化肥投入与环境库兹涅茨曲线的关系检验与分析

韦佳伲++李晓玉

摘要：通过Eviews软件建立模型，运用二阶段最小二乘法，以贵州省境内南盘江流域化肥投入与贵州省农村居民2006-2015年的人均收入为样本，研究了化肥3种主要污染元素氮、磷和溶解氧的投入对南盘江水资源的影响。结果表明，化肥投入与环境之间存在环境库兹涅茨曲线，政府和相关部门应该对化肥投入造成的面源污染做出控制。

关键词：环境库兹涅兹曲线；化肥投入；面源污染；贵州省南盘江流域

中图分类号：S19 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）05-0996-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.053

Test and Analysis on the Relationship Between Fertilizer Input and Environmental Kuznets Curve——Taking Nanpan River of Guizhou as an Example

WEI Jia-nia，LI Xiao-yub

（China University of Geosciences，a.Marxism Institute；b.School of Public Administration，Wuhan 430074，China）

Abstract： The Eviews software was used to establish the model. By application of the least squares second-order method， and taking the fertilizer input of Nanpan River and the per capita income of rural residents from 2006 to 2015 in Guizhou province as sample， the effect of three major pollution elements including nitrogen， phosphorus， and dissolved oxygen input on the water resources in Nanpan river was evaluated. The results showed that environmental Kuznets curve existed between fertilizer input and environment. The government and related departments should control the environmental pollution of non-point source caused by fertilizer input.

Key words： environmental Kuznets curve； fertilizer input； non-point source pollution； Nanpan River in Guizhou province

農业面源污染的概念大致可以分为广义和狭义概念，从广义的角度来看，农业面源污染是指在农业生产生活中产生的、随机性大且范围较大的、没有使用适当的方法来处理的、对大气、水、土壤造成及植物和农作物所造成的污染[1]。狭义的农业面源污染指在农业生产活动中，施用化肥和农药以及过度施用农膜所释放的重金属污染物随着降水和农业灌溉，进入水体造成的污染。随着农业发展的进一步工业化，传统的农业生产已经被大量农用化学物质，如化肥和农药以及农用能源所替代，与之相伴的就是污染问题的不断加剧和持续升级。

根据资料测算，当代农业至少有3/5是通过施用化肥而获得的产量提高。在对一些发达的地区的研究中可以看出，全球化肥平均施用量竟然达到了45%～60%，中国的化肥施用量与发达国家相比数据还要更高，与高施用量形成鲜明对比的是极低的利用率，氮肥的利用率为18%～45%，钾肥的利用率为12.5%～35.0%，而磷肥的利用率仅为8%；中国每年的氮肥损失率最低时期达到30%，而最高的氮肥损失率达到了75%，这说明中国农户在大量施肥，企业大量产肥，同时化肥施用严重不合理，产生了大量的化肥营养剩余，导致土壤板结，土质变差，土壤中大量的化肥剩余营养元素经过地表或淋湿，直接造成水体，包括淡水系统和海水系统的污染，引起水体的富营养化[2]。化肥污染分布范围广，随机性大，潜伏性和滞后性强，加之中国相关机构对于农村面源污染的管理、检测和控制难度较大，因此化肥污染已经成为现代农业非点源污染的一个非常重要的因素，控制化肥污染成为中国农村面源污染治理的一个极为重要的方面。

