新疆农业面源污染与经济增长关系研究——基于环境库兹涅茨曲线

张晓莉，夏衣热·肖开提

（1.石河子大学 经济与管理学院，新疆 石河子832003；2.石河子大学 农业现代化研究中心，新疆 石河子832003）

改革开放以来，随着资源集约型现代农业及畜牧业规模化的不断深入，我国农业经济得到了快速发展，但各种各样的农业环境问题日益突出，其中农业面源污染问题已经严重阻碍了农村生态环境与社会经济的可持续发展[1]102-105。农业面源污染问题主要表现在化肥、农药的过量使用，畜禽粪便、农村生活垃圾排放等方面。近些年来，我国相继发布的《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战意见》《重点流域农业面源污染综合治理示范工程建设规划（2016—2020年）》《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020年）》《乡村振兴战略规划（2018—2022年）》，以及2021年中央一号文件等政策文件中都提出了要使化肥农药使用量持续减少，农业废弃物得到资源化利用，农村生态环境得到明显改善，并妥善处理好污染治理与农业生产及农民增收的关系等农业面源污染防治的重点要求。农业面源污染治理不仅对农业提质增效及农业生态环境基本改善具有重要意义，更有助于推进国家生态保护工作、美丽乡村建设及乡村振兴战略。而如何协调好农业生产与农业面源污染之间的关系，提高区域农业面源污染防治能力，对于我国农业绿色可持续发展尤为重要。

新疆绿洲生态环境本身具有脆弱性、不稳定性和不可逆转性，人口规模的不断扩大、工业化进程的不断推进、荒漠化及资源面临枯竭问题的不断加剧，更是严重阻碍了新疆生态环境可持续以及国民经济与社会发展。新疆是我国重要的粮、棉、畜产品生产基地，以“高投入、高能耗”为主要特征的生产方式，使农牧业生产取得了长足的进步，同时也严重制约了新疆农村经济与农业生态环境的可持续发展[2]1300-1307。本文有别于以往基于土地类型划分或化肥施用量的负荷估算，将新疆棉、粮、畜等主要农产品划为标准，加入农村生活面源污染，估算新疆农业面源污染负荷排放量，进而对新疆农业、畜牧业、农村生活面源污染排放量的库兹涅茨曲线特征进行实证研究，这一研究旨在避免因追求经济过快增长而对生态环境造成的破坏，有利于寻找适合农业生产与经济增长的最佳平衡点，对农业环境污染治理与防控措施的科学合理具有重要的现实意义，能够为提高新疆农业面源污染防治能力、改善新疆区域农业生态环境、促进农业资源环境与经济协调发展提供理论参考。

一、文献回顾

经济增长与生态环境关系密切，早在20世纪90年代初美国经济学家Grossman和Krueger提出了环境库茨涅茨曲线（EKC）的假说，它假定随着经济增长环境质量会逐渐恶化，但当经济增长到一定程度后环境质量逐渐开始改善，即环境污染变动趋势与经济发展变动趋势呈现倒“U”型关系。此后有国外学者以库兹涅茨曲线为基础，做了大量不同国家间经济增长与环境污染之间的实证研究。有学者们通过实证分析多个国家间环境污染与经济发展之间的关系，证实了环境库兹涅茨曲线倒“U”型理论[3]1-13，也有学者发现环境库兹涅茨曲线并不一定呈现倒“U”型形状[4]384-402。早期国内对面源污染与经济增长关系的研究方面多集中在工业面源污染方面，学者们针对不同国家、不同地区开展了大量实证研究，验证二者是否存在倒“U”型关系，近些年来，开始致力于对农业面源污染与经济增长关系的研究。关于农业面源污染负荷衡量方面，学者们主要用化肥、农药、农膜施用强度或人均总量表示农业面源污染[5]132-139;[6]12-19，或将引起农业面源污染的因素分为农业用地、畜禽养殖、农村生活三大类来进行估算与分析[7]106-111。在估算方法上，学者们多应用数学模型来进行估算，已采用的估算方法有输出系数法[7]106-111、调查监测法、模型法、排污系数法[8]1760-1769等。其中，输出系数模型法操作简便易行，参数要求不高，应用性强，又具有一定的精度，应用该法估算非点源氮（N）、磷（P）污染负荷具有重要意义[9]2278-2286，被国内学者广泛应用，在尼洋河流域[7]106-111、汉丰流域[8]1760-1769以及北京、宁夏[10]58-65等地区都得到了较好的应用研究成果。关于农业面源污染与经济增长的关系方面，有学者运用时间序列计量方法，探究不同地区农业面源污染与经济增长的长期关系，得出EKC曲线形状可能呈现倒“U”型、倒“N”型、“N”型等[11]157-160，181；也有学者基于我国省际面板数据研究农业经济增长与农业环境污染之间的关系，认为我国目前仍处于 EKC 曲线的前期阶段[12]216-217，221。可见，我国农业面源污染与经济发展之间也会因发展阶段、地域、污染指标选取等的不同而呈现不同形状。

