氣候變化對(duì)我國(guó)蘋果主產(chǎn)區(qū)化肥利用效率的影響*

白秀廣，張波

（西北農(nóng)林科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西楊凌 712100）

化肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要投入要素之一，對(duì)世界糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為40%～65%[1]，1978—2006年間對(duì)我國(guó)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)到了56.81%[2]。自20 世紀(jì)80 年代以來，我國(guó)農(nóng)業(yè)化肥施用量逐年上升，目前每公頃化肥施用量接近世界平均水平的4倍，更是國(guó)際公認(rèn)化肥施用安全上限的2倍[3]。不斷增長(zhǎng)的化肥施用也帶來了土壤營(yíng)養(yǎng)失衡、酸化及農(nóng)業(yè)面源污染等問題，威脅到我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-6]。我國(guó)提出的實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)及負(fù)增長(zhǎng)計(jì)劃的核心是提高化肥利用效率，已有研究指出我國(guó)化肥利用效率僅為30%左右，遠(yuǎn)低于國(guó)外的60%左右[3]。因此，找出低效率的原因，在維持作物產(chǎn)量的同時(shí)提高化肥利用效率、減少化肥使用量是亟待解決的問題。

另外，氣候變化導(dǎo)致的干旱和洪澇等災(zāi)害的極端天氣發(fā)生頻率近年有所增加，在影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的同時(shí)也會(huì)對(duì)化肥等生產(chǎn)要素投入數(shù)量和效果產(chǎn)生影響[7-8]。一方面，氣溫升高和降水增加會(huì)導(dǎo)致土壤礦物質(zhì)的揮發(fā)或流失[7]，進(jìn)而需要更多的化肥投入以滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的土壤肥力。另一方面，氣候變化不僅影響到作物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量，同時(shí)氣溫變化也會(huì)影響土壤生物物理和化學(xué)變化過程，進(jìn)而對(duì)化肥的肥效產(chǎn)生影響[9]。最后，農(nóng)戶為應(yīng)對(duì)氣候變化以減少損失，會(huì)增加化肥的施用量[6]，可能導(dǎo)致化肥利用效率降低。因此，研究氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)化肥利用效率的影響并采取相應(yīng)的措施，對(duì)提高化肥利用效率、減少農(nóng)業(yè)面源污染、實(shí)現(xiàn)化肥負(fù)增長(zhǎng)及可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)具有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從農(nóng)戶特征、家庭特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征等方面分析其對(duì)化肥利用效率的影響，指出受教育程度[3,10-11]、農(nóng)戶收入[10,12]、勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)[13]、種植規(guī)模[11,14-16]等農(nóng)戶和家庭特征，以及灌溉率[16-18]、化肥價(jià)格[3,15,18]、農(nóng)業(yè)價(jià)格補(bǔ)貼[14,16]等社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征均會(huì)影響化肥利用效率。而有關(guān)氣候變化對(duì)化肥利用效率的影響研究還很少，且集中在自然科學(xué)領(lǐng)域，Smith 等指出氣溫升高會(huì)加快化肥的分解與揮發(fā)，從而降低化肥利用效率[19]；Kokou 等利用CROPGRO 模型模擬了不同氣候變化情景對(duì)氮肥利用效率的影響，指出氣溫升高與降水變化有利于氮肥利用效率的提高[20]。Zheng 等通過仿真指出未來氣候變化對(duì)磷肥利用效率有微弱的促進(jìn)作用，但降水的增多將使磷肥的流失增大，從而對(duì)磷肥利用效率有負(fù)向影響[21]。王修蘭等發(fā)現(xiàn)氣候變暖對(duì)土壤肥料施用量和肥效有重要影響，在450～1 125 kg/hm2施肥水平下，每增溫1 ℃氮肥釋放量平均增加4%，釋放周期縮短3.6 d，且施肥量越大，釋放量和速度越快，肥效損失越大[9]。曹丹和汪張懿通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了不同溫度、水分條件對(duì)化肥利用效率的影響[22]。社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，針對(duì)氣候變化對(duì)化肥的影響，Tang等[6]指出，農(nóng)戶為應(yīng)對(duì)氣候變化，會(huì)加大化肥施用強(qiáng)度；Bai等[23]分析了氣候因素對(duì)蘋果化肥利用效率的影響，指出降水和日照時(shí)數(shù)的增加不利于化肥利用效率的提高，而氣候變化對(duì)化肥利用效率的影響分析目前還未涉及。

