中国粮食生产化肥施用效率分析基于随机前沿生产函数

刘德伟,李 强,宋孝航(北京林业大学 经济管理学院,北京100083)

中国粮食生产化肥施用效率分析基于随机前沿生产函数

刘德伟,李 强,宋孝航
(北京林业大学 经济管理学院,北京100083)

我国约有13.8亿人口,确保粮食安全已成为我国重要的政策之一。化肥施用对增加粮食产量发挥了不可替代的作用,但却造成了严重的面源污染。2015年农业部提出《化肥零增长行动方案》,该政策是否会影响中国的粮食安全？采用CD随机前沿生产函数(SFA)，对农业生产效率和化肥投入的单一要素技术效率进行估计。结果表明：我国农业生产中存在无效率,平均生产效率为0.894,化肥投入的技术效率低于生产效率,只有0.603,说明我国在化肥施用方面还存在很大的节约空间。通过合理施用化肥、提高化肥施用技术,可在保障粮食安全的前提下达到减少化肥用量的目的,实现粮食生产的可持续发展。探求合理利用化肥施用技术和方法将是下一步研究的重点问题。

粮食安全;化肥施用效率;随机生产前沿

1 引言

民以食为天,粮食安全关乎国计民生,粮食安全对维护社会稳定和促进经济发展至关重要。我国是世界上人口最多的国家,保障十几亿人的吃饭问题是进行各种生产活动的基础。因此,确保粮食安全对我国尤为重要。保障粮食安全是我国重要的政策之一,在基本自给的粮食安全政策主导下,追求粮食产量成为了中国农业生产和管理部门的首要目标[1]。

化肥作为最重要的农业生产资料之一,是粮食的“粮食”。在农业生产过程中化肥施用对增加粮食产量发挥了巨大的不可替代的作用。根据联合国粮农组织的资料,发展中国家施用化肥可提高粮食作物单产55%—57%,总产量可提高30%—31%[2]。同时,大量试验结果显示,化肥施用可提高水稻和玉米单产达40%—50%、小麦单产50%—60%[3]。研究结果还表明,无论在发达国家还是发展中国家,施用化肥都是最快、最有效、最重要的增产措施[4]。

化肥投入在农业生产中发挥了重要的作用,但过量施用化肥既造成资源浪费,更为严重的是造成了农业面源污染。从最佳施肥水平角度看,我国过量施用化肥已达到总施用量的30%—50%[5],过量施用化肥的直接结果是造成化肥施用的低效率。已有研究表明,我国农民过量施肥已是一种非常普遍甚至非常严重的现象[6],我国主要粮食作物的氮肥利用率仅有10.8%—40.5%[7]。化肥过量施用不仅会造成化肥利用的低效率,更为严重的是不被作物吸收利用的化肥会停留在土壤或随降水和灌溉进入水体,导致水体中氮磷物质含量增高,加剧农业的面源污染。由于要素投入增加所导致的生态污染会直接阻碍中国农业生产的可持续发展,过量施肥对我国农业环境同样会造成严重的负面影响。我国农业部提出了《到2020年化肥施用量零增长行动方案》(简称《零增长行动方案》)。即2015—2019年我国逐步将化肥使用量年增长率控制在1%以内,力争到2020年主要农作物化肥使用量实现零增长[8]。《零增长行动方案》能否顺利实施,其关键是我国粮食生产过程中化肥施用是否过量;若过量,其严重程度如何？

衡量化肥是否施用得当的关键指标就是化肥的施用效率。我国已有众多学者分别运用田间试验法、数据包络法、随机前沿法对农业生产过程中化肥施用的农学效率、经济学效率进行了研究[6,7,9-12]。结果表明,不同的研究方法对化肥效率的测度差异很大,大多数都是从我国粮食总产量角度进行了研究,没有从粮食单产角度进行研究,且研究采用的数据过于陈旧,不能完全反应当前化肥施用效率的变化趋势。本文的研究目的主要是从化肥施用效率的角度分析我国粮食生产过程中的化肥施用是否过量。若化肥施用过量,其严重程度如何？针对这一研究目标,我们首先基于径向投入导向的技术效率概念,将化肥的施用效率定义为:在当前的技术条件下,假设产出和其他投入要素不变的情况下,在不改变产出和其他投入的前提下,农户可能达到的最小化肥施用数量与实际施用投入数量的比值。这是一个非径向的投入导向概念,它承认任何化肥施用技术都有可能会由于农户个体的差异存在技术无效率。在此基础上，基于Battese、Coelli[13]提出的技术效率模型,着眼于我国省级层面,采用随机前沿的方法估计我国粮食生产的技术效率和化肥这一单一要素投入的技术效率,分析我国粮食生产过程中化肥施用量的具体情况,并对2015年我国农业部提出的《化肥零增长行动方案》是否对我国的粮食安全构成威胁进行了实证研究,对提高我国化肥施用效率提出可行性建议。

