我國部分地級行政區耕地無機肥氮素經濟產出效率測算與時空分異特征分析

摘 要 為了厘清中國城市耕地無機肥的氮素投入狀況和經濟產出效益，采用區域種植業經濟產出與區域無機肥氮素總投入量的比值作為無機肥氮素經濟產出效率指示因子，研究了2000—2019年間全國、各城市、九大農業區、東中西部、糧食產區的無機肥氮素經濟產出效率。基于核密度曲線、空間自相關分析等方法分析耕地無機肥氮素經濟產出效率的時空差異特征。結果表明：1）總體來看各城市和區域耕地無機肥氮素經濟產出效率存在長期向好傾向;2）從區域尺度上看，東中西地區耕地無機肥氮素經濟產出效率呈現“東部高西部低”分布格局;3）從空間分異特征來看，在全局范圍內呈顯著的空間正相關性，且存在集聚分布態勢和空間依賴性，空間集聚程度表現出極化效應有所減緩。

關鍵詞 無機肥;氮素經濟產出效率;動態演變;時空分異

中圖分類號：S963.9 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.11.031

氮元素是維持生命的關鍵元素。改革開放以來，中國農業成功利用占世界7%的耕地養活占世界22%的人口，取得了舉世矚目的成就，無機肥的高投入在其中發揮了重要的作用[1]。但無機肥的過量施用或不當施用會引起耕地土壤酸化、耕層變淺[2]，造成局部空氣污染、產生溫室效應，造成水體富營養化和地下水污染等農業面源污染問題[3]。農業發展對生態環境的脅迫效應十分劇烈[4]，進一步加強耕地無機肥氮素管理對提高區域種植業生產率和改善耕地質量具有積極的影響。耕地無機肥氮素經濟產出效率反映了種植業無機肥氮素投入的經濟效益，探討中國城市耕地無機肥的氮素投入狀況，測算耕地無機肥氮素經濟產出效率，有助于了解各城市耕地利用發展的高質量成效，為中國城市合理施用無機肥和有效控制無機肥面源污染提供科學依據。

1? 材料與方法

1.1? 研究區域概況

為科學反映各地級及以上城市在全國范圍內的空間分異特征，本文將直轄市納入研究樣本，涉及我國333個地級行政區（包括293個地級市、7個地區、30個自治州、3個盟），以及4個直轄市（北京、上海、重慶、天津）。

研究區域按3種類別進行劃分，1）按照地理分區，以省級行政區為標準分為東中西地區;2）按照糧食生產情況劃分，分為糧食主產區和非糧食主產區;3）根據《中國綜合農業區劃》，將全國劃分為9個農業區。

1.2? 數據來源

本研究所需數據包括全國各城市的氮肥施用折純量、復合肥施用折純量、耕地面積、種植業總產值，時間尺度為2000—2019年，數據來源于我國的統計年鑒、農村統計年鑒、農業統計年鑒、城市統計年鑒、城市建設統計年鑒以及各城市（州）統計年鑒、各城市（州）國民經濟與社會發展統計公報。

1.3? 測算方法

1.3.1? 無機肥氮素投入量測算方法

我國農業生產上含氮元素的無機肥肥料主要包括氮肥和復合肥。氮肥施用折純量和復合肥施用折純的含氮量構成無機肥氮元素的輸入源，本研究中根據我國常用的不同配方復合肥中氮含量折算，折純的復合肥中氮素含量為32.2%[5]。

[Nfer=NF+CF×rN]? ?（1）

式（1）中，[NF]和[CF]分別表示氮肥和復合肥的施用折純量;[rN]表示復合肥中氮素的含量，無機肥氮素投入涉及的數據主要為地市級行政單位氮、磷、鉀、復合肥施用量及無機肥施用總量（折純量），耕地面積等，數據來源為我國歷年地級行政區及省份的統計年鑒。部分缺失數據用省級數據按耕地面積插值替代[6]。

1.3.2? 無機肥氮素經濟產出效率測算方法

本文參考歐盟國際上提出的氮素利用率（NUE），確定采用區域種植業經濟產出與區域無機肥氮素總投入量的比值作為無機肥氮素經濟產出效率（Nitrogen economic output efficiency）指示因子來評估研究中國城市耕地無機肥氮素經濟產出效率大小。

[NEOE=AOVNinput×100%]? （2）

式（2）中，NEOE表示區域無機肥區域氮素經濟產出效率，AOV表示區域種植業的經濟產出（億元），數據來源于各地市級行政單元統計年鑒中農林牧漁業總產值分類中的農業總產值;[Ninput]表示農作物種植過程中無機肥氮素總投入量（萬t）。