关于新疆面源污染的研究，早期多集中在农业面源污染的控制与治理及新疆农业面源污染的空间分异，后来开始关注农户对农业面源污染的防治意愿及影响因素[13]150-156，181。而对于新疆农业面源污染与经济增长的相关研究较少，近年来才有涉及。谢文宝、陈彤等采用污染单元法，从农田化肥、农田固废、畜禽养殖和农村生活等方面估算农业面源污染排放后，研究了新疆农业面源污染与农业经济增长的脱钩关系[14]68-75。

国内外学者对于农业面源污染负荷估算及其与经济增长关系的研究已有了一定高质量成果，为本论文的研究奠定了坚实的基础。纵观国内外的研究，由于输出系数法精确度高，且具有可靠性、科学性，因此国内外学者多采用输出系数模型来估算农业面源污染，且多以农业土地使用类型、畜禽养殖和农村生活污染为依据进行划分，鲜有以粮、棉、畜等农产品生产用地为视角作为划分标准的估算。在面源污染与经济增长关系方面，国内对于农业面源污染与经济增长的研究相对较少、起步较晚，对于新疆农业面源污染排放与经济增长的实证性研究较为缺乏，且农业面源污染与经济发展之间也会因发展阶段、地域、污染指标选取等的不同而呈现不同状况。综上所述，本文拟采用输出系数法，以粮棉畜农产品种类为划分标准，估算新疆种植业、畜牧业及农村生活的面源污染总氮（TN）总磷(TP)负荷排放，进一步实证分析新疆农业结构面源污染负荷排放与经济增长的库兹涅茨曲线关系，对农业供给侧结构性改革背景下，有效改善新疆农业生产环境、促进农业生产环境与经济协调发展具有重要意义。

二、新疆农业面源负荷估算与特征分析

（一）估算方法

本文将利用输出系数法对新疆农业面源污染进行估算。输出系数模型于20世纪70年代初期由美国、加拿大学者最先提出，此后Johnes等学者在1996年建立了更为完善的输出模型，对种植不同作物的耕地采用不同的输出系数，并加入了牲畜、人口等因素，其表达式为：

式中，Lj为污染物总负荷量[kg/(hm2·a)]，Eij为污染物j在第i种污染源中的输出系数[kg/(hm2·a)]或[kg/(ca·a)]或[kg/(ind·a)]，Ai为研究区域中i种污染源的种植面积（hm2）或第i种牲畜数量（头）或人口数量（人）等共m种。m为污染类型数，P为由降雨输入的污染物总量。本文主要讨论农业面源污染，不考虑降雨的影响，故估算时忽略P。

（二）指标选取与数据的来源

本文所使用的数据来源于国家统计局网站及《新疆统计年鉴》（2007—2018年）。由于2006年国家首次将控制农业面源污染、减少化肥大量使用列入《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》，故本文研究时段从2006年数据起截至2017年，旨在观测治理期的农业面源污染与经济增长的关系。