2 研究方法

化肥施用效率包括两个方面的内容:分配效率和技术效率。分配效率与化肥价格相关联,技术效率则主要与施肥方式、环境条件、土壤类型、施肥时间等因素有关。虽然分配效率的提高十分重要,但分配效率在某种程度上也与化肥的技术效率有关,因此本文把研究重点放在化肥施用的技术效率上。

化肥施用技术效率是指在农作物生产过程中所能实现的最少化肥施用数量与实际投入施用化肥数量的比值。对不同种类的化肥,施用方式和方法不同,其技术效率也不同。因此,根据上述定义,化肥施用技术效率是衡量给定施肥的技术和管理水平条件下化肥施用的效率。如果管理水平不足,本来高效率的施肥方式也会导致施肥量的非正常增加。通过对化肥施用效率的研究,可分析农民在化肥施用上是否具有技术效率。即是否由于技术或管理水平不足造成了化肥的过量施用，从提高管理水平和改善施肥方式的途径来提高化肥施用效率,控制化肥过量施用。

2.1 衡量化肥施用的效率方法

对化肥施用效率的评价方法主要有两类:一是作物对肥料的吸收率。如张福锁等[14]对我国粮食主产区的水稻、小麦、玉米的氮肥吸收率进行了测算。二是利用统计数据和经济模型测算化肥利用效率。如李静等[10]使用随机前沿生产函数测算了化肥施用的技术效率;周芳等[15]构建了化肥产出率指标，测算了化肥的施用有关效率。

目前对生产效率的研究居多,但研究单一生产要素投入效率较少。如Reinhard等[16]对单个投入要素的衡量方法进行了介绍,并对环境因素效率进行了研究;Karagiannis等[17]则采用相同的方法对灌溉用水的效率进行了测算。本文采用上述方法对我国农业生产中化肥投入效率进行测算,分析化肥过量施用是否仅是由于分配无效率导致的。

假设生产技术由随机前沿生产函数表示:

yi=F(xi,fi;α)×exp(εi≡υi-μi)

(1)

(2)

因为,μigt;0,所以0≤exp(-μi)≤1,而对投入导向型的技术效率的测算式为:

yt=F(gixi,gift;α)×exp(εi≡υi)

(3)

假设化肥投入效率是指给定生产技术观测到的投入和产出水平,可观测到的最小化肥投入量,则化肥施用效率是一个投入导向的,其效率公式为:

FTEI=min{λ:f(x,λf;α)≥y}→(0,1]

(4)

图1 在常规投入X和化肥投入条件下的生产前沿

(5)

化肥施用效率可通过估计式(1)的参数求得。

2.2 实证模型设定

为了研究方便,本文以Battese、Coelli[18]提出的对数柯布—道格拉斯(CD)生产函数为基础,则随机前沿函数模型为:

(6)

式中,yi表示总产出;xi表示投入要素;T为时间变量;α、β为待估计参数。

根据式(2)求出技术效率水平。μi=0,则TEi=1,该生产点位于生产前沿上;μi≥0,则0≤TEi≤1,存在技术无效率,此时该生产位于生产前沿下方。

根据式(5)可导出:

(7)

(8)

3 数据来源和变量描述

3.1 数据来源

本文数据为1997—2012年我国31个省区16年的农业投入和产出数据(香港、澳门、台湾因数据缺失未进行分析),主要来自1998—2013年《中国统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》。考虑到农业生产的区域差异,基于土壤、作物、自然和经济社会因素的不同,将全国分为8个地区,见表1。

