農業機械投入對化肥減量化的作用效果研究

周家俊　周德

[摘要]基于全國232個地級市數據，運用有限混合模型（FMM）分析了農業機械投入對化肥減量化的作用效果。結果表明：總樣本由農業機械化低水平樣本和高水平樣本組成;機械強度與化肥強度之間存在非線性關系;在機械化低水平階段，機械強度與化肥強度呈正相關關系;在機械化高水平階段，機械強度與化肥強度呈負相關關系;要通過增加農業機械投入促進化肥減量化，關鍵在于轉變農戶施肥需求。建議加快研發推廣大型農業機械，推廣秸稈還田、化肥機械深施等技術，改善土壤理化性質，提高化肥利用率，實現化肥減量化。

[關鍵詞]化肥減量化;農業機械化;施肥方式;作用效果;有限混合模型

[中圖分類號]F323.3[文獻標識碼]A

近年來，化肥過度施用造成了資源浪費、環境污染等一系列問題，制約了農業可持續發展。研究農業化肥減量化的有效途徑具有重要現實意義。為了加快實現化肥減量化目標，農業農村部于2015年2月發布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，為化肥減量化工作提供了政策條件。同時，秸稈還田、化肥機械深施、種肥同播等技術的大型農業機械相繼出現，為農業化肥施用方式的轉變提供了技術條件。由此，增加農業機械投入是否能促進傳統化肥施用方式轉向精細化施肥進而實現化肥減量化？針對該問題的思考，有助于為實現化肥減量化提供有益參考。

1 文獻綜述

目前，對于我國化肥減量化實現路徑的研究仍較少，已有研究大多數為定性研究，從化肥施用對象、施用總量等角度分析總結我國化肥施用現狀，根據當前不同作物的化肥施用強度提出減量化的作物對象優先順序，也有學者關注中國化肥減量化的目標值，基于農產品供給和水資源壓力的雙重約束設定中國化肥減量化總體目標。對于農戶化肥施用行為影響因素的研究，主要集中在農戶的認知風險、個人特征、家庭特征層面，大多直接采用傳統線性回歸分析進行影響因素識別，或從結構驅動效應和效率驅動效應的角度對化肥施用強度的變化進行分解;有學者研究了水稻種植這一單一作物生產類型中的農業機械化技術對稻農化肥減量化施用行為的影響，認為生產方式的轉變是實現化肥減量化的關鍵途徑。

關于機械化發展帶來的系列影響，從已有成果來看，主要集中在機械化與農業總產出、糧食產出、生產效率、糧食播種面積、農業生產中的勞動力要素替代等方面，認為農業機械化發展能夠增加農業產出，對糧食生產存在正的空間溢出效應，對農業經濟發展方式轉變具有正向影響，但對糧食播種面積沒有顯著影響。少量研究從定性角度關注了機械化與生態環境的關系，認為農業機械化發展與農業資源利用效率提高、農村環境改善和農業可持續發展密切相關，應大力研發節能、低碳農業機械，發展精準耕整、播種、施肥等技術，但仍未明確涉及對化肥減量化影響的作用效果。

總體而言，關于化肥減量化實現路徑的研究仍處于起步階段，存在較大空白，鮮有針對農業機械投入對于化肥減量化效果的討論，因此，及時展開這方面的研究，除了為農業生產安排和政策制定提供參考，對于補充新的研究案例也具有一定意義。

為分析農業機械投入能否促進化肥減量化，本文假設一個地區的農業機械化水平發展具有階段性，并且不同的階段存在一定概率混合，在不同階段農戶的化肥施用方式和施用需求不同，農業機械投入與化肥施用存在多階段演變關系。在此基礎上，以2015年232個地級市數據為樣本，運用有限混合模型（FMM）識別我國農業機械化發展水平的異質性構成，分析農業機械投入與化肥減量化兩者間關系的階段性變化，為加快實現我國化肥減量化目標提供經驗證據和政策建議。

2 模型與方法

化肥施用屬于農業生產中的投入行為，經濟學上可用追求利潤最大化的農戶生產模型來描述農戶選擇行為：在保證同等產出的情況下投入最少生產要素。然而農戶的生產投入受到給定的技術條件限制，不同的機械水平帶來耕作模式變化，也導致化肥投入方式發生變化。由于農業機械化發展水平的階段性，本文認為農業機械投入與化肥施用兩者之間存在多階段演變關系。

