我国化肥投入的区域优化配置研究——基于农业增产与环境保护视角

(东北农业大学 经济管理学院,黑龙江 哈尔滨 150030)

我国化肥投入的区域优化配置研究
——基于农业增产与环境保护视角

张永强,张晓飞,周 宁,李 雪
(东北农业大学 经济管理学院,黑龙江 哈尔滨 150030)

合理配置化肥资源对增加我国农业产出、改善农业生态环境意义重大。在化肥总投入量不变的约束条件下,为了提高化肥的配置效率、实现农业经济持续增长、最大限度地减少环境污染,基于农业增产和环境保护视角，利用边际效益理论对我国的化肥投入状况进行了研究。结果表明:2000—2014年我国农业产出回报率和环境优化弹性存在显著的区域差异,经过优化后的农业产出增长率显著提高,农业生态环境得到明显改善。从政府和农户层面提出了相应的对策措施。

化肥;区域;优化配置;农业增产;环境保护

1 引言

随着农业经济的发展,我国农业生态环境日益恶化,尤其是农业面源污染问题日益严重。在诸多引致因素中,过量和不合理施用化肥成为中国农业面源污染最主要的来源之一[1]。1975年,我国单位面积化肥施用量仅为70kg/hm2,大致等同于世界的同期水平;2000年,我国单位面积化肥施用量达到279kg/hm2;2008年,我国单位面积化肥施用量达到300kg/hm2,已远远超过发达国家设置的225kg/hm2的安全标准[2],化肥污染将保持继续上升趋势,成为农业面源污染的重心[3]。近十年来,我国的化肥投入量以每年3%的速率增加,高环境风险区域扩大较快[4],粮食供给的质量安全面临巨大挑战。

2 理论基础

提高农业产出效益的方式有很多,基于不同视角、使用不同方法会产生不同的投入—产出效应,但其中最关键的就是资源的合理配置。资源的合理配置应遵循特定原则,如产量最大、产值最高、盈利最大等分配在各种不同的用途中,以使有限的资源生产出总量最多,或社会、经济、生态效益最佳,为社会所需要的产品[6]。化肥投入在区域上的优化配置是指将有限的化肥资源遵循系统最优原则,在不同的区域中均能达到经济效益与生态效益最大化,最终实现帕累托最优。

经济理论表明,资源配置的边际报酬在不同部门或不同地区之间都相等是资源总效率达到最大化的必要条件。对具有既定预算约束的投资来说,其投资总额如需在不同部门、产品、地区或项目之间进行分配,则资源配置的最佳效率将出现在该投资在这些部门、地区、产品或项目上获得均等的边际收益之中[7]。对化肥投入的区域优化配置而言,当最后一单位的化肥在不同地区间的边际收益相等时,化肥总投入的系统效应将实现最大化。在实际配置过程中,如果化肥投入并没有在各个区域上实现农业产出最大化,则会造成化肥资源在使用和配置上的浪费。虽然在农业生产中可调整影响农业产出的各种要素投入量,使施肥量与产出量之间保持较高的投入—产出效率。但在通常的肥料实验与生产实践中,化肥投入的边际报酬递减规律是客观存在的,故可用边际产量或边际收益将化肥作为在各区域上优化配置的理论依据。

3 模型与数据

3.1 模型

本文以农业增产和环境保护为研究视角,在理论基础上构建了边际经济收益模型、边际环保效益模型和区域优化模型。

边际经济收益模型：由于Cobb-Dauglas生产函数(C-D生产函数)具有经济意义明确和参数易估的特点,故用其对数形式作为农业产出函数,可由式(1)表示。化肥投入对农业产出的影响不仅仅表现在化肥施用的当年,对之后若干年的农业产出均会产生不同程度的影响,故将化肥投入以存量的形式添加到式(2)中。由于通胀、经济增长等因素,不同时期农业产出的资金价值不具有可比性。为了使资金价值统一化,需将每年的农业收益折现,然后加总各年收益作为农业产出的总收益。第t年的化肥投入在第t+r年的农业边际收益(MR)和总边际收益(TMR)中可分别由式(3)和式(4)表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Q为农业产出,F为化肥投入存量,X为除了化肥投入以外的其他投入要素,α为其它要素的产出弹性,β为化肥投入的产出弹性,t为时间,θ为滞后系数,ρ为折现比率。

①本文系2015年江西省高等学校教改课题“基础教育新课改背景下高师《数学史》课程体系改革研究”(JXJG-15-23-7)系列成果之一.

