朱 寧,曹 博,秦 富 (中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所,北京 100081)

自20世紀80年代以來,中國糧食生產(chǎn)的化肥投入量持續(xù)增加,已超過糧食產(chǎn)量的增長速度.單位面積施肥水平已經(jīng)超過了世界平均水平的2倍多,約35%的化肥有效利用率也低于發(fā)達國家65%的水平[1],造成了資源的浪費.長期過量及元素不平衡施用化肥后,破壞了土壤結(jié)構(gòu)[2-3],造成地力下降、土壤酸化及糧食生產(chǎn)水平降低等問題[4],而生產(chǎn)者為保持糧食高產(chǎn)不斷增加施肥量,導致化肥過量施用問題愈發(fā)嚴重[5-7],尤其是碳排放問題[1].據(jù)測算,糧食作物化肥碳排放量約占農(nóng)作物生產(chǎn)碳排放總量的60%,其中,小麥生產(chǎn)要占85%以上,而且小麥的化肥及碳排放的削減潛力要大于水稻和玉米[8-9].因此,以小麥為例具有代表性,開展糧食種植過程中化肥削減潛力的分析,并以此分析碳減排背景下糧食生產(chǎn)效率,對提升化肥施用效率、實現(xiàn)碳減排以及糧食可持續(xù)生產(chǎn)均具有重要意義.

就已有研究來看,學者們利用DEA(dataenvelopment analysis)方法或隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)從耕地細碎化、農(nóng)村勞動力資源變遷、城鎮(zhèn)化、貧困等多個角度研究了糧食生產(chǎn)效率[10-13],但缺乏從環(huán)境角度探究糧食生產(chǎn)的環(huán)境效率和環(huán)境全要素生產(chǎn)率.若從環(huán)境角度探究糧食生產(chǎn)效率,就有必要考量糧食生產(chǎn)過程中化肥過量施用問題.中國糧食生產(chǎn)的化肥利用效率較低,影響了糧食生產(chǎn)效率的提升[14-16],還增加了碳排放[17-20].有學者研究發(fā)現(xiàn)在保障當前糧食產(chǎn)量水平下,采用測土配方施肥,小麥、玉米、水稻主產(chǎn)區(qū)的化肥投入可削減814萬t/a,并可實現(xiàn)碳減排1046萬t/a[9].可見,中國糧食生產(chǎn)過程中的化肥削減以及碳減排潛力非常大,但削減化肥用量以及減少碳排放后,是否會影響糧食作物的環(huán)境效率及環(huán)境全要素生產(chǎn)率,未見深入開展相關(guān)研究.

本文以小麥為例,采用考慮非期望產(chǎn)出(碳排放)的SBM模型(Slack-based Measure)和ML(Malmquist-Luenberger)指數(shù),利用小麥生產(chǎn)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù),結(jié)合歷年小麥生產(chǎn)測土配方施肥標準,測算小麥生產(chǎn)的化肥削減和碳減排潛力,從而對小麥生產(chǎn)的環(huán)境效率及環(huán)境全要素生產(chǎn)率進行分析,為提出提升化肥利用率、減少碳排放以及提高小麥生產(chǎn)水平的對策建議提供依據(jù).

1 研究方法

生產(chǎn)效率測算過程中引入環(huán)境因素,則生產(chǎn)效率包括環(huán)境效率和環(huán)境全要素生產(chǎn)率,其中,環(huán)境效率是決策單元通過最少的資源和能源消耗以及最小的環(huán)境影響,生產(chǎn)出最多的產(chǎn)品;環(huán)境全要素生產(chǎn)率的實質(zhì)是計算環(huán)境效率的跨期動態(tài)增長變化.本文選用SBM模型和ML指數(shù)的組合方法測算基于化肥削減潛力及碳減排的小麥生產(chǎn)效率,SBM模型用于測算小麥生產(chǎn)的環(huán)境效率,ML指數(shù)是在SBM模型的基礎(chǔ)上測算得到的效率值,用于測算小麥生產(chǎn)的環(huán)境全要素生產(chǎn)率.