本文以我國(guó)環(huán)渤海灣和黃土高原兩大蘋果主產(chǎn)區(qū)為例，在測(cè)算與分析蘋果生產(chǎn)化肥利用效率的基礎(chǔ)上，實(shí)證分析氣候變化對(duì)蘋果生產(chǎn)化肥利用效率的影響，為更好地應(yīng)對(duì)氣候變化及實(shí)現(xiàn)化肥減施增效提供理論依據(jù)和政策參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 基于DEA 的化肥利用效率測(cè)算模型

DEA 相比SFA 模型具有不依賴于具體函數(shù)形式的優(yōu)勢(shì)，故本文選取DEA 模型來測(cè)算化肥利用效率。根據(jù)化肥利用效率的定義[23]，即在保持產(chǎn)出和其他投入不變時(shí)，最小化肥投入量與實(shí)際投入量之比，可通過下列公式來求解。

其中，θH表示化肥利用效率，XH與XND分別代表化肥和其他投入要素的集合，λ為參數(shù)向量。本文采用克服了“技術(shù)倒退”和“不可比性”問題的全局DEA 模型來測(cè)算化肥利用效率[18]。

借鑒已有文獻(xiàn)[3,16,18]及結(jié)合蘋果的生產(chǎn)特征，本文將蘋果平均每667 m2產(chǎn)量作為產(chǎn)出，選取蘋果平均每667 m2化肥投入量、農(nóng)藥費(fèi)用、物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)用和用工量作為投入變量來測(cè)算蘋果生產(chǎn)的化肥利用效率。

1.2.2 氣候變化對(duì)化肥利用效率的影響模型

氣候變化對(duì)化肥利用效率的影響模型如（2）式所示。

表示第i 個(gè)地區(qū)在t 年份的化肥利用效率，Cit表示氣溫、降水等氣候變化核心解釋變量，Xit為控制變量，表示其他影響化肥利用效率的因素，ui為個(gè)體效應(yīng)，擾動(dòng)項(xiàng)εit～N（0，σ2ε）。由于化肥利用效率處于［0,1］，具有明顯的截?cái)嘈蕴卣?，故本文采用Tobit 隨機(jī)效應(yīng)面板模型進(jìn)行分析。

參考相關(guān)文獻(xiàn)[18,23]，Xit選取技術(shù)進(jìn)步和配方施肥，區(qū)域變量及化肥價(jià)格、農(nóng)家肥占比和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，及農(nóng)村人均純收入、受教育程度和種植規(guī)模等作為控制變量。

1.2 數(shù)據(jù)來源與說明

本文蘋果生產(chǎn)的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)來源于《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》（1993—2017），個(gè)別缺失值用插值法處理。農(nóng)藥、物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)分別采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料價(jià)格指數(shù)和農(nóng)村居民消費(fèi)價(jià)格指數(shù)進(jìn)行平滑。影響因素中相關(guān)控制變量的數(shù)據(jù)來源于《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》（1993—2017），《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》（1993—2017）和《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》（1993—2017）。

另外，氣象數(shù)據(jù)來源于國(guó)家氣象信息中心中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集。將蘋果生長(zhǎng)周期分為4個(gè)階段，即休眠期、開花期、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期，選取各生長(zhǎng)階段的月平均氣溫、累計(jì)降水總量及累計(jì)日照時(shí)長(zhǎng)總量作為氣候因素指標(biāo)[24]。借鑒崔靜等的做法[25]，選取各指標(biāo)與1988—1992 年平均值的差值作為氣候變化指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果生產(chǎn)的化肥利用效率分析

