兼顧生態(tài)效益的最佳施肥量研究
——以全國蘋果化肥投入為例

李樹強，葛顏祥

（山東農業(yè)大學經濟管理學院，山東 泰安 271018）

【研究意義】我國農業(yè)生產長期依賴農藥和化肥投入，農戶在獲得較高經濟收益的同時，也對環(huán)境造成極大破環(huán)。近年，大量研究表明我國化肥的施用量已經超過了經濟意義上的最優(yōu)量，給農戶帶來了經濟損失，但是化肥施用量依然呈上升趨勢［1-3］。我國當前化肥過量施用較為普遍，與糧食作物相比，經濟作物過量施肥更為嚴重［4-5］。有學者利用我國20年化肥施用量相關數(shù)據，對施肥量持續(xù)增長的原因進行分解，認為化肥施用強度的增加是我國化肥施用總量增長的主因［6］。因此，有必要確定合理的化肥施用強度，以有效控制化肥施用總量并提高化肥利用率。

【前人研究進展】作物最佳化肥施用量的測算通常有3種標準［3］，即農學最佳施肥量、經濟學最佳施肥量和環(huán)境學最佳施肥量。農學最佳施肥量是以作物產量最大化為目標，且會隨著要素投入變化和技術提高而變化；經濟學最佳施肥量則是在化肥投入的邊際收益等于邊際成本時，以農戶收益最大化為目的的最佳化肥施用量；環(huán)境學最佳施肥量，則是考慮了農業(yè)的負外部性所產生的環(huán)境治理成本的最佳施肥量。一般認為，農學最佳施肥量＞經濟效益最佳施肥量＞生態(tài)效益最佳施肥量。對化肥最佳施用量測算方法已有大量研究，學者們大多圍繞經濟效益最大化的施肥量展開研究，通過對農作物產量與化肥投入構建一元二次生產函數(shù)進行回歸分析，求解出產量最大化和經濟效益最大化的化肥投入量。但此類研究大多集中于對糧食作物化肥投入進行分析。如有學者對山東省小麥的氮、磷、鉀肥分別基于產量最大化和效益最大化為目標進行了測算，認為小麥施肥量偏高且施肥比例不合理［7］。還有學者通過對924個試點進行田間肥效試驗，利用試驗數(shù)據擬合一元二次函數(shù)，對河南小麥最佳經濟施肥量進行測算，并提出要提高養(yǎng)分資源利用效率，保證糧食生產和生態(tài)環(huán)境安全［8］。還有學者運用投入導向的徑向超效率模型，對山東省9個縣（區(qū)、市）果農的產出效率以及改進值進行了測算，計算得出化肥施用量目標值平均為108.1 kg/667m2［9］。隨著化肥污染的加劇，人們逐步意識到施用化肥的外部成本。為了保護生態(tài)環(huán)境和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，在進行農業(yè)生產時，農戶必須將環(huán)境成本納入生產決策中。學者采用環(huán)境影響經濟評價方法估算氮肥的外部成本，并估算了基于農戶經濟效益、生態(tài)效益的稻田適宜施氮量［10］。其他的測算方法有直接市場法、影子價格法、支付意愿法等，但存在一定主觀性和隨意性。

【本研究切入點】從生態(tài)環(huán)境角度考慮，不能單純?yōu)榱俗非螽a量最大而施肥，而為了保障糧食安全，施肥量也不能完全參照環(huán)境學角度的最佳施用量［11］。因此，本研究重點分析兼顧經濟效益和生態(tài)效益的最佳施肥量?！緮M解決的關鍵問題】以經濟作物為例，選取我國蘋果化肥施用量數(shù)據，利用劑量影響法和能值分析理論估計化肥的外部成本，通過構建蘋果化肥（折純量）與蘋果產出之間的生產函數(shù)模型并進行回歸分析，測算符合經濟效益和生態(tài)效益的蘋果最佳施肥量。