1.1 SBM模型

SBM模型是基于投入、產(chǎn)出松弛變量的環(huán)境效率評價模型[21-22].SBM模型應(yīng)用于本研究的優(yōu)點:一是SBM模型可以測算產(chǎn)出最大化條件下碳排放作為非期望產(chǎn)出的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率;二是SBM模型克服了小麥生產(chǎn)投入產(chǎn)出實際數(shù)據(jù)與最優(yōu)數(shù)據(jù)偏差所造成的結(jié)果不理想的問題;三是非徑向、非角度的SBM模型能夠避免小麥投入產(chǎn)出指標由于計量單位的不同,而造成的結(jié)果偏差問題[23].

假設(shè)生產(chǎn)過程中有n個決策單元,每個決策單元均有3個向量,即投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出,這3個向量分別為x∈Rm、yg∈Rs1、yb∈Rs2(R為向量矩陣的替代符號),可定義矩陣X、Yg、Yb如下[24-25]

那么生產(chǎn)可能集p可定義為:

引入非期望產(chǎn)出的SBM模型的分式為

1.2 ML指數(shù)

ML指數(shù)可以分析每個DMU(決策單元)向生產(chǎn)邊界移動的情況和與生產(chǎn)邊界的相對位置,可分解為MLTECH指數(shù)(技術(shù)進步指數(shù))和MLEFFCH指數(shù)(效率改進指數(shù)),前者反映生產(chǎn)可能性邊界向外擴張的動態(tài)變化,后者反映技術(shù)落后者追趕先進者的速度[26-28].基于SBM模型,可定義t期到t+1期的ML指數(shù),t為時期

利用公式(6)可以把ML指數(shù)分解為技術(shù)進步指數(shù)(MLTEC)和效率改進指數(shù)(MLEFFC)

2 小麥生產(chǎn)過程中的化肥削減潛力及碳排放

小麥生產(chǎn)過程中的化肥削減潛力將利用國家公布的科學施肥量以及化肥實際施用量進行測算,并依據(jù)化肥(含氮肥、磷肥及鉀肥)施用量和化肥削減量,采用符合中國糧食生產(chǎn)情況的氮磷鉀的溫室氣體排放系數(shù),測算小麥種植的碳排放量及碳減排量.

2.1 數(shù)據(jù)來源及指標說明

數(shù)據(jù)來源于國家發(fā)展和改革委員會價格司編制的2005～2016年《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》中小麥種植的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù),并結(jié)合國家統(tǒng)計局編制的2005～2016年《中國統(tǒng)計年鑒》中各省份小麥年度總產(chǎn)量,獲取了前10位小麥主產(chǎn)省份2004～2015年的數(shù)據(jù)(包括河南省、山東省、安徽省、河北省、江蘇省、四川省、新疆維吾爾自治區(qū)、陜西省、湖北省、甘肅省,以上省份2015年的小麥產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的93.25%).參考以往學者測算糧食生產(chǎn)效率的指標選擇[11-12,14-17,29],選取了每公頃小麥產(chǎn)量作為期望產(chǎn)出指標,投入指標選取了每公頃小麥生產(chǎn)所投入的種子、化肥、用工、機械、灌溉、農(nóng)藥、農(nóng)家肥等生產(chǎn)要素的投入量或金額,具體情況如表1所示.

表1 主產(chǎn)省份2004～2015年小麥生產(chǎn)平均投入產(chǎn)出Table 1 Average input and output in major provinces for wheat production from 2004 to 2015

2.2 化肥削減潛力

對于化肥削減潛力的測算,將利用歷年農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司、全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心、農(nóng)業(yè)部測土配方施肥技術(shù)專家組共同發(fā)布的“小麥科學施肥指導意見”(簡稱為“意見”),該“意見”是結(jié)合小麥施肥特點以及各地區(qū)小麥種植土壤情況,運用研究成果、試驗數(shù)據(jù),綜合制定的指導各地小麥生產(chǎn)的合理施肥量和科學施肥方法.利用“意見”中對各地小麥生產(chǎn)的科學施肥量(氮肥、磷肥、鉀肥的科學施肥量),并結(jié)合小麥生產(chǎn)實際的化肥投入量,測算出了各省小麥生產(chǎn)的化肥削減潛力.如表2所示,小麥化肥削減潛力較大,削減量占到實際施用量的51.66%.就不同的養(yǎng)分元素來看,鉀肥削減潛力最大,超過75%,其次是磷肥和氮肥,依此,建議小麥生產(chǎn)者參考科學施肥的指導意見,切實實現(xiàn)測土配方施肥,尤其注意減少鉀肥和磷肥的施用;就不同區(qū)域來看,北方地區(qū)的小麥種植化肥削減潛力均超過50%,而南方地區(qū)的小麥種植化肥削減潛力均未超過50%,這與各地區(qū)的種植習慣、土壤、氣候等因素有關(guān).依此,建議各地因地制宜,踐行小麥科學施肥指導意見、引導小麥種植戶科學合理施肥.

