农业机械投入对化肥减量化的作用效果研究

周家俊　周德

[摘要]基于全国232个地级市数据，运用有限混合模型（FMM）分析了农业机械投入对化肥减量化的作用效果。结果表明：总样本由农业机械化低水平样本和高水平样本组成;机械强度与化肥强度之间存在非线性关系;在机械化低水平阶段，机械强度与化肥强度呈正相关关系;在机械化高水平阶段，机械强度与化肥强度呈负相关关系;要通过增加农业机械投入促进化肥减量化，关键在于转变农户施肥需求。建议加快研发推广大型农业机械，推广秸秆还田、化肥机械深施等技术，改善土壤理化性质，提高化肥利用率，实现化肥减量化。

[关键词]化肥减量化;农业机械化;施肥方式;作用效果;有限混合模型

[中图分类号]F323.3[文献标识码]A

近年来，化肥过度施用造成了资源浪费、环境污染等一系列问题，制约了农业可持续发展。研究农业化肥减量化的有效途径具有重要现实意义。为了加快实现化肥减量化目标，农业农村部于2015年2月发布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，为化肥减量化工作提供了政策条件。同时，秸秆还田、化肥机械深施、种肥同播等技术的大型農业机械相继出现，为农业化肥施用方式的转变提供了技术条件。由此，增加农业机械投入是否能促进传统化肥施用方式转向精细化施肥进而实现化肥减量化？针对该问题的思考，有助于为实现化肥减量化提供有益参考。

1 文献综述

目前，对于我国化肥减量化实现路径的研究仍较少，已有研究大多数为定性研究，从化肥施用对象、施用总量等角度分析总结我国化肥施用现状，根据当前不同作物的化肥施用强度提出减量化的作物对象优先顺序，也有学者关注中国化肥减量化的目标值，基于农产品供给和水资源压力的双重约束设定中国化肥减量化总体目标。对于农户化肥施用行为影响因素的研究，主要集中在农户的认知风险、个人特征、家庭特征层面，大多直接采用传统线性回归分析进行影响因素识别，或从结构驱动效应和效率驱动效应的角度对化肥施用强度的变化进行分解;有学者研究了水稻种植这一单一作物生产类型中的农业机械化技术对稻农化肥减量化施用行为的影响，认为生产方式的转变是实现化肥减量化的关键途径。

关于机械化发展带来的系列影响，从已有成果来看，主要集中在机械化与农业总产出、粮食产出、生产效率、粮食播种面积、农业生产中的劳动力要素替代等方面，认为农业机械化发展能够增加农业产出，对粮食生产存在正的空间溢出效应，对农业经济发展方式转变具有正向影响，但对粮食播种面积没有显著影响。少量研究从定性角度关注了机械化与生态环境的关系，认为农业机械化发展与农业资源利用效率提高、农村环境改善和农业可持续发展密切相关，应大力研发节能、低碳农业机械，发展精准耕整、播种、施肥等技术，但仍未明确涉及对化肥减量化影响的作用效果。

总体而言，关于化肥减量化实现路径的研究仍处于起步阶段，存在较大空白，鲜有针对农业机械投入对于化肥减量化效果的讨论，因此，及时展开这方面的研究，除了为农业生产安排和政策制定提供参考，对于补充新的研究案例也具有一定意义。

为分析农业机械投入能否促进化肥减量化，本文假设一个地区的农业机械化水平发展具有阶段性，并且不同的阶段存在一定概率混合，在不同阶段农户的化肥施用方式和施用需求不同，农业机械投入与化肥施用存在多阶段演变关系。在此基础上，以2015年232个地级市数据为样本，运用有限混合模型（FMM）识别我国农业机械化发展水平的异质性构成，分析农业机械投入与化肥减量化两者间关系的阶段性变化，为加快实现我国化肥减量化目标提供经验证据和政策建议。

2 模型与方法

化肥施用属于农业生产中的投入行为，经济学上可用追求利润最大化的农户生产模型来描述农户选择行为：在保证同等产出的情况下投入最少生产要素。然而农户的生产投入受到给定的技术条件限制，不同的机械水平带来耕作模式变化，也导致化肥投入方式发生变化。由于农业机械化发展水平的阶段性，本文认为农业机械投入与化肥施用两者之间存在多阶段演变关系。