1 理論分析與模型構建

1.1 邊際外部成本計算理論分析

符合生態(tài)效益的最佳經濟施肥量測算，難點在于化肥外部成本的估算。本研究根據能值分析理論［12］，采用劑量影響法對我國蘋果化肥施用的外部成本進行核算。能值理論是以太陽能值為依據通過將經濟系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)進行有機結合，即將各種形式的能量轉換為統(tǒng)一的標準太陽能（焦耳），定量分析和評價其在系統(tǒng)中的地位和作用［13］。按照化肥對環(huán)境的影響可以分為大氣污染、土壤污染和水體污染3類?；蚀髿馕廴臼侵赣苫适┯盟a生的一些危害呼吸系統(tǒng)和導致溫室效應的氣體，如氨氣、一氧化二氮以及其他氮氧化物?；释寥牢廴臼侵赣捎谶^量施肥所導致土壤的鹽漬化、土壤酸化板結和土壤重金屬污染等?；仕w污染是由于淋失、滲透等作用污染地下水，導致水體富營養(yǎng)化等。本研究通過將化肥產生的各種污染物的影響統(tǒng)一折算成傷殘調整生命年，即各種環(huán)境污染物對人體健康所造成的危害導致健康壽命損失年，再通過與單位勞動力的能值消耗數(shù)相乘轉換為太陽能值。最后利用能值貨幣比率對污染物進行經濟估值。

1.2 邊際外部成本計算模型構建

1.2.1 化肥污染物影響劑量確定 歸納國內外有關農田氮肥、磷肥養(yǎng)分運移轉比率和污染物產生劑量的研究成果數(shù)據，確定蘋果氮磷肥污染物產生的劑量：

式中，Dosei表示污染物i產生的劑量（kg），M表示氮肥或磷肥的折純量，Cei表示營養(yǎng)元素的流轉系數(shù)，Wc表示所產生污染物的分子量，Wf表示N或P2O5的分子量。本研究復合肥養(yǎng)分質量分數(shù)按《復合肥料國家標準GB15063-2009》規(guī)定氮肥40%、磷肥30%、鉀肥25%計算。設定化肥養(yǎng)分的運移比率，各污染物的流轉系數(shù)由文獻整理所得［12］。分別計算各種污染物的影響劑量。

1.2.2 化肥危害系數(shù)的確定 通過采用傷殘調整生命年法，分別量化不同污染物對人體健康的影響。

式中，DALYi表示某種污染造成的生命損害年累計數(shù)（年），Cdi表示單位污染物劑量引致的生命損害年數(shù)（年/kg），具體取值采用Ecoindicator99的系列評估值［14］。

1.2.3 化肥環(huán)境污染能值估算 將生命損害累計數(shù)與單位勞動力的能值消耗數(shù)據相乘并進行匯總，以此估算化肥施用對環(huán)境影響的總能值:

式中，U表示化肥施用對環(huán)境影響的總能值（J），i表示不同類型的污染物，Cm表示單位勞動力的能值消耗，取值為 9.35×1013J［12］。

1.2.4 化肥環(huán)境成本估算 依據某一地區(qū)各年的能值貨幣比率，折算化肥施用的污染成本為：

式中，Ermb表示化肥環(huán)境影響的經濟估值（元），Cg表示某一地區(qū)單位時間內使用的能值與GDP的比，即能值貨幣比率（J/元），此處Cg取值5.26×1011J/元［15］。

1.3 兼顧生態(tài)效益的最佳施肥量理論分析

與經濟最佳施肥量相比，兼顧經濟效益和生態(tài)效益的施肥量更加符合經濟發(fā)展與保護環(huán)境一致的目的。根據邊際報酬遞減規(guī)律，在短期農業(yè)生產中，假定其他生產要素投入數(shù)量不變，農產品的產量就會隨著化肥投入量的增加而增加。但隨著產量增加到一定程度后，單位化肥產出將不再增加，開始不斷減少，直到為零，甚至為負。表現(xiàn)為農作物的產量增加的幅度小于化肥增加的幅度，甚至會隨著化肥投入量的進一步增加而減少。農作物的總產量呈現(xiàn)S型變動，化肥的邊際產出則表現(xiàn)為倒“U”型。假設蘋果種植戶是理性經濟人。在實際生產中，種植戶并非總是追求單位面積產量最大，而是會考慮化肥成本與蘋果收益之間的關系，獲得最大化經濟效益。在完全競爭的市場中，化肥的邊際成本就是其市場價格，當邊際成本等于邊際收入時，可以獲得最大的效益。因此，化肥的施用量并非越多越好，需要對化肥的投入量進行控制以達到最佳投入水平。隨著化肥投入要素的不斷增加，就會產生農業(yè)污染，帶來外部成本。實際上，農戶在做出生產決策時并沒有考慮這部分成本。因此，農戶個人邊際成本小于社會邊際成本，導致農戶化肥投入量大于社會化肥投入最優(yōu)量［4］。