1 化肥投入与环境污染

很多学者从农户的角度研究化肥投入与环境的关系，Bijay-singh等[3]研究了农户倾向于施用氮肥的原因，比较了农户施用氮肥所带来的收入水平和减少氮肥施用所面临的收入风险，当面临风险决策时，农户倾向于施用更多的氮肥。Minot等[4]建立模型研究了农户施用化肥的决定因素，认为受教育的程度、农田的距离以及土地所有权是影响农户施肥的三个因素，那些受教育不多，家庭所在地距生产地较远和土地的权力边界不清晰的农户，施肥更多。Manyong等[5]通过建立模型对巴西农户施用化肥的因素进行研究，认为农户农业土地利用面积与化肥行业整体的供需情况是影响化肥施用的主要因素，其次单位家庭的农户自身所积累起来的经验也是影响因素之一。段亮等[6]从政府管控的角度分析太湖流域的面源污染情况，认为化肥过量施用尤其是磷肥的大量输出导致了太湖水质逐年下降，经济方法已经达不到缓解问题的作用，需要采用行政控制-命令的方式来治理面源污染，只有当政府采取相应的手段，才能提高太湖流域水环境质量。胡中华等[7]认为化肥污染是面源污染的一个重要方面，可以对化肥施用和化肥相关的污染行为进行立法，同时加强和完善与面源污染相关的水资源法。栾江等[8]以化肥为研究对象建立模型，证明劳动力转移会使得家庭收入提高的同时对化肥的投入量增大，间接加重化肥污染转移对农业生态环境的污染。

化肥的面源环境污染已经对化肥行业的发展产生了负向影响，对行业的稳定也形成了威胁，必须使行业的发展方式由低效向高效转变，促进化肥产业乃至整个农业产业结构的升级，随着中国特色社会主义市场经济和相关法治的建立以及税制的进一步深化改革，仅凭行政手段来解决环境问题，已不能适应当前中国强烈的环保诉求。化肥投入与经济以及环境之间的关系，是研究的重点。

2 环境库兹涅兹曲线

2.1 国外相关研究

全球环境质量不断恶化的问题引起了公众的广泛关注，学者们研究了许多解决环境问题的方法，以期更清晰地了解环境恶化的症结。近20年来经济增长对环境的影响已经成为经济学家们研究的重点，研究中出现的一个特殊问题就是关于环境与经济增长尤其是与“污染收入”增长之间的关系[9]。公共环境学与经济学者认为在经济发展的初期阶段环境质量会恶化，但随着经济发展环境质量将得到改善，换句话说，环境压力增加速度比人均收入增长的快，但随着人均GDP增长环境压力将会减小[10]。在这个系统中收入变化和环境质量之间的关系被称为环境库兹涅茨曲线（EKC），它来源于一个开口向下的二次函数关系，EKC的曲线逻辑比较直观，在工业化的第一个阶段，污染极速增加，因为工业化的初期是材料输出的高峰期，对于清洁的水和空气来说，人们更加偏爱好的工作和高工资[11]。工业快速发展的最终结果就是对自然环境中资源最大效率的利用和最大限度的排放，转换为环境压力，人们没有能力支付或者直接忽略由于经济增长而造成的环境损害。在工业化的后期，随着收入的增加，人们意识到环境的价值，政府机构开始起作用使污染开始减少，因此EKC曲线假说证实了一种经济活动与环境压力或是资源枯竭压力之间的关系[12]。EKC曲线同时绘制了污染指标和人均收入的变化情况，世界环境的恶化取决于世界人均收入，是一种正态分布假设，实际收入水平远远低于假设水平。简而言之，环境库兹涅茨曲线为一个国家一个社会提供了如何用技术测量环境质量改变的方法，主要是研究人类行为的二维空间。

2.2 国内相关研究

陈勇等[13]通过环境库兹涅茨曲线研究了陕西省1992-2008年的化肥投入密度，建立了9个污染指标并利用Eviews对参数进行估计，如果政府采取有效的措施，化肥的施用量会随着经济的发展而减少。许和连等[14]采用地理加权回归模型研究了中国2000-2009年30个省份样本数据，结果表明中国化肥投入量不断增大所带来的面源污染与其宏观经济增长之间存在倒U型曲线的关系。李海鹏等[15]认为化肥和农药投入密度、畜禽粪尿排泄物密度与经济增长均具有显著的倒U型关系。史磊等[16]研究了1992-2013年山东省的面源污染，以化肥农药和农膜为污染指标，证明了山东省农业经济增长和面源污染存在着显著的倒U型关系。刘志欣等[17]以重庆市的农业面源环境为研究对象，通过Eviews对参数进行估计，证实了化肥的使用水平与农民人均收入之间呈现典型的倒U型曲线。

