中國及歐美主要國家化肥施用強度與綜合效率比較研究

劉欽普，孫景榮，濮勵杰

中國及歐美主要國家化肥施用強度與綜合效率比較研究

劉欽普1，孫景榮1，濮勵杰2

（1. 南京曉莊學院環境科學與工程重點學科組，南京 211171；2. 南京大學地理與海洋科學學院，南京 210093）

提出化肥施用相對產出率和綜合效率的計算模型，基于聯合國糧農組織數據，對中國和7個歐美主要國家（英國、法國、德國、西班牙、意大利、美國和加拿大）的化肥施用強度和綜合效率進行比較研究。結果表明：1961—2017年，中國化肥施用強度呈快速波動增長的趨勢，從3.1 kg/hm2增加到2014年的高峰值338.2 kg/hm2后降低至315.1 kg/hm2；歐洲5國化肥施用強度都呈現“上升—下降—上升—平穩”的波動變化，波動幅度按西班牙、意大利、法國、德國、英國依次增大，各國高峰值依次為169.0、235.0、438.3、503.4、594.9 kg/hm2；美國和加拿大呈現小幅度波動上升的變化，高峰值分別約為213.7、140.1 kg/hm2。8個國家的化肥施用強度趨于圍繞國際公認的化肥安全施用上限225 kg/hm2，約在120～350 kg/hm2的范圍內聚集和穩定。就化肥施用綜合效率對比，西班牙基本上一直為最低水平；中國和加拿大由最高波動下降至法意德美英5國之下；該5國的綜合效率2010年前皆呈增長趨勢，此后則快速下降至平穩波動；2010年以來，綜合效率的大小排序基本上是法國、意大利、德國、美國、英國、中國、西班牙、加拿大，綜合效率平均值分別為0.88、0.85、0.81、0.71、0.67、0.57、0.54、0.49。法國是化肥施用強度中等、綜合效率高、糧食產量高、施肥安全的國家，可為中國實現化肥施用負增長提供借鑒。

農業；化肥；化肥施用強度；相對產出率；綜合效率；歐美主要國家

0 引 言

近幾十年來，隨著世界人口的增加和對糧食的需求，農業生產化肥用量也越來越大。據不完全統計，世界化肥農用量2017年達到24 522萬t（折純量），中國化肥施用量達到5 859萬t（折純量）。化肥施用給世界農業帶來33%～66%的產量增長[1]，但在中國和其他一些國家的過量施肥，也帶來了嚴重的農業面源污染問題，引起了各國政府、機構和專家學者的重視[2]。美國大部分州都制定了化肥法律，德國頒布了《施肥令》、《土壤保護法》和《生態農業法案》，要求農業生產者嚴格按照要求施用化肥[3]。法國在1985年將“生態農業”寫入法律，后來逐漸建立了一套完整的農業管理體系，從而推動法國成為歐洲第一生態農業大國。中國2019年要求“加大農業面源污染治理力度，開展農業節肥節藥行動，實現化肥農藥使用量負增長”。因此，合理施用化肥，提高化肥施用效率，是世界農業長期以來需要研究解決的現實問題。

國內外用多種指標進行化肥施用效率的研究。如作物邊際產量[4]、作物生產效率[5]、肥料利用率[6]、化肥農學效率[7-8]、化肥技術效率[9]和化肥偏生產力[10]等。徐亞新等[11]主要通過對在中國知網數據庫檢索到的2000—2016年400多篇馬鈴薯田間試驗數據分析，發現中國馬鈴薯氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）農學效率平均值分別為52.2、58.5和42.3 kg/kg，偏生產力平均值分別為205.7、339.0和209.2 kg/kg，化肥利用率（養分回收率）平均值分別為36.4%、18.5%和27.6%。張福鎖等[12]統計中國糧食主產區2001—2005年1 333個田間試驗數據，計算出水稻、小麥和玉米氮肥的偏生產力分別為54.2、43.0、51.6 kg/kg，氮肥利用率分別為28.3%、28.2%和26.1%。楊增旭等[13]采用隨機生產函數法測算出中國1996—2009年間小麥和玉米化肥施用平均技術效率分別為0.474和0.452，與張福鎖等基于田間試驗得出的肥料利用率存在明顯差異。楊印生等[14]基于數據包絡分析研究玉米種植施肥效率，結果表明變量施肥比傳統施肥技術效率高，更容易獲得規模收益。國內研究從不同的角度認識不同作物的化肥施用效率，對農業生產有一定的參考和指導作用，但多基于國內數據資料或較為復雜的計算，缺乏與國外發達國家化肥施用強度及效率的系統比較研究。因此，本文根據聯合國糧農組織提供的1961—2017年各國化肥施用量和糧食產量等數據，提出化肥施用相對產出率和綜合效率的概念及其較為簡單的計算模型，對中國和英國、法國、德國、西班牙、意大利、美國、加拿大的化肥施用強度和效率進行比較研究，一方面，對化肥施用效率測算提供有效方法，另一方面，為探討中國和歐美主要國家化肥施用強度和效率的變化規律及中國化肥施用存在的問題，促進中國農業化肥施用負增長提供決策依據。