本研究中农业面源污染负荷估算的相关指标选取具体说明如下：

1.在农业面源污染负荷估算方面，根据《新疆统计年鉴》（2007—2018年）新疆种植业产值年均占新疆农业总产值的72%、畜牧业占22%，是农业面源污染的主要来源；而林业和渔业分别仅占2%和1%，故忽略不计。此外，农村居民生活带来的面源污染也是农业面源污染最主要来源之一[9]2278-2286。因此，本文估算的农业面源污染主要由种植业、畜牧业和农村生活三大负荷排放构成，主要估算指标为TN、TP输出负荷。

2.在种植业面源污染估算方面，根据《新疆统计年鉴》（2007—2018年）农作物种植结构数据，新疆种植业结构以粮食作物和棉花为主，二者种植面积之和占新疆种植业总种植面积的比例年均达73.7%，因此种植业面源污染负荷排放主要计算粮食作物和棉花。粮食作物中，2006—2017年小麦和玉米种植面积之和占同年新疆粮食作物总种植面积的比例年均达到90%，故粮食作物负荷排放以小麦和玉米为主。粮食作物和棉花的TN和TP流失系数分别采用“第一次全国污染源普查：农业污染源肥料流失系数手册”中“西北干旱半干旱区”的大田作物参数和棉花参数，其中棉花TP流失系数极小可忽略不计。

3.在畜牧业面源污染估算方面，畜牧业指标选取牛、猪、羊和家禽出栏量和存栏数据。畜牧业TN和TP的流失系数结合“第一次全国污染源普查：畜禽养殖业源产排污系数手册”中“西北地区”的参数，同时考虑到畜禽的养殖周期，参考已有新疆地区畜牧业负荷排放的研究[2]，计算获得研究区畜禽粪便年排泄系数，新疆畜牧业的总氮和总磷输出系数分别取为各自排泄系数的15%[15]489-497。

4.在农村生活面源污染估算方面，农村生活指标选取乡村人口数量。农村生活部分的面源污染物输出系数将采用国家环保总局推荐的人口输出系数。各农业产业输出系数值详见表1。

（三）估算结果及特征分析

依据式（1）的输出系数模型，利用Excel分别计算新疆种植业、畜牧业、农村生活面源污染的TN、TP负荷排放，从而得出新疆农业面源污染TN、TP总负荷排放量，进一步对新疆农业面源污染总排放特征、种植业面源污染排放特征、畜牧业污染排放特征以及农村生活面源污染排放特征作了结果分析。

1.新疆农业面源污染总排放特征分析

由图1可知，2006—2017年新疆农业面源污染TN、TP总排放量呈现先下降后增长的趋势，2008年是拐点。2006—2008年为TN、TP下降阶段，年均下降率分别为8%、9%；2008—2017年为TN、TP上升阶段，年均增长率分别为3.5%、3.9%。此外，2006—2017年新疆畜牧业、种植业、农村生活面源污染TN年均贡献率分别为48.5%、33.8%、17.7%，TP年均贡献率分别为60.9%、23.2%、15.9%，即新疆农业面源污染TN、TP排放都为畜牧业>种植业>农村生活。由此可见，畜牧业面源污染已成为新疆农业面源污染最主要的污染源，而种植业面源污染与农村生活面源污染同样不容小觑。

2.新疆种植业面源污染排放特征分析

种植业化肥施用是农业面源污染的最主要来源之一，实现化肥负增长是近几年来我国治理农业面源污染最主要的举措之一。2006—2015年，新疆种植业面源污染TN、TP负荷排放呈现长期增长趋势，2015—2017年才稍有减缓（见图1）。其中，粮食作物TN、TP负荷排放量自2007年以来一直处于上升趋势，在2016年达到了最大排放量，分别为22 346t和3 180t，2016—2017年才开始呈现下降趋势。这主要是因为2007—2016年小麦和玉米种植面积持续扩大，2017年开始有所控制。棉花TN负荷排放量随着种植结构的调整呈现出波动趋势，但总体呈增长趋势，在2014年达到了最大排放量为20 375t，这是由于新疆棉田面积总体上处于增长趋势。一方面，新疆种植业主要以粮食作物和棉花为主。粮食作物中，小麦和玉米是我国化肥施用量最大的两种单一作物[16]140-147，而2006—2017年新疆小麦和玉米种植面积之和年均占粮食作物总种植面积的90%，粮食作物种植面积又年均占农作物总种植面积的38.7%，同时新疆农业种植结构单一、种植作物施肥量较大也是种植业面源污染负荷大的重要原因。另一方面，新疆是我国最大的产棉区，2006—2017年棉花种植面积年均占农作物总种植面积的35%，棉花产业的高速发展离不开化肥的高投入，且多年来新疆棉田单位面积化肥施用量也在快速增长[17]63-68。棉花种植的化肥利用率也不乐观，据统计氮肥利用率为30%~60%，磷肥利用率仅为2%~25%[18]99-103，新疆化肥高投入低利用率的现实也是面源污染负荷大的主要原因。