表2 主產(chǎn)省份2004～2015年小麥生產(chǎn)化肥平均施用量及削減潛力Table 2 Average application amount of chemical fertilizer and its reduction potential in major provinces for wheat production from 2004 to 2015

2.3 化肥碳排放

借鑒陳舜等[30]研究得出的符合中國情況的氮肥、磷肥、鉀肥的溫室氣體排放系數(shù)(排放系數(shù)為每單位重量的化肥可排放的溫室氣體的重量),分別為2.116、0.636 和0.180(以碳當量計),測算了氮肥、磷肥、鉀肥的碳排放量,限于SBM模型和ML指數(shù)僅能引入1個非期望產(chǎn)出變量,將對氮肥、磷肥、鉀肥的碳排放量進行加總處理.

如表3所示,就實際化肥施用所導致的碳排放來看,小麥主產(chǎn)省份的化肥碳排放量平均達到了573.84kg/hm2,其中,河北省的碳排放量最大.就科學施肥碳排放量來看,小麥主產(chǎn)省份的化肥碳排放量平均達到了359.18kg/hm2,其中,江蘇省的碳排放量最大.以上2種情況比較來看,若參考小麥科學施肥的指導意見,則主產(chǎn)省份小麥種植的化肥碳減排量平均約為214.66kg/hm2,碳減排的比例約為37.41%.總的來看,小麥種植主產(chǎn)省份的化肥碳減排的潛力較大,應(yīng)該提倡和引導科學施肥,提高生產(chǎn)者對小麥生產(chǎn)碳排放造成環(huán)境問題的重視程度以及科學施肥的意識,以減少碳排放以及緩解化肥過量施用導致的環(huán)境污染問題.

表3 主產(chǎn)省份2004～2015年小麥生產(chǎn)化肥碳排放Table 3 Chemical fertilizer carbon emission in major provinces for wheat production from 2004 to 2015

3 小麥生產(chǎn)的環(huán)境效率與環(huán)境全要素生產(chǎn)率

利用MaxDEA 6.7軟件測算了主產(chǎn)省份小麥生產(chǎn)的環(huán)境效率和環(huán)境全要素生產(chǎn)率.

3.1 環(huán)境效率

小麥環(huán)境效率主要從全碳排放(即未削減化肥施用量測算的碳排放量)測算得出的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率以及利用碳減排(即削減化肥施用量后測算的碳排放量)測算得出的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率進行對比分析.

3.1.1 總體角度 利用全碳排放測算得出的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率以及利用碳減排測算得出的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率相差不大,2004～2015年間平均的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率均0.970,而且從年度間的差異來看,雖然變化趨勢均是先下降后上升的變動趨勢,但碳減排測算得到的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率變動趨勢更加平緩(圖1).之所以出現(xiàn)了年度間的趨勢變化,不僅與土壤、氣候等自然因素有關(guān),還與農(nóng)村勞動力流轉(zhuǎn)、土地流轉(zhuǎn)以及城鎮(zhèn)化等社會因素有關(guān)[12,19,32].以上結(jié)果表明,雖然化肥施用量削減了,但未降低小麥生產(chǎn)效率及水平,依此,應(yīng)該積極倡導小麥種植主體合理、科學施肥,以減少化肥施用量、碳排放量.

