甘蔗种植的化肥利用率及碳减排潜力分析

朱 宁1,曹 博

(1.中国农业科学院 农业经济与发展研究所,北京 100081;2.河北金融学院,河北 保定 071051)

食糖是重要的战略性农产品之一,食糖产业不仅关系着数千万糖农的生计和主产区地方经济发展，更关系着国家经济稳定发展和居民的日常生活保障[1-3]。甘蔗是食糖的主要原料,2016年我国甘蔗产量是甜菜产量的11.90倍。从未来趋势判断,甘蔗产量占糖料产量的比重还有进一步扩大的趋势[3,4]。从甘蔗种植看,甘蔗是一种需肥量较多的作物,蔗农为了获得更高的产量,过量施用化肥[5],拉高了甘蔗的种植成本,带来大量碳排放,引发环境污染,造成甘蔗产量和质量双降。如何提高化肥利

用效率,进而在削减化肥施用量的前提下实现碳减排成为亟待研究和解决的重要问题[6,7]。

已有研究文献中，从经济学角度对甘蔗种植的化肥利用率和碳减排的研究较少，从技术角度对甘蔗种植过程中肥料施用问题的研究相对较多,主要分析了有机无机复混肥、氮肥、配方肥和特种肥料施用对甘蔗生产效果的影响[5-11]。从有关化肥利用率、碳减排效率研究上,学者们以粮食作为研究对象做出的研究成果较多,利用CD生产函数测算出我国粮食生产的化肥利用效率较低[12],增加了碳排放[13-15]。还有学者基于粮食主产区化肥利用率的测算,分析了碳减排潜力[16,17]。总体来看,对甘蔗种植化肥利用率、碳减排的研究有待加强,需要借鉴以上研究思路、方法以及变量或指标。本文利用甘蔗种植投入—产出数据,基于CD生产函数测算了化肥的利用率,测评了甘蔗种植过程中的化肥过量施用数量和碳减排潜力,为提升化肥利用率和减少碳排放的对策建议提供依据。

1 研究方法

借鉴以往学者测算化肥利用率的方法[12],利用CD生产函数测算甘蔗种植过程中化肥过量施用问题,首先利用模型测算化肥的产出弹性,然后计算出最优化肥投入量和过量施用量。CD生产函数的计算公式为:

(1)

式中,Y为产出;A为反映一般技术水平的效率参数;Xi为各种生产要素(i=1,2,…,n);Zi为虚变量;αi为生产要素的产出弹性;βi为虚变量系数。

边际收益等于边际成本是利润最大化的基本条件,且生产要素价格与农产品价格的比值等于生产要素对农产品产量的边际效应。据此,可推讨出:

(2)

式中,PXj为生产要素Xj的价格;PY为农产品Y的价格。生产要素对农产品产量的边际效应为:

(3)

对式(3)做进一步转化,可得:

(4)

进而可得单位面积生产要素最优投入量:

(5)

基于式(5),结合实际投入量,则可测算生产要素投入过量的数值:

Xj-overuse=Xj-actual-Xj-optimal

(6)

2 甘蔗种植化肥利用率

2.1 数据来源与指标选择

数据来源于2005—2017年《全国农产品成本收益资料汇编》中甘蔗种植的投入—产出数据,利用2017年《中国统计年鉴》中甘蔗产量的省份排名数据,选取广西、云南、广东、海南甘蔗生产数据,这4个省份2016年甘蔗产量占全国总产量的95.62%。

参考以往学者利用农产品生产投入—产出数据模拟CD生产函数和测算生产效率的指标选择,选取甘蔗产量作为产出指标(期望产出),选取化肥(氮肥、磷肥、钾肥,均为折纯量)、农药、机械、劳动力、其他等作为投入指标,指标统计见表1。

表1 主产省份2004—2016年甘蔗种植平均投入—产出统计

2.2 化肥利用率测算

利用计量软件对CD生产函数进行模拟(表2),模拟结果通过了模型整体检验,可支撑本文的具体研究内容。就化肥对甘蔗产量的影响来看,氮肥、磷肥和钾肥对甘蔗产量有显著影响,说明化肥对甘蔗产量的提升具有积极作用,但化肥利用情况如何,还需做进一步测算。就其他变量对甘蔗产量的影响来看,农药和其他投入对甘蔗产量具有正向影响,在甘蔗种植过程中应予以重视,尤其是农药对甘蔗生产的保障作用。机械应用对甘蔗生产具有显著的正向影响,而劳动力对甘蔗生产具有显著的负向影响,说明甘蔗种植机械可替代劳动力。

