河南省县域控肥效果分异与分类调控研究

2022-09-23关小克王秀丽任圆圆赵晓明

河南科学 2022年8期

关小克，王秀丽，李昕，任圆圆，赵晓明

（1.郑州轻工业大学社会发展研究中心，郑州 450002； 2.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002；3.栾川县自然资源局，河南栾川 471500）

20世纪80年代以来，我国粮食产量呈现持续增长的态势，这与农田肥力投入密切相关［1-3］，但是耕地长期高强度利用的负面效应日益凸显，不利于粮食生产环境的整体安全［4-8］. 在可预见的将来，我国粮食供求紧平衡情形将继续存在，如何通过对不同区域化肥施用的优化调控，既实现粮食的安全供给，又能有效缓解因施肥过量造成的农业面源污染是需要正视的问题.

以上这些问题已引起国家的高度重视，农业部于2015 年制定了《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》，目的就是要在保证国家粮食安全的同时，通过对施肥结构与施肥方式的优化，控制化肥的使用总量，提升化肥的使用效率. 在学术界，学者们也密切关注着化肥零增长行动，并将注意力集中在化肥使用的消减潜力［9-11］、农业面源污染的脱钩分析［12-13］、化肥使用的优化调控［14-15］等方面. 这其中，确定化肥投入的合理区间，测算出化肥消减潜力是研究的核心. 学者们的研究大体可分为两类：一类是基于测土配方施肥等田间实验结果，结合农业生产中化肥实际使用量与科学使用量的关系，测算化肥消减的潜力. 但这种研究受农户耕作习惯和施肥技术的制约，大多数农户仍倾向于通过增肥来提高粮食产量，从而造成推荐的施肥标准无法落地实施. 另一类是通过构建数学模型（如脱钩模型），并依据农业产值与化肥投入的比配关系衡量化肥使用的合理与否. 这类研究能够反映一个地区化肥投入与农业产出的演化趋势，但是对“过量”的界定不足，在具体控肥操作时不易掌握.

河南是国家粮食生产核心区，河南的粮食生产对保障国家粮食安全具有十分重要的影响［16］，实现河南省粮食安全与环境优化的双优目标，应该基于现有的技术条件，在保持粮食稳步增长的前提下，找到一个农户能够接受的施肥参照“标准”，进而推动控肥行动顺利落实. 农户的施肥行为将直接影响化肥的消减效果［17］，在施肥技术与施肥工艺没有取得重大突破之前，农户的施肥习惯、施肥经验是影响农户做出消减施肥使用的重要参照因素. 基于此，本研究以河南省长序列的化肥投入与粮食产出为基础，识别出化肥投入-粮食产量演化的关键节点，利用弹性系数测算法评判控肥后县域化肥投入的合理性，刻画控肥行动实施后县域间化肥投入的时空分异特征，总结和归纳不同县域化肥施用低效的原因，结合当前的技术条件与农户的施肥习惯，提出分区、分类、分阶段的化肥管控方案，以期为河南省耕地资源的高质量利用与管理提供决策依据.

1 研究区域概况与数据来源

1.1 区域概况

河南地处我国中部，黄河中下游，是国家重要的粮食生产和现代农业生产基地，也是我国农业和农村发展的关键地区. 截至2020年底，河南省国土面积16.7万km2，占全国面积的1.73%. 全省共有17个省辖市，158个县（市、区），总人口11 526万人，城镇化率55.43%；地区生产总值54 997.07×109元，其中第一产业增加值5 353.74×109元，占GDP 的9.73%；农民人均可支配收入为16 107.93 元，低于全国17 131 元的平均水平.伴随着黄河流域生态保护与高质量发展、“一带一路”倡议的实施，河南省农业空间格局的异化更加明显.

1.2 数据来源与处理

本研究中的河南省及其各县域的总播种面积、粮食播种面积、粮食总产量、化肥折纯投入量，以及河南历年的社会经济统计数据均来源于所对应年份的《河南省统计年鉴》. 需要说明的是，由于2019年和2020年的河南省耕地总面积没有公布，在此采用趋势外推法，推算出2020年的全省耕地面积（此数据涉及全省地均化肥投入量的核算）.

