我国化肥施用量持续增长的成因分析

我国化肥施用量持续增长的成因分析

化肥的大规模使用在过去30年中国农业生产的快速发展中发挥着重要作用。我国化肥施用总量从1980年的1296.4×104t增长到2010年的5561.7×104t,年均增长率为5%,每公顷耕地面积的化肥施用量接近世界平均化肥施用量的4倍。Fan和Pardy的研究表明1965—1993年间我国农业生产的增长有21.7%来源于化肥使用增加的贡献,Wang等的研究表明1986—1990年我国40%的农业生产增加来源于化肥使用增加。我国化肥大量使用在提高农业生产的同时,也对环境产生了严重的负面影响,并威胁到我国农业的可持续发展。大量研究表明我国化肥施用量已经超过了经济意义上的最优施用量,并给农民带来了经济效益的损失。同时化肥的过量使用还造成了严重的环境污染问题,大量的研究证实过量使用化肥已成为农业点源污染的主要来源。虽然我国单位播种面积的化肥平均施用量已经远远超过全球平均水平和最优的施用量,但依然呈现明显的上升趋势。到底是什么原因促使农民持续增加化肥的施用量,目前还有很多争论。一些学者认为:种植结构调整造成了化肥使用量的大幅度增长,由于市场经济导向作用,越来越多的土地被用于种植经济效益较高的水果、蔬菜等作物,而这些作物对于化肥需求量更高,从而导致了全国化肥单位面积平均施用量的增长。另一些学者则认为:受一些因素的影响,农户在种植相同作物时化肥使用量还在持续增长。一些研究认为农村劳动力的非农就业对于化肥使用量具有促进的作用,即农民通过增加化肥使用量来替代劳动力投入。Huang等则认为由于技术培训等的不足,农民并不知道自己施用的化肥已经过量。然而目前的这些争论还缺乏非常有力的实证依据支持,甚至对“到底我国化肥施用量的增加是由于种植结构变化还是由于相同作物的施肥强度增加所导致”这样的基本问题还没有回答清楚。如果这个基本的问题没有得到回答,也就难以对未来我国化肥施用量和化肥需求量的增长趋势进行科学的判断,进而影响国家相关农业生产和环境政策的制定。本文的主要目的是在对我国化肥使用量持续增长原因进行分解的基础上,通过定量化的模型分析,探讨未来我国化肥使用的发展趋势及其可能导致的环境污染压力,为控制我国化肥过度使用所导致的环境污染问题提出相关政策建议。1中国化肥使用量的历史趋势与现状的分析1.1化肥单位面积施用量增长缓慢图1为1991—2010年我国化肥使用量情况。随着农业生产的快速发展,我国化肥使用量从2805×104t增长到5561.7×104t,年均增长率达到3.7%;单位播种面积化肥使用量由187.5kg/hm2增长到346.1kg/hm2,年均增长率为3.3%。2005年,我国开始实行测土配方施肥,2006—2010年,化肥总使用量的年均增长率为3.1%,化肥单位播种面积使用量的年均增长率也下降到1.7%。总体来看,过去20a间,我国化肥单位面积施用量的年均增长速度接近化肥总使用量的增长速度,说明我国化肥使用量的增长主要来源于单位面积化肥使用量的增加。但随着近年来化肥使用方法的改进,单位面积使用量的增加对化肥总使用量增加的贡献不断下降。1.2化肥的施用量由于各地土壤情况、播种面积、种植结构、作物品种、施肥方法等自然条件和农业生产方式差别较大,各地化肥施用量的情况也有较明显差别。从总量来看,河南省2010年化肥施用量达到了655.2×104t;其次为山东省,达到了475.3×104t;河北、江苏、安徽、湖北等农业大省的化肥施用量都达到了300×104t以上。从化肥单位面积施用量来看,2010年我国平均单位播种面积的化肥施用量为346.1kg/hm2,其中,北京、天津、江苏、山东、河南、湖北、广东等省(市)的单位播种面积化肥施用量都居于较高水平。1.3化肥施用量的消费特征根据《全国农产品成本收益资料汇编》,本文收集了14种主要农作物在过去20a的单位面积化肥使用情况数据,并将所有作物进一步划分为粮食作物(稻谷、小麦、玉米、大豆)、经济作物(油料、棉花、麻类、薯类、甘蔗、甜菜、烤烟)和园艺作物(蔬菜、茶、水果)三大类。由于统计口径的不一致,通过《全国农产品成本收益资料汇编》中的单位面积化肥使用量和《中国统计年鉴》中的播种面积数据计算得到的化肥使用总量数据比《中国统计年鉴》中化肥总量数据高5%~30%。为保持数据一致性,本文将不同年份的单位面积化肥施用量进行同比调减处理。另外,其他农林作物如饲草、林木等也需要化肥投入,但其消耗量较小且缺乏相关投入数据,所以在本文中忽略了这些作物的化肥投入量。