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技术进步视角下中国农业化肥减量施用路径研究

2024-08-16 56 上传者：管理员

摘要：以农业技术进步推动化肥减量施用是降低农业生产成本和环境威胁的重要路径。本文构建一个农业部门化肥施用系统模拟分析模型，并基于农业技术进步不同类型设置情景方案矩阵，模拟中国主要农作物2020—2035年化肥施用量的变化，分析不同技术进步路径下的农业化肥减量效应，探索中国农业化肥减量施用路径。研究结果表明：(1)如果缺乏有效的技术进步，中国农业化肥施用总量将会在较长一段时期内维持在较高水平；(2)肥效增进型技术进步的化肥减量效果明显大于产出增进型技术进步，协同推动两种类型技术进步其化肥施用减量效果最为显著。为此，要科学评估不同技术进步方式的化肥减量效果，选择和实施有针对性的农业技术进步路径，协同利用多种技术进步类型全面推动化肥施用减量增效。

关键词：
农业技术进步
动态局部均衡模型
化肥减量施用
化肥施用
模拟分析
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一、引言

中国是目前世界上最大的农用化学品消费国，在全球7%的耕地上施用了全球30%以上的化肥。然而中国农业化肥利用率较低，2020年中国三大粮食作物化肥利用率仅为40.2%，远低于世界平均水平。化肥的施用提高了农业生产效率，但也影响着农业生产成本和农地系统养分环境，给农业发展和生态环境带来多方面深层次的影响。近年来，为减少化肥施用，改变目前的高投入高产出的农业生产模式，中国政府已采取了一系列耕地保护政策和土壤保护措施，明确要求在稳定粮食产量的同时减少化肥的使用，继续开展化肥减量提效行动，推动农业生产方式全面绿色转型。推进包括化肥施用技术在内的农业技术进步，是减少化肥施用、降低作物生产成本和环境污染的主要途径。在确保粮食安全的前提下，农业技术进步意味着对土地、劳动力和化肥等资源更高效的使用。为进一步考察农业技术进步的化肥减量施用效应，本文将采用局部均衡模型分析框架，系统评估不同农业技术进步类型对中国主要农作物2020-2035年化肥施用量的影响，探索中国农业化肥减量施用路径。

二、研究设计

1.模型构建

为分析农业技术进步给农业生产及其化肥施用带来的系统性影响，采用数学规划方法构建了一个多地区多产品的价格内生局部均衡模型，即农业化肥施用动态模拟分析模型。该模型可用于研究各种技术情景下农产品生产中化肥、土地和水资源利用与农业产出之间的互动关系。该模型可以在一个整合性的模型系统中，将农业生产技术、资源投入和产品产出进行系统性耦合，能够实现在一个系统性框架下分析农业生产技术采用、资源利用和产品产出之间的复杂关系。

该模型在农产品供需平衡、技术(生产条件)和资源约束下，寻求农业部门经济福利(消费者和生产者剩余)最大化。该模型可将技术进步和供需变化等变量引入模型，进行连续多个时期的动态模拟。选择变量(内生变量)是各个区域各种作物的作物种植面积、作物的产出和需求以及各化肥施用等。农业化肥施用模拟分析模型中作物种植区域相对独立，拥有其特定的种植模式、资源禀赋。该模型基本构成如下：

(1)目标函数。

目标函数是农业部门生产和消费的社会总(经济)福利最大化。

式中，是农业部门的经济福利总和；和分别为反需求函数和反供给函数，表示农作物种类，表示作物生产区域，表示年份。表示作物在年的国内消费需求，表示作物c在区域i在t年的产品供给。不同技术进步类型将通过影响投入和产出来影响产品的供给，表示技术类型，其不同形式的变化反映不同的农业技术进步类型；表示作物c在区域i的施用。和分别在年农产品贸易量(输入与输出)，和分别表示农产品贸易价格。

