基于部分预算法的玉米大田变量施肥经济效益分析

陈 静，吴永常※，陈立平，赵春江，王永生



基于部分预算法的玉米大田变量施肥经济效益分析

陈 静1，吴永常1※，陈立平2，赵春江2，王永生2

（1. 中国农业科学院农业经济与发展研究所，北京 100081；2. 北京农业信息技术研究中心，北京 100096）

为明确精准农业技术的应用效果和经济效益，促进精准农业技术在中国的推广应用。该研究基于田间50 m×50 m土壤碱解氮测定数据，采用目标产量模型，设计了变量施氮处方进行变量施氮试验，以相邻地块常规均一施肥区为对照。采用部分预算法评价从均一施肥措施改变为变量施肥措施后的经济效益。结果表明：变量施肥比常规统一施肥显著减少了19.4%的氮肥用量，产量增加了1.8%；从常规统一施肥改变为变量施肥后净收益增加了383.23元/hm2，增加投资部分的投资收益率为753%，远大于可接受的最低年收益率105%。综上，在规模农场采用变量施肥相关变量施肥装备和软件进行变量施肥管理可以减少氮肥施用量，增加作物产量，从而提高农场种植的经济效益，具有良好的推广价值，制定变量施肥机的购置补贴政策有利于进一步促进变量施肥技术在大规模农场的推广应用。

作物；模型；设计；变量施肥；规模农场；部分预算法；经济效益

0 引 言

农业经营主体一般会为了更方便操作或者更高的经济效益才会选择调整农业管理措施。当农业经营主体选择不同的农业管理措施时，会对农业经济效益产生影响。部分预算法（partial budget analysis，PBA）非常适用于决策是否要进行管理措施的改变[1]，是国际上比较通用的评价精准农业经济效益的方法[2]。通过部分预算法可以评价某一农田管理环节的变化所带来的投入和产出的变化，并且只关注改变了或者有变化的部分[3]。PBA是一种通过对比技术变化所带来的投入和产出情况，辅助农业经营主体进行是否采用一项新的技术的规划或决策方法[3-4]，它虽然不是一个新方法，但是却是一个非常有效的方法，可应用于只知道变化部分的投入和产出而不了解全部投入的情况[5]。但是部分预算法的有效性取决于计算过程中所采用的数据信息[4,6]。很多学者将该方法应用于农场管理决策，Hady等[7]利用部分预算法研究了农场日常管理措施不同所带来的经济影响，并开发了相应软件辅助农场的日常管理决策。其中农场生产产品的价格对部分预算模型的结果影响最大[7]。

