三种主粮生产中化肥、农药的经济用量探析

张谋贵

摘要：文章运用C-D函数、主成分回归等方法计算水稻、小麦和玉米三种粮食化肥及农药的边际效益，以边际效益来衡量三种粮食化肥及农药的施用量是否过剩。实证发现小麦的化肥使用量达到了经济上過量，水稻和玉米的化肥使用量接近经济上的过量，因此粮食生产中应该多种途径控制化肥使用量;三种粮食生产中农药的边际效益较高，对农药的使用可以不加以控制，但要引导农户使用低毒高效农药。

关键词：三种主粮;化肥;农药;边际效益;实证

中图分类号：F307.11    文献标志码：A    文章编号：1001-862X（2019）03-0010-006

一、引 言

在国家粮食安全战略目标下，我国从2004年至2015年粮食产量实现了“十二连增”，2016年、2017年粮食总产量略有降低。中国用7%的耕地养活了世界22% 的人口，中国对世界粮食安全的贡献是巨大的。中国粮食产量提高，除了政策和投入外，更多的是依靠科技进步取得的。而在农业科技进步的进程中，化肥农药的使用对粮食增产的贡献相当大，尤其是化肥的使用对粮食增产的作用非常明显。但化肥施用量过大，对环境也造成了负面的影响。2000年我国使用强度为 340.8 千克/公顷，超出发达国家所规定的225 千克/公顷的安全上限值（为防止水体污染所设置的）。2015年我国化肥使用强度达到了362.0千克/公顷，为2000年的106.2%，超出世界平均强度（137.6千克/公顷）的1.6倍，在世界排名为第21位，不仅远超过了同为金砖国家的俄罗斯、南非、印度和巴西三国，也超过法国、美国等农业发达国家。日本、法国等国家的化肥使用在2008年有所下降，这一方面与全球金融危机有关，另一方面也与他们努力改变化肥不合理使用有关。农药使用方面，2016年我国农药使用强度为10.4千克/公顷，是2000年的127.6%，比国际警戒线（7千克/公顷）高出48.6%，使用强度同样远超世界平均水平，约为后者的2.5倍。[1]从目前情况看，中国化肥的施用量还有增加的趋势。那么，化肥、农药施用量到底多少为合适？化肥使用有生物学过量和经济过量，撇开生物学过量特性，本文利用化肥、农药的边际效益指标，从经济学角度讨论化肥和农药使用是否已经过量。

梳理当前的研究文献，相关研究主要如下：

（一）化肥对粮食增产影响。中外学者基本达成了共识：粮食的增产与化肥的使用量呈正相关关系。美国诺贝尔奖获得者、著名的农业作物育种专家Norman E.Borlaug说过，20 世纪全球农作物的产量的增加，其中有一半是由化肥的施用而取得的。[2]据联合国粮农组织（FAO）统计，化肥在农作物增产中，对增产的贡献约占 40%～60%。[3]我国学者李家康（1999）对 1981 年开始布置的 52 个 10 年以上长期肥料定位试验点研究表明，施用化肥对粮食产量的贡献率全国平均为 40.8%，其中双季稻区早稻为 31.9%，晚稻为 34.6%，旱作两熟区的小麦为 60.2%，玉米为 46.2%。徐浪、贾静（2003）根据四川省的数据研究表明，化肥的使用量与粮食产量呈显著的正相关关系。王祖力、肖海峰（2008）通过回归模型研究也认为化肥施用量与粮食产量之间呈明显的正相关关系，化肥的使用是影响粮食产量增长的重要因素，化肥对粮食增长的贡献率达56.81%，超过50%，是所有投入要素中贡献最大的一项。[4]房丽萍、孟军（2013）通过C-D生产函数模型研究，也得出相同的结论。[5]

（二）化肥、农药对农村环境的负面影响。上世纪80年代以来，我国在粮食生产过程中化肥、农药使用得到了普遍推广，使粮食产量有了大幅提高，基本解决了中国人吃饭问题，保证了中国的粮食安全。中国的耕地越来越少，产量越来越高，化肥、农药的使用量也越来越大。粮食生产对化肥、农药的依赖性越来越强。任何事物都有两面性，大量使用化肥和农药会增加粮食产量，但也会污染环境。因为化肥过量使用，植物只吸收一小部分，大部分随水土流失或留在土壤，对周围的水体造成面源污染。据有关部门测算，当前我国化肥被植物吸收利用的只有30%～40%，大量没有被吸收的化肥残留在土壤中对水体和环境造成重大影响，形成了大量的面源污染，生态环境遭受破坏，反过来又影响粮食产量和质量提高。这方面的研究，中外学者也形成了一致看法：过量使用化肥和农药会导致农业面源污染，破坏环境，导致食品的不安全。David Pimentel等首先提出了在集约化粮食生产中，由于大量使有化肥和农药，带来土壤侵蚀的问题。随后Matson等（1998）提出“高投入和高产出”的粮食生产模式引起的农田养分流失造成的面源污染、生物多样性下降、温室气体排放增加等生态环境问题，是对粮食生产可持续性的挑战。[6]中国学者马骥（2006）认为，一些农区由于长期大量使用单一品种或比例的化肥，不仅导致农业成本增加，而且会引起农业产品质量的下降和环境污染的加剧等一系列问题。[7]张福锁（2012）认为，农业生产中高能源消耗和大量的化学品投入所引起的农业面源污染问题日趋显著，必须引起足够的重视。[8]赵志坚等（2012）通过对湖南省化肥施用与粮食产量的变化，研究化肥使用对环境的影响，结果显示，化肥投入量每增加1%，会带来粮食产量增加 0.139 %;粮食的化肥投入量与环境成本之间存在更为明显的相关关系，化肥投入每增加一个百分点，环境成本增加 1.57 个百分点。单位面积粮食产出的化肥投入边际效益以年均 3.58%的速度降低。[9]