農戶層面，農戶施肥方式在不同農業機械化水平階段有所不同。在農業機械化低水平階段，農戶使用小型簡易機械進行表土疏松、作物收割，化肥施用方式以撒施、表施為主，屬于傳統施肥方式，養分損失較大，化肥利用率較低。在此階段，隨著機械投入的增加，農戶為獲得最大利潤，提高化肥強度，直至化肥投入的邊際收益為零。隨著農業機械化發展，進入農業機械大型化高水平階段，大型農業機械出現，農戶可采用秸稈還田、土壤深耕、種肥同播、根施肥料等技術，能夠改良土壤營養特性，減少肥料流失，提高化肥利用率。因此，在農機大型化高水平階段，隨著機械投入的增加，施肥方式轉變，為獲得利潤最大化，農戶所需要投入的化肥更少，化肥強度隨機械強度提高而降低。

然而農業生產與機械化發展水平往往情況多樣，較為復雜。不同農戶的農業機械投入不同，其施肥方式不同，其發展轉型的階段并不能清晰劃分。因此，可將一個地市的化肥施用情況理解為不同機械化水平施肥行為的混合：農業機械化低水平的傳統施肥行為和農業機械化高水平的施肥行為按照一定概率比例的混合，且每一類行為都有各自的分布。如果一個地市機械化低水平傳統施肥行為的概率比例大于機械化高水平施肥行為的概率比例，那么該市處于農業機械化低水平階段;反之，處于高水平階段。同理，一個地市層面的樣本，是由處于不同機械化水平階段的地市按照一定概率比例的混合，各階段地市服從各自分布，地市之間具有異質性。

上述分析可用包含兩個子分布的有限混合模型（FMM）表示，總樣本的概率密度函數可以寫成：

其中，fi（y|x'βi）是第i個子分布的概率密度函數;x'是解釋變量向量;βi是第i個子分布的待估計解釋變量參數;πi是第i個子分布的概率比例，0≤πi≤1，且。假定各子分布服從正態分布，πi服從多項logistic分布。

3 實證分析

本文收集了2015年232個地市數據，通過有限混合模型，定量考察在不同農業機械化水平階段，農業機械投入與化肥減量化之間的關系，以期揭示農業機械投入水平與化肥減量化之間的關系。

3.1 指標選取與數據來源

本文被解釋變量選取化肥強度，即單位農作物播種面積對應的化肥折純使用量。關鍵解釋變量選取機械強度，即單位農作物播種面積對應的農業機械總動力投入。根據農戶生產模型，化肥施用和機械投入還受到種植經濟結構、城鎮化程度和人力資本的影響，因此本文將以上變量納入控制變量。對于種植經濟結構，經濟作物單位耕種面積帶來的經濟效益普遍高于糧食作物，選取單位耕種面積對應的種植業產值作為種植經濟結構的代理變量。對于城鎮化程度，選取常住城鎮人口占常住總人口比例作為城鎮化率。對于人力資本，采用每萬人在校學生數代理人力資本。

根據2015年2月開始實施《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，本文以此作為化肥減量化工作標志性時間節點。本文通過各省統計年鑒收集了2015年全國232個地級市數據，涵蓋糧食主產省份中的內蒙古、吉林、安徽、山東、江蘇、河北、河南、湖南、黑龍江和非主產省份中的廣東、浙江、海南、廣西、新疆、甘肅、貴州、陜西。

3.2 描述性分析

表1顯示了232個地級市5個指標的描述性統計結果，圖1顯示了總樣本中機械強度的概率密度分布。對于機械強度，總樣本分布并不完全服從正態分布，考慮存在至少兩個分布的疊加。

3.3 回歸結果

為進行對照，先對包含232個地市的總樣本進行傳統OLS線性回歸，系數估計結果見表2，殘差分布見圖2。傳統OLS線性回歸顯示，在其他條件保持不變的情況下，隨著農業機械投入增加，化肥強度下降，但不具有統計顯著性，且殘差分布不符合正態分布，總樣本分布存在起碼兩個分布的疊加。為此，有必要采用FMM作進一步分析。

