农药使用强度及作物多样性对农作物病虫害发生面积的门槛效应

聂 弯，杨滨键

（1.中国社会科学院研究生院，北京 102488；2.贵州民族大学商学院，贵州 贵阳 550025）

农作物病虫害是困扰农业生产的一项重大难题，《中国农业年鉴》显示，近年来我国农作物病虫害发生面积逐年增加，由2003年的2.99亿hm2次上升到2015年的3.44亿hm2次，每年以1.431%的增速增长。2006—2015年，全国农作物病虫害发生面积每年均超过3.4亿hm2次。农作物病虫害发生面积不断增加给农业生产造成极大威胁，而施用农药防治病虫害导致的生态环境问题也日益凸显。学术界对这些问题从不同视角开展了针对性的研究，取得了丰硕的成果。在国外研究中，学者从宏观和微观、经济学和分子生物学等视角对病虫害，农药，农作物生长、成熟及产量，人类疾病，物种多样性，气候变化之间的关系进行了全面深入的研究［1-5］。国内也有学者从气象因素、农药因素以及农作物多样性等方面对农作物病虫害的影响因素进行了较全面的研究［6-9］，为后续研究提供了有益借鉴。但已有文献关于农作物病虫害发生面积影响因素的研究集中在气候因素方面，对农药使用强度影响农作物病虫害发生面积的研究主要以定性分析为主，实证研究二者之间定量关系的文献并不多，而有关作物多样性对农作物病虫害发生面积定量分析的文章也偏少。受限于计量经济学的发展，以往学者并未对农药使用强度和农作物多样性的不同节点对农作物病虫害发生面积的影响进行专门研究。鉴于此，本研究基于已有研究成果，采用面板门槛模型研究除西藏自治区外我国大陆30个省（市、自治区）的农药使用强度和农作物多样性与农作物病虫害发生面积之间的非线性关系，并探求农作物病虫害发生面积在不同的门槛农药使用强度和门槛农作物多样性下的变化特征，以期为我国农作物病虫害防治提供依据。

“门槛效应”最初是指根据“环境库兹涅茨假说”，随着经济增长，环境质量先恶化后改善，在此变化过程中存在所谓的“门槛效应”，即经济增长与环境污染之间并不总是线性关系，而是在经济发展初期阶段环境质量随经济增长而下降，当经济增长越过某一特定的“转折点”时，环境质量将随经济增长而得到改善。该模型最初主要用于宏观经济研究，后来经过学者的不断探索，逐渐延伸到微观经济领域。

达尔文曾指出，持续大面积种植单一作物来抵制某一种病虫害，会造成沉重的选择压力。因此，一种降低选择压力的可靠方式就是规划适度的作物多样性以抵制病虫害。另一种观点认为，作物多样性的减少会增加不稳定性，因此招致病虫害的攻击［10］，进而增加病虫害的暴发［11］。这意味着作物多样性水平有可能影响农药使用强度对农作物病虫害发生面积的防治作用。早在1979年，很少甚至不使用农药时，农作物生态系统拥有丰富的植物和动物群落，此时物种的丰富度大于害虫，进而可以有效控制病虫害的发生［12］。可见，农药使用强度有可能影响到作物多样性对农作物病虫害发生面积的抵制作用。

本研究认为，农作物病虫害发生面积受农药使用强度水平、作物多样性水平的影响，并且在农药使用强度水平和作物多样性水平的不同节点上存在差异，从而使得农药使用强度、作物多样性对农作物病虫害发生面积存在非线性影响。

农药使用强度对农作物病虫害发生面积的作物多样性门槛效应主要通过以下渠道产生：（1）一种广泛种植的作物品种具有特定的抗性基因，在病虫害的毒性出现之前，可以通过轮流种植其他不同抗性基因的作物品种，减少对农药使用的依赖，增强农药抵制农作物病虫害的效用。研究发现，利用作物轮种时间上的多样性可以在某个时期大面积种植某种作物［13］。这种方法已经成功地用于抵制黄飞虫［14］。（2）在同一块土地上种植不同的作物品种，由于每个品种的抗性基因和易感性基因存在差异，从而大大减轻了病虫害防治压力，进而减少农药的使用，增强了抵制农作物病虫害的抗性。Barrion等［15］研究发现，大多数农民种植的农田都有一个主要品种，并且由于其他原因而保留了其他不同品种，避免了害虫发生。