圖1 主產(chǎn)省份2004～2015年小麥環(huán)境效率趨勢Fig.1 Trend of environmental efficiency in major provinces for wheat production from 2004 to 2015

3.1.2 地區(qū)角度 主產(chǎn)省份小麥生產(chǎn)碳減排與否并未影響到環(huán)境效率,其中河南等5個省份的小麥生產(chǎn)由于化肥的削減以及碳減排使得環(huán)境效率有所提升(表4).此外,小麥生產(chǎn)排名第1、第6及第10位的省份的環(huán)境效率相對較低,但均超過了0.800,說明這幾個省份的小麥生產(chǎn)水平還有潛力可被挖掘.以上結(jié)果表明引入非期望產(chǎn)出的小麥環(huán)境效率保持了高水平,但還有潛力可被挖掘.更為重要的是,通過化肥削減,達到了資源的節(jié)約、碳排放的減少,依此,應(yīng)該在小麥生產(chǎn)過程中削減化肥施用量,以實現(xiàn)化肥使用量“零增長”目標以及踐行“藏糧于地”發(fā)展理念.

表4 主產(chǎn)省份2004～2015年小麥平均生產(chǎn)環(huán)境效率Table 4 Average environmental efficiency in major provinces for wheat production from 2004 to 2015

從南北方地區(qū)的角度來看,北方地區(qū)的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率要低于南方地區(qū),主要是因為甘肅、陜西等西北地區(qū)的小麥生產(chǎn)水平較低有關(guān).從東中西部的角度來看,西部地區(qū)的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率最低,其次是中部地區(qū)和東部地區(qū).從小麥主產(chǎn)區(qū)的角度來看,與東中西部小麥生產(chǎn)環(huán)境效率的分布情況一致,西北麥區(qū)的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率最低,其次是長江中下游麥區(qū)以及黃淮海麥區(qū).需要說明的是,作為主產(chǎn)區(qū)的東部地區(qū)和黃淮海麥區(qū)的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率在化肥削減以后略有降低,這可能與東部地區(qū)和黃淮海麥區(qū)的小麥種植過程中化肥的施用過量程度更高有關(guān),鑒于此,應(yīng)該提高東部地區(qū)以及黃淮海麥區(qū)小麥種植過程中的化肥減量施用問題,結(jié)合綠色發(fā)展理念,改良肥料施用結(jié)構(gòu).

3.2 環(huán)境全要素生產(chǎn)率

小麥環(huán)境全要素生產(chǎn)率將從MLEFFCH指數(shù)、MLTECH指數(shù)以及ML指數(shù)等3個環(huán)境全要素生產(chǎn)率指數(shù)進行具體分析.

3.2.1 總體角度 中國小麥主產(chǎn)省份的MLEFFCH指數(shù)一直處于較高水平(表5),即小麥的實際生產(chǎn)水平與生產(chǎn)可能最高水平之間的差距較小,而且化肥削減、碳減排前后的小麥MLEFFCH指數(shù)相差不大,尤其是化肥削減、碳減排后的MLEFFCH指數(shù)均值超過了1,說明生產(chǎn)要素合理投入后,小麥生產(chǎn)效率有所改善.

表5 主產(chǎn)省份2004～2015年小麥生產(chǎn)MLEFFCH、MLTECH、ML指數(shù)統(tǒng)計表Table 5 Index of MLEFFCH, MLTECH and ML in major provinces for wheat production from 2004 to 2015

中國小麥主產(chǎn)省份的MLTECH指數(shù)的變動趨勢在2004～2011年間相對比較平穩(wěn)、2011～2015年間增長較快(表5),說明中國小麥生產(chǎn)技術(shù)的進步態(tài)勢比較明顯,而且化肥削減、碳減排前后的小麥生產(chǎn)MLTECH指數(shù)差異較小,2004～2015年年均超過了1,表明中國小麥生產(chǎn)可能性邊界向外擴張的概率較大.總體來看,化肥削減后的小麥生產(chǎn)水平并未降低,應(yīng)該推行糧食生產(chǎn)過程中化肥削減的科學行為.

中國小麥主產(chǎn)省份的ML指數(shù)的變動幅度較小(表5),其中,化肥削減、碳減排的小麥生產(chǎn)的ML指數(shù)相對更加平緩,且年間均值為1.008,大于化肥未削減、全碳排放的小麥生產(chǎn)ML指數(shù)1.003.總得來看,主產(chǎn)省份小麥的環(huán)境全要素生產(chǎn)率在2004～2015年間是增長的,而且化肥削減以后,主產(chǎn)省份小麥的ML指數(shù)仍然保持高水平.以上結(jié)果表明小麥種植過程中的化肥削減在技術(shù)上是可行的,建議提倡化肥的削減以及結(jié)合測土配方進行科學施肥.