總樣本可能由兩個及以上子分布混合組成，但當子分布數目較多時，會增加有限混合模型估計的難度，且本文數據中，當子分布數目大于兩個時，估計結果并不顯著。結合機械化水平存在兩階段特征，本文選擇子分布數目為兩個。

FMM回歸結果顯示（見表2），總樣本分布由子分布一占0.779，子分布二占0.221的概率比例混合組成，且子分布一的機械強度均值（7.652）小于子分布二（9.618），故子分布一對應農業機械化低水平階段，子分布二對應農業機械化高水平階段。

在農業機械化低水平階段，農戶使用低水平農業機械，增加低水平機械投入未能轉變農戶的傳統施肥方式，化肥強度與機械強度呈正相關關系。從邊際效應看，在保持其他因素不變的情況下，農業機械強度每提高1個單位（kW/hm2），化肥強度提高10.070個單位（kg/hm2），并在1%的水平下具有統計顯著性。

在農業機械化高水平階段，大型農業機械出現，帶來秸稈還田、化肥機械深施技術的改進，有助于改良土壤肥力，轉變農戶的施肥需求，化肥強度與機械強度呈負相關關系。從邊際效應看，在保持其他因素不變的情況下，農業機械強度每提高1個單位（kW/hm2），化肥強度降低9.306個單位（kg/hm2）。

實證表明，在農業機械化發展過程中，機械強度與化肥強度之間存在非線性兩階段演變關系，增加農業機械投入能否促進化肥減量化，關鍵在于能否轉變農戶的施肥需求。在機械化低水平階段，機械投入以簡易型機械為主，可實現的技術層次較低，如簡單的表土翻耕、收割，并未轉變農戶施肥方式，機械強度與化肥強度呈正相關關系。在機械化高水平階段，大型農業機械出現，秸稈還田、化肥深施、精準根施等技術得到應用，化肥利用率提高，化肥施用需求下降，機械強度與化肥強度呈負相關關系。

3.4 穩健性檢驗

為減少農業種植經濟結構不同導致化肥強度存在差異而對實證結果造成影響，本文對糧食主產省份的123個地市進行FMM分析（見表3）。結果表明，在機械化低水平階段，機械強度與化肥強度之間呈正相關關系，從邊際效應看，保持其他因素不變，農業機械強度每增加1個單位（kW/hm2），化肥強度增加17.253個單位（kg/hm2）;在機械化高水平階段，機械強度與化肥強度呈負相關關系，從邊際效應看，保持其他因素不變，農業機械強度增加1個單位（kW/hm2），化肥強度減少9.364個單位（kg/hm2），與理論設想一致。

4 研究結論

本文假設機械化發展水平具有階段性，由于機械化水平發展會導致農戶化肥施用方式發生轉變，然而由于實際情況的復雜性，一個地區的農業生產是農業機械化高水平階段生產行為和低水平階段生產行為的概率混合;在機械化低水平階段，農戶沿用傳統施肥方式;在機械化高水平階段，農戶逐漸轉向精細化施肥。增加農業機械投入對于化肥減量化的作用是非線性的兩階段演變過程。通過有限混合模型對232個地市組成的總樣本進行分類，分別探討在不同農業機械化水平下農業機械投入對化肥減量化的作用效果，結果表明：總樣本由77.9%的農業機械化低水平階段樣本和22.1%的機械化高水平階段樣本組成;在機械化低水平階段，機械強度與化肥強度呈正相關關系，保持其他因素不變，機械強度提高1個單位（kW/hm2），化肥強度提高10.070個單位（kg/hm2）;在機械化高水平階段，機械強度與化肥強度呈負相關關系，保持其他因素不變，農業機械強度增加1個單位（kW/hm2），化肥強度減少9.306個單位（kg/hm2）。該實證結果符合理論設想。

本文的啟示在于，在不同農業機械化水平階段，機械投入對于化肥減量化的作用效果可能截然相反，要通過增加農業機械投入促進化肥減量化，關鍵在于依靠高層次機械耕作技術，改良土壤性質，提高化肥利用率，減少化肥施用需求。為此，本文建議加快研發推廣大型農業機械，提高農業機械化水平，推廣秸稈還田、化肥機械深施等技術，改善土壤理化性質，提高化肥利用率，實現化肥減量化。

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