变量施肥的技术路线和原则是在充分了解土地资源和作物群体变异情况的条件下，因地制宜地根据田间每一操作单元的具体情况，精细准确地调整肥料的投入量，获取最大的经济效益和环境效益[8]。对于变量施肥应用效果的研究有很多，主要应用效果包括增加作物产量[9-10]，减少作物收获后的土壤氮残留，减少氮淋失[8,11-13]，提高环境效率[14]，同时可以减少土壤养分的空间差异性[15]。变量施肥技术对作物产量的影响也有部分研究者得出不同的结论，如Varsa等[16]，陈立平[8]，薛绪掌等[13]的研究结果显示变量施肥技术对作物产量没有影响甚至使产量略降。也有很多学者对大田变量施肥技术应用的经济效益进行评价，Godwin 等[17]的试验研究结果表明，在英国南部谷物种植中实施变量施肥比统一施肥每公顷收益可以增加185元（22英镑）。变量施肥技术应用的经济效益还与农场规模、作物的经济价值有很大关系，Lowenberg- DeBoer[18]对利用GPS导航喷药以避免遗漏和重叠的经济效益进行了估算，新购买GPS设备实施精准农业管理的农场只有当农场大小达到800 hm2时方可以实现盈亏平衡。Swinton和Lowenberg-DeBoer[19]的研究结果显示变量施肥技术的经济效益与作物的经济价值直接相关，在小麦和大麦上应用几乎没有经济收益，在玉米上应用效益不稳定，在甜菜上应用经济效益最高。部分预算法在从统一施肥变化为变量施肥的经济效益评价中被较广泛应用，Link等[20]利用部分预算法结合模型模拟研究了在德国弗莱堡玉米大田应用变量施肥技术的经济效益，结果表明长期应用变量施肥技术可以通过减少氮肥投入而获得更高的净效益，政府对减少氮肥使用而提供的环保补贴有利于提升变量施肥技术应用的经济效益。也有学者的研究结果显示利用变量施肥技术经济效益没有显著差异[16]，但是从文献中可以看出，对变量施肥技术应用经济效益评价的成本计算时，有些学者未考虑精准农业管理的装备投入，仅考虑肥料等可变物的投入[21]，有的学者则综合机械、测样和可变物投入[22-23]，因此不同区域不同学者的研究结果也不具有直接可比性。目前国内对变量施肥技术经济效益的评价大多没有考虑实施变量施肥管理的装备投入、土壤肥力测样投入和人工投入，主要考虑肥料投入[24-25]，或者变量施肥管理采用的是人工施肥，而非机械施肥[2]，而基于不同农场规模、农场实际管理措施，综合考虑变量施肥各类成本投入的经济效益评价研究尚少。本研究基于在黑龙江赵光农场的变量施肥和统一施肥对比试验和调查获取的经济评价基础数据，采用部分预算法评价在黑龙江赵光农场从统一施肥措施改变为变量施肥措施后的经济效益，为该区域选择是否采用变量施肥技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省赵光农场（126°26¢E，47°54¢N），赵光农场的总耕地面积为28 400 hm2，试验区属寒温季风气候，年平均气温0.5℃，无霜期120 d左右，年降雨量570 mm，年平均日照2 700 h以上。试验区每年种植一季玉米，前茬作物为玉米，管理采用常规均一管理方式。土壤类型为黑土，0~20 cm土壤有机质质量分数66.61 g/kg，铵态氮1.50 mg/kg，硝态氮4.22 mg/kg，有效磷40.75 mg/kg，速效钾138.56 mg/kg。

1.2 试验设置

试验设置变量施氮（VF）和当地常规施氮（CK）2个处理（具体布局及尺寸见图1）。变量施肥区面积为6.67 hm2，常规施肥区面积为12 hm2。供试玉米品种为德美亚1号，播种时间为2015年5月11日，播种密度约为55 000株/hm2。变量区与常规区其他措施都相同，仅施肥措施不同，常规区采用均一施肥方式，施肥量采用当地常规施肥量，施纯氮量为底肥101.42 kg/hm2，追肥70 kg/hm2，共施纯氮171.42 kg/hm2，变量区以固定间距网格进行土壤采样，根据各网格单元土壤养分测试值，采用目标产量法计算各单元的追肥量，利用ArcGIS软件生成施肥处方图（图2），最后通过变量施肥机读取施肥处方图进行变量施肥。

1.3 变量区施肥量计算

在玉米施基肥前取样测定土壤养分，按照50 m×50 m网格取0～20 cm土层5点混合土样，测定土壤碱解氮，根据测试值利用目标产量法[13]计算施氮量。

施肥量=（玉米吸氮量–土供氮量）/0.4 （1）

式中0.4为氮肥当季利用率。

玉米吸氮量=目标籽粒产量×0.03 （2）

其中目标籽粒产量为试验区2014年玉米产量，0.03为每生产1 kg籽粒吸收的纯氮量。

土壤供氮量=（播前碱解含量–50）×耕层土质量 （3）

式中50 mg/kg是土壤碱解氮含量的下限,低于此值则玉米遭受氮素胁迫。耕层厚度按20 cm计算。根据上述的土壤施肥计算模型进行叠加分析计算，得出变量施肥处方图（如图2），然后按照获取的处方图利用2f-vt1变量施肥机进行变量施肥，图中各区域的施氮量为总施氮量，底肥和追肥期各施50%。

图1 试验小区布局

图2 变量施氮处方图

1.4 产量测定

玉米成熟后，每处理采用五点采用法选择5个点，每点取10 m2测产，收获玉米穗，称量后折算成各处理玉米籽粒产量。

1.5 数据分析

采用SPSS 22.0软件进行产量的单因素方差分析。

1.6 经济分析

采用部分预算法进行变量施肥技术应用经济分析。为简化分析，假设农业生产的目标是使净收益最大化，为了决定是否使用新技术，农民需要了解新技术是否能够提高净收益和收益率。

