自然灾害、化肥施用量对中国粮食单产影响的实证研究

张明如 （湖北农村发展研究中心 （长江大学），湖北 荆州434025；台北大学自然资源与环境管理研究所，台湾新北23741）

樊帆 （湖北农村发展研究中心 （长江大学），湖北 荆州434025）

粮食是社会经济发展的基础。保障粮食安全，满足居民粮食消费需求是政府部门的职责。而粮食生产受到粮食播种面积、粮食单产等因素的影响。在耕种面积有限的情况下，粮食产量的增长依赖于粮食单产的提高。国内学者曾广泛地研究了影响我国粮食产量的因素。张营周［1］的研究结果表明中国的粮食生产与粮食有效灌溉面积或粮食有效灌溉率密切相关；李奇峰等［2］、范建刚［3］、周慧秋［4］、张明如等［5］应用不同的计量分析方法研究了粮食与化肥施用量的关系，结果显示化肥施用量是影响我国粮食总产量或单产的主要因素，化肥投入的增加对我国粮食单产的提高功不可没。

中国是化肥消费大国，每年的化肥消费量占据世界化肥消费量的三分之一以上。由于化肥施用不合理，导致化肥利用效率低下，对生态环境构成严重威胁。同时我国又是自然灾害频发的国家，每年因各种自然灾害导致粮食大幅度减产。因此，本研究假设不同程度的自然灾害对粮食单产影响不同，应用空间状态模型分析单位化肥施用量对我国粮食单产的影响，并对2015～2040年中国粮食总产量与可能遭受自然灾害而减产的粮食产量进行预测。

1 假设条件、数据处理与说明

粮食单产量是单位粮食播种面积所生产的粮食数量。国内学者主要以统计年鉴上的粮食总产量与粮食播种面积数据计算粮食单产量，这种计算方式没有考虑自然灾害对粮食产量的影响，所以计算出来的粮食单产量偏低。因此，本研究在计算粮食单产量时，假定未遭受自然灾害与虽遭受自然灾害但减产在1成以下的粮食播种面积获得正常粮食产量；假定遭受自然灾害减产1成以上但减产在3成以下的粮食播种面积平均获得正常粮食产量的80%；假定遭受自然灾害减产3成以上的粮食播种面积平均获得正常粮食产量的40%。其依据是《中国统计年鉴》将受灾面积定义为一年内因遭受旱灾、水灾、风雹灾、霜冻、病虫害及其他自然灾害，使农作物较正常年景产量减产1成以上的农作物播种面积；成灾面积是指在遭受上述自然灾害的受灾面积中，农作物实际收获量较常年产量减少3成以上的播种面积［6］。

本研究中的粮食播种面积为有效的粮食播种面积，即扣除自然灾害影响后获得正常产量的粮食播种面积。由于统计年鉴只公布了农作物播种面积受灾与成灾状况，为了计算方便，本研究中粮食播种受灾面积与成灾面积按照当年粮食播种面积占总农作物播种面积的比重换算得出。因此本研究定义有效粮食播种面积＝（粮食播种面积－粮食播种受灾面积）＋0.8× （粮食受灾面积－粮食成灾面积）＋0.4×粮食成灾面积，有效粮食单产量＝粮食总产量÷有效粮食播种面积。

重新按照此公式计算的有效粮食单产量数据高于统计年鉴公布的粮食单产量。为了方便，本研究把统计年鉴公布的粮食单产量称为实际粮食单产量。

由于化肥投入无法区分是投入粮食生产活动还是其他农业生产活动，本研究以每公顷农作物播种面积的化肥投入量代替每公顷粮食播种面积化肥的投入量。其定义为：单位化肥施用量＝农业化肥总施用量÷农作物播种面积。

通过前面的假设，本研究计算出1978～2012年有效粮食单产量与粮食播种单位化肥施用量。实际粮食单产量来源于《中国统计年鉴》。1978～2012年有效粮食单产量、实际粮食单产量与单位化肥施用量三者的关系如图1所示。

图1 1978～2012年有效粮食单产量、实际粮食单产量与单位化肥施用量

从图1可以看出，有效粮食单产量从1978年的2914.60kg／hm2增长到2012年5631.92kg／hm2，粮食单产年均增长2%。从粮食单产增长幅度看，粮食单产从2900kg／hm2到4000kg／hm2用了9年时间，从4000kg／hm2到5000kg／hm2用了10年时间，从1996年开始到现在17年期间，我国粮食单产一直维持5000～5600kg／hm2。因此，随着时间的推移，提高粮食单产越来越困难。

从有效粮食单产量来看，除了1981、1995、2000、2004、2009年有效粮食单产量减少外，其余年份有效粮食单产量呈现增加趋势。其中，2000年与2009年有效粮食单产量减产主要是由于粮食总产量的减产，1981、1995、2004年粮食总产量虽然增加，但有效粮食播种面积的增长幅度快于粮食总产量的增长幅度，故有效粮食单产量下降。