由于《河南省统计年鉴》仅统计了各县（县级市）历年的数据，未统计市辖区的资料，而在2015—2020年，河南省撤县设区的步伐加快，三门峡辖属的陕县调整为市辖陕州区、许昌市辖属的许昌县调整为市辖建安区、周口市辖属的淮阳县调整为市辖淮阳区，为便于时空对比分析，在时空分异章节的研究单元为统计口径一致的104个县（市）.

1.3 研究方法

1.3.1 弹性系数测算

弹性系数是一定时期内相互关联的两个指标之间变化速率的比值，弹性系数能够有效表达出一个变量的变化对另一个变量变化的影响程度［18］. 为了判别化肥使用的区域分异状况，参照相关研究测算思路［19-20］，构建化肥使用量变化对粮食生产变化的弹性系数，揭示化肥投入量变化对粮食生产变化的作用关系. 由于粮食作物一直是河南农业产业结构的主体，河南省的化肥使用也主要投入到粮食生产之中，因此，可以依据化肥投入-粮食产量的弹性系数推算化肥投入的合理与否. 弹性系数测算如下：

式中：GFEij表示i区域j年期间化肥投入量变化对粮食产量变化的弹性系数；Gij为i区域j年间化肥投入量变化率；Fij为i区域j年间粮食总产量变化率.

具体而言，在化肥投入量减少的区域，若粮食产量增加，则化肥投入量为理性减少；若化肥投入量减少的速度大于粮食产量减少的速度，亦为理性减少；若化肥投入量减少的速度小于粮食产量减少的速度，则为非理性减少；在化肥投入量增加的区域，若粮食产量减少，则化肥投入量为非理性增加；若化肥投入量增加的速度大于粮食产量增加的速度，亦为非理性增加；若化肥投入量增加的速度小于粮食产量增加的速度，则化肥投入量为理性增加，见图1.

图1 化肥投入与粮食产量变化类型图解Fig.1 Diagram of change types of chemical fertilizer input and grain yield

1.3.2 相对差异测算

关于化肥投入量和粮食产量区域差异的测算方法较多，不同方法得出的结论存在一定的差异. 由于河南省跨越了长江、淮河、黄河、海河四大流域，包含了桐柏山—大别山山地丘陵区、黄淮海平原区、南阳盆地、太行山山地丘陵区、豫西黄土丘陵区、豫西山地丘陵区等地貌类型，县域之间的种植结构、耕作制度存在较为显著的差异，绝对差异不能较好地反映区域化肥投入和粮食产量的差异状况. 为此，本文选取极值差率和变异系数度量区域化肥投入和粮食产量的相对差异.

2 河南省化肥投入与粮食产量的时序特征

2.1 化肥投入变化

在化肥产业规模不断扩大的背景下，河南省单位面积的化肥折纯投入量由1978年的73.41 kg/hm2增长至1998年的560.14 kg/hm2. 1998年国务院39号文件取消了化肥生产的指令性计划，使得化肥的产销模式发生了根本性的改变［21］. 此后，河南省的农业生产形成了“高投入-高产出”的集约化高强度用地模式［22］. 在化肥零增长行动实施以前，河南省的化肥施用量呈逐年上升趋势，全省化肥折纯投入量由1978年的52.54万t增加到2015年的716.09万t. 2015年实施控肥行动后，2020年化肥折纯投入量降至647.98万t，初步遏制了化肥投入量无序增长的不良势头（图2）.

图2 1978—2020年河南省化肥折纯投入量及单位耕地面积化肥折纯投入量Fig.2 Total net amount and per unit net amount of chPaeg图em 31ical fertilizer use in Henan Province from 1978 to 2020

2.2 粮食产量变化

进入20世纪90年代后，由于城镇化的快速推进给耕地保护带来了巨大压力，河南省基于国家的“占补平衡”“增减挂钩”等政策，将耕地面积稳定在700 万～800 万hm2，粮食总产量在1998 年首次突破4000 万t.2006 年我国取消了农业税，相对稳定的耕地面积加上一系列的种粮补贴政策，使河南省的粮食总产量由2006年的5 112.30万t，增加至2020年的6 825.80万t，年平均增长5.13%. 但是由于种子科技没有取得明显突破，粮食单产仍然保持相对稳定. 2006年以后，平均单产维持在5.5～6.4 t/hm2，粮食增产主要靠扩大播种面积来维持（图3）.