净收益NI是总收益TR中减去总投入TC，即：

总收益TR是收获的玉米的总价值，计算公式为：

式中表示玉米产量，玉米价格P采用中国政府玉米的最低收购价2元/kg。

总投入TC包括所有的投入花费，比如种子、肥料、农药、劳动力和资本。在部分预算法中将总投入分为固定投入FC和变量投入VC两部分。一项新的农业技术相对传统技术来说，固定投入是指在2项技术中没有区别的投入；变量投入则是指由于应用新技术而导致的变化量。本文中从统一施肥转变为变量施肥的变量投入主要包括肥料投入、变量施肥增加人工投入、土壤养分取样和化验、精准施肥决策软件年折旧和施肥机/变量施肥机年折旧。

式中肥料投入等于肥料用量乘以肥料价格；变量施肥增加的人工投入主要包括进行变量施肥管理的人员工资；土壤养分化验费用包括每公顷取4个土样进行碱解氮含量测定的费用；根据应用的面积计算每单位面积的年折旧，年折旧费用计算公式为：

式中DC表示年折旧费，OV表示固定资产原值，表示残值率，表示折旧年限。

因此净收益计算公式可表示为：

变化量是指采用新技术后与采用新技术前相应值的变化量，本文指采用变量施肥技术的投入和产出与采用常规统一施肥技术的投入和产出的差值（Δ表示因子的变化量，结果为正值表示增加量，负值表示减少量）。净收益的变化量根据总收益的变化量和固定投入的变化量、变量投入的变化量计算可得。

根据固定投入的定义，新技术和传统技术的固定投入相同，即ΔFC=0，因此净收益变化量公式可表示为：

除了净收益外，收益率也是另外一个重要的投资考核指标，计算公式为：

2 结果与分析

2.1 施氮量与籽粒产量

根据变量施肥处方，变量施肥区一级梯度区总面积为0.32 hm2，二级梯度区总面积为5.34 hm2，三级梯度区总面积为1.01 hm2，整个区域平均施纯氮量为138.12 kg/hm2，比常规施肥区的单位面积施氮量减少了19.4%。

表1表明，变量施肥处理的平均玉米产量为 122 00.25 kg/hm2，常规施肥区为119 83.20 kg/hm2，变量区比常规区增加了1.8%。

2.2 经济效益分析

如表1所示，变量施肥处理和常规施肥处理每年的变量投入分别为729.72和679.09元/hm2，将常规统一施肥改变为变量施肥总投入增加了50.63元/hm2。而变量施肥处理和常规施肥处理的总收益分别是24 400.50和23 966.40元/hm2，变量施肥技术应用的总收益比常规统一施肥增加了434.10 元/hm2。进而从净收益上看，将常规统一施肥改变为变量施肥后净收益增加了383.23元/hm2。从常规统一施肥改变为变量施肥增加的那部分投资的收益率达到了753%。

表1 不同施肥处理的部分预算分析

注：尿素价格1.8元·kg–1（参考电商平台“京东”上的价格）；常规施肥机每辆6万元，变量施肥机每辆25万元，精准施肥决策软件每套15万元（调研数据）；精准施肥决策软件和施肥机的应用面积分别为28 400（全农场）和333 hm2（根据农田管理时间限制），折旧年限均以10a计算。“变化量”表示从常规统一施肥改变为变量施肥的投入和产出的变化量。

Note: The price of urea is 1.8 yuan·kg–1(according to e-commerce platform-“Jingdong”); the price of normal fertilizer applicator, variable-rate fertilizer applicator and variable rate fertilization software is 60 000, 250 000 and 150 000 yuan per unit (investigation data);variable rate fertilization software application area is 28 400 hm2(over the whole farm), fertilizer applicator application area is 333 hm2(according to the time of farm management), depreciation years=10a. “Change” means the change of costs and return from conventional fertilization to variable-rate fertilization.