表2 CD生产函数模型结果统计

基于以上模型的结果,利用式(5)、式(6)测算了不同省份甘蔗种植的化肥最优投入量、过量数量和利用率(表3)。就化肥最优施用量来看,甘蔗种植需要化肥341.66kg/hm2。其中,氮肥、磷肥和钾肥的最优施用量分别为202.88kg/hm2、83.99kg/hm2和54.79kg/hm2,氮肥的施用量高于磷肥和钾肥。4个甘蔗主产省中广东的化肥最优施用量最高,其次是广西,排名最后的是海南,主要差额在于氮肥施用量。就化肥过量施用数量来看,甘蔗种植过量施用化肥435.03kg/hm2,该数值高于最优施用量。其中,氮肥、磷肥和钾肥分别过量施用206.57kg/hm2、118.64kg/hm2和109.83kg/hm2,氮肥过量施用量最高。4个甘蔗主产省中广东的化肥过量施用数量最高,达到了741.58kg/hm2,其次是广西。这一结果说明,甘蔗主产区的化肥减量施用潜力较大。就化肥利用率来看,甘蔗种植的化肥利用率约为43.99%。其中,氮肥的利用率相对较高,达到了49.55%;其次是磷肥,约为41.44%,最低的是钾肥,仅为33.28%。4个甘蔗主产省中云南的化肥利用率最高,达到了62.25%,最低的是广东,仅为34.67%。这一结果说明,不同化肥之间不仅存在利用率差异,不同地区之间也存在化肥利用率差异,验证了甘蔗主产区削减化肥的必要性。

表3 甘蔗种植的化肥利用情况统计

3 甘蔗种植碳减排潜力

利用以往学者测算出的符合我国发展情况的氮肥、磷肥和钾肥温室气体排放系数[18],分别为2.116碳当量、0.636碳当量和0.180碳当量,测算了3种化肥的碳排放量与碳减排潜力(表4)。在化肥最优施用量条件之下,甘蔗主产区的化肥碳排放总量为492.58kg/hm2。其中,氮肥碳排放量为429.30kg/hm2、磷肥碳排放量为53.42kg/hm2、钾肥碳排放量为9.86kg/hm2。相比较来看,氮肥的碳排放量是由于施用量过多和温室气体排放系数大,使该数值较大。此外,广东的甘蔗种植化肥碳排放量最高,其次是广西。在化肥最优施用量条件下,甘蔗主产区化肥碳减排总量为532.32kg/hm2。其中,氮肥碳减排量为437.09kg/hm2，磷肥碳排放量为75.46kg/hm2，钾肥碳排放量为19.77kg/hm2。4个甘蔗主产省的碳减排规律与化肥最优施用量条件下的化肥碳排放量分布规律一致,广东甘蔗种植的碳减排量最高,其次是广西。总体上,甘蔗种植的碳减排潜力较大。在化肥最优施用量条件下,甘蔗主产区化肥碳减排比例超过了50%。其中,钾肥的碳减排比例最高,达到了66.72%;其次是磷肥,虽然氮肥的碳减排比例相对最小,但碳减排的比例仍超过了50%。4个甘蔗主产省碳减排比例最高的是海南,其次是广东,碳减排潜力最小的是云南省,约为41.32%。在保障甘蔗产量的条件下,有必要推进化肥最优施用量,以挖掘碳减排潜力,缓解面源污染问题。

表4 甘蔗种植的化肥碳减排潜力统计

4 结论与建议

结论包括：①氮肥、磷肥和钾肥对甘蔗产量具有显著的正向影响,化肥施用能有效提升甘蔗产量,模型结果验证了农药对甘蔗生产的保障作用和机械对劳动力的替代作用。②在保障甘蔗产量的前提下,甘蔗种植的化肥利用率为43.99%,化肥减量施用的潜力较大,尤其是氮肥的减量施用。广东甘蔗种植的化肥施用过量最多,利用率最低。③在化肥最优施用量条件下,甘蔗种植的碳减排潜力超过了50%,单位面积碳减排可达532.32kg/hm2。其中,海南的碳减排潜力最大,广东的碳减排量最高。

基于以上研究结论,本文提出以下对策建议:①加强对甘蔗种植碳排放和环境问题的重视程度。提高对甘蔗种植造成环境污染的重视程度,主产省份研究制定与发布实施符合当地实际情况的有关甘蔗种植过程中化肥等生产要素投入过度造成碳排放和环境污染方面的处理措施。同时,通过政府相关部门的技术培训、技术指导、宣传等,提高种植户对甘蔗种植碳排放造成环境问题的重视程度,并指导农户利用环境友好型技术实现碳减排，缓解对环境的污染。②制定并推广适用于不同省份的科学施肥方案。甘蔗主产区应积极提倡科学合理施肥,更为重要的是,不同省份应结合甘蔗种植过程中化肥过量情况,科学制定施肥方案,如在保障甘蔗产量的前提下,广西和广东应全面削减化肥施用量,云南重点削减氮肥和钾肥施用量,海南省重点削减氮肥和磷肥施用量。在提倡科学施肥的同时,需发挥农业科研部门和农技推广部门的作用,全面推广科学施肥和测土配方施肥技术,在保障甘蔗生产产量的前提下进行土壤改良和碳减排,实现化肥使用量的“零增长”目标。③推进畜禽粪污有机肥的发展与应用。基于国家发布或出台的与畜禽粪污资源化利用的相关通知、意见、方案等,制定扶持环境友好型肥料——畜禽粪污有机肥的技术研发、产品推广等方面的政策措施,充分利用项目的带动作用,鼓励甘蔗种植户使用畜禽粪污有机肥,推进甘蔗种植过程中有机肥部分替代或完全替代化肥。