农药使用强度影响作物多样性与农作物病虫害发生面积关系的门槛效应主要通过以下渠道产生：（1）农药使用强度的降低将促进病虫害天敌的生存和发展，进而使得作物多样性的抗性得以发挥，从而降低农作物病虫害的发生面积。Schoenly等［16］构建了菲律宾主要害虫的捕食者和寄生蜂的复合网络，并且利用该网络研究了菲律宾5种不同的灌溉水稻生态系统，发现捕食者和寄生蜂包括10个层级、57个食肉家庭和40个寄生家庭，其中33个物种是已知害虫同翅目的天敌，有效预防了病虫害的发生。（2）农作物轮作对农药使用强度的需求小于休耕对农药使用强度的需求，并且农药使用强度较低的轮作农作物中，天敌的数量更多，进而减少了病虫害的发生。Nanseki等［17］研究发现，一年四轮作水稻地区的农药使用强度比较适度，有的地区甚至不使用农药，但是病虫害的发生面积却更小。

1 模型构建及变量选取

1.1 门槛模型

采用Hansen［18］提出的面板门槛回归模型进行回归分析，以两区制面板门槛回归模型为例，可以将模型简洁表示为：

使用两步法对该模型进行估计。首先，给定γ的取值，用OLS对方程进行一致估计，得到估计系数以及残差平方和RSS（γ）。其次，选择，使得SSR（）最小，该值即为最优门槛值。相应地，模型对应的参数值也随之确定。

在确定门槛值和参数后，需要进一步对门槛效应的显著性和门槛估计值的真实性进行检验。首先针对门槛效应的显著性，其模型检验的假设为：。在原假设下构造LM统计量：。式中，分别为原假设下及备择假设下的残差平方和，为备择假设下回归残差的方差。由于在原假设下γ不可识别，因此LM统计量不服从标准的χ2分布，因此可以通过“自抽样法”（Bootstrap）模拟其渐进分布，并构造对应的P值。如果原假设成立，但是，即模型不存在门槛效应，此时的方程退化为一般的线性方程。如果原假设成立，并且，则表示模型存在门槛效应，可进一步对门槛估计值的真实性进行检验［19］。真实性检验的原假设为：相应的LR统计量为。在显著性水平α上，当时，接受原假设。

通过一系列实证检验，排除交叉项对农作物病虫害发生面积影响的非线性关系，发现农药使用强度及作物多样性对农作物病虫害发生面积的影响具有显著的区间效应，最终将农药使用强度和作物多样性作为门槛变量，构建面板门槛模型，其中，农药使用强度对农作物病虫害发生面积影响的门槛模型为：

式中，i代表地区，t代表年份，代表个体效应，代表时间效应，代表一组对农作物病虫害发生面积有影响的控制变量，为相应的系数向量，为估计参数，农药使用强度nyqd为门槛变量，为待估算的门槛值，为指标函数，表示第个省份第t年的随机误差项。

生物多样性对农作物病虫害发生面积影响的门槛模型为：式中，为个体效应，为时间效应，为一组对农作物病虫害发生面积有影响的控制变量，为相应的系数向量，为估计参数，生物多样性dyx为门槛变量，v为待估算的门槛值，

1.2 变量选取与数据来源

1.2.1 农作物病虫害发生面积（fsl） 选取当年农作物病虫害发生面积作为农作物病虫害发生面积的衡量指标［20］。数据均来自2004—2014年《中国农业年鉴》。由于西藏地区的数据缺失严重，故将其剔除。

1.2.2 农药使用强度（nyqd） 用当年农作物农药使用量除以当年农作物播种面积来衡量［21］。数据均来自2004—2014年《中国农村统计年鉴》。

1.2.3 作物多样性（dyx） 采用Shannon信息指数作为作物多样性指数［22］，计算公式为为指标函数，表示随机扰动项，其中i、t分别表示第i（i=1,2,…30）个省（市、自治区）和第t（t=2003,…2013）年。，式中，H代表多样性指数，Pi代表第i种作物的面积比例，为确保形式上的一致，规定InO=O 。多样性指数越大，说明该省（市、自治区）农作物种植的种类越多，并且各种作物面积分布越均匀，反之则说明该省（市、自治区）农作物种植的种类越少，各种作物面积分布越不均匀。相关数据均来自2004—2014年《中国农业年鉴》。

