用有限混合模型（FMM）識(shí)別我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平的異質(zhì)性構(gòu)成，分析農(nóng)業(yè)機(jī)械投入與化肥減量化兩者間關(guān)系的階段性變化，為加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)化肥減量化目標(biāo)提供經(jīng)驗(yàn)證據(jù)和政策建議。

2 模型與方法

化肥施用屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的投入行為，經(jīng)濟(jì)學(xué)上可用追求利潤(rùn)最大化的農(nóng)戶生產(chǎn)模型來(lái)描述農(nóng)戶選擇行為：在保證同等產(chǎn)出的情況下投入最少生產(chǎn)要素。然而農(nóng)戶的生產(chǎn)投入受到給定的技術(shù)條件限制，不同的機(jī)械水平帶來(lái)耕作模式變化，也導(dǎo)致化肥投入方式發(fā)生變化。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平的階段性，本文認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)械投入與化肥施用兩者之間存在多階段演變關(guān)系。

農(nóng)戶層面，農(nóng)戶施肥方式在不同農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平階段有所不同。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化低水平階段，農(nóng)戶使用小型簡(jiǎn)易機(jī)械進(jìn)行表土疏松、作物收割，化肥施用方式以撒施、表施為主，屬于傳統(tǒng)施肥方式，養(yǎng)分損失較大，化肥利用率較低。在此階段，隨著機(jī)械投入的增加，農(nóng)戶為獲得最大利潤(rùn)，提高化肥強(qiáng)度，直至化肥投入的邊際收益為零。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，進(jìn)入農(nóng)業(yè)機(jī)械大型化高水平階段，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械出現(xiàn)，農(nóng)戶可采用秸稈還田、土壤深耕、種肥同播、根施肥料等技術(shù)，能夠改良土壤營(yíng)養(yǎng)特性，減少肥料流失，提高化肥利用率。因此，在農(nóng)機(jī)大型化高水平階段，隨著機(jī)械投入的增加，施肥方式轉(zhuǎn)變，為獲得利潤(rùn)最大化，農(nóng)戶所需要投入的化肥更少，化肥強(qiáng)度隨機(jī)械強(qiáng)度提高而降低。

然而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與機(jī)械化發(fā)展水平往往情況多樣，較為復(fù)雜。不同農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)機(jī)械投入不同，其施肥方式不同，其發(fā)展轉(zhuǎn)型的階段并不能清晰劃分。因此，可將一個(gè)地市的化肥施用情況理解為不同機(jī)械化水平施肥行為的混合：農(nóng)業(yè)機(jī)械化低水平的傳統(tǒng)施肥行為和農(nóng)業(yè)機(jī)械化高水平的施肥行為按照一定概率比例的混合，且每一類行為都有各自的分布。如果一個(gè)地市機(jī)械化低水平傳統(tǒng)施肥行為的概率比例大于機(jī)械化高水平施肥行為的概率比例，那么該市處于農(nóng)業(yè)機(jī)械化低水平階段;反之，處于高水平階段。同理，一個(gè)地市層面的樣本，是由處于不同機(jī)械化水平階段的地市按照一定概率比例的混合，各階段地市服從各自分布，地市之間具有異質(zhì)性。

上述分析可用包含兩個(gè)子分布的有限混合模型（FMM）表示，總樣本的概率密度函數(shù)可以寫成：

其中，fi（y|x'βi）是第i個(gè)子分布的概率密度函數(shù);x'是解釋變量向量;βi是第i個(gè)子分布的待估計(jì)解釋變量參數(shù);πi是第i個(gè)子分布的概率比例，0≤πi≤1，且。假定各子分布服從正態(tài)分布，πi服從多項(xiàng)logistic分布。

3 實(shí)證分析

本文收集了2015年232個(gè)地市數(shù)據(jù)，通過(guò)有限混合模型，定量考察在不同農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平階段，農(nóng)業(yè)機(jī)械投入與化肥減量化之間的關(guān)系，以期揭示農(nóng)業(yè)機(jī)械投入水平與化肥減量化之間的關(guān)系。