運(yùn)用DEA-SOLVER Pro 5.0 對(duì)我國(guó)蘋果主產(chǎn)省的化肥利用效率進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果如圖1 所示。黃土高原區(qū)和環(huán)渤海灣區(qū)兩大主產(chǎn)區(qū)1992—2016 年蘋果生產(chǎn)的化肥利用效率不高，平均僅為0.553，表明化肥利用效率有較大的提升空間。從趨勢(shì)看，兩大主產(chǎn)區(qū)蘋果化肥利用效率在1992—2003 年間呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，而2004 年后呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，且自2004 年后黃土高原區(qū)化肥利用效率逐漸超過環(huán)渤海灣區(qū)，主要原因是環(huán)渤海灣區(qū)的化肥利用效率持續(xù)下滑，而黃土高原區(qū)的化肥利用效率在波動(dòng)中趨于穩(wěn)定。

圖1 我國(guó)蘋果主產(chǎn)省及兩大產(chǎn)區(qū)化肥利用效率

分省份來看（圖1），研究期間山西省的平均化肥利用效率最高，達(dá)到了0.858，而山東省的最低，僅有0.311，幾乎是山西省的1/3，這可能與山東省的化肥施用強(qiáng)度較大有關(guān)，山東省化肥施用強(qiáng)度最高，每667 m289.112 kg，是山西省的2 倍（每667 m243.976 kg）。另外，黃土高原區(qū)陜西省和山西省的化肥利用效率呈現(xiàn)出波動(dòng)遞增的態(tài)勢(shì)；而河南省和甘肅省則呈現(xiàn)出“先升后降”的整體特征。環(huán)渤海灣區(qū)3 個(gè)省份的化肥利用效率表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)特征，遼寧省化肥利用效率呈現(xiàn)“W”形的變化特征；山東省化肥利用效率一直在較低的水平波動(dòng)，且近幾年呈現(xiàn)明顯的下降態(tài)勢(shì)；而河北省呈現(xiàn)“N”形波動(dòng)，且最近幾年逐漸成為環(huán)渤海灣區(qū)化肥利用效率最高的省份，但仍與陜西、山西等黃土高原省份存在明顯的差距，這也是環(huán)渤海灣區(qū)與黃土高原區(qū)化肥利用效率差距越來越大的原因。

2.2 氣候變化對(duì)蘋果化肥利用效率的影響分析

利用Stata12.0估計(jì)的氣候變化對(duì)蘋果化肥利用效率影響的回歸結(jié)果如表1 所示。從表1 可知，蘋果不同生長(zhǎng)期的日照時(shí)數(shù)及其變化對(duì)化肥利用效率的影響具有差異性。果實(shí)膨大期日照時(shí)數(shù)變化對(duì)蘋果生產(chǎn)化肥利用效率的影響在10%水平下顯著為正，表明蘋果膨大期日照變化會(huì)促進(jìn)化肥利用效率的提升，這可能與蘋果膨大期對(duì)日照時(shí)數(shù)較為敏感有關(guān)。果實(shí)膨大期是光合作用積累最旺盛的時(shí)期，較長(zhǎng)的日照時(shí)數(shù)有利于光合積累，也利于蘋果糖分增加[24]，因此，蘋果膨大期日照變化有利于蘋果有機(jī)質(zhì)的積累，且蘋果膨大期對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求比較大，進(jìn)而會(huì)加快吸收土壤的營(yíng)養(yǎng)，提高化肥的利用效率。然而，其他生長(zhǎng)期的日照時(shí)數(shù)及其變化對(duì)化肥利用效率的影響則不顯著。另外，降水及其變化對(duì)化肥利用效率的影響也不顯著。