从实际粮食单产量看，1978～2012年实际粮食单产量下降的年份有10年，其余年份实际粮食单产量呈现增加趋势，其中在1980、1985、1988、1991、1994、1997、1999、2000、2003年实际粮食单产量的下降主要是由于粮食总产量减产造成的，2009年粮食总产量虽然增加，但是粮食播种面积增长幅度快于粮食总产量的增长幅度，从而导致实际粮食单产量的下降。

根据有效粮食单产量与粮食播种面积可以计算出每年因遭受自然灾害减产粮食产量。定义：遭受自然灾害减产粮食产量＝有效粮食单产量×粮食播种面积－实际粮食总产量。通过计算，可以发现从1978～2012年因自然灾害而减产的粮食总量累计高达212489.13万t。其中，1994、1997、2000、2003年每年因自然灾害减产的粮食产量高达8000万t以上，因自然灾害粮食减产最少的1979年与1982年，每年的粮食减产量也达到了3500万t。从自然灾害减产的粮食产量占实际粮食总产量的比重来看，粮食减产率最低的2012年为6.22%，粮食减产率最高的年份是1994、2000、2003年，高达19%。因此，自然灾害成为影响粮食总产量的主要因素之一。

从图1可以看出，单位化肥施用量从1978年的58.89kg／hm2增长到2012年的357.30kg／hm2，年均增长5.45%。这表明中国单位化肥施用量的增长速度明显快于粮食单产的增加幅度，同时表明中国粮食单产量与单位化肥施用量存在显著的正相关性。

从图2可以看出，从1978～2012年中国粮食产出投入比呈现下降趋势，表明化肥投入的边际报酬是递减的。1978年粮食产出投入比为49.49，即每投入1kg化肥能够生产49.49kg粮食，但是到了2012年粮食产出投入比为15.76，即每投入1kg化肥能够生产15.76kg粮食。中国粮食产出投入比变化大致可以分为3个阶段，1978～1986年为粮食产出投入比快速下降阶段，粮食产出投入比由1978年的49.49迅速下降到1986年的32.34，9年内粮食产出投入比下降了34.65%；1987～1996年为粮食产出投入比较快下降阶段，粮食产出投入比由1987年的29.65下降到1996年的20.22，10年内粮食产出投入比减少了31.80%；1997～2012年为粮食产出投入比缓慢下降阶段，粮食产出投入比由1997年的19.87下降到2012年的15.76，16年内粮食产出投入比仅减少了20.68%，这也说明化肥施用量对粮食增产的作用越来越弱。

图2 1978～2012年粮食产出投入比

2 空间状态模型建立与实证分析

2.1 变量选择

由于自然灾害对粮食单产的影响已经折算在有效粮食单产量中，因此本研究选择有效粮食单产量作为因变量，单位化肥施用量为自变量，建立空间状态模型分析单位化肥施用量对我国有效粮食单产量的影响，并以此为基础估算未来30年我国粮食总产量与因自然灾害而减产的粮食产量。本研究变量数值依据《中国统计年鉴》相关数据计算所得，变量时间跨度为1978～2012年。由于有效粮食单产量与单位化肥施用量均为时间序列，为了消除异方差的影响，本研究所有变量均进行了对数处理，lnY表示有效粮食单产量的对数值，lnX表示单位化肥施用量的对数值。

2.2 空间状态模型建立

由于固定参数模型不能解决不可观测的变量对粮食单产的影响，本研究建立空间状态模型来分析单位化肥施用量对有效粮食单产的影响。空间状态模型如下：

式中，α0表示量测方程的常数项，α1是自变量的随机系数，α1（－1）是α1的一期滞后项，σ0表示状态方程的常数项，ηt为量测方程的扰动项，μt为状态方程的扰动项，二者均服从均值为0，方差为常数的正态分布，量测方程和状态方程误差协方差均为0。

2.3 平稳性检验

模型建立之后，为了避免出现伪回归现象，需要检验变量的平稳性。本研究采用ADF检验法检验变量lnY、lnX的单位根。ADF检验结果如表1所示。

表1 变量lnYlnX平稳性检验（ADF检验）结果

由表1可见，变量lnY、lnX都是平稳时间序列，因此可以对模型直接进行分析。

2.4 空间状态模型结果分析

运用Eviews 7.0软件中的KALMAN滤波算法可以得到时变参数α的估计值［7］。估计结果如下：

图3表示α1随时间变化的趋势图。从图3变参数α1的时变图曲线可以看出，在1978～1982年期间，单位化肥施用量对粮食单产的影响呈现下降趋势。1983～1986年，单位化肥施用量对粮食单产的影响呈现上升趋势。自1987年以后，单位化肥施用量对粮食单产的影响呈现波动性下降趋势。1978～2012年单位化肥施用量对粮食单产的影响大致维持在0.355～0.373之间，这意味着单位化肥施用量每增加1%，粮食单产量增加0.355%～0.373%。