1 方法與數據來源

1.1 模型設定

1.1.1 化肥施用強度

化肥施用強度（Fertilization Intensity，FI）是一個常用的概念，但有2種不同的表示方法：1）指1a內單位耕地面積化肥施用數量[15]；2）指單位作物播種面積化肥施用量，如2010年原國家環保部“關于印發《國家級生態鄉鎮申報及管理規定（試行）》的通知”[16]對化肥施用強度的解釋是“指鄉鎮轄區內實際用于農業生產的化肥施用量（包括氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥）與播種面積之比”。由于中國與歐美國家復種指數差別很大，為了便于比較各國化肥施用對作物生產的作用，本研究用第2種方法計算化肥施用強度（折純量）。計算公式[16]為

FI =/（1）

式中FI表示化肥施用強度，kg/hm2；表示化肥施用總量，kg；表示作物播種面積，hm2。

按照國際上通用的化肥安全施用上限為225 kg/hm2的標準[17]，參考張福鎖等[12]對化肥施用強度等級以100 kg間隔劃分方法，本研究將化肥施用強度≤50、>50～150、>150～250、>250～350、>350 kg/hm2的變化范圍，分為低強度、較低強度、中強度、較高強度、高強度5個類型。

1.1.2 化肥施用相對產出率

在眾多的表示化肥施用效率的指標中，被國際農學界常用的是化肥偏生產力[12]，是指作物籽粒產量與單位面積化肥投入量之間的比值，又叫化肥產出率（Fertilizer Output，FO）[18]。由于化肥產出率是帶有量綱的強度相對數，沒有最高上限，不便做出效率高低的類型劃分。為了便于比較不同國家化肥施用效率，參考測算相對效率的數據包絡分析（Data Envelopment Analysis，DEA）方法[14]，提出化肥施用相對產出率（Fertilization Relative Output，FRO）的概念，即某一化肥施用產出率與最大化肥產出率的比值。計算公式如下

FRO = FO/FOmax（2）

FO =/FI （3）

式中FRO表示化肥施用相對產出率或凈效率；FO表示化肥施用產出率，FOmax表示最大化肥施用產出率，kg/kg；表示作物產量，kg/hm2。

1.1.3 產量規模系數

化肥施用產出率和相對產出率只是表示化肥施用量與作物產量的對比關系以及某一化肥產出率在所有化肥產出率中的位置，不能反映化肥施用的作物產量規模效應。例如投入10 kg化肥產出300 kg糧食的產出率與投入100 kg化肥產出3 000 kg糧食的產出率一樣，其相對產出率也相同，但他們的產出規模顯然不同。農業生產追求高效率的高產出，而不是高效率的低產出。為了體現化肥產出率的作物產量規模，提出產量規模系數（Yield Scale，YS）的概念，即作物某一單位播種面積產量與最高單位播種面積產量的比值，反映作物生產的規模效應。產量規模系數越大，表示作物產量越高。計算公式為

YS =/max（4）

式中YS表示產量規模系數，max表示最高產量，kg/hm2。

1.1.4 化肥施用綜合效率

為了體現化肥施用的規模效應，提出化肥施用綜合效率（Fertilization Integrated Efficiency，FIE）的概念，是指作物產量規模系數與化肥施用相對產出率的乘積的開平方，計算公式為