表1种植业、畜牧业和农村生活输出系数取值

图1 2006—2017年新疆农业面源污染TN、TP负荷排放量

3.新疆畜牧业面源污染排放特征分析

2006—2017年新疆牛、羊TN、TP负荷排放量分别占到第一、第二位，TN负荷排放年均贡献率分别为58%与28%，TP负荷年均贡献率分别为39%与36%，远远超过猪和家禽负荷排放贡献率（见图2）。其主要原因是新疆畜牧养殖主要以牛羊等草食动物为主，牛与羊是新疆畜牧业面源污染排放的主要畜禽种类。此外，猪的TN、TP负荷排放量相对稳定，但家禽TN、TP排放自2008年一直处于增长趋势，这与新疆家禽养殖规模持续扩大紧密相关。

图2 2006—2017年新疆农业各部门面源污染TN、TP负荷排放量

新疆是我国仅次于内蒙古的第二大牧区，畜牧业作为新疆的传统产业，早已成为新疆农业发展的支柱产业。但新疆畜牧业是新疆最主要的农业面源污染源，TN、TP负荷排放量均占到了首位，与畜牧业产值仅占农林牧渔总产值的22%不相匹配。可见，从生态经济可持续发展的视角，新疆畜牧业发展结构有待调整。

4.新疆农村生活面源污染排放特征分析

农村生活面源污染主要指农村生活污水及农村生活垃圾排放，是农业面源污染的主要来源之一。2006—2017年新疆农村面源污染TN、TP负荷排放均呈现持续增长趋势，这是由于新疆农村人口的持续增长。一直以来，新疆人口增速都高于全国平均水平，人口自然增长率在全国排名第一。而且，新疆农村人口基数较为庞大，如2017年，新疆农村人口数占全疆总人口的50.6%，远远高于全国平均水平41.5%。

三、新疆农业面源污染与经济增长关系的实证分析

（一）模型的构建

EKC研究中经济增长与环境污染的一般模型的形式如下：

式中，Y为环境污染指标，X为经济增长指标，α为常量，βK为待定参数，Z为影响环境变化的其他控制变量，ξ为误差项。在实际模型构建中，影响环境变化的其他控制变量Z忽略不计。模型参数β1、β2和β3有重要意义，根据其取值不同可反映环境质量状况与经济发展之间的关系，具体关系类型有：

1.当β1≠0，β2=0，β3=0时，环境状况与经济增长之间呈线形关系；

2.当β1>0，β2<0，β3=0时，环境状况与经济增长之间符合倒“U”型EKC；

3.当β1<0，β2>0，β3=0时，环境状况与经济增长之间呈“U”型曲线关系；

4.当β1>0，β2<0，β3>0时，环境状况与经济增长之间呈“N”型曲线关系；

5.当β1<0，β2>0，β3<0时，环境状况与经济增长之间符合倒“N”型EKC；

6.当β1、β2、β3都不为0时，环境状况与经济增长之间呈三次曲线关系。

（二）指标选取

环境指标将选取上文估算的2006—2017年新疆种植业、畜牧业以及农村生活TN、TP负荷排放量，经济指标将选取人均种植业产值、人均畜牧业产值、人均农业总产值（农林牧渔业总产值）。以2006年为基期（2006=100）对新疆人均种植业产值、人均畜牧业产值及人均农业总产值（农林牧渔业总产值）进行处理，避免通货膨胀对结果产生干扰。