3.1 指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)來(lái)源

本文被解釋變量選取化肥強(qiáng)度，即單位農(nóng)作物播種面積對(duì)應(yīng)的化肥折純使用量。關(guān)鍵解釋變量選取機(jī)械強(qiáng)度，即單位農(nóng)作物播種面積對(duì)應(yīng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力投入。根據(jù)農(nóng)戶生產(chǎn)模型，化肥施用和機(jī)械投入還受到種植經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)化程度和人力資本的影響，因此本文將以上變量納入控制變量。對(duì)于種植經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)作物單位耕種面積帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益普遍高于糧食作物，選取單位耕種面積對(duì)應(yīng)的種植業(yè)產(chǎn)值作為種植經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的代理變量。對(duì)于城鎮(zhèn)化程度，選取常住城鎮(zhèn)人口占常住總?cè)丝诒壤鳛槌擎?zhèn)化率。對(duì)于人力資本，采用每萬(wàn)人在校學(xué)生數(shù)代理人力資本。

根據(jù)2015年2月開始實(shí)施《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，本文以此作為化肥減量化工作標(biāo)志性時(shí)間節(jié)點(diǎn)。本文通過(guò)各省統(tǒng)計(jì)年鑒收集了2015年全國(guó)232個(gè)地級(jí)市數(shù)據(jù)，涵蓋糧食主產(chǎn)省份中的內(nèi)蒙古、吉林、安徽、山東、江蘇、河北、河南、湖南、黑龍江和非主產(chǎn)省份中的廣東、浙江、海南、廣西、新疆、甘肅、貴州、陜西。

3.2 描述性分析

表1顯示了232個(gè)地級(jí)市5個(gè)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖1顯示了總樣本中機(jī)械強(qiáng)度的概率密度分布。對(duì)于機(jī)械強(qiáng)度，總樣本分布并不完全服從正態(tài)分布，考慮存在至少兩個(gè)分布的疊加。

3.3 回歸結(jié)果

為進(jìn)行對(duì)照，先對(duì)包含232個(gè)地市的總樣本進(jìn)行傳統(tǒng)OLS線性回歸，系數(shù)估計(jì)結(jié)果見表2，殘差分布見圖2。傳統(tǒng)OLS線性回歸顯示，在其他條件保持不變的情況下，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械投入增加，化肥強(qiáng)度下降，但不具有統(tǒng)計(jì)顯著性，且殘差分布不符合正態(tài)分布，總樣本分布存在起碼兩個(gè)分布的疊加。為此，有必要采用FMM作進(jìn)一步分析。

總樣本可能由兩個(gè)及以上子分布混合組成，但當(dāng)子分布數(shù)目較多時(shí)，會(huì)增加有限混合模型估計(jì)的難度，且本文數(shù)據(jù)中，當(dāng)子分布數(shù)目大于兩個(gè)時(shí)，估計(jì)結(jié)果并不顯著。結(jié)合機(jī)械化水平存在兩階段特征，本文選擇子分布數(shù)目為兩個(gè)。

FMM回歸結(jié)果顯示（見表2），總樣本分布由子分布一占0.779，子分布二占0.221的概率比例混合組成，且子分布一的機(jī)械強(qiáng)度均值（7.652）小于子分布二（9.618），故子分布一對(duì)應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化低水平階段，子分布二對(duì)應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化高水平階段。

在農(nóng)業(yè)機(jī)械化低水平階段，農(nóng)戶使用低水平農(nóng)業(yè)機(jī)械，增加低水平機(jī)械投入未能轉(zhuǎn)變農(nóng)戶的傳統(tǒng)施肥方式，化肥強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。從邊際效應(yīng)看，在保持其他因素不變的情況下，農(nóng)業(yè)機(jī)械強(qiáng)度每提高1個(gè)單位（kW/hm2），化肥強(qiáng)度提高10.070個(gè)單位（kg/hm2），并在1%的水平下具有統(tǒng)計(jì)顯著性。

在農(nóng)業(yè)機(jī)械化高水平階段，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械出現(xiàn)，帶來(lái)秸稈還田、化肥機(jī)械深施技術(shù)的改進(jìn)，有助于改良土壤肥力，轉(zhuǎn)變農(nóng)戶的施肥需求，化肥強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從邊際效應(yīng)看，在保持其他因素不變的情況下，農(nóng)業(yè)機(jī)械強(qiáng)度每提高1個(gè)單位（kW/hm2），化肥強(qiáng)度降低9.306個(gè)單位（kg/hm2）。