FIE =(YS·FRO)1/2（5）

式中FIE表示化肥施用綜合相對產出率，即綜合效率，綜合效率越大，說明化肥施用相對產出率和作物產量的綜合效應最佳。

化肥施用相對產出率和綜合效率的值都在0～1之間。值越接近1，則化肥施用效率越高，反之亦然。按照涂正革等[19-20]對技術效率的分類，本研究將化肥施用相對產出率或綜合效率取值在<0.60、0.60～0.69、>0.69～0.79、>0.79～0.89、>0.89的決策單元，分為低效率、較低效率、中效率、較高效率和高效率5個類型。

1.2 數據來源

中國及歐美7國（德、英、法、意大利、西班牙、美國和加拿大）的化肥施用量、糧食產量以及作物播種面積（或收獲面積）數據主要來源于聯合國糧農組織數據庫[21]和《國際統計年鑒》[22]。糧農組織數據庫中各國農用化肥數據分為2個類型：1）化肥消費檔案中1961—2002年的農業消費的化肥實物總量；2）直接可查詢的2002—2017年農業消費的氮（N）、磷（P2O5）、鉀肥（K2O）折純量。2類化肥數量正好在2002年有交叉，可以算出2002年化肥實物量和折純量的換算系數。根據此換算系數，把各國1961—2001年的農業化肥消費的實物量轉換為折純量。糧農組織數據庫中沒有分別給出各種糧食作物的化肥施用量。由于糧食作物是各國的主要農作物，參照多項研究的做法，用農作物化肥施用量代替糧食作物化肥施用量[23-26]計算化肥施用效率。糧食產量是選取各國主要的3種糧食作物的產量按收獲面積加權平均獲得。各國及其主要的糧食作物如下：1）中國：小麥、水稻和玉米；2）德國和法國：小麥、大麥和玉米；3）英國：小麥、大麥和燕麥；4）意大利和西班牙：小麥、大麥和玉米；5）美國：小麥、大豆和玉米；6）加拿大：小麥、大麥和大豆。

2 結果與分析

2.1 中國與歐美發達國家化肥施用強度的動態變化

根據式（1），計算中國及歐美共8個國家1961—2017年的農作物單位收獲面積的化肥施用量。結果表明，中國及英、德、法、意大利、西班牙、美國和加拿大的化肥施用強度分別從1961年的3.1、407.6、278.0、180.9、68.2、60.9、86.6、10.7 kg/hm2變化到2017年的315.1、346.7、238.7、219.4、127.2、139.2、206.0、128.7 kg/hm2，分別是原來的101.6、0.85、0.86、1.2、1.9、2.3、2.4、12.0倍。由此可見，中國化肥施用強度呈100倍巨大變化，加拿大呈12倍變化，意大利、西班牙和美國呈約2倍變化，德國、法國和英國施肥數量基本不變。中國、英、德、法、意大利、西班牙、美國和加拿大在不同年份達到的高峰值分別是338.2（2014年）、594.9（1983年）、503.4（1988年）、438.3（1983年）、235.0（1987年）、169.0（1998年）、213.7（1993年）、140.1（2011年）kg/hm2。為了更清楚地顯示各國化肥施用強度的變化趨勢，對原時間序列數據進行3 a滑動平均，減少2 a數據，形成的時間序列趨勢如圖1。

圖1 1961—2017年中國與歐美7國化肥施用強度3 a滑動平均的變化趨勢

由圖1可見，從1963年到2017年，歐美7國化肥施用強度的變化有一定的規律性，大致可以分為以下3類：

1）英德法3國，其化肥施用在中—高強度的基礎上呈現“上升—下降—上升—平穩”的大幅度波動變化（除去英法在1974年由于化肥產量銳減，化肥施用強度有短期低谷外），其波動幅度以英國最高，德國次之。即3國在20世紀60年代和70年代農業化肥施用強度在約200～400 kg/hm2的基礎上快速上升，直到1984年左右達到最高峰（約400～600 kg/hm2的高施肥強度），然后又逐步波動下降到2010年前后，施肥強度低于20世紀60年代初的水平，此后又開始緩慢上升至2017年200～350 kg/hm2，趨于平穩。