蘋果生長(zhǎng)期氣溫及其變化對(duì)主產(chǎn)區(qū)蘋果生產(chǎn)的化肥利用效率具有顯著影響，但不同蘋果生長(zhǎng)期的氣溫及其變化對(duì)化肥利用效率的影響不同。休眠期平均氣溫升高不利于蘋果化肥利用效率的提升，這與冬季溫度升高易使病蟲害越冬，且不利于果樹有足夠的休眠時(shí)間來積累有機(jī)質(zhì)有關(guān)。休眠期氣溫過高，果樹會(huì)提前開花，進(jìn)而影響果樹的生理狀態(tài)，不利于蘋果的生產(chǎn)；另外，休眠期蘋果樹對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求較少，但果農(nóng)每年都會(huì)在休眠前施用基肥，而氣溫升高更易加速化肥有效成分的流失，從而降低化肥利用效率。開花期的平均氣溫對(duì)蘋果化肥利用效率的影響為正，且黃土高原區(qū)在5%的水平下顯著，但對(duì)環(huán)渤海灣區(qū)的影響不顯著，可能因?yàn)辄S土高原區(qū)海拔較高，其氣溫相對(duì)較低，氣溫適當(dāng)升高有利于促進(jìn)化肥效力的釋放[9]，進(jìn)而提升化肥利用效率。對(duì)于蘋果膨大期來講，無論是環(huán)渤海灣還是黃土高原蘋果主產(chǎn)區(qū)，果實(shí)膨大期氣溫升高或氣溫變化加大均不利于化肥利用效率的提升，且均在1%水平下顯著。這主要與果實(shí)膨大期氣溫本身就比較高有關(guān)，氣溫繼續(xù)升高易導(dǎo)致病蟲害的增加，同時(shí)加大水分和化肥的蒸發(fā)，對(duì)蘋果樹生長(zhǎng)不利，致使果園生態(tài)土壤環(huán)境變差，影響果樹對(duì)化肥營(yíng)養(yǎng)的吸收利用。此外，果實(shí)膨大期氣溫升高容易產(chǎn)生干旱問題，干旱狀況下土壤中的氮肥釋放速度會(huì)加快，使得化肥利用效率下降[9]。蘋果成熟期氣溫對(duì)化肥利用效率的影響不顯著，該階段果實(shí)已經(jīng)成熟，氣溫降低使果樹的生長(zhǎng)發(fā)育變緩，對(duì)養(yǎng)分的需求也相應(yīng)減少，另外該階段施肥量也相對(duì)較少，因此，氣溫變動(dòng)對(duì)化肥利用效率的影響也較?。ū?）。

控制變量中，時(shí)間趨勢(shì)代表的技術(shù)進(jìn)步對(duì)中國(guó)整體和黃土高原區(qū)蘋果化肥利用效率有顯著的正影響，表明蘋果生產(chǎn)越來越重視綠色技術(shù)，其二次項(xiàng)系數(shù)顯著為負(fù)，表明技術(shù)進(jìn)步對(duì)化肥利用效率呈倒“U”形的影響，但技術(shù)進(jìn)步對(duì)環(huán)渤海灣區(qū)的影響不顯著。區(qū)域變量在10%的水平上顯著，說明黃土高原區(qū)化肥利用效率顯著高于環(huán)渤海灣區(qū)。配方施肥政策變量不顯著，表明配方施肥政策實(shí)施前后化肥利用效率沒有顯著的差異，這與Ma等[15]的研究結(jié)論相一致，說明配方施肥仍有較大的推廣優(yōu)化潛力（表1）。

表1 氣候變化對(duì)化肥利用效率的估計(jì)結(jié)果

化肥價(jià)格對(duì)我國(guó)蘋果主產(chǎn)區(qū)整體和黃土高原區(qū)化肥利用效率的影響顯著為負(fù)，而對(duì)環(huán)渤海灣區(qū)的影響不顯著但為正。這表明整體而言，化肥價(jià)格上漲不利于蘋果生產(chǎn)化肥利用效率的提高，但地區(qū)差異明顯，化肥價(jià)格上漲可有效促進(jìn)環(huán)渤海灣區(qū)化肥利用效率的提高，但對(duì)黃土高原區(qū)有顯著的抑制作用，這可能與環(huán)渤海灣區(qū)化肥施用強(qiáng)度較大有關(guān)，化肥價(jià)格上漲有利于降低環(huán)渤海灣區(qū)的化肥施用強(qiáng)度提升其效率，但黃土高原區(qū)的化肥價(jià)格上漲尚不足以抵消增加化肥投入帶來的收益。農(nóng)家肥占比對(duì)我國(guó)蘋果主產(chǎn)區(qū)整體及環(huán)渤海灣區(qū)的蘋果化肥利用效率有顯著的正向作用，這表明加大農(nóng)家肥施用的投入比例對(duì)化肥利用效率有提高的作用。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)渤海灣區(qū)呈顯著的正向影響，但黃土高原區(qū)卻相反，這可能由于第一產(chǎn)業(yè)的比重越高，其可持續(xù)發(fā)展越受到重視，越注重綠色生產(chǎn)，更有利于化肥利用效率的提高。另外，種植規(guī)模對(duì)黃土高原區(qū)化肥利用效率有顯著的正向影響，表明黃土高原區(qū)擴(kuò)大蘋果種植規(guī)模有利于提高化肥利用效率，而環(huán)渤海灣區(qū)則相反，不宜盲目擴(kuò)大規(guī)模（表1）。