边际环保效益模型:化肥投入对环境的影响同它对农业产出的影响类似,均需要较长的作用时间。第t年由化肥投入造成的环境污染可能是前t-r年的化肥投入共同形成的结果。因此,第t-r年的化肥投入对环境的边际影响可由式(5)表示;过去t-r年的化肥投入对第t年环境的共同影响可由式(6)表示。

(5)

(6)

式中,ME为边际环保效益,TME为总的边际环保效益,E为环境污染系数,δEtRt-r为第t-r年的化肥投入对t年的环境保护弹性,δEtQt为农业产出对环境污染的弹性,δQtRt-r为第t-r年的化肥投入对第t年的农业产出弹性。

区域优化模型:以边际效益相等为理论基础,可构建出化肥投入的区域优化模型。其中,区域优化模型主要包括目标函数和约束条件两部分。由于边际效益降低,利润会随之减少,化肥投入的风险增加,农户可能会减少粮食播种面积,在某种程度上会造成粮食安全隐患[8]。此外,大量权威研究表明,在诸多引致因素中因过量和不合理施用化肥带来的养分流失逐渐成为我国农业面源污染最主要的来源之一[9],不当的化肥施用还会导致土壤发生各种形式的退化,严重威胁着农业的持续发展[10],因此本文以农业增产(农业产出最大化)和环境污染水平最低为目标。为了分析化肥投入在我国不同地区的配置效率,以化肥投入总量为约束条件进行研究。为了清晰地表明化肥投入对农业产出与环境的影响,文中农业产出函数和环境保护函数除化肥投入以外的其他变量均设为常量,仅分析第t年的的化肥投入与其作用期内的农业产出与环境污染的关系。区域优化模型可表示为:

目标函数:

(7)

(8)

Qa(t+r)=Ya(Xa(t+r),Wa(t+r),…,Rat…,Ra(t-r-n))

(9)

约束条件:

(10)

式中,a为各个区域;A为区域总数;Ya为a区域的农业产出;变量上面有曲线表示常量,未加标识的为自由变量,其他字母的含义与前文相同。

3.2 数据

各区域农用化肥施用量和各地区农用地数据来自历年的《中国农村统计年鉴》,其他指标数据来自历年的《中国统计年鉴》。折现比率借鉴张玉梅等对科研投资优化配置的数据计算方法,折现率取值为10%,并将化肥投入和农业总产值统一转化为2000年的价格进行分析。在模型参数方面,由于参数估计较复杂,本文借鉴农业资源区域优化配置的相关研究进行赋值计算。文中各区域数据由所在省份加总而得。

4 各区域化肥投入作用效果

4.1 区域总体概况

为了突出生态区域与行政区域相结合的特点,同时确保数据的完整性和统计分析的准确性,本文采用地理学区域划分方法,将我国总体区域(台湾省未在本文列出)分为东部、中部、西部三个地区。其中,东部地区的省份包括:北京、天津、上海、山东、江苏、黑龙江、吉林、辽宁、河北、海南、广西、广东、福建、安徽;中部地区的省份包括:内蒙古、山西、湖南、河南、湖北、江西、重庆、四川、贵州、云南;西部地区的省份包括:陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆、西藏。需要特别说明的是,化肥对大气的污染主要集中在氮肥上,施用于农田的氮肥会以气体形式进入大气,造成一系列的影响[11]。农田径流带入地表水的氮占人类活动排入水体氮的51%,使江河湖等水域中氨氮和硝酸盐日益增多,富营养化日趋严重,同时造成江河、湖库和地下水污染[12]。因此,本文选取各地区农业废水废气排放量作为测度农业环境污染的指标。全国及三大地区各个指标统计量见表1。

表1 全国及三大地区各个指标统计量

注:根据2001—2015年《中国统计年鉴》和2001—2015年《中国农村统计年鉴》整理而得。环境污染系数=各地区农业废水废气排放量/相应区域农业生产总值;化肥施用强度=各地区农业化肥施用量/相应区域农业生产总值。