2）意大利和西班牙，這2個國家在低強度施肥基礎上呈現“上升—下降—上升—平穩”的小幅度波動變化，其波動幅度意大利高于西班牙，即這2個國家從起初化肥施用約為60～70 kg/hm2的較低強度，分別上升至20世紀80年代末期和90年代末期達到最高峰約235和169 kg/hm2的中強度，然后分別回落到2010年的低谷約120和110 kg/hm2，2013—2017年都又緩慢上升至約130 kg/hm2左右的較低強度，趨于平穩。

3）美國和加拿大，分別在低和較低強度施肥基礎上，呈持續波動上升，即從起初化肥施用強度分別從約87和11 kg/hm2較快速地上升到上世紀1980年的約194 kg/hm2和1985年的約90 kg/hm2，后來分別緩慢地波動上升至2017年的約206 和130 kg/hm2。與以上3類相比，中國的化肥施用從1963年的約4 kg/hm2的低強度快速上升至2014年的最高值約338 kg/hm2較高強度水平，2015—2017年持續緩慢下降至約320 kg/hm2。總之，8國化肥施用強度由波動發展走向平穩發展，并出現集聚趨勢。

8國化肥施用強度的時空變化規律與各國相應的自然經濟和社會條件有著密切的關系。在時間上，自20世紀60年代以來，西歐5國經濟迅速發展，對糧食的需求也越來越迫切，農業化肥的施用量也越來越大，英德法3國相繼過量。隨之土壤肥力降低、面源污染嚴重、農產品質量下降等問題顯露。到了20世紀80年代初期，化肥施用量達到頂峰，農業環境問題更為嚴峻。各國都制定了嚴格的環境制度，并大力提高農業施肥技術，化肥的施用量不斷降低，并趨于穩定。在空間上，化肥施用量受各國氣候條件、人口密度和經濟水平差異等的綜合影響。由于英國所處的緯度高，氣溫相對較低，化肥利用率較低，加上英國人口密度在5個國家中最大，經濟水平高，對糧食的需求更為迫切，所以英國的化肥施用強度是最高的，起伏波動幅度最大，與之相比，西班牙所處緯度較低，氣溫較高，化肥利用率較高，且人口密度最小，經濟發展水平相對較低，對糧食的需求也相對較低，所以化肥施用強度也最低，波動幅度最小。

美國和加拿大的化肥施用量在時間變化上的趨勢基本一致的原因是他們都屬于移民國家，國土面積廣大，土地資源豐富，人口密度小，如美國的人口密度不到西班牙的2/5，加拿大的人口密度僅為美國的1/9，糧食壓力大為降低。移民國家由于勞動力不足，農業投入優先用于農業機械，化肥投入數量較小[27]。同時美國農業部自20世紀80年代初，在化肥施用環境風險凸顯的情況下提出了“最佳管理措施（Best Management Practices, BMPs）”，對全國范圍內的農業面源污染進行控制，幫助農民控制化肥施用數量，提高效率和成效[28]。在空間上美國的自然和社會經濟條件優于加拿大，糧食產量比加拿大高近一倍，因此其化肥施用強度在各個時期都比加拿大高。

中國是世界上人口最多的發展中國家，用全球7%的耕地養活20%的人口，對糧食需求的壓力更大。在1978年改革開放以前，農業生產發展緩慢，化肥施用量不足，糧食生產主要靠土壤自然肥力和有機肥。改革開放后，廣大農民從事農業生產的積極性高漲，通過化肥、農藥等化學品的施用來保證農產品的增產增收，化肥施用量快速提高，但過量及低效率施肥導致了嚴重、持續性的化肥面源污染[29]。2015年初，中國政府提出《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，有效控制住了化肥用量增長的勢頭[25]。和歐美國家相比，中國的化肥施用量目前正處于高峰期，并有下降的趨勢。可以相信，隨著中國政府和農戶的共同努力，化肥用量將會緩慢地下降到一個相對穩定的水平。