1.4 兼顧生態(tài)效益的最佳施肥量模型構建

若只考慮生產過程中某一要素投入（圖1，L表示化肥投入的數(shù)量，Q表示蘋果單位面積產量，MP表示蘋果產量的邊際產量，L1表示蘋果邊際產量由遞增到遞減的轉折點），那么當化肥投入增加到L3，此時蘋果的邊際產量為0，蘋果單位面積產量達到某一極限值；當化肥投入超過L3，蘋果總產量開始下降。生產函數(shù)的重要部分是轉折點與總產量遞減點之間的一段。這一部分幾乎代表全部生產過程［16］，是對報酬遞減原理的反映?？捎靡韵潞唵味紊a函數(shù)表示：

圖1 生產函數(shù)曲線Fig. 1 Production function curve

式中，β0、β1、β3為常數(shù)且大于0，表示隨機擾動項。用P表示蘋果出售價格，PL表示化肥的市場價格，構造蘋果生產的利潤函數(shù)：

計算利潤最大化下化肥投入量，則:

當滿足上式時，即邊際收益等于邊際成本，可解出農戶個人利潤最大化時化肥投入量。由于化肥過量施用污染農業(yè)環(huán)境，造成一定社會成本，因此為了能實現(xiàn)農業(yè)生產與環(huán)境保護協(xié)同發(fā)展，農戶進行生產決策時應考慮化肥的邊際外部成本。邊際社會成本由邊際生產成本（MPC）、邊際耗竭成本（MUC）和邊際外部成本（MEC）組成。若用化肥單價PL作為MPC，則當邊際收益等于邊際社會成本時得到以下等式：

同時兼顧經濟效益和生態(tài)效益的最佳施肥量L*為：

此時，當化肥投入量大于L*時，每增加單位的化肥投入成本大于其帶來的蘋果收益，應該減少投入。當化肥投入量小于L*時，增加單位化肥投入所帶來的收益大于成本，化肥投入量L*即為兼顧生態(tài)效益的最佳施肥量。

2 對蘋果生產中化肥投入的實證分析

蘋果在我國果業(yè)中占有重要地位，其產量對果區(qū)經濟、市場供應以及出口創(chuàng)匯有巨大影響。由于化肥的大量使用，我國蘋果產量直線上升，同時也帶來了一些問題。如化肥邊際產出不斷下降，過量施肥對果園環(huán)境與生態(tài)造成影響，優(yōu)質蘋果品質和數(shù)量有所下降等。測度蘋果施肥量一般用單位面積施肥量指標即施肥強度來表示。從總體來看，蘋果施肥強度在波動中呈增長趨勢（圖2）。1998—2002年，蘋果施肥強度趨勢先增長后下降；從2002—2009年，蘋果施肥強度以平均每年8.6%的增長速度穩(wěn)定上升，2009年蘋果化肥施用強度比2002年化肥施用強度增加366.45 kg/hm2，是其1.74倍。2009—2017年，蘋果施肥強度先后經歷了兩次先下降再上升的變動，這一階段施肥強度波動明顯，但始終在930 kg/hm2上下波動。與此對應的，我國1998—2017年蘋果平均產量為27 521.85 kg/hm2。1998—2004年蘋果單位產量變動幅度大，蘋果產量大致呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，與化肥施用強度具有相同變動幅度，這一階段增加化肥施用強度可以提高蘋果的產量。2004—2017年蘋果單位產量變動幅度較小，在單位面積產量29 250 kg上下波動，且這一階段化肥施用強度與蘋果單位產量呈現(xiàn)出相反的變動趨勢，隨著施肥強度的增加，蘋果的單位產量減少。

單位化肥產出指一單位化肥帶來的產量。2004年單位化肥產出最高，一單位化肥可以帶來47.46 kg蘋果產出，施肥強度為617.1 kg/hm2；而2014單位化肥產出最低，一單位化肥僅能產出27.86 kg蘋果，對應的施肥強度最大。總體上看，近20年來前10年化肥的單位產出呈下降趨勢，后10年蘋果的化肥單位產出在32.33 kg上下呈波動狀態(tài)。

圖2 我國蘋果產量與化肥施用量Fig. 2 Apple yield and fertilizer application in China

2.1 化肥邊際社會成本估算

選取2017年全國蘋果化肥平均施用量的數(shù)據，按照前述公式進行計算，結果（表1）顯示，單位面積化肥產生的大氣污染、土壤污染和水體污染分別占比為18.87%、34.19%、47.64%。大氣中的氨氣、土壤中的硝酸鹽和水體中硝態(tài)氮對污染的貢獻較高，累計達89.17%。當前各類污染物主要來自氮肥，磷肥次之。通過估算，2017年單位面積蘋果施肥環(huán)境影響的經濟估值為621.75元/hm2。蘋果施肥邊際外部成本（MEC）為0.73元/kg。若將化肥視為非耗竭性資源，則邊際耗竭成本（MUC）為0。邊際生產成本（MPC）等于2017年化肥折純后混合平均價格（6615.15/853.5=7.75元/kg）。因此，化肥的邊際社會成本（MSC）為8.48元/kg。