表1显示了过去20a我国三类作物的播种面积、种植结构(不同作物播种面积占总播种面积的比重)以及单位播种面积化肥使用量的变化情况:过去20a间我国播种面积增长了1108.9×104hm2,提高了7.4%。在市场机制的作用下,农业种植结构发生了较大的变化:经济效益较高的园艺类作物在种植结构中所占比例提高,播种面积上升了1843.64×104hm2,占总播种面积的比重提高了10.8个百分点;粮食类作物和传统经济类作物播种面积分别下降了425.3×104和309.5×104hm2,占总播种面积的比重分别下降了7.3和3.5个百分点。1991—2010年间三类作物的化肥单位面积使用量都有明显的增长,其中经济作物和园艺类作物单位播种面积化肥使用量分别提高了114.3%和114.1%;粮食作物增长幅度较小,提高了40%。播种面积、种植结构以及单位播种面积化肥施用量的变化都会导致化肥施用总量变化,但各自的贡献不同,在不同时期的特征也存在差异。本文将通过分解方法对各因素的贡献量和贡献率进行估计,并通过分解结果对未来化肥施用量进行预测。2指标分解和预测方法2.1化肥使用量持续型本文在指标分解中定义的“化肥使用强度”是排除了种植结构因素后的单位播种面积化肥使用量,即对不同作物而言的单位播种面积化肥使用量。为表示区别,“单位播种面积化肥施用量”单纯表示化肥使用总量除以播种面积,因而是不同作物“化肥使用强度”的加权平均值。“总化肥使用量”为各种作物化肥使用强度与播种面积的乘积:其中:Q为总化肥使用量;I表示化肥使用强度;Ai为第i种作物的播种面积;i表示第i种作物品种;j表示第j年。为了考察种植结构对于化肥使用量的影响,将式(1)变为:其中:Pi表示第i种作物种植面积占总播种面积的比重,将P作为种植结构的指标来考察其对化肥总使用量的影响;a表示总播种面积。第i种作物的化肥使用量从第0期到第1期的变化量可以表示为:其中:ΔQi,1为化肥使用量发生的变化,ΔIi,1为施肥强度发生的变化,ΔPi,1为种植结构发生的变化,Δa1为播种总面积发生的变化。由于:因此:通过对式(4)等号右边的第1、3、5、7项合并,可以得到下式:等式右边第一部分为由化肥使用强度单独变化导致的化肥使用变化量(G),第二部分为由种植结构单独变化导致的化肥使用变化量(L),第三部分为总的播种面积变化导致的化肥使用变化量(H),第四部分为化肥使用强度和种植结构共同变化导致的化肥使用变化量(V)(以下简称边际贡献)。则总化肥使用变化量为各种作物化肥使用变化量加总:本文定义这4个因素导致的化肥使用量的变化占总的化肥使用量变化的比例为其对化肥使用增量的贡献率。本文将重点观察前三个部分化肥使用量的变化值,边际贡献由于其影响相对较小,本文不予分析。2.2农业模型的构建中国农业可持续发展决策支持系统(CHINAGRO)是一个以农业为主的多区域空间均衡模型。该模型共包括水稻、小麦、玉米、大豆、花生、油菜、棉花、蔬菜、水果、牛肉、猪肉、奶、禽蛋等17种主要农产品。模型将全国分为东北、华北、华东、华中、华南、西南、西北、青藏等8个区域,每个区域内消费者又分为城市和农村消费者,该模型可以较好地模拟各区域在自然资源条件、人口和经济因素等社会条件约束下的农业投入、产出和消费情况。模型中农产品的生产和消费在县级区域上达到均衡,模型充分考虑自然资源条件约束、生产和消费的相互影响、种植业和畜牧业的相互影响,以及农业部门内部不同产品之间的相互影响。模型中的农业生产是根据产品需求、国际贸易、农产品价格以及农业生产的土地等资源要素的变化情况内生决定,化肥施用量由模型内生求解的各种产品的产量以及化肥的边际产出决定。研究中假设化肥的边际产量递减。3数据筛选与评估结果3.1化肥不同使用强度对农户贡献率的影响图2是三种因素对化肥增长的贡献量分解结果。从1991年到2010年化肥使用强度的增长是我国化肥施用总量增长的主因。20a间我国化肥使用量增长了2756.6×104t。其中,化肥使用强度变化贡献了2124.7×104t,贡献率为77.1%;种植结构调整贡献了247.1×104t,贡献率为9.0%;播种面积变化贡献了341.2×104t,贡献率为12.4%。化肥施用量的增长在不同时期表现出不同特征,尤其是近年来化肥使用强度的贡献有下降的趋势,而播种面积调整的贡献则不断提高(表2)。从1991年到1998年间,我国开始进入经济结构转型时期,农户注重化肥等生产资料的投入来提高产量。这一时期化肥施用量增长幅度较大,主要贡献因素为化肥使用强度,年贡献率均在50%以上。种植结构、播种面积等因素对化肥使用量贡献相对较小。