图31978—2020年河南省粮食总产量及单产量Fig.3 Total grainyieldand perunit graiPna gyei1eldinHenanProvincefrom 1978 to 2020

2.3 控肥关键节点识别

1）2006 年以后，我国形成了持续稳定的种粮补贴政策，农户的种粮积极性得到了充分挖掘，农户对耕地的投入持续增加. 2006 年全省单位耕地面积的化肥使用折纯量为750 kg/hm2，2015 年达883 kg/hm2；控肥行动实施后，2020 年降至819 kg/hm2. 国家测土配方施肥项目田间实验［23］表明，河南省小麦和玉米最佳施氮量分别为155.1 kg/hm2和172.8 kg/hm2，即在小麦-玉米一年两熟的耕地上，最佳的氮肥施肥量为327.9 kg/hm2. 岳俊芹等［24］在综合考虑小麦群体结构以及冠层截获光合有效辐射等因素后，在平原新区推荐的氮、磷、钾施肥量分别为225、225、150 kg/hm2. 通过上述对比可以看出，河南省的粮食生产长期存在化肥过度投入现象.

2）许多研究表明，行政管控是减少化肥面源污染的有效路径［11-12］. 但现行的化肥零增长行动只是对化肥使用增量做了严格管控，而对化肥的减量目标却没有明确安排. 从上述分析可以看出，河南省的化肥投入与“理想值”之间存在较大差距. 在农户的施肥技术没有显著提升的情况下，如果大幅度的硬性压缩化肥投入量，势必会对粮食产量造成冲击. 另一方面可以看到，2006年以后，河南省的粮食单位面积产量保持相对稳定，但单位面积的化肥投入量还在持续增加，而增加的这部分可视为近期需要消减的潜力.

3）当前从事农业生产的农户以20 世纪50 或60 年代出生的人为主，长期的农业耕作经历，使他们对粮食单产稳定和化肥投入增长有着较为清晰的认识，以农户的切身感受再配合一定的行政管控，能够形成农户理解控肥的“在地语言”. 因此，可以将2006 年的单位面积化肥投入量作为近期化肥使用管控的上限“参照值”.

3 控肥后化肥投入-粮食产量的时空分异

3.1 化肥投入的时空分异

3.1.1 县域化肥投入的统计分析

从2015年和2020年的化肥折纯投入量的统计数据来看，104个研究单元的化肥投入均值由58 269.35 t下降至53 509.91 t，这说明控肥行动实施后，整体化肥投入量开始下降，极值差由234 073 t降到180 478.05 t，与2015年相比2020年县域化肥投入的波动范围在缩小. 由于标准差能够反映各观测值离散程度的绝对值，却无法实现两组数据离散程度的对比，在此利用变异系数测算两组数据整体离散程度，两组数据的变异系数由2015年的0.65增加至2020年的0.68，说明县域控肥政策执行偏差有扩大化的趋势，具体如表1所示.

表1 2015年和2020年河南省县域化肥折纯投入量统计Tab.1 Statistics of the net amount of chemical fertilizer use at county level in 2015 and 2020

3.1.2 县域化肥投入的区域分异

2015—2020年，在104个研究单元中，化肥投入量减少的有83个，约占研究单元总量的79.81%. 整体上来看，中西部山地丘陵区县域的化肥投入量减少较为明显，东南部黄淮平原区研究单元的化肥投入量增幅显著（图4）. 化肥投入量减少幅度在10%以上的研究单元主要分布在禹州、方城、淮滨、潢川、栾川等地；化肥投入量减少幅度在10%以内的研究单元主要分布在洛阳、驻马店、三门峡及周口等地. 与2015年相比，有21个研究单元的化肥投入量有所增加，其中增加幅度大于10%的有11个（偃师、延津、尉氏、虞城、永城、西华、商水、郸城、新蔡、固始、新县），这些研究单元均位于河南省粮食生产核心区；化肥投入量增加幅度在10%以内的研究单元有10个（清丰、濮阳、修武、孟津、新密、舞阳、罗山、沈丘、鹿邑、上蔡），也位于黄淮海粮食生产核心区. 从以上分析可以看出，受制于农户传统种植习惯的影响，粮食生产核心区的化肥投入量仍呈现出无序增加的不良现象，传统产粮大县的控肥任务艰巨.