3 化肥投入与环境库兹涅茨曲线的检验分析

由美国著名的经济学家西蒙·库兹涅茨在研究经济的增长与个人收入相关问题时所提出的环境库兹涅兹曲线（Environmental Kuznets Curve）又称为过山车理论。1979-1990年Grossman对欧亚66个国家和地区空气中所含有的14种污染物以及1977-1988年对水资源进行研究时发现的10种水污染物的变动情况进行了研究，结论表明，环境中的污染物（这里所说的环境包括大气和水在内的环境资源）与人均国民收入的变动呈现倒U型曲线关系[18]。EKC曲线理论提出以来，由于污染物样本选取的多样性和变动性，同一区域内样本会有差异，同种属性的不同区域样本也具有多样性，随着样本选取的时间不同，污染物样本含量同样会出现差异，因此造成了研究成果上的差异。虽然存在差异性，EKC假说仍然被证实是研究经济与环境之间相关关系的一个重要的方法。

2006年Managi等[19]提出支撑EKC假说的三种理论：第一是产业结构变动，从农业向工业密集型产业再向技术密集型产业的转化；第二是经济收入水平差异，由于经济发展的水平不同，尤其是收入因素，导致人们对环境的需求不同[20]；第三是生产技术发展水平，由于技生产工具发展程度，生产力的发展水平的促进或是阻碍，使环境相关的政策只能达到一定的水平才能实现[21]，环境保护技术的提高、环境与自然资源对人们生活的影响、环境修复和治理的水平都不断得到增强。通过相关研究的对比发现，用生产率指标即产量和实际工作时间的比例与污染物排放的指标相比，后者在实践运用中误差更小，在一个合理的水平下，不同的区域样本和标的物样本之间存在误差是可以接受的。

3.1 Grossman分解模型

1995年Grossman方程由Grossman等在对环境与经济之间的相关关系进行研究时提出[22]。首先，对环境污染排放有：

EPt=■■■Yt （i=1，2，…n） （1）

式中，t变量为时间（某一时间段），Yt表示在t时间段内某个地区的国内生产总值；EPit变量指i企业在t时间段内的污染排放量，Yit变量指i企业在t时间段内的生产增加值；EPit/Yit为污染强度指标，是企业i在这一时间段内的单位增加值污染排放量，用Iit表示。Yit/Yt表示企业i增加值占GDP的比重，用为Rit表示。则，公式（1）可以改写成：

EPt=■YtIitRit （2）

对公式（2）求导，在等式的两边同时除以一个变量函数EP可以得出：

E■/EP=■/Y+■si（■i/Ii）+■si（■i/Ri） （3）

在公式（3）中，si表示i企业的污染排放量在全国某个时期内总污染排放量中所占的比重；等式右边的Y表示经济发展水平对与环境的损害程度，第二项表示通过提高生产力的水平，改进生产技术，对农田施肥而對环境的损害程度，第三项表示农业产业结构向工业产业结构再向技术密集的产业结构变化而对环境的损害程度。

3.2 环境库兹涅茨曲线检验模型

EPit=β0+β1（GDP/capita）it+β2（GDP/capita）it2+？琢Xit+εit （4）

对公式（4）进行对数形式的检验，模型为：

lnEPit=β0+β1ln（GDP/capita）it+β2ln（GDP/capita）it2+？琢Xit+εit （5）

式中，GDP/capita变量相当于人均国民收入，X为控制变量因素，包括人口、收入、流域面积、污染面积及文化教育水平等因素，εit为残差。由此可见，当β1大于0，β2等于0时，人均国民收入与环境存在着正相关关系，即环境的质量并不会随着经济增长而同时增长，如果环境质量的下降速度与经济增长的速度呈正比，经济增长会造成环境的损害；当β1小于0，β2等于0时，环境质量与经济增长的水平呈正比关系，由于经济的不断发展，最终环境会得到提升，环境的改善是建立在经济不断进步基础之上的，二者之间的关系是一种互补型的同向单调递增和递减关系。当β1小于0，β2大于0时和当β1大于0，β2小于0时，这两种情况带入方程都可以说明经济的增长会与环境质量产生关系，但这种关系不是简单的递增/递减关系，而是环境污染与经济增长所呈现的是一种倒U关系，经济不断发展对环境造成严重的损害，但当经济发展与环境损害达到一定的限度值后，经济继续发展，但环境会得到改善。