1.2.4 农村居民家庭人均纯收入（sr） 选取当年农村居民家庭人均纯收入的对数来衡量［23］。数据均来自2004—2014年《中国统计年鉴》。由于《中国统计年鉴》在2015年之后没有继续公布农村居民家庭人均纯收入这个指标值，因此，本研究的最终样本数据为2003—2013年除西藏自治区外我国大陆外30个省（市、自治区）的相关数据。

2 实证结果及分析

2.1 模型各变量的描述性统计

将模型中各变量的具体数值导入Stata14.0，即可得到各变量的均值、标准差、最小值、最大值等基本情况，结果见表1。

表1 变量的描述性统计

从表1可以看出，农作物病虫害发生面积对数的平均值为9.0174，农药使用强度对数的平均值为2.1685，作物多样性平均值为1.0408，农村居民家庭人均纯收入的对数的平均值为8.4737，显示出我国农作物病虫害发生面积较高，农作物多样性较低、农村居民家庭人均纯收入较低等客观现实。

2.2 门槛效应检验

为了确定农药使用强度、作物多样性的门槛值个数，分别在存在双重门槛、存在单一门槛、不存在门槛等假设条件下对式（2）和式（3）进行估计，由此可以得到F统计量。通过“自抽样法”（Bootstrap）得出的P值确定各门槛变量的门槛值及个数。本研究将Bootstrap次数设置为300次，并结合相应结果依次进行三重门槛、双重门槛以及单一门槛检验，具体结果见表2。

表2 门槛效应检验

从表2可以看出，以农药使用强度为门槛变量的单一门槛和双重门槛检验结果均非常显著，对应的P值分别为0.0000和0.0333，三重门槛的检验结果则不显著，对应的P值为0.8100。因此，本研究将选取农药使用强度为门槛变量的双重门槛模型，对农药使用强度、作物多样性和农作物病虫害发生面积的关系进行分析。以作物多样性为门槛变量的单一门槛检验结果非常显著，对应的P值为0.0000，双重门槛和三重门槛的检验结果均不显著，其中双重门槛对应的P值为0.4867。因此，本研究将选取作物多样性为门槛变量的单一门槛模型，对农药使用强度、作物多样性对农作物病虫害发生面积的关系进行分析。

根据门槛模型的原理，门槛估计值是似然比检验统计量LR为零时的γ取值，在以农药使用强度为门槛变量的双门槛模型中，估计值分别1.9740和3.2978，在作物多样性为门槛变量的单门槛模型中，估计值为1.0845，据此，我们绘制了相应的似然比函数图（图1～图3），其中，门槛变量的似然比用实线代表，而5%显著水平的临界值（7.35）则用虚线代表，以农药使用强度和作物多样性为门槛变量的门槛估计值及相应的置信区间见表3。

图1 农药使用强度第一门槛估计值真实性检验

图2 农药使用强度第二门槛估计值真实性检验

图3 作物多样性单门槛估计值真实性检验

表3 门槛值的估计结果

2.3 门槛值区域划分

基于2013年全国农作物病虫害发生面积，绘制各省域划分的地图（图4）。由于农药使用强度存在两个门槛值，可以根据门槛值将我国各省（市、自治区）划分为3个区间（表4）。从表4可以看出，2003年，包括内蒙古、黑龙江、吉林、四川4个粮食主产地区在内的14个地区没有跨过农药使用强度第一个门槛值。农药使用强度大于1.9740而跨越第一个门槛值的地区有包括河南、安徽、河北等9个粮食主产区在内的16个省（市、自治区）。此外，当年没有任何地区跨越第二个农药使用强度门槛值。这可能与当年农村居民家庭收入总体偏低有关。2013年，农药使用强度在第一个门槛值内的地区减少到9个，其中，内蒙古、四川和黑龙江3个粮食主产区的农药使用强度仍然保持在第一个门槛值内，但是吉林省的农药使用强度已经跨过了第一个门槛值。此外，跨过农药使用强度第一个门槛值，但是没有跨越第二个门槛值的省份增加到20个。同年，海南省的农药使用强度甚至跨越了第二个门槛值。出现这种现象的原因可能是农村居民家庭收入的增加使得农民有能力购买更多农药等投入品投入到农业生产中。总体而言，农药使用强度超过门槛值的省份总体趋势不断增加，说明我国农业生产对农药投入品的依赖越来越强。鉴于农药使用强度对作物多样性影响农作物病虫害发生面积存在门槛效应的事实，海南、吉林、云南、天津、山西、甘肃等地需要围绕加强农作物生物多样性保护意识、倡导使用高效低毒环境友好型农药、多途径帮助农民增收等方面下功夫，以实现经济发展与生态环境建设的“双赢”。