2? 結果與分析

2.1? 無機肥氮素投入量時間演變特征

中國耕地無機肥氮素投入量從2000年的2 662萬t增長到2019年的2 906萬t，年均上升率為0.46%，氮肥施用折純量氮投入從2000年的2 358萬t下降到2019年的2 171萬t，年均上升率為-0.4%，在全國城市耕地無機肥氮素投入量中貢獻率從2000年88.59%的降低到2019年的74.71%;復合肥施用折純量從2000年的862萬t上升到2019年的2 128萬t，復合肥施用折純量氮素投入量從2000年的304萬t增長到2019年的735萬t，增長率為142%，年均上升率為7.09%，在全國城市耕地無機肥氮素投入量中貢獻率從2000年11.41%的增長到2019年的25.29%。

2.2? 無機肥氮素經濟產出效率時間演變特征

2.2.1? 中國城市無機肥氮素經濟產出效率時間趨勢

研究期間中國耕地無機肥氮素經濟產出效率總體上呈現持續上漲趨勢，均值為12.59，最高值為2019年的21.79，最低值為2000年的5.43，從2000年的5.43增長為2019年的21.79，年均增長率為15.05%。中國耕地無機肥氮素經濟產出效率的變動主要分為3個階段。第1階段為2000—2003年，該階段出效率分布在[5，6]，這段時期的經濟產出水平呈現緩慢上升趨勢。相對整個時期來說較低;第2階段為2006—2015年，該階段效率分布在[6，18]，這段時期的氮素產出水平呈現勻速上升趨勢，相對整個研究時期來說屬于中效水平;第3階段為2017—2019年，該階段效率分布在[18，22]，這段時期增長幅度較大，可能與政府重視糧食安全，推進農業可持續和綠色高質量發展有關。隨著經濟的快速發展，農業科技進步、農業機械化水平得到提升，2017—2019年的經濟效益較高。從總體上來看，我國耕地無機肥氮素經濟產出效率總體上呈現持續上升趨勢，亟需繼續提高無機肥的氮素產出效率，以實現經濟效益和生態環境保護的可持續協調發展。

為了進一步研究我國城市耕地無機肥氮素經濟產出效率隨時間變化趨勢，本文根據2000、2005、2010、2015、2019年城市耕地無機肥氮素經濟產出效率核密度曲線展現出其動態變化。從峰值分布可以看出，我國城市耕地無機肥氮素經濟產出效率呈現明顯的單峰分布態勢，說明2000—2019年相較于處于低效的城市數量而言，較高效的數量有明顯的增加;從時間維度上看，5個年份的低效率峰值正逐年向右移動，說明在研究時期內，低效率城市的效率值得到大幅度的提升。就波峰陡峭程度而言，也可以看出低效率峰值逐年降低，高效率峰值則逐年升高。總體上也說明在研究時期內，我國城市耕地無機肥氮素經濟產出效率兩極分化現象正不斷減弱，其中低效城市效率提高的速度較快，當地政府仍需加強區域間的協同合作和協調發展。

2.2.2? 不同區域耕地無機肥氮素經濟產出效率時間變化

從東中西地區耕地無機肥氮素經濟產出效率來看，2000—2019年三大地區耕地無機肥氮素經濟產出效率總體上呈現上升的時間變化趨勢。考察期內，東中西地區效率均值分別為13.64、12.08、9.64，總體上呈現“東部高西部低”分布格局。東部地區耕地無機肥氮素經濟產出效率從2000年的6.6增長為2019年的23.89，除2004年有所下降外，整體上逐年上升，年均增長率為13.09%。中部地區耕地無機肥氮素經濟產出效率從2000年的4.21增長為2019年的18.04，年均增長率為16.45%;西部地區耕地無機肥氮素經濟產出效率從2000年的5.75增長到2019年的24.78，年均增長率為16.55%。2000—2016年，中西部地區變動趨勢相對一致，但是從2017年開始逐漸拉開差距，西部地區耕地無機肥氮素經濟產出效率上升幅度較大，但中部增長幅度較小。

進一步分析糧食主產區和非糧食主產區耕地無機肥氮素經濟產出效率，其變化趨勢與全國及東中西三大區域變化趨勢一致，呈現“波動式”上升演進趨勢。考察期內糧食主產區耕地無機肥氮素經濟產出效率平均值大于非糧食主產區，均值分別為11.54、11.71。糧食主產區耕地無機肥氮素經濟產出效率從2000年的5.32增長為2019年的20.64，年均增長率為14.39%;非糧食主產區的耕地無機肥氮素經濟產出效率從2000年的5.66增長為2019年的23.99，年均增長率為16.19%。