图3 变参数α1的时变图

3 2015～2030年粮食总产量与化肥施用量预测

耕地是粮食生产的基础，是人类衣食之源、立命之本。由于我国人多、耕地少，为保障我国粮食生产安全，必须保有一定数量的耕地，1.2亿公顷耕地是确保我国粮食生产安全的红线。其中，1.04亿公顷基本农田几乎承担着我国全部粮食生产任务，是保障我国粮食基本自给的安全底线。本研究将以1.04亿公顷基本农田作为我国粮食播种面积预测未来20年我国的粮食总产量。

1978～2012年我国农业生产中化肥施用量年均增长5%以上，为了让预测值更加接近现实，假定未来30年里，粮食播种单位化肥施用量以年均5%的幅度增长。以2012年单位化肥施用量为基础，应用空间状态模型预测未来2015～2040年中国粮食总产量以及因遭受自然灾害而减产的粮食产量。

通过前面计算的粮食减产率，可以发现在遭受自然灾害较轻的年份，粮食减产率仅为6.2%，而在遭受自然灾害较重的年份，粮食减产率高达18.76%。因此在预测因自然灾害导致的粮食减产量时，假定遭受自然灾害最轻年份粮食减产率仅6%，而遭受自然灾害最重的年份粮食减产率为19%。

2015～2040年中国粮食总产量与粮食减产量预测结果如表2所示。

表2 2015～2040年粮食总产量与因自然灾害减产的粮食产量预测值

由表2可以看出，在遭受较轻的自然灾害时，2015～2040年中国的粮食总产量将达到55960～87544万t，因自然灾害而减产的粮食将为3358～5253万t。在遭受较重的自然灾害时，粮食总产量将为49846～77981万t，因自然灾害而减产的粮食将为9471～14816万t。在遭受轻微自然灾害时2015年损失的粮食总产量接近2013年河北省 （粮食总产量3364.99万t）或四川省 （粮食总产量3387.10万t）的粮食总产量，在遭受严重自然灾害时损失的粮食总产量相当于2013年两个粮食生产大省黑龙江 （粮食总产量6004.07万t）与吉林省 （粮食总产量3551.02万t）粮食总产量之和。

4 结论与建议

本研究结果表明，化肥施用量与我国粮食单产之间存在很强的正相关关系，但化肥施用量促进粮食单产的增加存在规模报酬递减趋势。当前我国粮食生产存在过度依赖化肥使用的现象致化肥施用量的增长速度一直快于粮食生产的增长速度，而化肥施用量的增加，不仅增加了农民种粮成本，而且导致严重的化肥污染，危害到农业生态环境安全。根据国际粮农组织的统计分析，中国化肥施用量占据全世界总化肥施用量的三分之一，而化肥的有效利用率不足30%。化肥利用效率低不仅造成资源的巨大浪费，而且使农业资源污染越来越严重。

为了保证粮食生产的安全，必须保证一定限度的耕地面积，在耕地面积有限的情况下，提高粮食生产的单产量才能保证粮食总产量的安全。粮食单产量的提高离不开农业生产技术的进步与农业抗灾能力的提高。因此，政府在粮食生产过程中，一方面要加大农业科学技术的投资力度，另一方面，加大农业水利设施的投资，提高粮食生产抵抗自然灾害的能力。

［1］ 张营周.我国粮食单产及其影响因素的协整分析 ［J］.生态经济，2010，（8）：129－132.

［2］ 李奇峰，陈阜，李玉义，等.东北地区粮食生产动态变化及影响因素研究 ［J］.农业现代化研究，2005，（5）：340－343.

［3］ 范建刚.1983～2004年陕西粮食产量与主要投入要素的灰色关联分析 ［J］.干旱地区农业研究，2007，（3）：209－212.

［4］ 周慧秋.现阶段我国粮食安全的各项指标分析 ［J］.东北农业大学学报 （社会科学版），2008，（5）：6－10.

［5］ 张明如，殷善福.基于状态空间模型的中国粮食产量波动的影响因素研究 ［J］，灾害学，2013，（1）：41－44.

［6］ 崇左市龙州县民政局.受灾统计时受灾、成灾与绝收面积有何区别？ ［EB／OL］.http：／／longzhou.mca.gov.cn／article／bszn／201308／20130800510741.shtml，2013－08－26.

［7］ 高铁梅.计量经济分析方法与建模：Eviews应用及实例 ［M］.北京：清华大学出版社，2009.