农户层面，农户施肥方式在不同农业机械化水平阶段有所不同。在农业机械化低水平阶段，农户使用小型简易机械进行表土疏松、作物收割，化肥施用方式以撒施、表施为主，属于传统施肥方式，养分损失较大，化肥利用率较低。在此阶段，随着机械投入的增加，农户为获得最大利润，提高化肥强度，直至化肥投入的边际收益为零。随着农业机械化发展，进入农业机械大型化高水平阶段，大型农业机械出现，农户可采用秸秆还田、土壤深耕、种肥同播、根施肥料等技术，能够改良土壤营养特性，减少肥料流失，提高化肥利用率。因此，在农机大型化高水平阶段，随着机械投入的增加，施肥方式转变，为获得利润最大化，农户所需要投入的化肥更少，化肥强度随机械强度提高而降低。

然而农业生产与机械化发展水平往往情况多样，较为复杂。不同农户的农业机械投入不同，其施肥方式不同，其发展转型的阶段并不能清晰划分。因此，可将一个地市的化肥施用情况理解为不同机械化水平施肥行为的混合：农业机械化低水平的传统施肥行为和农业机械化高水平的施肥行为按照一定概率比例的混合，且每一类行为都有各自的分布。如果一个地市机械化低水平传统施肥行为的概率比例大于机械化高水平施肥行为的概率比例，那么该市处于农业机械化低水平阶段;反之，处于高水平阶段。同理，一个地市层面的样本，是由处于不同机械化水平阶段的地市按照一定概率比例的混合，各阶段地市服从各自分布，地市之间具有异质性。

上述分析可用包含两个子分布的有限混合模型（FMM）表示，总样本的概率密度函数可以写成：

其中，fi（y|x'βi）是第i个子分布的概率密度函数;x'是解释变量向量;βi是第i个子分布的待估计解释变量参数;πi是第i个子分布的概率比例，0≤πi≤1，且。假定各子分布服从正态分布，πi服从多项logistic分布。

3 实证分析

本文收集了2015年232个地市数据，通过有限混合模型，定量考察在不同农业机械化水平阶段，农业机械投入与化肥减量化之间的关系，以期揭示农业機械投入水平与化肥减量化之间的关系。

3.1 指标选取与数据来源

本文被解释变量选取化肥强度，即单位农作物播种面积对应的化肥折纯使用量。关键解释变量选取机械强度，即单位农作物播种面积对应的农业机械总动力投入。根据农户生产模型，化肥施用和机械投入还受到种植经济结构、城镇化程度和人力资本的影响，因此本文将以上变量纳入控制变量。对于种植经济结构，经济作物单位耕种面积带来的经济效益普遍高于粮食作物，选取单位耕种面积对应的种植业产值作为种植经济结构的代理变量。对于城镇化程度，选取常住城镇人口占常住总人口比例作为城镇化率。对于人力资本，采用每万人在校学生数代理人力资本。

根据2015年2月开始实施《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，本文以此作为化肥减量化工作标志性时间节点。本文通过各省统计年鉴收集了2015年全国232个地级市数据，涵盖粮食主产省份中的内蒙古、吉林、安徽、山东、江苏、河北、河南、湖南、黑龙江和非主产省份中的广东、浙江、海南、广西、新疆、甘肃、贵州、陕西。

3.2 描述性分析

表1显示了232个地级市5个指标的描述性统计结果，图1显示了总样本中机械强度的概率密度分布。对于机械强度，总样本分布并不完全服从正态分布，考虑存在至少两个分布的叠加。

3.3 回归结果

为进行对照，先对包含232个地市的总样本进行传统OLS线性回归，系数估计结果见表2，残差分布见图2。传统OLS线性回归显示，在其他条件保持不变的情况下，随着农业机械投入增加，化肥强度下降，但不具有统计显著性，且残差分布不符合正态分布，总样本分布存在起码两个分布的叠加。为此，有必要采用FMM作进一步分析。