表1 我国粮食种植区域划分

3.2 描述统计

粮食生产与化肥施用概况:由图2可见,我国粮食总产量变化分为三个阶段:第一阶段(1995—1998年),我国粮食产量基本呈现增加态势(除1997年稍有减产外)。第二阶段(1999—2003年),我国粮食总产量呈下降趋势,到2003年粮食总产量仅有43069.53万t,粮食减产的主要原因是播种面积减少和粮食价格下降导致农民种粮积极性降低等。第三阶段(2004—2014年),粮食总产量处于上升阶段,到2014年我国的粮食总产量达到60702.61万t,年均增长率为3.72%,其中2003—2004年粮食总产量增长率达到了9%。

注:数据来源于1998—2015年的《中国统计年鉴》。

图2我国化肥施用量与粮食产量

从图2可见,在此期间我国化肥施用量持续增加(2006年和2008年化肥施用量略有减少),从1995年的3593.7万t增加到2014年的5995.94万t,增长了66.85%,年均增长率为3.71%。从图3可见,粮食播种面积占作物播种面积的比例明显要高于蔬菜和其他作物的播种面积。粮食播种面积占比在65%以上,而蔬菜种植面积占比均低于15%。

注:数据来源于1996—2015年的《中国统计年鉴》，图5同。

图3我国作物播种面积占比

从图4可见,谷物的化肥施用量占农业化肥施用总量的大部分,年均占比超过55%,而粮食作物的施化肥用量占比更大,蔬菜的化肥施用量占比基本都在25%以下(2003年稍高,占比约为27%)。

注:数据来源于1999—2015年的《中国统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》。

图4我国作物化肥施用总量占比

图5 我国单位化肥施用量与粮食单产

由图5可见,1995—2014年我国粮食单产的变化可以划分为两个阶段:第一阶段(1995—2002年)，该阶段我国粮食单产基本维持在4250—4500kg/hm2左右；第二阶段(2003—2014年)，该阶段我国粮食单产总体上保持增长态势,但粮食单位面积产量增长缓慢,年均增长率仅为1.1%。其中,2009年和2010年略有下降。在该阶段,化肥单位面积施用量的变化并没有阶段性差异,始终保持绝对施用量上的持续增长,从1995年的239.8kg/hm2增加到2014年的362.4kg/hm2,增长了51.1%。

由图6可见,从整体看我国八大区域粮食单产都呈现出增长态势,但各地区之间无论从绝对数量还是增长率来看都具有很大差异。从地域差异来看,我国东部沿海地区粮食单产最高,年均粮食单产达到5910.624kg/hm2；其次是长江中游地区和南部沿海地区,年均粮食产量达5000kg/hm2,东北地区和北部沿海地区地区年均粮食单产保持在4500—5000kg/hm2之间,黄河中游地区和西南地区年均粮食单产则保持在4000—4500kg/hm2之间,西北地区粮食单产最低,年均仅为3988.255kg/hm2。从时间差异来看,2003年全国八大区域粮食单产都不同程度地下降,尤其是东北地区在2000年和2001年粮食单产只有1999年的70%左右。2003年之后,全国八大区域粮食单产都有不同程度的增加,尤其是东北地区增产最为明显,西南地区增产较少。

注:数据来源于2004—2015年的《中国统计年鉴》。

图6我国八大地区的粮食单产

变量描述:由于我国统计数据(农林牧渔业从业人员)2012年和2013年统计口径有所变动,本研究选取1997—2012年的农业生产数据,共计496个样本。为了避免粮食产量与粮食播种面积之间的共线性关系,本文将我国粮食单产作为农业产出变量(Y)。为了控制其他作物生产中生产要素投入,将非粮食作物播种面积占总播种面积的比重(P)作为控制变量纳入模型中。