(2)约束条件。

约束条件包括供需平衡约束、播种面积约束和用水约束等。

供需平衡约束。农作物总供给(产出和进口)大于等于其总需求(国内消费和出口)。

其中：为作物c在t年的产品产出量，为作物c在t年的库存。

播种面积约束。农作物种植面积考虑了当地种植习惯、可行种植面积和历史种植面积相结合的方法，来生成作物播种面积的约束条件。

其中：和分别是作物c的历史播种面积和可行最大播种面积；和内生决定的作物播种面积组合权重。

用水约束。各种作物的灌溉用水量不得大于当期当地农业用水供给量。

其中：为作物c在t年的灌溉用水量，s种需要进行灌溉作物种类；为t年农业用水供给总量。

2.数据来源

本研究选择中国31个省级行政区域(港澳台地区除外)为研究区。近十年来，水稻、小麦、玉米、大豆、花生、油菜(籽)播种面积占全国总播种面积近70%，是中国农业种植的主要农作物。因此，本文选择水稻、小麦、玉米、大豆、花生和油菜(籽)作为主要研究对象。

本研究采用的基础数据包括农产品消费需求、农作物种植面积和产量、各类生产要素投入价格和投入量、农产品进出口情况和价格等四大部分。其中农产品消费需求、农作物种植面积和产量数据来源于《中国农业展望报告(2021-2030)》、国家统计局“国家数据”数据库和《中国统计年鉴2020》。各类农业生产要素投入(土地、劳动、化肥、农药、农膜和水)数据来源于国家统计局“国家数据”数据库和《全国农产品成本收益资料汇编2020》。各种农产品进出口情况和价格数据来源于《全国农产品成本收益资料汇编》、《中国统计》。

3.情景设计

基准情景设置。不同农产品需求以及农作物单产年增长变化率来自于《中国农业展望报告(2021-2030)》，化肥利用效率年增长率则来自于《2021中国和全球食物政策报告》。

技术进步情景设置。本研究将农业技术进步可分为两类：第一类是产出增进型技术进步，即当所投入保持不变时，使农业产出增加的技术进步；第二类是肥效增进型技术进步，即当农业产出保持不变时，技术进步提高农业部门的化肥利用效率，从而减少化肥施用。两种不同类型的技术进步既可能单独发挥作用，也可能协同发挥作用。本研究中模拟情景包括产出增进情景、肥效增进情景和协同进步情景。在产出增进情景中，除作物单产发生变化外，作物产品消费和化肥施用变化均与基准情景相同。在肥效增进情景中，除化肥利用效率与基准情景不同外，其他变量均相同。协同进步情景下，上述两种技术进步同时发生。各作物单产年增长变化数据来自于《中国农业展望报告(2021-2030)》，化肥利用效率年增长率数据来自于《2021中国和全球食物政策报告》。考虑到各技术进步模拟情景的不确定性，每个技术进步情景下又分别设计了高、中、低三种方案。基于上述农业技术进步类型和方案，设置农业技术进步情景方案矩阵如表1所示。

数据来源：《中国农业展望报告(2021-2030)》和《2021中国和全球食物政策报告》

表1 农业技术进步对化肥施用的影响情景方案

三、结果分析

本文采用GAMS32.0软件，利用农业化肥施用动态模拟分析模型，对基准情景及不同技术进步情景下的农业生产和化肥施用情况进行系统模拟分析。不同情景下中国主要农作物化肥施用总量变化趋势如图1所示。为便于显示和比较，图中仅显示基准情景、产出增进情景(中方案)、肥效增进情景(中方案)和协同进步情景(低中高方案)的模拟结果。

在基准情景下，从2021到2035年农业主要作物化肥施用总量呈先缓慢上升，然后再缓慢下降的趋势。化肥施用量在2029年达到顶点，达到3987.13万吨。虽然化肥施用总量最终呈下降趋势，但是直到2035年，化肥施用总量仍有3 948.49万吨，略高于基期2020年化肥施用水平。化肥施用将会受到消费需求、农产品产出效率(单产增长率)和化肥利用效率变化的综合性影响。消费需求的增加将会推动播种面积及相应化肥施用的增加；而产出效率的提高将会对在化肥等投入不变情况下提高农产品产出，从而使得满足同样的供给而利用更少的土地和更少的化肥；化肥利用效率的提高使得在产出和播种面积不变的情况下减少化肥施用量。而在基准情景下，到2030年，随着社会经济的发展，中国各类农产品消费需求还将进一步稳步上升，但其增长速度逐渐下降。同时，农产品产出效率和化肥利用效率按照现有趋势小幅稳步提升。由于以上这些因素的综合作用，使得基准情景下的化肥施用量始终保持高位。如果缺乏有效的技术进步措施，当前农业生产模式施用难以化肥的减量施用，给农业高质量发展带来的威胁依然存在。

