氣候變化對我國蘋果主產區化肥利用效率的影響*

白秀廣，張波

（西北農林科技大學經濟管理學院，陜西楊凌 712100）

化肥作為農業生產的重要投入要素之一，對世界糧食增產的貢獻率為40%～65%[1]，1978—2006年間對我國糧食增產的貢獻率達到了56.81%[2]。自20 世紀80 年代以來，我國農業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，更是國際公認化肥施用安全上限的2倍[3]。不斷增長的化肥施用也帶來了土壤營養失衡、酸化及農業面源污染等問題，威脅到我國農業的可持續發展[4-6]。我國提出的實現化肥零增長及負增長計劃的核心是提高化肥利用效率，已有研究指出我國化肥利用效率僅為30%左右，遠低于國外的60%左右[3]。因此，找出低效率的原因，在維持作物產量的同時提高化肥利用效率、減少化肥使用量是亟待解決的問題。

另外，氣候變化導致的干旱和洪澇等災害的極端天氣發生頻率近年有所增加，在影響農業產出的同時也會對化肥等生產要素投入數量和效果產生影響[7-8]。一方面，氣溫升高和降水增加會導致土壤礦物質的揮發或流失[7]，進而需要更多的化肥投入以滿足農作物生長所需的土壤肥力。另一方面，氣候變化不僅影響到作物生長、發育和產量，同時氣溫變化也會影響土壤生物物理和化學變化過程，進而對化肥的肥效產生影響[9]。最后，農戶為應對氣候變化以減少損失，會增加化肥的施用量[6]，可能導致化肥利用效率降低。因此，研究氣候變化對農業化肥利用效率的影響并采取相應的措施，對提高化肥利用效率、減少農業面源污染、實現化肥負增長及可持續發展的目標具有重要的意義。

目前，國內外學者主要從農戶特征、家庭特征、社會經濟特征等方面分析其對化肥利用效率的影響，指出受教育程度[3,10-11]、農戶收入[10,12]、勞動力結構[13]、種植規模[11,14-16]等農戶和家庭特征，以及灌溉率[16-18]、化肥價格[3,15,18]、農業價格補貼[14,16]等社會經濟特征均會影響化肥利用效率。而有關氣候變化對化肥利用效率的影響研究還很少，且集中在自然科學領域，Smith 等指出氣溫升高會加快化肥的分解與揮發，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磷肥利用效率有微弱的促進作用，但降水的增多將使磷肥的流失增大，從而對磷肥利用效率有負向影響[21]。王修蘭等發現氣候變暖對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培養試驗，研究了不同溫度、水分條件對化肥利用效率的影響[22]。社會科學領域，針對氣候變化對化肥的影響，Tang等[6]指出，農戶為應對氣候變化，會加大化肥施用強度；Bai等[23]分析了氣候因素對蘋果化肥利用效率的影響，指出降水和日照時數的增加不利于化肥利用效率的提高，而氣候變化對化肥利用效率的影響分析目前還未涉及。

本文以我國環渤海灣和黃土高原兩大蘋果主產區為例，在測算與分析蘋果生產化肥利用效率的基礎上，實證分析氣候變化對蘋果生產化肥利用效率的影響，為更好地應對氣候變化及實現化肥減施增效提供理論依據和政策參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 基于DEA 的化肥利用效率測算模型

DEA 相比SFA 模型具有不依賴于具體函數形式的優勢，故本文選取DEA 模型來測算化肥利用效率。根據化肥利用效率的定義[23]，即在保持產出和其他投入不變時，最小化肥投入量與實際投入量之比，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為參數向量。本文采用克服了“技術倒退”和“不可比性”問題的全局DEA 模型來測算化肥利用效率[18]。

借鑒已有文獻[3,16,18]及結合蘋果的生產特征，本文將蘋果平均每667 m2產量作為產出，選取蘋果平均每667 m2化肥投入量、農藥費用、物質與服務費用和用工量作為投入變量來測算蘋果生產的化肥利用效率。

1.2.2 氣候變化對化肥利用效率的影響模型

氣候變化對化肥利用效率的影響模型如（2）式所示。

表示第i 個地區在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為個體效應，擾動項εit～N（0，σ2ε）。由于化肥利用效率處于［0,1］，具有明顯的截斷性特征，故本文采用Tobit 隨機效應面板模型進行分析。