按表1所分地区,将地区变量(Di)纳入模型作为控制变量,单位面积要素投入量作为自变量。生产投入变量主要包括:①化肥施用量(折纯量,F)。以本年内实际用于农业生产的单位播种面积化肥折纯量(包括氮肥、磷肥、钾肥和复合肥)来计算(kg/hm2)。②劳动要素(L)。以单位播种面积的农林牧渔业从业人员计算(人/hm2)。③农业机械动力要素(M)。以单位播种面积投入的农业机械总动力来计算(kW·h/hm2)。④灌溉要素(I)。以有效灌溉面积与粮食播种面积的比值来计算。⑤农药投入(PT)。以单位播种面积的农药使用量计算(kg/hm2)。由表2可见,1997—2012年我国的粮食单产平均为4685kg/hm2,最小值为2406kg/hm2,最大值7251kg/hm2,差异很大。化肥(折纯量)平均值为482.7kg/hm2,最小值为124.1kg/hm2,最大值为1108kg/hm2,差异也很大。

表2 变量描述

注:数据来源于1998—2013年的《中国统计年鉴》。

计量模型:

(9)

式中,i=1,2,…,31表示中国31个省、市及自治区(未包括香港、澳门特别行政区和台湾地区),X表示除化肥投入外的其他要素投入(包括I、M、PT和L)。其中,k=1,2,…,7表示中国不同的区域地区,其中西北地区=0,t=1,2,…,16表示1997—2012年的16个年份,然后利用统计软件STATA13.0对上述模型进行回归。

4 实证结果

4.1 随机前沿参数估计结果

表3 回归结果

注:***表示plt;0.01,**表示plt;0.05,*表示plt;0.1。

表4 技术效率与化肥施用效率

表5 我国各地区化肥施用效率

4.2 技术效率和化肥施用效率分析

根据式(2)和式(7)可得到我国各个地区生产的技术效率和化肥施用效率。从表4可见,我国粮食生产的技术效率变动区域为0.776—0.965,均值为0.894。说明在现有的技术条件下,如果技术无效率完全消除,即使不增加要素投入,产出也可增加10.6%。化肥施用的效率明显低于技术效率,化肥施用效率变动区域为0.306—0.848,均值为0.603。这一结果说明,在保持其他投入要素数量不变的条件下,通过减少39.7%的化肥的投入量可保持原有的产出数量。Hu等[19]利用农户层次的数据研究结果表明,与农民的施肥习惯相比,采用合理的施肥技术可保证产出在不变的条件下减少35%的化肥投入量,说明化肥的合理利用还存在很大的改进空间。

从全国范围来看(表5),我国粮食生产中化肥施用效率的变化大体可以分为以下三个阶段:第一阶段(1997—2000年)为化肥施用效率降低阶段;第二阶段(2000—2003年)为化肥施用的低效率阶段;第三阶段(2004—2012年)为化肥使用效率的提高阶段。我国各个地区化肥施用效率见表5。

1998年、2003年、2007年、2012年我国各省的、自治区、直辖市化肥施用效率分布见图7。从图7可见,我国化肥施用效率普遍不高且地区差异十分明显，东部地区明显高于中部和西部地区;我国化肥施用效率有一个下降阶段(1997—2003年),后经历低效率阶段(2004—2007年),最后是效率稍有增加阶段(2008—2012年)。

图7 我国化肥施用效率分布

5 结论与建议

化肥能否高效施用关乎中国粮食安全和农业的可持续发展。本文利用省级粮食生产数据,采用随机前沿方法对我国农业生产的技术效率,特别是对化肥投入的施用效率进行了估算,得出我国粮食生产过程中化肥投入存在严重过量现象,化肥施用技术效率偏低。研究发现，我国农业生产中存在技术无效率,平均技术效率为89.4%,而化肥的施用效率则相对较低,平均效率只有60.3%,说明在化肥节约施用上还存在很大的改进空间。根据部分学者的研究,目前我国的化肥施用已过量到50%以上[20]。我们研究的结果发现,化肥施用量虽然不同省份节省的程度不同,但平均可节约39.7%。本研究从化肥施用技术的角度证明了目前我国农业生产中化肥施用是不合理的。粮食生产过程中存在严重的化肥过量施用问题,重要原因是化肥施用技术存在无效率部分。因此,从化肥施用技术效率的角度来考虑,我国化肥施用的技术效率非常低,通过提高对化肥施用的管理水平和提高施用技术是可以减少化肥投入量的。