3.3 实证分析

环境库兹涅茨曲线检验模型决定了数据分析的方法有两种，一种是求解某地区中的某化肥企业在一定时期内经济收入与环境质量的关系，在时间顺序固定的情况下，可以采用横截面数据的统计口径和计算方法，即横截面数据分析法；第二种是在不同的时间点上的关于某地区某化肥生产企业的收益与其对环境影响的关系，检验收入与环境的关系是否会随着时间点的改变而发生改变，即时间序列数据检验法。这两种方法仅证明人均收入与化肥污染存在相关性，即运用了EViews软件来研究相关数据。运用二阶段最小二乘法（TSLS），第一阶段可以对求出简化方程，产生一个工具变量；第二阶段可用代替所估计方程右边的Y变量得出参数的估计值，因此工具变量可以直接应用TSLS来实现[23]。模型中的每个内生说明的工具变量都在前定变量中选取，随机效应模型则运用误差成分二阶段最小平方法[24]以及明确地说明固定效应模型（Fixed effects model），即有n个不同的截距，其中每个截距对应单独的个体以及随机效应模型（Random effect model），把固定的回归系数看作是随机变量两者之间的结果。最后通过Hausman检验说明固定效应模型与随机效应模型所构成的混合模型（Mixed model）的结果，再在两者之间进行取舍。本研究以贵州省南盘江流域2006-2015年3种主要化肥污染物氮（N）、磷（P）、溶解氧（DO）为目标数据，测算污染物与农村家庭人均收入之间的关系，其中化肥施用数据来源于国家统计局网站、贵州省人均收入数据来源于贵州统计年鉴，运算各个元素对人均收入的影响，可将影响元素带入公式（5）建立方程：

Pit=y′it？茁+xit？坠+？酌i+εit （i=1，…N；t=1，…T） （6）

Pjit=Gj（yit）+Xjit？坠j+？祝ji+εjit（j=1，…M；i=1，…N；t=1，…N） （7）

方程的设置需要考虑两个因素，即不论是否采取对数函数的形式，EKC曲线都是对称的，首先研究EKC曲线时，可以建立一个联立方程，但需保证在以P和Y为底数的对数函数方程中，EKC曲线的污染方程要与这个联立方程的模型一致，并且求解的方程，也就是产出方程也需要采用与农业生产函数相对应的对数形式；其次，没有运用对数函数，EKC曲线同样仍然能对称，这就表明，EKC曲线的转折点，也就是收入的转折点（经济因素）在这个点的左右存在对称关系，即到达转折点时，环境损害的速率与改善环境损害的速度是一致的。达到这个转折点后，还会存在这样一种情况，随着农村居民家庭收入的不断增加（经济增长），环境的损害值为负，但在现实的生活中，环境不可能倒退到人类出现之前的临界值，为了避免这种情况，采用自然对数形式来研究环境与污染之间的关系。

方程（8）中，X变量是一种外生变量，引入到方程中，表示N、P、DO 3种污染因素对收入的影响值。

？籽1=X1？茁1+X3？茁1+g1（y）+ε1

？籽2=X2？茁2+X3？茁2+g2（y）+ε2 （8）

结合南盘江流域在贵州省境内2006-2015年农村家庭人均收入（Income），人口（Population）以及每平方米流域面积所对应的氮（N）、磷（P）及溶解氧（DO）的污染面积（换算为英亩Acres）的数据，观察3种污染元素的样本所对应变量求解联立方程（8）（表1）。结果表明，N和DO均通过Hausman检验，得出的曲线形状为倒U型曲线，与EKC曲线方程相符。为进一步测算南盘江流域人均收入对于面源污染的转折点，通过表1的产出方程，可以将3种元素污染与人均收入的转折点均预设为12 000元，即当人均收入超过12 000元时，3种元素对面源环境的污染会随着人均收入增加而降低，收入的加权系数为负，表明这3种污染元素在水中的溢出效应显著。