（三）模型的拟合结果

为进一步分析新疆种植业、畜牧业及农村生活TN、TP负荷排放与农业产值的关系，本文利用Stata软件分别对其进行库兹涅茨曲线拟合，主要估计步骤为：（1）对同时包含了人均产值立方项和平方项的方程进行估计，判断模型是否存在倒“N”型或“N”型曲线形状；（2）如果人均产值立方项不显著，则剔除人均产值立方项，对方程重新进行估计[15]。本文分别对三类污染源指标与人均产值进行估计，结果如表2表示。

（四）模型的拟合结果分析

1.种植业面源污染与经济增长的EKC曲线关系分析

回归结果表明，种植业TN、TP负荷排放与人均种植业产值的拟合程度极高，R2分别为0.9674和0.9466，且方程总体都通过显著性检验（p<0.01）。

种植业TN负荷排放量与实际人均种植业产值的曲线，满足β1<0、β2>0、β3<0的倒“N”曲线关系，呈现出两部分发展趋势：一个上升拐点，一个下降拐点。由估算结果可得，种植业TN负荷排放量上升拐点出现在2007年（人均种植业产值为6 844元），TN负荷排放量第一次下降拐点出现在2016年（人均种植业产值为10 250元）。

种植业TP负荷排放量与人均种植业产值满足β1>0、β2<0、β3=0的倒“U”型关系，符合环境库兹涅茨假说，即随着人均种植业产值的增长，种植业TP负荷排放量呈现先上升后下降的倒“U”型变化趋势。根据估计结果，倒“U”型下降的拐点为人均种植业产值10 568元时，出现在2017年内（2016年新疆人均种植业产值10 250元，2017年为10 705元）。

表2回归结果

综上，新疆种植业TN、TP负荷排放经过长时间的持续增长，分别在2016年、2017年内出现下降的拐点。如何做好种植业TN、TP负荷排放的防控措施，防止倒“N”型或倒“U”型曲线重新出现上升拐点，是当前的重要任务。

2.畜牧业面源污染与经济增长的EKC曲线关系分析

回归结果表明，畜牧业TN、TP负荷排放量与人均畜牧业产值拟合程度较好，R2分别为0.8453和0.8870，且方程总体均通过显著性检验（P<0.01）。畜牧业TN、TP负荷排放与人均畜牧业产值均满足β1<0、β2>0、β3=0的“U”型曲线关系，即随着经济增长，畜牧业TN、TP呈现先下降后上升的趋势。根据估计结果，畜牧业TN负荷排放“U”型上升的拐点在人均畜牧业产值2 259元时，畜牧业TP负荷排放“U”型上升的拐点在人均畜牧业产值2 230元时，均介于2011年（2 112元）与2012年（2 267元）之间，即畜牧业TN、TP负荷排放都在2012年内达到上升的拐点，且近年来随着畜牧业产值的上升持续增加。畜牧业面源污染应成为当前新疆农业面源污染治理的重中之重。

3.农村生活面源污染与经济增长的EKC曲线关系分析

回归结果表明，农村生活面源污染TN、TP排放与新疆人均农林牧渔总产值拟合程度极高，R2分别为0.9941和0.9943，且方程总体均通过显著性检验（P<0.01）。农村生活TN、TP负荷排放量与人均农林牧渔总产值的回归结果均满足β1≠0、β2=0、β3=0的线型曲线关系，即随着经济增长，农村生活TN、TP负荷排放量也在持续上升。因此，应重视与加大农村生活面源污染的治理力度，在美丽乡村建设、优化农村生态环境的同时，加大城镇化发展水平，适度控制农村人口增长。

四、结论与建议

（一）结论

从新疆农业面源污染负荷排放特征与经济增长的EKC曲线关系实证分析中，本文得出以下结论：

第一，新疆农业面源污染TN、TP排放正处于持续上升阶段，排放负荷由高到低依次为畜牧业>种植业>农村生活。2006—2017年，新疆畜牧业、种植业、农村生活面源污染TN负荷排放年均贡献率分别为48.5%、33.8%、17.7%，TP负荷排放年均贡献率分别为60.9%、23.2%，15.9%，且新疆农业面源污染与经济增长之间的关系呈现出倒“U”型、倒“N”型、“U”型及线型等不同关系。