2.3 部分预算法中新技术应用确定标准

部分预算法中新技术是否应该被推荐使用有3个衡量标准：1）如果净收益保持不变或降低，则不应采用新技术，因为新技术不能获得更高的收益；2）如果净收益有所增长，变量投入保持不变或降低，则可以采用新技术，因为新技术可以带来更高的收益；3）如果净收益和变量投入都增加了，则要根据收益率来确定是否采用新技术，收益率越高说明新技术经济效益越好，只有当收益率至少超过100%后，新技术才应该被采用[3]。

从上述计算结果来看，试验区应用变量施肥技术符合净收益和变量投入都增加了的情况，需要根据收益率来确定是否采用新技术。假设农业投资资本的年利息为5%，东北地区一年种植一季，因此考虑资本成本后可接受的最低年收益率为105%（100%+5%）。将常规统一施肥改为变量施肥后，增加投资的收益率达到753%，远大于可接受的最低年收益率105%。符合部分预算法中新技术是否应该被推荐使用的第三个衡量标准，因此采用购买变量施肥相关变量施肥装备和软件的方式进行规模农场变量施肥管理在东北大农场是被推荐的。

2.4 变量施肥机购置补贴政策的影响

目前来说由于变量施肥机非通用农机，因此未进入中国农机购置补贴名录中。参考当前中国农机购置补贴政策（农业部办公厅财政部办公厅关于印发《2015—2017年农业机械购置补贴实施指导意见》的通知），假设变量施肥机的购置补贴比例为30%，则变量施肥机年折旧从70.95元/a降低为49.66元/a，总成本增加值从50.87元/a降低为29.61元/a，增加投资的边际收益率增长至1 366%，对于促进变量施肥技术在大规模农场的推广有非常重要的推动意义。

3 讨 论

本研究主要利用田间试验研究变量施肥技术对玉米大田施肥量和产量的影响，并在此基础上利用部分预算法研究在规模农场自购变量施肥相关装备的经济效益变量情况。田间试验结果显示，在变量施肥条件下，氮肥投入比统一施肥条件下减少了19.4%，玉米产量比统一施肥条件下略有增长，提高了1.8%。这一研究结果与前人的研究结果相似，不同学者在不同区域多个大田应用变量施肥技术都得出了与传统施肥地块相比，变量施肥管理在减少化肥投入的基础上增加了玉米产量的结论，节肥7%～16%，增产率7%～13%[9,26-27]。王熙等[10]对大豆变量施肥播种作业，也得出在同等成本条件下，比照增产7.5%的结论。对于变量施肥技术对作物产量的影响也有部分研究者得出变量施肥技术对作物产量没有影响甚至使产量略降的结论[8,13,16]。产生这种现象的主要原因可能是目标产量的制定的原因[13]，或者是地块的基础肥力空间变异性很小，少到不足以影响均一施肥下的作物产量[28]。

通过部分预算法计算得出在试验区应用变量施肥技术比常规施肥技术净收益提高了383.23元/hm2，虽然增加了50.87元/hm2的成本投入，但是增加的这部分投资的收益率达到了753%，因此在试验区变量施肥技术是可以推荐使用的。很多学者在研究中也获得了相似的研究结果，Meyer-Aurich等[29]和Godwin等[17]的田间试验研究结果显示，在小麦等谷物大田中应用变量施肥技术可以比统一施肥增加约20～200元/hm2的经济效益。Pasuquin等[26]在东南亚十三个地区基于田间试验获得变量施肥管理方案，结果显示与常规施肥相比经济效益升至可以提高1137.27元/hm2（167美元/hm2）（相当于总净收益的15%）。田耘等[27]的示范应用结果也显示应用变量施肥技术可以提高经济效益15%以上。对于精准农业技术应用的经济效益也有一些研究的结果显示经济效益不变甚至有所降低[8]。其原因与农田管理技术应用的经济效益的各影响因素有关，产量是变量施肥技术经济效益的驱动因素[26]，同时农场规模越大、种植的农作物的经济效益越高，其应用的经济效益也越高[18-19,30]，变量施肥技术的采样、测试、管理等投入高于应用技术所带来的效果也会影响其经济效益[28]，因此不同区域、不同农田土壤基础条件、不同农场规模、不同农作物或者农产品价格都是导致变量施肥技术应用的经济效益不同的原因。

4 结 论

1）在研究区进行变量施肥与常规统一施肥相比可以显著减少肥料施用量，同时增加作物产量，但是增产效果不显著。

2）从常规统一施肥改变为变量施肥处理净收益增加了383.23元/hm2，增加的那部分投资的收益率为753%。大于可接受的最低年收益率105%，因此采用购买变量施肥相关变量施肥装备和软件进行变量施肥管理在东北大农场是被推荐的。