图1 2020-2035年不同模拟情景下主要农作物化肥施用总量

各种技术进步情景下历年化肥总量模拟结果均低于当年基准情景模拟值。比较技术情景和基准情景，可以看出在产出增进型技术进步情景中方案，到2030年和2035年主要农作物化肥施用分别比基准情景同期降低123.92万吨和204.40万吨，即分别减少3.12%和5.18%。这说明产出增进型技术进步和肥效增进型技术进步在化肥减量中都起重要作用，但仅依赖产出增进技术进步对化肥施用减量影响不大。而在肥效增进型技术进步情景中方案中，到2030年和2035年主要农作物化肥施用分别比基准情景同期降低305.26万吨和344.78万吨，分别占基准情景同期化肥施用量的7.68%和8.73%。

肥效增进型技术进步各方案对化肥的减量作用显著大于产出增进技术进步对应方案对化肥施用的减量作用。2030年和2035年肥效增进情景(中方案)下化肥施用总量分别比产出增进情景(中方案)降低了181.34万吨和140.38万吨，分别相当于产出增进情景(中方案)同期化肥施用量的4.71%和3.75%。

相比协同进步情景与产出增进情景和肥效增进情景，协同进步情景下主要农作物化肥施用量降低更多。在协同进步情景中方案中，2030年和2035年主要农作物化肥施用分别比基准情景同期降低434.31吨和573.83万吨，即分别降低了10.93%和14.53%，降低幅度大于两种技术进步单独作用的情景。也就是说，如果产出增进型技术进步和肥效增进型技术进步同时实现，其化肥施用减量效果最为显著。

低中高三种方案下主要农作物化肥施用量依次降低。在协同进步情景中，虽然低方案和中方案下主要农作物化肥施用分别比基准情景同期均有显著的降低，但其趋势存在一定的波动。这种波动主要是由于作物需求引致的播种面积的扩大与技术进步因素的综合影响带来的。而协同技术进步情景高方案中，主要农作物化肥施用量一直呈下降趋势。这说明该情景下产出效率和化肥利用效率对化肥的减量作用大于农产品消费需求对于化肥用量增长的推动作用，协同技术进步情景高方案可以保障化肥施用量持续稳步下降。

模拟结果还显示，到2035年，产出增进情景、肥效增进情景和协同进步情景技术进步情景下，主要作物种植的化肥减量潜力逐次提高，化肥施用总量下降潜力分别为4.01-6.29%(包含低中高三种方案)、6.20-11.03%和10.31-20.28%。

四、结论与启示

本研究可得出如下研究结论：(1)如果没有实施有效的技术进步，中国农业发展中化肥施用总量将会在较长一段时期内持续保持高位，这需要利用农业技术进步等手段促进化肥施用减量化，保障农业绿色可持续发展；(2)从中长期来看，产出增进技术进步和肥效增进技术进步都具有显著的化肥减量施用效果，而肥效增进型技术进步各方案对化肥的减量效果显著大于产出增进技术进步各方案的化肥减量效果。

基于以上研究结论，本文得出以下几点政策启示：(1)基于不同技术进步在不同时间阶段的相对优势，科学选择有针对性的农业技术进步路径，保障政策的实施效果，尤其在当前增产技术难以短期实现较大突破的情景下，要更加重视肥效增进型技术的研发和应用，提高化肥利用和吸收效率，推广和应用科学合理的施肥方法，优化农业要素投入结构，降低化肥施用总量；(2)要积极推动农业技术进步，协同利用多种技术类型，全面推动化肥施用减量增效，推进农业技术进步水平，一方面要通过产量增进型技术进步提高产出效率，间接降低化肥施用，另一方面要通过化肥效率提升型技术进步，提高化肥利用效率，直接减少化肥施用。

参考文献:

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基金资助:国家自然科学基金国际合作重点项目““食品､能源､水”互馈系统模型的构建和模拟:市场和贸易发展与能源和农业可持续性耦合关系研究”(编号:41961124004);

文章来源:马永喜,武继强,俞书傲.技术进步视角下中国农业化肥减量施用路径研究[J].农业经济,2024,(08):22-24.