图4 2015—2020年河南省县域化肥投入量变化空间分异图Fig.4 Spatial differentiation map of chemical fertilizer input changes at county level from 2015 to 2020

3.2 粮食产量的时空分异

3.2.1 县域粮食产量的统计分析

由表2可以看出，河南省104个县市粮食产量的均值、极值差、标准差、变异系数等指标数据均呈现2020年大于2015年的状况，其中，均值由2015年的541 600.34 t提升到2020年的574 508.41 t，反映出河南省粮食总量在提升；极值差增大，说明县市间粮食产量的相对差异在扩大，标准差和变异系数增大，说明数据整体的离散程度在加大，即粮食生产有不断向产粮大县、粮食生产核心区集中的趋势.

表2 2015年和2020年河南省县域粮食产量统计Tab.2 Statistics of grain yield at county level in 2015 and 2020

3.2.2 县域粮食产量的区域分异

2015—2020年，在104个县市中，粮食产量增加的有75个，约占研究县市总数的71.15%（图5）；粮食产量增幅大于10%的县市共有29个，主要分布在驻马店、周口、南阳、平顶山及新乡所辖的部分县市；粮食产量增幅在10%以内的县市共有46个，主要分布在洛阳、焦作、开封及驻马店所辖的县市. 由此可以看出，粮食产量增加明显的大都是传统的产粮大县.

图5 2015—2020年河南省县域粮食产量变化空间分异图Fig.5 Spatial differentiation map of grain yield change at county level from 2015 to 2020

2015—2020年，有29个县市的粮食产量有所减少，减少幅度大于10%的有8 个，其中栾川、嵩县、南召、林州等地由于位于生态山区，地块零碎且耕作不便，耕地多向林地转型导致粮食产量显著下降，荥阳市和安阳县由于临近郑州及安阳中心城区，耕地非农化现象较为显著，加上城市近郊种植业向设施农业调整的力度较大，导致粮食产量显著下降；粮食产量减少幅度小于10%的县市有21个，相对集中在信阳、三门峡及洛阳所辖的县市，这是由于该类地区依据区域资源本底条件，大规模发展特色农业，压缩了粮食播种面积，从而导致粮食产量的下降.

3.3 控肥效果的区域分异

3.3.1 化肥投入量增加的县市

2015—2020年，化肥投入量增加的县市位于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个区间（图1），共21个县市. 由图6、表3可以看出，处于Ⅰ区的县市有6个，该类型的县市化肥投入量平均增加了6.44%，粮食产量平均增加了16.78%，化肥投入量增加的速度小于粮食产量增加的速度，可视为理性增加；处于Ⅱ区的县市有10个，该类型县市化肥投入量平均增加了21.79%，粮食产量平均增加6.37%，化肥投入量增加的速度大于粮食产量增加的速度，属于非理性增加；处于Ⅲ区的县市有4 个，该类型县市化肥投入量平均增加了14.55%，粮食产量却下降了7.10%，属于非理性增加；处于Ⅳ区的县市1个，该类型县市化肥投入量增加的速度为2.92%，粮食产量减少了4.48%，属于非理性增加.

3.3.2 化肥投入量减少的县市

2015—2020年，化肥投入量减少的县市位于Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ4个区间（图1），共计83个县市. 由图6、表3可以看出，处于Ⅴ区的县市6 个，该类型县市化肥投入量的平均减少了13.13%，但粮食产量平均下降21.85%，该情况可以视为化肥的非理性减少；处于Ⅵ区间的县市18 个，该类型县市化肥投入平均减少16.24%，粮食产量平均减少3.37%，化肥投入量减少速度大于粮食产量减少速度，可视为化肥的理性减少；处于Ⅶ区间的县市32个，该类型县市的化肥投入量平均减少16.69%，但粮食产量平均增加5.72%，且化肥投入量减少速度大于粮食产量增加的速度，属于理性减少；处于Ⅷ区间的县市27个，该类型县市化肥投入平均减少4.27%，粮食产量平均增加14.01%，属于理性减少，这其中处于Ⅶ区和Ⅷ区的县市在化肥投入量减少的情况下，能够继续保持粮食产量的增加，反映出化肥使用效率的显著提升，为控肥行动中最理想状态.