但随着市场经济的不断完善,1999—2002年间,一方面农户考虑经济成本,使得该时期化肥使用的增长量不断下降,化肥使用强度的贡献率也在下降;另一方面传统种植结构不再适应市场经济环境,农户通过不断调整种植结构来提高经济效益,种植结构的贡献有所提高。2003—2006年间我国又进入了化肥施用量较快增长的时期,一方面农业种植结构经过几年大规模调整之后渐趋于稳定,对化肥增长的贡献量有明显的下降趋势,2004年后其贡献率趋近于0。同时,农户为了适应新的种植结构不断调整施肥强度,化肥使用强度的贡献不断提高。2007年之后,随着种植结构的稳定,种植结构的贡献除在2007年之外不再显著。农户在生产过程中注重施肥方法的科学化和经济化,政府开始重视化肥点源污染问题,“测土配方施肥”等政策效果开始逐渐显现,使得这一时期化肥使用强度的贡献渐趋稳定。此时播种面积调整的贡献不断上升,起到了主要作用。2007—2010年间,化肥使用强度贡献量为294.28×104t,贡献率为46.4%,较上一时期下降了60.3个百分点;播种面积贡献量为289.05×104t,贡献率为45.6%,较上一时期提高了59个百分点。预计未来随着我国种植结构的稳定和科学施肥方法的推广,种植结构和化肥使用强度的贡献将逐步下降并渐趋稳定,播种面积调整和化肥使用强度的作用将是未来我国化肥使用量变化的主要影响因素。3.22化肥使用强度将有较大变化本文通过CHINAGRO模型预测2020年我国各省(市、自治区)的化肥使用量。从表3可以看出,2010—2020年我国化肥施用量得到较好的控制。预计到2020年我国化肥总施用量比2010年仅提高2%;单位播种面积化肥施用量则提高4.3%。不同于过去20a间的情况,在全国以及大部分省(市、自治区)单位播种面积化肥施用量增幅都大于总施用量增幅。预计2010—2020年间,在种植结构渐趋稳定的前提下,化肥使用强度将有较小幅度的提高。而播种面积的调整则对化肥使用量的提高起到抑制作用:未来我国城市化进程加快,耕地面积进一步减少降低了化肥施用量的提高幅度。这种趋势在城市化程度较高的东部地区更为明显。但这也将对耕地的集约化使用以及土地对化肥污染承载能力提出更高的挑战。因此未来仍需要加大政策力度来降低化肥使用强度、提高化肥利用率。分地区来看,上海、北京、天津、贵州、辽宁、河北、四川化肥总施用量有不同程度的下降,其他省份化肥总施用量有所提高。其中,西藏、青海、宁夏、福建、浙江、江西、湖南等省提高幅度较大。就单位播种面积化肥施用量而言,除贵州外,其他省份均有不同程度提高,其中西藏、北京、上海、广东、福建、浙江、青海、宁夏均提高了10%以上。几乎东部地区所有省(市、自治区)的单位面积化肥施用量都超过了国际公认的225kg/hm2的上限标准,广东、福建、天津、北京等省(市)的单位播种面积化肥施用量接近或超过600kg/hm2。未来我国仍需要严格控制其化肥使用强度水平,尤其是东部地区。如果不采取有效的政策措施,化肥过量使用将对当地生态环境造成较大压力。4化肥的用量和用量化肥大量使用在提高我国农业生产的同时也对环境产生了严重的负面影响。目前国内外学术界对我国化肥施用量持续增长的原因以及未来我国化肥使用的发展趋势还存在较大争议。本文利用过去20a间我国化肥施用量的相关数据,对化肥施用量持续增长的成因进行了分解,并利用“中国农业可持续发展决策支持系统”(CHINAGRO)对我国化肥施用量的增长趋势进行了预测分析。本文研究结果表明:(1)从过去20a我国化肥使用的总体情况来看,化肥使用总量的增长主要来源于化肥使用强度的增加,但近几年其贡献率呈显著下降趋势。20a间我国化肥使用量增长了2756.60×104t。其中,化肥使用强度变化贡献了2124.74×104t,贡献率为77.1%;种植结构调整贡献了247.13×104t,贡献率为9.0%;播种面积变化贡献了341.23×104t,贡献率为12.4%。2007—2010年间,化肥使用强度贡献量为294.28×104t,贡献率为46.4%;种植结构调整贡献量为53.51×104t,贡献率为8.4%;播种面积贡献量为289.05×104t,贡献率为45.6%。(2)根据本文预测结果,如果不采取措施,我国未来化肥的使用总量和单位播种面积化肥施用量将依然呈现增长趋势,但增长的速度有所下降。预计到2020年我国化肥总使用量比2010年仅提高2%,达到5672.1×104t;单位播种面积化肥使用量提高4.3%,达到361.0kg/hm2。(3)从区域上来看,我国未来单位播种面积化肥施用量较高的区域主要是广东、福建、天津、北京等省(市