2000—2014年,化肥投入年均增长率在三大地区之间的差异十分明显：西部地区高达4.6%;中部地区达3.0%,略高于全国平均水平;东部地区低于全国水平,仅为1.7%。2000—2014年,全国农业生产总值不断增长。按2000年的价格计算,我国农业生产总值年均增长9.6%，其中西部地区农业生产总值年均增长率最高(11.8%)、中部次之(9.8%)、东部最低(9.2%),这与各地区间的化肥投入年均增长率相吻合。化肥污染强度和环境污染系数两者总体趋势均由东向西递减,这与化肥投入年均增长率趋势相反,说明中西部地区每单位耕地的化肥投入量高于东部地区。未来一段时间,中西部的化肥施用强度可能超过东部。

4.2 区域化肥投入效率

根据张玉梅等对农业资源区域优化配置的研究可知,农业研究阶段一般为5年[13]。在化肥投入与农业产出增长两者的关系方面,王祖力等分析出化肥投入对农业产出增长的弹性值为0.2[14]。因此,本文将化肥施用对农业产出和环境影响的滞后时间设为5年,将化肥投入存量的产出弹性值设为0.2。为了简化计算,将农业经济增长对环境优化的弹性值均设为1。表2显示的是采用二次多项式中倒“U”型分布估算的化肥投入1—5期的滞后系数。

表2 化肥投入1—5期的滞后系数

表3 化肥投入对农业产出及环境的作用结果

我国2000—2014年化肥投入的区域农业产出效应与环境优化效应见表3。总体上来看,我国化肥投入的边际经济收益较高。其中,东部地区化肥投入的边际回报率高达0.326;中部次之,为0.278;西部最低,为0.247。这可能是由于各地区自然环境、农业技术、土壤肥力等资源禀赋条件不同造成的。东部地区气候条件优越、农业技术发达、土壤肥沃,化肥施用对农业产出的回报率高;虽然中西部地区的化肥投入年增长率高于东部地区,但中西部地区资源禀赋条件相对较差,对农业产出的回报率低于东部地区。在化肥投入的区域环境优化方面,三大地区的环境优化弹性值存在着显著差异,呈现出由东向西依次递增趋势,东西部地区之间的差值达到0.174。造成地区之间存在显著差异的原因可能是气候条件、植被覆盖、人为活动等因素不同。东部地区气候适宜、植被覆盖率高、环保意识相对较强、农业生态环境自我调节能力较强,化肥投入对东部地区环境优化的弹性系数较小;西部地区自然条件恶劣、水土流失和土地盐碱化严重、农业生态环境自我调节能力较差，环境一旦遭到破坏,很难在短时间内得以恢复,化肥投入对西部地区环境优化的弹性系数较大。

5 化肥投入的区域优化配置

资源配置无论对任何行业和部门的发展都是重要的,农业尤其如此[15],而我国三大区域的农业产出回报率和环境优化弹性存在显著的空间差异。在化肥投入总量不变的约束下,合理调整各区域间的化肥投入结构,区域间边际效应相等时可提高化肥的配置效率,达到化肥投入在个区域间优化配置的目标。本部分基于农业产出效应和环境优化效应两个角度,探索化肥投入在各区域的最优配置策略,为我国化肥投入在各区域的最优配置提供参考依据。

5.1 农业产出最大化目标下的优化配置

2000—2014年我国三大区域间的化肥投入水平呈波动起伏趋势。为了便于分析,本文将2000—2014年划分为2000—2005年、2006—2010年、2011—2014年三个阶段,然后分别计算每个阶段的化肥投入平均变化率。经计算分析可知,2000—2005年我国三大地区的化肥投入平均变化率由东向西依次递增,中西部地区的变化率普遍高于全国同期平均水平,东部地区的平均变化率比全国同期水平低5.7%;2006—2010年,我国三大地区的化肥投入平均变化率差异化水平最高,东西部地区相差高达20.4%;2011—2014年,我国三大地区的化肥投入平均变化率差异化水平降低,东部地区化肥投入出现负增长。整体而言,2011—2014年我国的化肥投入水平均比2006—2010年降低。化肥投入结构经过优化后,各个时间段的农业产出均有所提高。用优化后的新增农业产出分别除以化肥投入总量和农业总产值,可得到经过优化后的化肥投入增收率和农业新增总产值增长率。优化后的化肥投入增收率和新增农业总产值增长率总体呈上升趋势,两者之间的整体变化大致相同。2008—2012年,我国化肥投入增收率和农业新增总产值增长率两者增速最显著,均在2012年达到峰值,别分为4.1%和3.6%,具体变化趋势见图1。