图6 2015—2020年河南省化肥投入量类型评判分布Fig.6 Distribution map of the evaluation of chemical fertilizer input types from 2015 to 2020

表3 不同类型区粮食作物播种面积、粮食总产量、化肥使用折纯量的平均变化率Tab.3 The average change rate of grain crop sown area，total grain yield and fertilizer use in different types of areas

4 化肥调控分区

由表3可以看出，粮食作物播种面积与粮食总产量呈线性相关，保持耕地面积稳定是保证粮食安全的首要条件. 由上面分析可知，2006年以后，河南省单位面积粮食产量保持相对稳定，但是单位面积的化肥投入量还在持续增加，因此可将相关县市2006 年单位面积化肥折纯使用量，作为近期控肥的上限“参照值”. 在不影响粮食安全生产的前提下，依据化肥投入-粮食产量的弹性系数，结合区域资源禀赋条件，将研究对象划分为优化保持区、重点控制区、限制增长区、特色整治区等四类调控类型区（图7），提出分区、分类的化肥使用管控措施，为耕地资源的高质量、生态化利用创设条件.

图7 河南省化肥调控分区图Fig.7 Chemical fertilizer regulation zoning map of Henan Province

4.1 优化保持区

优化保持区包含Ⅶ和Ⅷ区间（图1）的县市. 这种类型的县市在化肥投入有序减少的情况下，实现了粮食产量稳步增加，属于控肥的理想状态. 对待控肥理想状态的县市可继续保持现有化肥投入水平，强化耕地利用的科技投入，进一步提升化肥利用效率.

4.2 重点控制区

重点控制区包含Ⅰ和Ⅱ区间（图1）的县市. 这种类型县市的粮食作物播种面积、粮食产量、化肥使用折纯量均呈现出增加的趋势. 重点控制县市大都是河南省粮食产量大县，近年来，种植经济作物的用工成本不断提升，而规模化的粮食种植能够实现一定的规模经济，从而导致这种类型县市的粮食作物种植面积持续扩大. 但多数农户仍然采用“一炮轰”的落后施肥方法，使得区域内整体化肥利用效率偏低. 对待该类型的县市，要参照2006 年相关县市单位面积的化肥折纯使用量，制定化肥投入的上限标准，通过高标准农田建设，重点改进施肥机具，逐步减少化肥施用量，最大限度地降低由规模报酬递减造成粮食生产环境恶化的风险.

4.3 限制增长区

限制增长区包含Ⅲ和Ⅳ类型区间（图1）的县市. 这种类型县市的粮食作物播种面积和粮食产量下降，但化肥投入却增加，呈现出“地减肥增”的不良状态. 这其中，孟津、偃师是由于洛阳都市区城市蔓延导致耕地数量快速减少导致粮食产量下降，而新县、固始、罗山则是因农业结构调整导致粮食产量下降. 这种类型的县市大都缺乏严格的化肥投入限制措施，导致化肥投入无序增加. 对此既要控制耕地“非农化”，还要防止耕地无序“非粮化”，同时要以2006年相关县市单位面积的化肥折纯使用量作为上限标准，规避由于无序化肥投入而导致农业面源污染加剧的风险.

4.4 特色整治区

特色整治区包含Ⅴ、Ⅵ类型区间（图1）的县市. 这种类型县市的粮食作物播种面积、粮食产量和化肥使用折纯量均呈现出减少的态势，整体上实现了控肥目标. 但粮食作物播种面积减少的原因不一，造成了粮食产量下降的一致结果. 从减少速度上看，Ⅴ区大于Ⅵ区，对此要依据不同区域的资源禀赋条件，进行分类优化整治. 这其中，荥阳、新郑、中牟和安阳县等大都市郊区县市，由于建设占用及国土绿化，导致粮食作物播种面积大幅度下降；对这种类型的县市，一方面要坚决遏制耕地“非农化”，另一方面要将耕地保护与城市景观建设相结合，全面提升都市区生态建设水平. 栾川、嵩县、南召等生态山区县粮食产量下降系耕地向林地大幅度转型造成耕地面积减少造成；对待这种类型县市，要严控退耕还林区间，避免退耕还林扩大化，制定生态山区养分资源综合管控措施，积极引导发展生态特色农业，强化生态赋能. 商城、潢川、淮滨、灵宝等县市粮食产量下降系农业结构调整造成粮食作物播种面积下降所致；对这些县市要统筹考虑家庭生计、粮食安全与生态稳定之间的关系，持续增强特色农业发展与产业链条目标的关联度，严格控制无序的“非粮化”，同时，要以2006 年相关县市单位面积化肥折纯使用量作为化肥投入的参照值，避免过度控肥导致粮食产量下降.