第二，新疆种植业面源污染TN、TP负荷排放持续上升，原因可能是农业种植结构单一、种植作物需肥量较大、化肥利用率偏低、棉花单位面积施肥量快速增长等。种植业TN负荷排放与经济增长呈倒“N”型关系，种植业TP负荷排放与经济增长呈倒“U”型关系，且TN、TP负荷排放分别在2016年、2017年内出现下降拐点，应重点做好种植业TN、TP排放的防控措施，防止倒“N”型或倒“U”型上升的拐点的出现。

第三，畜牧业已成为新疆最主要的农业面源污染源，但产值仅占农林牧渔总产值的22%。新疆畜牧业畜禽TN、TP负荷贡献率由高到低依次为：牛>羊>家禽>猪。畜牧业TN、TP负荷排放与经济增长呈“U”型关系、并在2011年后均出现上升拐点。当前的重点在于调整畜牧业养殖结构，提高规模化养殖水平和养殖效率，全方位、多角度防控面源污染。

第四，农村生活面源污染一直处于持续增长趋势，主要因为新疆乡村人口基数较为庞大（农村人口占全疆总人口的50.6%），且长久以来处于持续增长趋势，2006—2017年年均增长率1.98%，高于全国平均水平0.45%。农村生活TN、TP负荷排放随着经济增长呈现线型增长趋势，此后应加大对农村生活面源污染的治理力度。

（二）政策建议

自2008年以来，新疆农业面源污染总负荷排放量一直处于持续增长趋势，在各方面的治理下，当前形势依旧严峻，提高新疆区域农业面源污染防治能力势在必行。

1.在种植业面源污染治理方面，重在避免上升拐点的出现，重在防控。一是积极调整农业产业内部结构，针对农业种植结构单一、种植作物需肥量较大的问题，在稳定粮食作物种植面积的情况下，结合疆内不同区域的农业环境现状，适当发展一些需肥量少、污染小、经济效益高并适宜当地种植的优质高效的特色农作物，如花生、蔬菜、枸杞等。二是提高化肥利用率，倡导多施用有机肥并推广使用科学合理的施肥方法和技术。三是针对棉花种植面积过大的问题，应致力于培育和推广高产、成本低、需肥需药量少的优质棉花品种，调整品种结构。

2.针对新疆畜牧业面源污染问题，要改变新疆畜牧业面源污染负荷排放量大但经济效益低下的局面，可通过引进先进畜牧生产技术、改进畜牧业生产方式、推进畜牧业产业结构升级与优化等途径实现畜牧业环境污染治理与畜牧经济效益的双赢。首先，着力提高新疆畜牧业规模化集约化经营水平。新疆是我国重要的肉牛生产基地和细毛羊基地，牛与羊作为新疆最主要畜禽品种是新疆畜牧业面源污染负荷主要来源。在充分利用新疆草原畜牧业先天自然资源优势、大力推动畜牧业发展的同时，提高规模化养殖水平，改变分散放牧、小规模经营现状，减少草地抛荒数量，相较于传统的散养方式，更有助于畜禽粪便、饲料残渣等废弃物的处理与利用，减少面源污染负荷排放。其次，可通过胚胎移植、良种繁育等先进技术的应用，培育生长发育较快、出肉率高、肉质优良的畜禽品种，通过提高畜牧业单产水平和生产效率，进而达到控制面源污染负荷排放的目的。

3.在农村生活面源污染防治方面，可通过改善和调整新疆农村人口结构，促进合理的农村人口流动和转移，加快城市化进程和扩大城市化规模等方式，有效减少农村生活污染总负荷排放量。另外，应积极推动新疆农村生态文明建设，通过加强农村生活污水治理、农村生活废弃物资源化、村庄美化和改善农村人居环境等举措，力争在2035年前基本实现农村生态环境根本好转的新疆美丽乡村建设目标。