可以預期，隨著施肥技術及管理水平的不斷改進，各國在目前化肥施用強度120～350 kg/hm2的基礎上，會圍繞國際公認的化肥安全施用上限225 kg/hm2[15]，進一步在更小的范圍內聚集。中國、德國和英國這些高強度施肥的國家會降低化肥的施用，意大利、西班牙和加拿大的化肥施用量會有所提高，美國和法國則繼續保持在目前中強度的水平。這種趨勢也許成為225 kg/hm2安全指標的統計學根據。

2.2 中國與歐美發達國家化肥施用效率的動態變化

化肥施用效率主要用糧食作物產量來衡量。利用糧農組織網站提供的數據，通過作物收獲面積加權平均，計算各國1961—2017年間主要的3種糧食作物的單位面積產量，并進行3年滑動平均形成新的數列（圖2a）。由圖2a可見，中國和歐美7國的糧食產量變化明顯呈高中低3組波動上升趨勢，且高中低3組之間的產量差距隨著時間的推移明顯地拉大。根據各國2010—2017年的年均糧食產量數據，分別按≤5 000、>5 000～7 000、>7 000 kg/hm2分為低產組、中產組、高產組。因此，加拿大和西班牙為低產組，中國、美國和意大利為中產組，英國、德國和法國為高產組（表1）。盡管各國的化肥施用強度波動幅度差別很大，但是糧食產量波動的幅度相對一致，皆呈現上升的趨勢，將對化肥施用效率有顯著影響。根據式（2）和式（3），計算出中國和歐美7國1961—2017年的化肥施用相對產出率，即凈效率，然后進行3年滑動平均（圖2b）。

由圖2b可見，中國、加拿大和意大利3國分別在1963—1989、1990—2001、2002—2017這3個時期為化肥施用相對產出率最大的國家，中國在2004年以后成為相對產出率最小的國家，英國除了在2004年以后比中國稍高并與中國同步降低外，基本上一直是處在最低的位置上向上提升。法國、德國和美國在中間水平呈波動上升的趨勢，約在2010年前后呈現快速下降，近幾年又有所提升。

化肥施用相對產出率的變化是糧食產量和化肥施用量綜合作用的結果。中加意3國化肥施用相對產出率分別在上述3個不同時期最高，主要是因為他們的化肥施用量在相應的時期最低或比較低。中國在1980年代末期后相對產出率呈現急速下降，是由于自1978年實行改革開放以后化肥施用量大大提升，成為僅稍低于英國的較高強度施肥國家，使得近期化肥相對產出率在各國中最低。近些年隨著中國化肥減量增效措施的實施，使得糧食產量繼續增加，化肥施用相對產出率稍微提高。西歐國家如德國、英國和法國20世紀80年代前化肥施用相對產出率的變化主要受糧食產量的影響，此后受環保壓力，他們的化肥投入量逐年下降，但其糧食單產不但沒有降低，還逐年升高，化肥施用效率快速提高，其關鍵原因是加強了科學施肥，實現了節肥增效[30]。

從8個國家化肥施用相對產出率變化曲線的位置來看，20世紀80年代以前，由于中國和加拿大化肥施用強度低，化肥產出率數值過大，壓縮了其他國家化肥產出率的差別，隨著中國化肥產出率的降低，各國之間化肥相對產出率差距逐漸變大，從2010年以后分層比較明顯且穩定，從大到小的順序為：意大利、法國、美國、德國、西班牙、加拿大、英國、中國，其平均值分別為0.99、0.81、0.67、0.66、0.62、0.58、0.49、0.41（表 1）。需要說明的是，這里計算出的8國化肥相對產出率與用DEA軟件計算出的化肥技術效率相比，數值完全相同，說明本文計算相對產出率的思路是可行的。