总样本可能由两个及以上子分布混合组成，但当子分布数目较多时，会增加有限混合模型估计的难度，且本文数据中，当子分布数目大于两个时，估计结果并不显著。结合机械化水平存在两阶段特征，本文选择子分布数目为两个。

FMM回归结果显示（见表2），总样本分布由子分布一占0.779，子分布二占0.221的概率比例混合组成，且子分布一的机械强度均值（7.652）小于子分布二（9.618），故子分布一对应农业机械化低水平阶段，子分布二对应农业机械化高水平阶段。

在农业机械化低水平阶段，农户使用低水平农业机械，增加低水平机械投入未能转变农户的传统施肥方式，化肥强度与机械强度呈正相关关系。从边际效应看，在保持其他因素不变的情况下，农业机械强度每提高1个单位（kW/hm2），化肥强度提高10.070个单位（kg/hm2），并在1%的水平下具有统计显著性。

在农业机械化高水平阶段，大型农业机械出现，带来秸秆还田、化肥机械深施技术的改进，有助于改良土壤肥力，转变农户的施肥需求，化肥强度与机械强度呈负相关关系。从边际效应看，在保持其他因素不变的情况下，农业机械强度每提高1个单位（kW/hm2），化肥强度降低9.306个单位（kg/hm2）。

实证表明，在农业机械化发展过程中，机械强度与化肥强度之间存在非线性两阶段演变关系，增加农业机械投入能否促进化肥减量化，关键在于能否转变农户的施肥需求。在机械化低水平阶段，机械投入以简易型机械为主，可实现的技术层次较低，如简单的表土翻耕、收割，并未转变农户施肥方式，机械强度与化肥强度呈正相关关系。在机械化高水平阶段，大型农业机械出现，秸秆还田、化肥深施、精准根施等技术得到应用，化肥利用率提高，化肥施用需求下降，机械强度与化肥强度呈负相关关系。

3.4 稳健性检验

为减少农业种植经济结构不同导致化肥强度存在差异而对实证结果造成影响，本文对粮食主产省份的123个地市进行FMM分析（见表3）。结果表明，在机械化低水平阶段，机械强度与化肥强度之间呈正相关关系，从边际效应看，保持其他因素不变，农业机械强度每增加1个单位（kW/hm2），化肥强度增加17.253个单位（kg/hm2）;在机械化高水平阶段，机械强度与化肥强度呈负相关关系，从边际效应看，保持其他因素不变，农业机械强度增加1个单位（kW/hm2），化肥强度减少9.364个单位（kg/hm2），与理论设想一致。

4 研究结论

本文假设机械化发展水平具有阶段性，由于机械化水平发展会导致农户化肥施用方式发生转变，然而由于实际情况的复杂性，一个地区的农业生产是农业机械化高水平阶段生产行为和低水平阶段生产行为的概率混合;在机械化低水平阶段，农户沿用传统施肥方式;在机械化高水平阶段，农户逐渐转向精细化施肥。增加农业机械投入对于化肥减量化的作用是非线性的两阶段演变过程。通过有限混合模型对232个地市组成的总样本进行分类，分别探讨在不同农业机械化水平下农业机械投入对化肥减量化的作用效果，结果表明：总样本由77.9%的农业机械化低水平阶段样本和22.1%的机械化高水平阶段样本组成;在机械化低水平阶段，机械强度与化肥强度呈正相关关系，保持其他因素不变，机械强度提高1个单位（kW/hm2），化肥强度提高10.070个单位（kg/hm2）;在机械化高水平阶段，机械强度与化肥强度呈负相关关系，保持其他因素不变，农业机械强度增加1个单位（kW/hm2），化肥强度减少9.306个单位（kg/hm2）。该实证结果符合理论设想。

本文的启示在于，在不同农业机械化水平阶段，机械投入对于化肥减量化的作用效果可能截然相反，要通过增加农业机械投入促进化肥减量化，关键在于依靠高层次机械耕作技术，改良土壤性质，提高化肥利用率，减少化肥施用需求。为此，本文建议加快研发推广大型农业机械，提高农业机械化水平，推广秸秆还田、化肥机械深施等技术，改善土壤理化性质，提高化肥利用率，实现化肥减量化。

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