从上可以看出，对于化肥和农药的使用基本达成了两个共识：一是化肥对我国粮食增长的贡献是比较大的。二是无论是政府决策层还是学术界，普遍认为我国化肥、农药过量使用。但化肥、农药的使用量到底是多少较合理，目前，还没有一个统一的化肥农药使用的标准。国外似乎有标准，但中国人多地少，土地资源约束较紧，要解决中国人吃饭，确保粮食安全，这个标准又不适合中国。理论上讲，化肥的投入量可以从生态环境、农学和经济学三个角度进行分析，三种分析结果相差较大。生态环境角度分析除了考虑化肥投入的直接成本外，还要将化肥投入对环境的影响考虑进去，化肥使用会带来的环境外部成本增加。农学角度主要从生物学的特性考虑，通过化肥使用获得最大的农产品量。经济学则主要从成本的投入与收益角度考虑，将农户看作理性的经济人，通过化肥施用获得收益最大化。本文从经济学角度研究，讨论我国三种粮食生产中化肥的施用是否过量。在一定的技术条件下，任何生产要素的使用都呈边际递减现象，化肥、农药的使用也一样。如果化肥、农药边际成本超过了施用化肥获得的粮食边际收益，则化肥、农药的使用达到经济上过量，多施化肥不仅收入不会增加，反而会减少，是典型的“得不偿失”现象。

从文献上看，这一问题研究成果较少。即使有，这部分成果在模型选择和方法上存在一些不足。如很多学者在用C-D函数估计生产弹性时，都用普通最小二乘数回归求生产弹性，是不妥的。因为普通最小二乘数用在多元回归时，必须是多元自变量相关性较低，即不存在共线性问题。如林源、马骥（2013）运用普通最小二乘数回归估计C-D函数的生产弹性，通过化肥的生产弹性计算化肥施用的经济水平，没有考虑到多元回归的共线性问题。[10]本文在此基础上，对回归方法进行改进，使用主成分回归模型，尽量克服多元回归的多重共线性问题，使计算出的生产弹性符合实际。

二、模型选择及数据来源

（一）农业生产函数

1928 年，经济学家道格拉斯（P.H.Douglas）与数学家柯布提出了“柯布-道格拉斯（Cobb-Douglas）生产函数”，又简称为 C-D 生产函数。即：Y=AKαLβ。其中Y为总产出，K为资本投入，L为劳动力投入，α，β分别为劳动力、资本产出弹性。C-D生产函数的提出，提示了生产的产出与投入的关系，但它也存在着不足，就是假设与实际存在区别。例如，时间不同，可能得出的结果是不同的，因为没有考虑技术变量，因而是不科学的，得出的结论不可靠。只有在技术不同的情况下，即在同一个时点下研究得出的结论才可靠。为了弥补这一缺陷，后来的不少学者作了大量的研究，力求改善C-D函数。1942年，首届诺贝尔经济学奖的获得者丁伯根（J.Tingbergen）对C-D生产函数作了改进，将常数项A换成了随时间变化的函数A（t），于是C-D生产函数可写为Yt=A（t）KαtLβt，其中A（t）表示第t期的生产技术水平，假设A（t）=A0eθt，θ为技术进步系数，对该式两边取自然对数并整理可得：Yt=A0eθtKαtLβt，假如把生产要素进一步细分为多种生产要素，Y=A0eθtxb11xb12…xbnn，两边取对数得：

（二）边际效益模型

（三）生产弹性估计——主成分回归

对生产弹性估计有多种方法，不少人都用多元回归方法。根据多元回归的性质，当自变量之间存在多重相关时，即多重共线性时，估计出的回归系数是不准确的，导致有的回归系数t检验不显著。克服多重共线性方法有逐步回归、岭回归和主成分回归。本研究用主成分回歸方法估计要素的生产弹性，消除解释变量间的多重共线性。

主成分回归。主成分回归是克服多重共线性的一种回归模型。它是根据主成分分析原理，从数据抽提出若干主成分进行回归，一般来说是选择前面的几个主成分，由于各主成分是不相关的，因而主成分与因变量之间的回归就不存在多重共线性问题。主成分回归后，再根据主成分变量与解释变量之间的一一对应关系，还原原来的回归方程。主成分回归的具体步骤为：