我国《零增长行动方案》所要控制的化肥施用量远远小于化肥施用无效率的部分,因此适当减少化肥的施用量并不会降低我国的粮食产量,也不会对我国的粮食安全造成影响,反而会通过提高对化肥的管理水平和施用技术,可有效地减少化肥施用量,提高化肥的利用效率,节约生产成本,减少农业的面源污染,有效维持我国农业生产的可持续发展。从本文得出的结果可见,若有效提高我国的化肥施用效率,《化肥零增长行动方案》所制定的目标是完全可以实现的。通过减少化肥施用可缓解我国的农业面源污染问题,保护我国农业生态环境,从长远看有利于我国农业生产的可持续发展。

如何减少过量的化肥施用量、提高化肥施用效率,是摆在当前我国粮食生产面前亟需解决的问题。许多学者对我国化肥施用效率的影响因素进行了研究,但学术界对我国化肥过量施用的原因并没有形成一致的结论。如张福锁[21]认为,农民对科学施肥相关知识和技术缺乏是导致化肥过量施用的主要原因;黄季火昆等[22]认为,发展中国家的农业政策和种植补贴都可能促使农户多施加化肥;也有学者研究了农业经营规模、财政支持、农民收入和农业技术推广等因素对化肥施用效率的影响[10,23-24]。

本文针对我国化肥施用现状,为减少化肥的施用和提高化肥施用效率,保障我国粮食安全和农业的可持续发展,提出以下建议:首先,加大对农业技术的推广力度。农业技术推广是提高农户合理施肥技术的重要环节。通过农业技术推广活动,发挥农业技术推广人员的能力,培训农民的肥料管理和施肥技术,引导他们根据土壤质量、自然环境和粮食作物生长规律进行合理施肥。其次,增加有机肥、农家肥、测土配方肥施用,用有机肥等代替化肥施用,降低农业的面源污染,提高农民的施肥技术。第三,农民受教育程度相对较低也是造成化肥过量施用的重要原因。提高农民的素质，可相应提高化肥的施用效率。第四,由于农民对化肥增产效果的高度依赖,将加大化肥用量作为避免粮食减产的主要手段。因此，如果政府部门健全农业保险制度,引导他们转变规避风险的方式,可有效减少化肥的施用量。

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AnalysisonFertilizerApplicationEfficiencyofGrainProductioninChinaBasedonStochasticFrontierFunction

LIU De-wei,LI Qiang,SONG Xiao-hang
(College of Economics and Management,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

China is an agricultural country,which had about a population of 1.38 billion,which was the Chinese most basic national condition.The guarantee of food security was one of the important policy in China.It was the fact that chemical fertilizer played an important even non-substitutable role in improving the food production. Nevertheless,which also caused serious non-point source pollution,such as,fertilizers could release nitrogen into natural systems such as rivers,upsetting the natural balance However,in many parts of China fertilizer use could be slashed by up to 60%.The action plan of zero growth of fertilizer was put forward by the ministry of agriculture in 2015,but it was still a question whether the policy would influence on the food safety of China.In this paper the authors used the CD Stochastic Frontier Analysis(SFA) on the per elements of agricultural production efficiency and fertilizer inputs to estimate technical efficiency.The results indicated that the inefficiency actually existed in agriculture of China,the average efficiency was 0.894.The fertilizer input technology efficiency was lower than the production efficiency,the former only was 0.603.It could be concluded that there was still great save space for using of fertilizer.The goal on some degree of chemical fertilizer and the sustainable development of grain production could be achieved through the reasonable application of chemical fertilizer and improvement of fertilizer technology under the premise of guarantee food security.In the further research,the key point for us would be finding out the reasonable using technology and methods of fertilizer.Therefore,there were such work for us to research thoroughly and thought deeply.

food safety;fertilizer application efficiency;stochastic production frontier

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.04.004

F301.24

A

1005-8141(2017)04-0401-07

2017-02-07；

2017-03-14

中央高校“基本科研业务费专项”资金资助(编号:TD2012-10)。

刘德伟(1989-),男,山东省诸城人,硕士研究生,主要从事农业理论与政策研究。

李强(1974-),男,山西省长治人,博士,副教授,主要从事农业政策及农村劳动力转移等方面的研究。