3）制定变量施肥机的购置补贴政策有利于提高农场的投资收益率，对于促进变量施肥技术在大规模农场的推广有非常重要的作用。

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陈 静，吴永常，陈立平，赵春江，王永生. 基于部分预算法的玉米大田变量施肥经济效益分析[J]. 农业工程学报，2017，33(19)：141－146. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.018 http://www.tcsae.org

Chen Jing, Wu Yongchang, Chen Liping, Zhao Chunjiang, Wang Yongsheng. Economic benefit analysis of variable-rate fertilization technology in maize () field based on partial budget analysis method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 141－146. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.018 http://www.tcsae.org

Economic benefit analysis of variable-rate fertilization technology in maize () field based on partial budget analysis method

Chen Jing1, Wu Yongchang1※, Chen Liping2, Zhao Chunjiang2, Wang Yongsheng2

(1.100081,2.100096,)

Precision agriculture is a modern agricultural technique which helps improve the yield and quality of crops, increase economic returns and reduce the pollution in agricultural ecological environment. In China, the effectiveness and economic benefits of applying precision agriculture technologies are not yet clear, which is an important factor that may hinder the popularization and application of precision agriculture technologies, such as variable-rate fertilizer application.Before changing from one production method to another, the farmer considers manyfactors, such as additional costs, and additional incomeresulting from the change. In this research, we aimed to estimate the effect on net benefit of changingfrom unified fertilizer application to variable rate fertilizer application.Partial budget was used toassess the costs and benefits associated with this specific change in a maize farm, which was based on a unit so data were collected from one large maize farm in the northeast of China.Field experiments were carried out in 2015 at Zhaoguang farm in Heilongjiang province, a typical large farm of northeast China. In this study, two fertilization treatments were included: 1) uniform nitrogen fertilization (CK), 12 hm2in area, 2) variable rate nitrogen fertilization (VF), 6.67 hm2in area.In the VF treatment plot. Crop yield goal was set up, soil samples were taken from a 50 m×50 m grid, and Alkali-soluble soil nitrogen was used as available nitrogen during the growing season. Based on those, we generated a variable rate nitrogen fertilization prescription map for maize using ArcGIS. The fertilizer was applied to the farm land as the prescription by variable-rate fertilizer applicator. Other farmland management measures of these two experiment treatments were the same. The main results were: 1) maize yield was improved by 1.8% through the variable rate fertilization compared with the unified fertilization, and the nitrogen fertilizer application amount was decreased from 171.4 kg/hm2to 138.12 kg/hm2, decreased by 19.4%.2) Applying variable rate fertilization technique need investment 50.63 yuan per hm2more than uniform fertilization, and the net return was 383.23 yuan per hm2higher than uniform fertilization. The rate of return on the increased investment of change from unified fertilization to variablerate fertilization was 753%, much more than the minimum rate of return on agriculture investment (105%).3) Suppose the subsidy for purchase variable rate fertilizer applicator was 30% of the purchase price, the annual depreciation of variable rate fertilizer applicator decreased from 70.95 yuan/year to 49.66 yuan/year. The rate of return on the increased investment of change from unified fertilization to variable rate fertilization increased to 1366% as the increased investment decreased to 29.61 yuan/year. In summary, the new technology should be feasible for farmers to accept according to the criteria for partial budget analysis. In addition, subsidy policy to purchasing variablerate fertilizer could increase the economic benefit of application of variablerate fertilization technology in large farms.

crops; models; design; variable-rate fertilization; large farm; partial budget analysis; economic benefit

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.018

S24

A

1002-6819(2017)-19-0141-06

2017-04-10

2017-08-04

国家自然基金委国际（地区）合作与交流项目（61661136003）；北京市博士后基金（2016 ZZ-65）

陈 静，汉族，江西玉山人，博士，助理研究员，主要从事现代农业技术经济评价等方面的研究。北京中国农业科学院农业经济与发展研究所，100081。Email：chenjing@caas.cn

※通信作者：吴永常，汉族，陕西大荔人，博士，研究员，博士生导师，主要从事县域经济等方面的研究。北京 中国农业科学院农业经济与发展研究所，100081。Email：wuyongchang@caas.cn