表1 2017年蘋果化肥施用外部成本估算結果Table 1 Estimation results of external cost of apple fertilizer application in 2017

2.2 兼顧生態(tài)效益的最佳經濟施肥量估算

本研究選取1994—2017年蘋果單位面積主產品產量和化肥投入折純量構建模型（數(shù)據來源于1998—2018年《全國農產品成本收益匯編》），模型的R2為0.76，F(xiàn)值在1%顯著水平下通過檢驗（括號內為t值）。

結果顯示，蘋果施肥量的二次項在1%顯著水平下通過檢驗，且取值為負，表明在其他投入要素不變的情況下，蘋果的產量與化肥施用量呈現(xiàn)倒“U”型關系。因此，化肥的施用量并非越多越好，蘋果產量會隨著化肥增加而到達極值，隨后會減產，蘋果的產量增長存在上限。對上式中L求導，發(fā)現(xiàn)化肥這一生產要素投入產出符合邊際報酬遞減規(guī)律，化肥的邊際產出會隨著化肥投入的增加而減少。為了估算經濟施肥量和基于經濟、生態(tài)效益最佳施肥量，可將上式系數(shù)β1=79.1、β2=0.615代入最佳施肥量L*公式，其中化肥折純后混合平均價格PL=7.75元，蘋果每50 kg出售價格為161.1元，蘋果單價P=3.22元。計算2017年兼顧經濟效益和生態(tài)效益的最佳蘋果施肥量L*為932.55 kg/hm2。但此值并非固定值，容易受到化肥、蘋果的市場價格影響。對L*公式中蘋果價格P、化肥價格PL分別求偏導，發(fā)現(xiàn)最佳施肥量會隨著化肥價格上升而減少，隨著蘋果價格的上升而增加。

從1980年開始，我國化肥施用量增長迅速，年均增長4.67%，其中谷類作物占農作物化肥用量比重呈下降趨勢，瓜果蔬菜化肥用量的比重則逐年增加［17］。果樹和蔬菜是主要的化肥消費群體，兩者的化肥用量占比30%［18］。隨著我國種植結構不斷改變，經濟作物比重不斷增加，只有控制經濟作物的施肥量，才能更好地減少化肥使用量，減少化肥污染，因此從化肥減量的角度出發(fā)，L*更加符合當前面源污染防治“兩減”的要求。

2.3 八大蘋果主產區(qū)施肥情況分析

從全國平均施肥強度來看，蘋果施肥量小于兼顧生態(tài)效益的最佳施肥量L*（圖2）。2013、2014、2015年蘋果平均施肥均高于最佳施肥量，存在過量施肥問題。但2016、2017年蘋果平均施肥分別為864、853.5 kg/hm2，均低于基于經濟效益和生態(tài)效益的最佳施肥量，符合最佳施肥要求。

從河北、山西等八大蘋果主產區(qū)實際施肥情況（表2）來看，各省的化肥施用強度存在較大差別，仍存在過量施肥問題。山東、河南和甘肅的單位面積施肥量較其他產區(qū)偏大，山東地區(qū)施肥量最大，單位面積施肥1 550.55 kg/hm2。寧夏、遼寧兩地單位面積施肥量較小，寧夏地區(qū)的施肥量最小，不到山東施肥量的40%。從過量施肥的角度來看，八大蘋果主產區(qū)中有五大產區(qū)存在過量施肥問題。山西、山東、河南、陜西、甘肅5個地區(qū)實際施肥量都超過了L*。山東化肥過量程度最高，達到66.27%，相比L*多施618 kg/hm2，產生外部成本1 131.9元/hm2。甘肅、河南兩省蘋果化肥施用過量程度也較大，相比L*分別過量53.29%和44.57%，產生外部成本為1 043.55、984.15元/hm2。河北省蘋果施肥強度接近最佳施肥量，不存在過量施肥問題。相較其他產區(qū)，寧夏和遼寧蘋果施肥強度低于最佳施肥量要求，寧夏施肥強度不足L*的66%，遼寧施肥強度不足L*的71%，存在一定的缺肥問題。

表2 2017年蘋果主產區(qū)實際施肥及過量情況Table 2 Actual fertilization amount and excessive situation in main apple producing areas in 2017