圖2 1961—2017年中國與歐美7國糧食產量及化肥施用相對產出率3 a滑動平均的變化趨勢

化肥施用相對產出率僅反映了一個國家凈化肥利用率。但是理想的農業生產追求的不僅是高的化肥利用率，還要是高的單位面積產量，即高效率和高產出，這樣更能體現化肥投入的意義和作用。表1可見，在2010—2017年間，意大利的化肥相對產出率雖為高效率，糧食產量卻屬于中產類型，而法國的糧食單產卻比意大利高34%，屬于糧食高產類型，但相對產出率卻低于意大利，顯然相對產出率沒有反映出產量規模。所以，綜合考慮化肥相對產出率和糧食產量的綜合影響，利用式（4）和式（5）計算出各國各年的化肥施用綜合效率（圖3）。由圖3可見，各國的綜合效率值比相對產出率趨于集中，是因為糧食產量相對集中。中國和加拿大綜合效率分別波動上升到1987年和1982年后開始下降，2010年后有所上升。其余各國的綜合效率1963年以來總體上不斷增加，這與相關研究結果具有較強的一致性[31]，2010年前后開始下降，近幾年又有增加。與相對產出率相比，各國的綜合效率順序發生了一些變化，20世紀90年代以來，加拿大由于糧食產量最低，綜合效率也最低，法國的糧食產量比意大利高，綜合效率高于意大利位居第一。2010年以來，化肥施用綜合效率從大到小的排序為法國、意大利、德國、美國、英國、中國、西班牙、加拿大，其平均值分別為0.88、0.85、0.81、0.71、0.67、0.57、0.54、0.49（表1）。可以說，化肥施用綜合效率較好地反映了各國化肥利用的實際情況。

表1 基于2010—2017年多年平均獲得的各國化肥施用強度、糧食產量、相對產出率和綜合效率

圖3 1961—2017年中國與歐美7國化肥施用綜合效率3年滑動平均的變化趨勢

需要說明的是，法國不僅化肥施用綜合效率高，其化肥施用強度也在化肥安全施用上限225 kg/hm2以下。因此，法國的化肥施用在歐美發達國家中較為理想，表現為中等強度投入的高效率，糧食產量高且生態安全，為世界生態農業發展提供了較為成功的范例。

3 討 論

在歷史上，歐美發達國家曾出現為追求農業產量而導致化肥施用過量的面源污染問題，造成地下水硝酸鹽污染和地表水中磷的富集。在歐洲由農業面源排放的磷曾為地表水污染總負荷的24%～71%[32]，促使歐盟1980—1991年，相繼出臺了《飲用水法令》《硝酸鹽法令》和《農業環境條例》等，對各成員國在水環境保護與管理方面提出了統一的目標和要求[33]。但在實施過程中，各國可根據自身情況，采取不同的防治措施。以法國為例，為了減少化肥面源污染，法國1980s就采取多種農業增產措施以逐漸取代化學化生產方式，例如培育和推廣高產、穩產和抗病蟲害、抗逆性強的農作物品種，通過土地休耕、輪作等途徑恢復并培育土壤肥力，發展生物肥料、生物固氮技術和生物防治病蟲害技術等[34]。法國自1985年對“生態農業”立法后，逐漸建立了一套完整的農業管理體系，成為歐洲第一生態農業大國[35]。法國谷物類糧食總量和人均產量遠高于德國和英國，其農業產值占歐盟農業總產值的22%，農產品出口長期位居歐洲首位，成為世界主要農副產品出口國。可以說法國不僅是歐洲也是全球生態農業的典范。

中國農業現代化進程與歐美國家相比起步較晚，目前化肥施用強度處于高峰期，從2014年后出現下降趨勢，這將符合發達國家所發生的化肥施用強度先升后降再趨于平穩的變化規律。與歐美多數發達國家化肥投入相比，現在中國的化肥施用強度是處在超量過高的水平，化肥施用綜合效率處于低水平。本文是以播種面積計算化肥施用強度，若按照耕地面積計算化肥施用強度，中國的化肥施用強度比歐美發達國家高的更多。因為歐美發達國家的復種指數多為0.5～0.8，中國約為1.3，中國南方特別是福建、海南、廣東等省份，復種指數甚高，其單位耕地面積的化肥投入量都遠高于全國水平。因此，中國節肥增效任重道遠。參照目前法國的施肥強度和糧食產量，中國通過技術創新，把化肥施用強度降低約40%至化肥安全施用上限225 kg/hm2以下，糧食產量仍有上升可能。