图4 基于2013年农作物病虫害发生面积的我国省域划分

进一步考虑作物多样性门槛值对应的区间分布情况（表5），在分析样本初期，包括河南、江苏、山东等6个粮食主产省份跨越了作物多样性门槛，接近粮食主产省份的一半。可能受气候变暖等因素影响，2013年仅有江西、湖南和湖北3个粮食主产省份跨越了作物多样性门槛。河南、江苏、山东由高区间落到了低区间，可能原因是政府的补贴政策向少数几种粮食作物（如玉米）倾斜所致。黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、安徽和四川等省份的作物多样性仍处在第一区间。总体而言，我国各省份的作物多样性处于较低水平，13个粮食主产区的作物多样性水平更低，说明我国农作物结构性失衡不仅对农业经济发展产生重大影响，同时也对作物多样性的减少和农作物病虫害发生面积的增加产生重要影响，因此各地应围绕加大力度推进农业供给侧结构性改革、加强生物多样性保护等方面努力。作物多样性的保护和增加是一项长期持续的工程，短期内难以获得作物多样性的“跨越式”增加。

表4 不同年份各省份跨越农药使用强度门槛情况

表5 不同年份各省份跨越作物多样性门槛情况

2.4 门槛回归结果

通过上述检验发现，农药使用强度、作物多样性对农作物病虫害发生面积的影响呈非线性关系，根据农药使用强度的两个门槛值，可以将作物多样性对农作物病虫害发生面积的影响划分为3个区间，分别为小于农药使用强度第一个门槛值的区间、大于农药使用强度第一个门槛值小于第二个门槛值的区间和大于农药使用强度第二个门槛值的区间，并进行门槛回归估计，结果见表6。同理，由于作物多样性存在一个门槛值，可以将农药使用强度对农作物病虫害发生面积的影响划分为两个区间，分别为大于作物多样性门槛值区间和小于作物多样性门槛值区间，然后进行门槛回归分析，结果见表7。

表6 以农药使用强度为门槛值的门槛回归结果

表7 以作物多样性为门槛值的门槛回归结果

从表6可以看出，农村居民家庭人均纯收入与农作物病虫害发生面积负相关。当农药使用强度低于1.9740时，作物多样性的增加将抑制农作物病虫害发生面积。随着农药使用强度超过1.9740的临界水平，作物多样性对农作物病虫害发生面积的影响仍然为负，但不显著。随着农药使用强度的进一步提升，作物多样性对农作物病虫害发生面积的影响显著为负，并且影响程度更大，表现为此区间内生物多样性的系数绝对值大于农药使用强度小于1.9740时的对应系数值。出现上述现象的主要原因是，在农药使用强度较低水平下，增加作物种类的多样性能增强作物的自动调节能力，从而缓解了农作物病虫害的发生面积。但当农药使用强度过大时，病虫害的抗药性会增强，而作物种类多样性增加抑制农作物病虫害发生的作用小于病虫害抗药性增强促进农作物病虫害发生的作用，进而导致农作物病虫害发生面积更大。

从表7可以看出，农村居民家庭人均纯收入与农作物病虫害发生面积负相关，说明我国农作物病虫害发生面积还处于资本投入防治阶段，随着农村居民家庭人均纯收入的增加，投入到防治农作物病虫害发生中的资本将增加，农作物病虫害发生面积会随之减少。当作物多样性越过1.0845的门槛值，农药使用强度对农作物病虫害发生面积的影响将下降到作物多样性水平处于门槛值内时的0.66倍。出现这种现象的主要原因是高的作物多样性抑制农作物病虫害的作用强于农药使用强度增加对农作物病虫害发生的促进作用。