3 研究結(jié)論與政策啟示

3.1 研究結(jié)論

本文基于我國(guó)兩大蘋果主產(chǎn)區(qū)1992—2016 年的蘋果生產(chǎn)及氣候數(shù)據(jù)，在測(cè)算蘋果生產(chǎn)化肥利用效率的基礎(chǔ)上，分析了氣候變化對(duì)化肥利用效率的影響，得出以下主要結(jié)論。

（1）研究期內(nèi)蘋果生產(chǎn)的化肥利用效率平均僅為0.553，且具有時(shí)空差異，整體來講，若提高化肥利用效率其減施潛力可以達(dá)到45%。

（2）蘋果不同生長(zhǎng)期的氣溫、日照時(shí)數(shù)及其變化對(duì)化肥利用效率的影響具有顯著差異。開花期氣溫提升對(duì)化肥利用效率有促進(jìn)作用，而休眠期和果實(shí)膨大期氣溫的升高對(duì)化肥利用效率起到抑制作用。果實(shí)膨大期氣溫變化的加劇也不利于化肥利用效率的提升，但果實(shí)膨大期日照時(shí)數(shù)變化加大對(duì)化肥利用效率具有促進(jìn)作用。

（3）技術(shù)進(jìn)步、農(nóng)家肥占比對(duì)蘋果生產(chǎn)化肥利用效率有顯著的正向影響，而化肥價(jià)格、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和種植規(guī)模的影響具有顯著的區(qū)域特征。

3.2 政策啟示

（1）在制定化肥減施增效的政策時(shí)應(yīng)考慮區(qū)域特征，黃土高原區(qū)應(yīng)重點(diǎn)考慮推廣新技術(shù)突破化肥利用效率提升的瓶頸，如采用水肥一體化等先進(jìn)技術(shù)，而環(huán)渤海灣區(qū)應(yīng)通過減少化肥施用量或合理化肥的配比、推廣配方施肥等措施來提高其效率。

（2）果農(nóng)應(yīng)提高對(duì)氣候變化的認(rèn)知水平，結(jié)合蘋果不同生長(zhǎng)周期對(duì)化肥的需求來大力推廣氣候變化適應(yīng)性措施，以提高化肥利用效率。如蘋果樹休眠期更適合施用農(nóng)家肥，而開花期和果實(shí)膨大期應(yīng)混合施用速效肥和緩控釋肥，并加大水肥一體化管理，運(yùn)用滴灌、噴灌等技術(shù)加大水肥交互，提高化肥利用效率。另外，為防止果實(shí)膨大期氣溫升高和降水增加對(duì)化肥利用效率的不利影響，應(yīng)加大果園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，修建灌溉及排泄設(shè)施，鼓勵(lì)果園種草覆蓋等以減少蒸發(fā)和流失，提高利用效率。

（3）應(yīng)加大蘋果生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)力度，引導(dǎo)果農(nóng)增加農(nóng)家肥投入比重，并對(duì)黃土高原區(qū)和環(huán)渤海灣區(qū)采取不同的化肥價(jià)格策略和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整策略，提高化肥利用效率，減少資源浪費(fèi)和面源污染。