2.2.3? 分農業區耕地無機肥氮素經濟產出效率時間變化

從分農業區層面看，中國耕地無機肥氮素經濟產出效率差異較為明顯。總體上2000—2019年中國各農業區耕地無機肥氮素經濟產出效率呈現波動性上升趨勢。青藏高原區2019年效率值達到70.65且2000—2019年耕地無機肥氮素經濟產出效率平均值位列第一，表明青藏高原區耕地無機肥氮素經濟產出效率處于生產前沿面，用相對較少的無機肥氮素投入量獲得經濟收益。華南區2019年耕地無機肥氮素經濟產出效率值達到31.85且2000—2019年效率平均值位列第二，表明華南用相對較少的無機肥氮素投入量獲得較高的經濟收益。耕地無機肥氮素經濟產出效率平均值小于10的省份有2個，依次為北方干旱半干旱區（9.48）、黃土高原區（6.49），表明相對來講相同的無機肥氮素投入量獲得較少的經濟收益，可能與區域土壤、氣候、用水條件、種植業發展方式有一定的關系。2000—2019年四川盆地、青藏高原區耕地無機肥氮素經濟產出效率增長較快，年均增長率均達到20%以上;其他農業區年均增長率均達到10%以上。總體上九大農業區耕地無機肥氮素經濟產出效率呈現波動性上升趨勢，亟需提高耕地無機肥氮素經濟產出效率，大力實施糧食產能提升工程，集中支持適宜區域、重點品種，因地制宜發展現代化農業。

2.3? 無機肥氮素經濟產出效率空間變化特征

2.3.1? 全局空間自相關分析

本文采用Geoda軟件對Moran’s I散點圖、LISA聚集圖等進行分析，從而發現城市無機肥氮素經濟產出效率在空間分布上存在的空間聚集特征。

全局空間正相關顯著。2000—2019年各城市耕地氮素經濟產出效率的 Moran’s I指數全部為正，而且Z值均大于0，P值均為0.001，基本上都通過了1%水平下顯著性檢驗，在全局范圍內呈顯著的空間正相關性。地區間不平衡性尚存，高值集聚區增多。結合2000—2019年各城市耕地無機肥氮素經濟產出效率指數散點圖，發現其分布由集中趨于分散，這也在一定程度上表明各城市無機肥氮素經濟產出效率水平極化現狀嚴重，有向均衡化發展態勢靠近的趨勢。

2.3.2? 局部空間自相關分析

局部空間正相關不顯著。根據LISA顯著性圖可知，2000—2019年典型年份300左右以上城市的耕地無機肥氮素經濟產出效率不顯著，P值小于0.01的城市介于20～40個，這些城市主要分布在海南省、黃土高原及青藏高原等地區，在城市全局范圍內呈顯著的空間正相關性，且存在集聚分布態勢和空間依賴性。空間聚集類型不顯著。2000—2019年，270個以上的地級行政區耕地氮素經濟產出效率聚集類型不顯著，2000—2019年H-H型的地級行政區數量10～15個，主要集中在東北平原區北部地級市、青藏高原區南部地區。

3? 結論與討論

1）研究期間，全國各城市耕地無機肥氮素經濟產出效率存在長期向好傾向，從2000年的5.43增長為2019年的21.79，均值為12.59，年均增長率為15.05%，總體上呈現持續上升趨勢，低效率城市效率提高的速度較快，兩極分化現象正不斷減弱。亟需繼續提高耕地利用的氮素效率，在測土配方的基礎上，平衡綜合使用無機肥和有機肥;調整要素配置，合理控制無機肥消費總量，確定生產資源配置的最佳方案;更好地推廣和教育，提高農民對土壤肥力和無機肥施用的環保認知，實現經濟效益和生態環境保護的可持續協調發展。

2）2000—2019年東中西地區耕地無機肥氮素經濟產出效率總體上呈現上升的時間變化趨勢。糧食主產區、非糧食主產區和九大農業區耕地無機肥氮素經濟產出效率呈現“波動式”上升演進趨勢。考察期內，耕地無機肥氮素經濟產出效率呈現“東高中低”分布格局，糧食主產區效率均值比非糧食主產區高，青藏高原區和華南區的平均值較其他農業區高。各區域應根據當地資源優勢和農業特色，因地制宜發展高產高效農作物。通過建立和發展特色農業基地，開發優勢農產品，積極推進特色農業產業化和規模經營發展。同時，積極推進農業與二三產業融合發展，不斷延伸農業產業鏈和價值鏈，促進高技術產業發展。利用互聯網平臺，帶動特色農業產業的發展。

3）從空間分異特征來看，整體上呈現出東部高西部低的特征。從全局自相關看，在全局范圍內呈顯著的空間正相關性，且存在集聚分布態勢和空間依賴性，各城市無機肥氮素經濟產出效率水平逐步向均衡化發展態勢靠近，高值集聚現象不斷增強。從局部自相關看，2000—2019年典型年份300左右以上城市的耕地氮素經濟產出效率不顯著。東部地區和中部地區大部分城市的生產率聚集類型不顯著。亟需推進種植業結構優化升級和綠色高質量轉型，推廣耕地利用可再生的綠色清潔能源，加強區域間協同發展，建立跨區域無機肥減量與環境保護合作機制。

參考文獻：

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[6]? 田沛佩，盧宏瑋，李丹，等.2008～2017年中國地級市化肥施用碳足跡的時空演變格局[J].中國環境科學，2021，41（2）：967-973.

收稿日期：2022-04-03

作者簡介：韓莉（1998—），女，河南信陽人，在讀碩士，主要研究方向為資源經濟與管理。E-mail： 1076458661@qq.com。