①对原始样本数据做标准化处理，计算解释变量的相关系数矩阵R。根据相关系数矩阵对解释变量之间相关系数作出共线性判断（解释变量之相相关系数大于0.9时存在共线性）。

②计算R的k个特征值λ1>λ2>…λk，以及相应的标准化特征向量u1，u2…uk。

③用k个自变量进行主成分分析，得到主成分矩阵和各个主成分的累计方差百分比。

④计算标化应变量和k个标化自变量以及k个主成分的值，如下：

（四）模型变量及数据来源

模型变量的含义为：

1.产出。产出（Y）以粮食每亩产值表示。

2.物质投入量。将物质和人工的投入根据需要分为：土地成本投入（x1）、人工成本投入（x2）、种子成本投入（x3）、化肥投入（x4）、农药投入（x5）和其他成本投入（x6）。

本文对粮食生产要素投入和产出效率进行研究，数据采用三种主粮（小麦、水稻和玉米）的平均数据，产出和投入都是以亩为单位。数据均来自于《2004—2018年全国主要农产品成本收益汇编》。

三、实证结果

（一）三种粮食的生产弹性估计

（二）三种粮食的边际效益

四、结论及建议

（一）结论

1.从三种粮食生产中化肥投入的生产弹性看，水稻和玉米的化肥投入生产弹性较高，分别为0.1761和0.1733，即水稻化肥成本增加1%，水稻产值增加0.1761%，玉米化肥成本增加1%，玉米产值增加0.1733%。而小麦的化肥投入生产弹性为0.139，即小麦化肥成本增加1%，小麦产值增加0.139%。三种粮食的化肥生产成本弹性都为正值，即成本要素投入都会带来产值的增加，无疑化肥、农药的投入都会带来粮食产值的增加。也验证了大多数学者认为当前增加化肥和农药使用对粮食的增产是有效的。

2.从三种粮食生产的边际效益看，三种粮食生产的农药成本边际效益都比较高。如2003—2017年15年来水稻农药的边际收益为2～5之间，即农药投入1元，能获得2～5元的收益;小麦的农药的边际收益为6～10之间，即农药投入1元，能获得6～10元的收益;玉米的农药的边际收益为6～12之间，即农药投入1元，能获得6～12元的收益。可见，从经济角度看，三种粮食生产中农药用量不但没有过量，反而有些不足。因此，增加农药的投入会带来三种粮食产值的提高。

3.三种粮食生产化肥投入边际收益不高。小麦化肥投入边际收益大多数年份小于1，说明化肥投入1元钱，得不到1元钱的收益，即入不敷出，是典型的不经济的表现，说明化肥用量达到了经济上的绝对过量。水稻和玉米的化肥成本边际收益大于1，小于2，说明水稻和玉米的化肥用量接近了盈亏临界点，水稻和玉米化肥投入也快达到经济上的过量了。

4.从边际效益看，三种主粮生产要素的边际效益都出现递减现象。

5.三种粮食生产的技术进步率不高，年技术进步率为0.012～0.013，说明粮食生产技术提高快达到了一个瓶颈。

（二）建议

1.粮食生产中要控制化肥的使用量。不考虑农学、生态学问题，仅从经济学角度看，我国粮食生产中化肥施用量已经过量或达到施用量的临界点了，因此，粮食生产中必须控制化肥的施用量。一是适当提高化肥的价格，同时又通过粮食补贴的形式将化肥价格提高的部分返还给农民。提高化肥价格让农民觉得过多施用化肥不划算，从而达到减少化肥施用量的目的。二是指导农户科学施肥。通过宣传与培训，使农民掌握科学施肥技术和方法。施肥方式方法由表施、浅施、撒施向深施肥转变，施肥结构向科学合理转变，逐步提高肥料利用率。三是加大农机现代化的应用。全程机械化使得农业生产更加标准化、规范化，肥料施用也实现了精准化。在肥料施用方式、方法上，现代化的农业机械设备，使施肥变得简便易行，追肥设备、水肥一体化可以根据农作物生长需要，有针对性地实施分次施肥，能有效地减少化肥用量。

2.合理使用低毒高效农药。从以上结论可以看出，粮食生产中农药施用的经济效果较好，也说明当前粮食生产中农药施用量没有过量。可能原因是农药施用需要大量人工，而农民大量外出，导致农药使用量不足而影响粮食生产。当前粮食生产中可以不控制农药的施用量，但必须使用低毒高效农药，不允许有害生态环境和对农产品质量有影响的高毒性农药，有条件的地方鼓励生物高效农药。

3.提高粮食技术进步。中国的粮食生产取得了很大的技术进步，但从以上结论也可以看出，当前的粮食生产技术进步遇到了一个关键瓶颈，因此，国家必须加大农业科技的投入，刻苦攻关，不断提高粮食生产技术。

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（责任编辑 吴晓妹）