3 结论与建议

3.1 研究结论

在农作物病虫害发生面积逐年增加、农药使用强度不断加大而作物多样性逐年减少的严峻背景下，如何确保农业作为国民经济基础作用的地位不动摇是社会及学术界日益关注的重点议题。考虑到农药使用强度和作物多样性对农作物病虫害发生面积有可能存在门槛效应，本研究利用我国大陆除西藏自治区外30个省市区2003—2013年的省级面板数据，结合Hansen提出的门槛检验方法，分析了上述两个因素对农作物病虫害发生面积的门槛效应，得出如下主要结论：

3.1.1 农药使用强度对农作物多样性的病虫害发生面积的影响存在显著的双门槛效应 农药使用强度越高，作物多样性对农作物病虫害发生面积的制约作用越明显。具体而言，当农药使用强度没有跨越第一个门槛值时，作物多样性的增加将显著减少农作物病虫害发生面积。当农药使用强度处在两个门槛值之间时，作物多样性对农作物病虫害发生面积的影响仍然为负但不显著。而当农药使用强度跨越第二个门槛值后，作物多样性对农作物病虫害发生面积的抑制作用比农药使用强度未跨越第一个门槛时更强烈。从省级层面上看，2003年农药使用强度未跨越第一门槛的地区数远多于2013年未跨越农药使用强度第一门槛的地区数。2013年，跨越农药使用强度第一个门槛值的地区数由2003年的16个增加到20个，包括吉林省在内的10个粮食主产区均跨越了农药使用强度第一个门槛值，海南省甚至跨越了农药使用强度第二个门槛值。农药使用强度超过门槛值的省份总体呈不断增加趋势。

3.1.2 作物多样性对农药使用强度的农作物病虫害发生面积的影响存在显著的门槛效应 作物多样性未跨过第一个门槛值之前，农药使用强度的增加将显著增加农作物病虫害发生面积，当作物多样性越过了1.0845的门槛值，农药使用强度对农作物病虫害发生面积的影响将下降到作物多样性在门槛值内时的0.66倍。2003年，包括河南、江苏、山东等6个粮食主产省份跨越了作物多样性门槛。2013年，仅有江西、湖南和湖北3个粮食主产省份跨越了作物多样性门槛，河南、江苏、山东由高区间回落到低区间。总体而言，中国各省份的作物多样性处于较低水平，13个粮食主产省份的作物多样性水平更低，作物多样性的减少不利于农作物病虫害发生面积的减少。

3.2 对策建议

在农作物病虫害方面，鉴于我国农作物病虫害逐年增加的事实，各级植保部门要以“公共植保、绿色植保”理念为引领，强化农作物病虫害防控的组织领导和监督，加强病虫害监测预警与防治信息系统建设，加强各地区、各年份农作物病虫害防治方法的总结和推广，与此同时，积极争取财政经费的支持，加强病虫害应急防控队伍建设。

在农药使用强度方面，鉴于保持在农药使用强度第一门槛值内的地区逐渐减少、海南省却跨越了农药使用强度第二个门槛值的事实，一方面，各级植保部门除了实现农业增产外，还应积极推广节本增效的病虫害防控技术和措施；另一方面，各级植保部门应积极引导农业生产者科学用药，鼓励用好药、少用药，并最终实现病虫害绿色防控替代化学防治。

在生物多样性保护方面，鉴于仅有江西、湖南和湖北3个粮食主产省份跨越了作物多样性门槛值，河南、江苏、山东由高区间落到了低区间，我国各地的作物多样性水平总体上处于较低水平、13个粮食主产省份的作物多样性水平更低的事实，各地应着手围绕保护和增加作物多样性而努力。作物多样性水平较高的地区可适当将农药使用强度标准控制在1.9740以内，以进一步降低高农药使用强度对农作物病虫害发生面积的促进作用。而对大多数作物多样性水平较低的地区而言，应进一步加强作物多样性保护意识，重视抗病虫品种的区域布局，完善作物多样性保护的法律法规。但鉴于作物多样性的保护和增加是一项长期持续的工程，这些地区可首先着手完善抗病虫品种的区域布局，适当降低农药使用强度，进而完善作物多样性保护的法律法规。另外，应加大力度推进农业供给侧结构性改革，通过调整农作物生产结构发挥作物多样性抑制农作物病虫害的积极作用。