中國化肥減量行動要因地制宜，分類指導。一般來說，中國中東部地區人口密度大，農業集約化程度高，化肥施用強度的變化基本上都經歷了由低到高、然后下降的類似歐洲發達國家那樣的發展歷程，而西部和東北一些偏遠地區，由于農業開發較晚，化肥施用強度的變化類似于美國和加拿大移民國家那樣的發展過程，目前多還不存在化肥施用量過量的問題。因此，中東部地區是中國化肥減量的重點地區，例如河南、山東、江蘇、福建、廣東、海南要更多考慮適當降低復種指數和單季化肥施用量，提高化肥施用效率。各地要明確區分出化肥施用過量區、適量區和不足區，有針對性地分區實施減肥增效措施。

歐美發達國家經驗表明，化肥減量增效，發展生態農業，離不開法律、政策、技術和教育等綜合措施的保障。國家應該出臺有關法律制度和政策，對化肥農藥等化學物質的使用要有相應的規定和要求，明確防治農業化肥污染的基本原則、管理體制、主要權利和義務、法律責任等。各地要確定化肥合理施用參考標準，完善配方測土施肥政策和技術手段，加強對農戶的科學教育和技術培訓。技術上可借鑒法國普及衛星管理農業技術“土地之星”的經驗，監測農作物生長情況，為農戶提供施肥量、施肥時間、灌溉時間和最佳收獲季節等，有效地避免濫用化肥農藥。學習美國農場農牧結合方法及農田殘茬還田和免耕技術，注重養殖業與種植業之間在飼料、肥料等方面的相互促進與相互協調關系，增加土壤有機肥料，走有機無機相結合的道路。

4 結 論

1）1961—2017年間，中國化肥施用強度隨著經濟發展呈快速波動增長的趨勢，從起初的3.1 kg/hm2增加到2014年的高峰值約338 kg/hm2，2015年開始有所下降；歐洲西班牙、意大利、法國、德國、英國化肥施用強度呈現“上升—下降—上升—平穩”的波動變化趨勢，波動幅度按上述順序依次增大，其高峰值依次分別為169.0、235.0、438.3、503.4、594.9 kg/hm2；美國和加拿大呈現持續小幅度波動上升的變化趨勢，高峰值分別約為213.7、140.1 kg/hm2。目前8個國家的化肥施用強度趨于圍繞國際公認的化肥安全施用上限225 kg/hm2，在120～350 kg/hm2的范圍內聚集和穩定。

2）中國和加拿大化肥施用綜合效率分別從1961年波動上升到1987年和1982年后開始下降，2010年后有所回升；其余各國總體上不斷增加，2010年前后開始下降，近幾年也有回升。20世紀90年代以來，特別是2010年以來，化肥施用綜合效率從大到小的排序為法國、意大利、德國、美國、英國、中國、西班牙、加拿大，其平均值分別為0.88、0.85、0.81、0.71、0.67、0.57、0.54、0.49。法國是歐美發達國家中化肥投入既適量又高效、既安全又高產的國家，可為中國節肥增效和生態農業建設提供借鑒。

本研究提出的化肥施用相對產出率，相當于數據包絡分析（Data Envelopment Analysis，DEA）中計算的化肥技術效率，對單項化肥投入糧食產出的效率分析來說，2種計算方法結果完全一樣，但本文方法更加簡單，更加實用，省去了使用計算機軟件的麻煩。本文所設計的化肥施用綜合效率模型，既考慮化肥投入產出的相對產出率，又考慮產量基數，便于區分化肥產出率相同而產量規模不同的情況，相當于DEA中不僅考慮技術效率，還要考慮規模收益，也類似于超效率DEA對傳統DEA不能有效區分技術效率都等于1的多個有效決策單元效率水平的改進。綜合效率模型的計算結果更好地反映了各國化肥利用的實際情況。如何用簡單的方法測算中國及發達國家氮磷鉀多項化肥投入糧食生產效率是今后研究的重點。

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Comparative study on fertilization intensity and integrated efficiency in China and Euro-American major countries

Liu Qinpu1, Sun Jingrong1, Pu Lijie2

(1.,,211171,; 2.,,210093,)