參考相關文獻[18,23]，Xit選取技術進步和配方施肥，區域變量及化肥價格、農家肥占比和產業結構，及農村人均純收入、受教育程度和種植規模等作為控制變量。

1.2 數據來源與說明

本文蘋果生產的投入產出數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編》（1993—2017），個別缺失值用插值法處理。農藥、物質與服務費分別采用農業生產資料價格指數和農村居民消費價格指數進行平滑。影響因素中相關控制變量的數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編》（1993—2017），《中國統計年鑒》（1993—2017）和《中國農村統計年鑒》（1993—2017）。

另外，氣象數據來源于國家氣象信息中心中國地面氣候資料月值數據集。將蘋果生長周期分為4個階段，即休眠期、開花期、果實膨大期和果實成熟期，選取各生長階段的月平均氣溫、累計降水總量及累計日照時長總量作為氣候因素指標[24]。借鑒崔靜等的做法[25]，選取各指標與1988—1992 年平均值的差值作為氣候變化指標。

2 結果與分析

2.1 蘋果生產的化肥利用效率分析

運用DEA-SOLVER Pro 5.0 對我國蘋果主產省的化肥利用效率進行測算，結果如圖1 所示。黃土高原區和環渤海灣區兩大主產區1992—2016 年蘋果生產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。從趨勢看，兩大主產區蘋果化肥利用效率在1992—2003 年間呈波動上升的趨勢，而2004 年后呈波動下降的趨勢，且自2004 年后黃土高原區化肥利用效率逐漸超過環渤海灣區，主要原因是環渤海灣區的化肥利用效率持續下滑，而黃土高原區的化肥利用效率在波動中趨于穩定。

圖1 我國蘋果主產省及兩大產區化肥利用效率

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度較大有關，山東省化肥施用強度最高，每667 m289.112 kg，是山西省的2 倍（每667 m243.976 kg）。另外，黃土高原區陜西省和山西省的化肥利用效率呈現出波動遞增的態勢；而河南省和甘肅省則呈現出“先升后降”的整體特征。環渤海灣區3 個省份的化肥利用效率表現出不同的趨勢特征，遼寧省化肥利用效率呈現“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，且近幾年呈現明顯的下降態勢；而河北省呈現“N”形波動，且最近幾年逐漸成為環渤海灣區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，這也是環渤海灣區與黃土高原區化肥利用效率差距越來越大的原因。

2.2 氣候變化對蘋果化肥利用效率的影響分析

利用Stata12.0估計的氣候變化對蘋果化肥利用效率影響的回歸結果如表1 所示。從表1 可知，蘋果不同生長期的日照時數及其變化對化肥利用效率的影響具有差異性。果實膨大期日照時數變化對蘋果生產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促進化肥利用效率的提升，這可能與蘋果膨大期對日照時數較為敏感有關。果實膨大期是光合作用積累最旺盛的時期，較長的日照時數有利于光合積累，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質的積累，且蘋果膨大期對營養需求比較大，進而會加快吸收土壤的營養，提高化肥的利用效率。然而，其他生長期的日照時數及其變化對化肥利用效率的影響則不顯著。另外，降水及其變化對化肥利用效率的影響也不顯著。

蘋果生長期氣溫及其變化對主產區蘋果生產的化肥利用效率具有顯著影響，但不同蘋果生長期的氣溫及其變化對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間來積累有機質有關。休眠期氣溫過高，果樹會提前開花，進而影響果樹的生理狀態，不利于蘋果的生產；另外，休眠期蘋果樹對營養需求較少，但果農每年都會在休眠前施用基肥，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蘋果化肥利用效率的影響為正，且黃土高原區在5%的水平下顯著，但對環渤海灣區的影響不顯著，可能因為黃土高原區海拔較高，其氣溫相對較低，氣溫適當升高有利于促進化肥效力的釋放[9]，進而提升化肥利用效率。對于蘋果膨大期來講，無論是環渤海灣還是黃土高原蘋果主產區，果實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。這主要與果實膨大期氣溫本身就比較高有關，氣溫繼續升高易導致病蟲害的增加，同時加大水分和化肥的蒸發，對蘋果樹生長不利，致使果園生態土壤環境變差，影響果樹對化肥營養的吸收利用。此外，果實膨大期氣溫升高容易產生干旱問題，干旱狀況下土壤中的氮肥釋放速度會加快，使得化肥利用效率下降[9]。蘋果成熟期氣溫對化肥利用效率的影響不顯著，該階段果實已經成熟，氣溫降低使果樹的生長發育變緩，對養分的需求也相應減少，另外該階段施肥量也相對較少，因此，氣溫變動對化肥利用效率的影響也較?。ū?）。