3 結論與建議

3.1 主要結論

經估算，蘋果生產兼顧生態(tài)效益和經濟效益的最佳施肥量為932.55 kg/hm2，但此值并非固定值，易受到市場價格變化的影響。蘋果施肥強度呈現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異特征，全國平均施肥強度符合最佳施肥要求，但各地區(qū)之間施肥強度差異較大，過量施肥現(xiàn)象仍然存在，且個別產地較為嚴重。蘋果單位面積施肥產生污染物成本大小依次是大氣污染<土壤污染<水體污染，且化肥的外部成本為0.73元/kg，較為昂貴。

3.2 對策建議

針對上述結論，為了優(yōu)化蘋果生產化肥施用量，減少對環(huán)境的污染，提出以下建議：

3.1.1 減少化肥財政政策干預，加強市場監(jiān)管 基于生態(tài)效益的最佳經濟施肥量會隨著化肥價格上升而減少，隨著蘋果價格的上升而增加，農戶為了獲得更多經濟收入，會根據市場價格變動相應地調整施肥量。農戶作為理性經濟人，會根據化肥市場變化做出施肥選擇，但一些相關財政優(yōu)惠政策扭曲了價格信號和刺激化肥需求加劇了化肥的濫用［19］。如我國在2001、2002年內實行化肥增值稅先征后退的政策并相繼出臺多個“限價政策”來控制化肥市場價格，這些化肥政策穩(wěn)定了農資價格，提高了農民的生產積極性，同時也使化肥施用量快速增加，導致農業(yè)面源污染較為嚴重。因此，政府部門要減少化肥財政干預，還原市場價格，防止扭曲化肥市場價格。此外，農戶調查數(shù)據顯示，由于化肥企業(yè)生產化肥養(yǎng)分并不完全適合當?shù)赝寥佬枨螅罐r民購買施用的配方肥與農業(yè)部發(fā)布配方相同或相近較少［20］。因此，有必要規(guī)范化肥生產市場，加強市場監(jiān)管，嚴格按照化肥生產標準對各大化肥生產廠進行抽檢，確?；屎恳约捌焚|。

3.2.2 加快測土配方施肥技術推廣，增施有機肥 從不同蘋果主產地的平均施肥量來看，我國施肥強度呈現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異。個別產地的施肥強度快接近最佳施肥量的1.7倍，并產生了較高的外部成本。另外一些產區(qū)則明顯缺肥，影響了當?shù)毓r的收入。為此，需要根據當?shù)氐耐寥?、水文、氣候條件適當調整施肥強度，提高蘋果經濟收入。測土配方肥是按照作物生長需肥的規(guī)律以及種植土壤的養(yǎng)分供給量之間供需情況，提供必需的營養(yǎng)物質，進而提高作物產量。因此，我國要繼續(xù)推廣科學施肥技術，進一步擴大測土配方施肥的使用范圍。各地在結合當?shù)刈魑锷L條件并對最佳施用量進行測算和推廣的同時，還要增施有機肥，改善地質地力，用養(yǎng)結合。各地農業(yè)部門要加快當?shù)販y土配方工作的進展，實現(xiàn)“對癥下藥”，避免過量施肥帶來的低效低產以及生態(tài)環(huán)境污染的問題。政府相關部門還要鼓勵當?shù)剞r戶積極采用測土配方施肥，可以按照實際情況，對采用技術的農戶給予適當補貼。

3.3.3 構建生態(tài)補償體系，提升農戶生態(tài)保護意識 經估算，基于生態(tài)效益和經濟效益的最佳施肥量更加符合化肥減量化的要求。但在農業(yè)生產過程中，大部分農戶都是基于產量最大化或是經濟最大化進行施肥決策，對保護生態(tài)環(huán)境普遍缺乏認知。因此，為了減少面源污染，實現(xiàn)經濟發(fā)展與保護生態(tài)環(huán)境的統(tǒng)一，需要提升農戶生態(tài)保護意識。而生態(tài)補償是一種協(xié)調經濟發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境的有效手段，不但可以增加農民收入，還可以提高生態(tài)環(huán)保意識。因此政府部門可以采用生態(tài)補償?shù)姆绞剑瑧媒洕侄蝸砑钷r戶維持一定的施肥水平，達到保護生態(tài)環(huán)境的目的。但若要將生態(tài)補償付諸實施，還需要對補償?shù)臉俗怠⒀a償?shù)姆绞揭约把a償?shù)膩碓吹葐栴}進行探討，構建符合現(xiàn)實并可操作的生態(tài)補償體系。