實(shí)證表明，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展過(guò)程中，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度之間存在非線性兩階段演變關(guān)系，增加農(nóng)業(yè)機(jī)械投入能否促進(jìn)化肥減量化，關(guān)鍵在于能否轉(zhuǎn)變農(nóng)戶的施肥需求。在機(jī)械化低水平階段，機(jī)械投入以簡(jiǎn)易型機(jī)械為主，可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)層次較低，如簡(jiǎn)單的表土翻耕、收割，并未轉(zhuǎn)變農(nóng)戶施肥方式，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。在機(jī)械化高水平階段，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械出現(xiàn)，秸稈還田、化肥深施、精準(zhǔn)根施等技術(shù)得到應(yīng)用，化肥利用率提高，化肥施用需求下降，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.4 穩(wěn)健性檢驗(yàn)

為減少農(nóng)業(yè)種植經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致化肥強(qiáng)度存在差異而對(duì)實(shí)證結(jié)果造成影響，本文對(duì)糧食主產(chǎn)省份的123個(gè)地市進(jìn)行FMM分析（見表3）。結(jié)果表明，在機(jī)械化低水平階段，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系，從邊際效應(yīng)看，保持其他因素不變，農(nóng)業(yè)機(jī)械強(qiáng)度每增加1個(gè)單位（kW/hm2），化肥強(qiáng)度增加17.253個(gè)單位（kg/hm2）;在機(jī)械化高水平階段，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，從邊際效應(yīng)看，保持其他因素不變，農(nóng)業(yè)機(jī)械強(qiáng)度增加1個(gè)單位（kW/hm2），化肥強(qiáng)度減少9.364個(gè)單位（kg/hm2），與理論設(shè)想一致。

4 研究結(jié)論

本文假設(shè)機(jī)械化發(fā)展水平具有階段性，由于機(jī)械化水平發(fā)展會(huì)導(dǎo)致農(nóng)戶化肥施用方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，然而由于實(shí)際情況的復(fù)雜性，一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化高水平階段生產(chǎn)行為和低水平階段生產(chǎn)行為的概率混合;在機(jī)械化低水平階段，農(nóng)戶沿用傳統(tǒng)施肥方式;在機(jī)械化高水平階段，農(nóng)戶逐漸轉(zhuǎn)向精細(xì)化施肥。增加農(nóng)業(yè)機(jī)械投入對(duì)于化肥減量化的作用是非線性的兩階段演變過(guò)程。通過(guò)有限混合模型對(duì)232個(gè)地市組成的總樣本進(jìn)行分類，分別探討在不同農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平下農(nóng)業(yè)機(jī)械投入對(duì)化肥減量化的作用效果，結(jié)果表明：總樣本由77.9%的農(nóng)業(yè)機(jī)械化低水平階段樣本和22.1%的機(jī)械化高水平階段樣本組成;在機(jī)械化低水平階段，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，保持其他因素不變，機(jī)械強(qiáng)度提高1個(gè)單位（kW/hm2），化肥強(qiáng)度提高10.070個(gè)單位（kg/hm2）;在機(jī)械化高水平階段，機(jī)械強(qiáng)度與化肥強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，保持其他因素不變，農(nóng)業(yè)機(jī)械強(qiáng)度增加1個(gè)單位（kW/hm2），化肥強(qiáng)度減少9.306個(gè)單位（kg/hm2）。該實(shí)證結(jié)果符合理論設(shè)想。

本文的啟示在于，在不同農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平階段，機(jī)械投入對(duì)于化肥減量化的作用效果可能截然相反，要通過(guò)增加農(nóng)業(yè)機(jī)械投入促進(jìn)化肥減量化，關(guān)鍵在于依靠高層次機(jī)械耕作技術(shù)，改良土壤性質(zhì)，提高化肥利用率，減少化肥施用需求。為此，本文建議加快研發(fā)推廣大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，推廣秸稈還田、化肥機(jī)械深施等技術(shù)，改善土壤理化性質(zhì)，提高化肥利用率，實(shí)現(xiàn)化肥減量化。

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