表6 主產(chǎn)省份2004～2015年小麥生產(chǎn)環(huán)境全要素生產(chǎn)率分地區(qū)統(tǒng)計表Table 6 Production rate of environmental total factors by region in major provinces for wheat production from 2004 to 2015

3.2.2 地區(qū)角度 主產(chǎn)省份小麥生產(chǎn)的MLEFFCH指數(shù)、MLTECH指數(shù)以及ML指數(shù)大都超過了1.000(表6),僅有甘肅省、四川省以及河北省的小麥種植ML指數(shù)未能超過1.000.就碳排放的角度來看,化肥削減、碳減排后的小麥環(huán)境全要素生產(chǎn)率相對更好.總得來看,主產(chǎn)省份小麥生產(chǎn)的技術(shù)均比較先進,各主產(chǎn)省份小麥生產(chǎn)效率大都呈現(xiàn)增長態(tài)勢.

對比南北方地區(qū)(表6),北方地區(qū)全碳排放下的小麥環(huán)境全要素生產(chǎn)率要高于南方地區(qū),而南方地區(qū)碳減排下的小麥環(huán)境全要素生產(chǎn)率要高于北方地區(qū),主要是因為北方地區(qū)的化肥施用過量程度相對較高;對比東中西部地區(qū),西部地區(qū)的小麥環(huán)境全要素生產(chǎn)率要比東部地區(qū)和中部地區(qū)的低,尤其是碳減排的條件下,該結(jié)果說明西部地區(qū)的小麥種植水平還需進一步提升;從小麥主產(chǎn)區(qū)的角度來看,黃淮海麥區(qū)的小麥生產(chǎn)的MLEFFCH指數(shù)、MLTECH指數(shù)以及ML指數(shù)均超過1.000,說明該地區(qū)的小麥種植水平較高,代表了中國小麥種植水平.而西北麥區(qū)的MLEFFCH指數(shù)以及ML指數(shù)均未超過了1.000,說明該區(qū)域的小麥種植水平提升的潛力還有待進一步挖掘.總的來看,中國小麥的種植技術(shù)具有先進性,但進一步擴張小麥種植的可能性邊界仍需在生產(chǎn)效率提升方面做努力.

4 結(jié)論

4.1 科學施肥前提下,主產(chǎn)省份小麥生產(chǎn)過程中的化肥削減潛力較大,削減量占到實際施用量的51.66%,其中,鉀肥削減潛力最大,超過75%.小麥主產(chǎn)省份的化肥碳排放量平均達到了573.84kg/hm2,科學施肥后,主產(chǎn)省份小麥種植的化肥碳減排量平均約為214.66kg/hm2,碳減排的潛力較大.

4.2 碳減排以后,小麥生產(chǎn)環(huán)境效率均未減少,2004～2015年間平均的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率為0.970,雖然化肥減少了,但小麥的生產(chǎn)水平并沒有降低.河南、四川、湖北、陜西、甘肅5個省份的小麥生產(chǎn)由于化肥的削減以及碳減排使得環(huán)境效率有所提升,北方地區(qū)的小麥生產(chǎn)環(huán)境效率要低于南方地區(qū).

4.3 化肥削減、碳減排前后的小麥生產(chǎn)MLEFFCH指數(shù)、MLTECH指數(shù)差異較小, 以上兩個指數(shù)在化肥削減、碳減排條件下的結(jié)果超過了1,改善了小麥生產(chǎn)效率,增大了中國小麥生產(chǎn)可能性邊界向外擴張的概率.化肥削減、碳減排的小麥生產(chǎn)的ML指數(shù)相對更加平緩,且年間均值為1.008,大于化肥未削減、全碳排放的小麥生產(chǎn)ML指數(shù),能夠支撐實際生產(chǎn)向最大產(chǎn)出迫近,以達到生產(chǎn)的帕累托最優(yōu)狀態(tài).

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