图1 优化后2000—2014年化肥投入增收率及农业总产值增长率趋势

5.2 环境污染最小化目标下的优化配置

在化肥投入总量不变的约束下,为了达到环境污染最小化的目标,需增加东部地区的化肥投入量,相应减少中西部地区的投入量。化肥投入结构经过优化配置后,三大地区的化肥投入对环境的边际影响均为0.026,即减少1万t的化肥投入量,可使各个地区的环境污染系数降低2.6%。2000—2014年我国的化肥投入经过优化配置后环境污染系数降低了3.172,净优化值占全国水平的16.7%。在环境保护方面,环境改善率大多维持在8%左右,部分年份超过10%,环境改善效果明显。2000—2014年环境污染最小化目标下的化肥投入优化配置状况见表4。

表4 2000—2014年环境污染最小化目标下的化肥投入优化配置

注:作者计算,环境改善率=(优化前的环境污染系数-优化后的环境污染系数)/优化前的环境污染系数。

6 结论与建议

6.1 结论

化肥资源的区域优化配置是提高化肥配置效率的有效方式,有助于增加农业产出并减少环境污染。我国化肥资源的配置效率在东部、中部、西部三大地区间存在着显著的差异,化肥施用强度呈现出由东向西递减的趋势,但化肥投入年均增长率呈现出由东向西递增的趋势。东部地区的农业总产值年均增长率低于西部地区,两者相差2.6%。从农业生态环境来看,我国西部地区的农业环境污染水平明显高于东部地区的农业环境污染水平,环境污染系数相差8.166。农业新增总产值增长率最高达4.1%,环境改善率均维持在8%左右,化肥投入的边际产出效应及环境改善效应均较为明显。

6.2 建议

基于农业增产与环境保护视角,本文从政府和农户两个层面提出以下建议:①在政府层面,一是制定防治农业面源污染的法律法规,明确防治农业面源污染的具体指导原则,制定出可行的农业面源污染防治方案,用法律力量切实保证农业生态环境;二是实施农业环保补贴与种粮补贴相结合的政策,将农业环保补贴纳入到财政支农体系中,在追求粮食增产的同时,加强对农业生态环境的保护;三是实行农田轮耕休耕制,在生态环境污染严重的地区强制实行退耕制度。同时，根据地域发展状况,制定符合当地农业可持续发展的耕作制度。②农户层面:一是要严格遵守政府制定的法律法规,提高保护农业生态环境的意识。在实际生产中,使用高效环保的农业投入品,多使用有机肥、生物肥、农家肥,减少化肥的使用量。二是改变传统的耕种方式,提高化肥的利用率。通过深耕、翻耕的耕作方式改变以前粗放型的施肥方法,由撒肥转变为埋肥,提高化肥的利用率。

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StudyonRegionalOptimalAllocationofChemicalFertilizerInputinChina——BasedonAgriculturalProductionIncreaseandEnvironmentalProtection

ZHANG Yong-qiang,ZHANG Xiao-fei,ZHOU Ning,LI Xue
(College of Economics and Management,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Rational allocation of chemical fertilizer resources was of great significance to increase the agricultural output and improve the agricultural ecological environment.In order to improve the allocation efficiency of chemical fertilizers and achieve sustainable economic growth and minimize environmental pollution under the constraints of the total input of chemical fertilizers,this paper,based on the agricultural production and environmental protection perspectives,studied on chemical fertilizer input in China by using marginal efficiency theory.The results showed that there were significant regional differences in the rate of return of agricultural output and the optimal elasticity of environment between 2000 and 2014,and the growth rate of agricultural output after optimization was significantly improved,and the agricultural ecological environment was also improved obviously.Finally,the corresponding countermeasures were put forward from the government and farmers.

chemical fertilizers;regional;optimal allocation;agricultural production;environmental protection

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.02.009

S147.22；X592

A

1005-8141(2017)02-0169-05

2016-12-15；

2017-01-12

国家软科学项目“利用国际科技合作资源打造东北现代农业升级版对策研究”(编号:2014GXS2D017);中国博士后基金项目“农村循环经济产业链研究”(编号:20100480973);黑龙江省科技厅攻关项目“新农村建设生态技术工程及配套技术示范”(编号:GA08B601-11);黑龙江省社科基金项目“粮食安全框架下黑龙江省种子产业创新战略研究”(编号:14B066)。

及通讯作者简介：张永强(1971-),男,内蒙古自治区包头人,博士,东北农业大学经济管理学院副院长,副教授,硕士生导师,主要研究方向为农业经济管理、农产品市场营销。