Optimal fertilizer application with sustaining grain yield is a goal of modern agriculture development. Understanding the fertilizer application history of developed countries is helpful to provide lessons for fertilizer application in China. In this study, the concepts and calculation method of Fertilization Relative Output Rate (FRO), Yield Scale Coefficient (YS) and Fertilization Integrated Efficiency (FIE) were proposed to compare Fertilization Intensity (FI) and integrated efficiency of China and Euro-American countries of UK, Germany, France, Italy, Spain, US and Canada based on the data of fertilizer amount and grain yield in 1961—2017 from FAOSTAT. The FI was defined as ratio of fertilizer amount to harvested area. FRO was defined as ratio of Fertilizer Output (FO) to the maximum fertilizer output. FIE was the square root of product of YS and FRO and YS was the ratio of yield to the maximum yield of crops. The results showed that the FI value in China was increased rapidly with small fluctuation from 3.1 kg/hm2in 1961 upon the peak of 338.2 kg/hm2in 2014 and to 315.1 kg/hm2in 2017. The FI values from 1961 to 2017 in five European countries of Spain, Italy, France, Germany and UK were in a similar pattern of “increase-decrease-increase-stable” and the peak values of these countries occurred in 1998 (169.0 kg/hm2), 1987 (235.0 kg/hm2), 1983 (438.3 kg/hm2), 1988 (503.4 kg/hm2), 1983 (594.9 kg/hm2), respectively. The FI values in US and Canada were slowly increased as immigrant countries with small fluctuations and reached peaks of 213.7 kg/hm2in 1993 and 140.1 kg/hm2in 2011, respectively. The FI values of eight countries fluctuated around 225 kg/hm2(the internationally recognized fertilization safety threshold) between the range from 120 kg/hm2to 350 kg/hm2. China, Canad and Italy had the highest FRO values respectively in the periods of 1963—1989, 1990—2001, 2002—2017, respectively, but the UK’s values of FRO were mostly at the lowest level from 1963 to 2017. The rank of FRO values for eight countries after 2010 from high to low was Italy, France, US, Germany, Spain, Canada, UK and China with the average values of 0.99, 0.81, 0.67, 0.66, 0.62, 0.58, 0.49, 0.41, respectively. The Spain’s FIE values were at most time below the other countries and they were rapidly increased before the end of 1980s and then became relatively stable. However, the FIE values of China and Canada were higher than the other countries respectively before 1990 and 1980, afterwards, they went down to the levels lower than that of France, Italy, Germany, US and UK. The FIE values of France, Italy, Germany, US and UK increased rapidly before 1990. They were increased slowly since 1990 but rapidly decreased since 2010. They showed increasing tendency in recent years. The FIE average values of eight countries in 2010—2017 ranked the first for France, then Italy, Germany, US, UK, China, Spain and Canada with average values of 0.88, 0.85, 0.81, 0.71, 0.67, 0.57, 0.54, 0.49, respectively. France was the best country in fertilizer use with high output rate, high grain yield and safety to environment. The average FI and grain yield in France in 2010—2017 was 207 kg/hm2and 7 294 kg/hm2and the FI was less than 225 kg/hm2. France could be considered as a good example for China to learn from in decreasing fertilizer use amount while sustaining grain yield in eco-agriculture construction.

agriculture; fertilizers; fertilization intensity; relative output rate; integrated efficiency; Euro-American major countries

劉欽普，孫景榮，濮勵杰. 中國及歐美主要國家化肥施用強度與綜合效率比較研究[J]. 農業工程學報，2020，36(14)：9-16.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.002 http://www.tcsae.org

Liu Qinpu, Sun Jingrong, Pu Lijie. Comparative study on fertilization intensity and integrated efficiency in China and Euro-American major countries[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 9-16. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.002 http://www.tcsae.org

2020-03-23

2020-06-10

國家自然科學基金重點項目（41230751）；國家自然科學基金面上項目（41871083）；南京市環境科學與工程重點學科項目（2017-2020）。

劉欽普，博士，教授，主要從事土地資源利用與環境評價研究。Email：liuqinpu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.002

X592

A

1002-6819(2020)-14-0009-08