控制變量中，時間趨勢代表的技術進步對中國整體和黃土高原區蘋果化肥利用效率有顯著的正影響，表明蘋果生產越來越重視綠色技術，其二次項系數顯著為負，表明技術進步對化肥利用效率呈倒“U”形的影響，但技術進步對環渤海灣區的影響不顯著。區域變量在10%的水平上顯著，說明黃土高原區化肥利用效率顯著高于環渤海灣區。配方施肥政策變量不顯著，表明配方施肥政策實施前后化肥利用效率沒有顯著的差異，這與Ma等[15]的研究結論相一致，說明配方施肥仍有較大的推廣優化潛力（表1）。

表1 氣候變化對化肥利用效率的估計結果

化肥價格對我國蘋果主產區整體和黃土高原區化肥利用效率的影響顯著為負，而對環渤海灣區的影響不顯著但為正。這表明整體而言，化肥價格上漲不利于蘋果生產化肥利用效率的提高，但地區差異明顯，化肥價格上漲可有效促進環渤海灣區化肥利用效率的提高，但對黃土高原區有顯著的抑制作用，這可能與環渤海灣區化肥施用強度較大有關，化肥價格上漲有利于降低環渤海灣區的化肥施用強度提升其效率，但黃土高原區的化肥價格上漲尚不足以抵消增加化肥投入帶來的收益。農家肥占比對我國蘋果主產區整體及環渤海灣區的蘋果化肥利用效率有顯著的正向作用，這表明加大農家肥施用的投入比例對化肥利用效率有提高的作用。產業結構對環渤海灣區呈顯著的正向影響，但黃土高原區卻相反，這可能由于第一產業的比重越高，其可持續發展越受到重視，越注重綠色生產，更有利于化肥利用效率的提高。另外，種植規模對黃土高原區化肥利用效率有顯著的正向影響，表明黃土高原區擴大蘋果種植規模有利于提高化肥利用效率，而環渤海灣區則相反，不宜盲目擴大規模（表1）。

3 研究結論與政策啟示

3.1 研究結論

本文基于我國兩大蘋果主產區1992—2016 年的蘋果生產及氣候數據，在測算蘋果生產化肥利用效率的基礎上，分析了氣候變化對化肥利用效率的影響，得出以下主要結論。

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

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

（3）技術進步、農家肥占比對蘋果生產化肥利用效率有顯著的正向影響，而化肥價格、產業結構和種植規模的影響具有顯著的區域特征。

3.2 政策啟示

（1）在制定化肥減施增效的政策時應考慮區域特征，黃土高原區應重點考慮推廣新技術突破化肥利用效率提升的瓶頸，如采用水肥一體化等先進技術，而環渤海灣區應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）果農應提高對氣候變化的認知水平，結合蘋果不同生長周期對化肥的需求來大力推廣氣候變化適應性措施，以提高化肥利用效率。如蘋果樹休眠期更適合施用農家肥，而開花期和果實膨大期應混合施用速效肥和緩控釋肥，并加大水肥一體化管理，運用滴灌、噴灌等技術加大水肥交互，提高化肥利用效率。另外，為防止果實膨大期氣溫升高和降水增加對化肥利用效率的不利影響，應加大果園基礎設施建設，修建灌溉及排泄設施，鼓勵果園種草覆蓋等以減少蒸發和流失，提高利用效率。

（3）應加大蘋果生產技術研發力度，引導果農增加農家肥投入比重，并對黃土高原區和環渤海灣區采取不同的化肥價格策略和產業結構調整策略，提高化肥利用效率，減少資源浪費和面源污染。