3.4 结果与讨论

通过实证分析结果可以看出，①N、P、DO污染物质的计量标准不同，不能用一张图表示。②南盘江流域内的化肥投入和经济增长对与农村面源环境确实存在EKC曲线。发展农村地区的经济必然会对环境的改善有所帮助，即在面源污染地区尤其是经济不发达的地区，通过经济手段来治理环境问题是可行的，但在运用经济手段治理环境问题之前必须认识到农业生产过剩已经给环境带来了不可逆的损害，且经济手段治理环境的运行成本较大。经济增长与环境改善之间并没有必然性，因此目前只能人为地促进二者的一致性。③由图1可知，N元素对南盘江水资源存在较大的影响。现实转折点比预测转折点高，为16 487.95元；由图3可以看出，DO污染与人均收入之间存在非常明显的倒U曲线，当转折点在10 339元时，人均收入增长不会再对环境产生影响；图2中P元素对水域的污染峰值不稳定，随着人均收入的增长，污染呈现一种小幅的倒U曲线，但整体上还是大致与EKC模型相符合。④当达到上述两个转折点时，农户对肥料的施用就不会再对环境造成负面影响；反之，人们会对环境进行修复，而环境也会进行资源再造，进行自我修复。当前中国的经济在不断发展，农业面源污染的程度也变得越来越严峻，化肥的使用量依然处于总体增长的趋势，要解决流域内化肥使用带来的农业面源污染问题，仅仅是降低企业产量或者是禁止农民施用化肥，都不能改善已经污染的环境。要提高农业面源污染治理效率，可以从农业生产要素投入方面进行相关研究，降低农民、企业以及農业产出对化肥的投入，从而有效控制相关要素对于化肥的依赖，提高农民对环境治理的投入，在改善环境的同时不损害农民的利益。

4 小结与建议

随着科技的不断进步，重工业在生产中占据了重要地位；绝大多数人会倾向于发展工业提高经济而不会选择农业[25]；经济发展较弱的地区生产社会化程度不断提高，区位因素和自然因素在生产中的作用也越来越明显，国民收入不断提高的同时收入之间的差距也随之不断扩大，最后形成迅速增长的直线函数。因此，在生产达到顶峰时，环境和区位因素将不再是经济增长和扩大收入的优势，市场自发解决经济问题，使得生产要素向尚未开发的地区转移，甚至向落后地区转移，此时收入受环境的影响因素开始下降，收入的差距减小。

在经济发展过程中，环境与经济状况可以归纳为一种循环圈：经济规模影响经济结构，经济结构影响环境水平，环境水平影响环境需求，环境需求影响经济收入，经济收入影响经济规模。人们为了追求经济利益而最大限度地压榨环境和自然資源，导致生态环境持续恶化，当环境恶化到一定水平，再无法对经济产生促进作用时，人们开始治理环境，随后环境得到改善，环境与经济的关系处于平稳下降的状态。

环境对农产品的生产和农作物的培植产生着巨大的影响，而农产品和农作物的生产在很大程度上依赖于环境，生态环境的破坏必然会对农业生产不利。基于以上分析的环境库兹涅茨曲线不应作为政府不作为的借口，也决不能成为企业先污染，后治理的借口[26]。大量研究表明，氮盈余产生的主要原因是氮肥的使用率上升而吸收率下降，伴随氮肥施用量上升而农产品产量下降，磷肥和溶解氧污染亦然。因此，农业面源的污染治理中，必须减少肥料投入，在减少肥料投入的基础上提高肥料的利用率，这是有效降低氮盈余的一个主要方法。面源环境作为一个公共物品，是非常有可能成为“公地悲剧”的，任何生态环境都存在着一条生态红线（阈值），在红线允许的范围内，人们可以有条件地从事各种经济和生产活动；一旦人们的活动对环境的影响超越了红线，环境退化就变得不可逆了，而用于恢复已经遭到破坏的环境需要用耗费无尽的治理成本。应该从提高农户的收入着手，逐渐减少肥料投入，在减少肥料投入的基础上提高肥料的利用率，这是有效降低面源污染元素盈余的主要方法。

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