劉欽普，孫景榮，濮勵(lì)杰

中國(guó)及歐美主要國(guó)家化肥施用強(qiáng)度與綜合效率比較研究

劉欽普1，孫景榮1，濮勵(lì)杰2

（1. 南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)學(xué)科組，南京 211171；2. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210093）

提出化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率和綜合效率的計(jì)算模型，基于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)和7個(gè)歐美主要國(guó)家（英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、西班牙、意大利、美國(guó)和加拿大）的化肥施用強(qiáng)度和綜合效率進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：1961—2017年，中國(guó)化肥施用強(qiáng)度呈快速波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從3.1 kg/hm2增加到2014年的高峰值338.2 kg/hm2后降低至315.1 kg/hm2；歐洲5國(guó)化肥施用強(qiáng)度都呈現(xiàn)“上升—下降—上升—平穩(wěn)”的波動(dòng)變化，波動(dòng)幅度按西班牙、意大利、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)依次增大，各國(guó)高峰值依次為169.0、235.0、438.3、503.4、594.9 kg/hm2；美國(guó)和加拿大呈現(xiàn)小幅度波動(dòng)上升的變化，高峰值分別約為213.7、140.1 kg/hm2。8個(gè)國(guó)家的化肥施用強(qiáng)度趨于圍繞國(guó)際公認(rèn)的化肥安全施用上限225 kg/hm2，約在120～350 kg/hm2的范圍內(nèi)聚集和穩(wěn)定。就化肥施用綜合效率對(duì)比，西班牙基本上一直為最低水平；中國(guó)和加拿大由最高波動(dòng)下降至法意德美英5國(guó)之下；該5國(guó)的綜合效率2010年前皆呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，此后則快速下降至平穩(wěn)波動(dòng)；2010年以來(lái)，綜合效率的大小排序基本上是法國(guó)、意大利、德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)、西班牙、加拿大，綜合效率平均值分別為0.88、0.85、0.81、0.71、0.67、0.57、0.54、0.49。法國(guó)是化肥施用強(qiáng)度中等、綜合效率高、糧食產(chǎn)量高、施肥安全的國(guó)家，可為中國(guó)實(shí)現(xiàn)化肥施用負(fù)增長(zhǎng)提供借鑒。

農(nóng)業(yè)；化肥；化肥施用強(qiáng)度；相對(duì)產(chǎn)出率；綜合效率；歐美主要國(guó)家

0 引 言

近幾十年來(lái)，隨著世界人口的增加和對(duì)糧食的需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化肥用量也越來(lái)越大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界化肥農(nóng)用量2017年達(dá)到24 522萬(wàn)t（折純量），中國(guó)化肥施用量達(dá)到5 859萬(wàn)t（折純量）?；适┯媒o世界農(nóng)業(yè)帶來(lái)33%～66%的產(chǎn)量增長(zhǎng)[1]，但在中國(guó)和其他一些國(guó)家的過(guò)量施肥，也帶來(lái)了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題，引起了各國(guó)政府、機(jī)構(gòu)和專家學(xué)者的重視[2]。美國(guó)大部分州都制定了化肥法律，德國(guó)頒布了《施肥令》、《土壤保護(hù)法》和《生態(tài)農(nóng)業(yè)法案》，要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者嚴(yán)格按照要求施用化肥[3]。法國(guó)在1985年將“生態(tài)農(nóng)業(yè)”寫(xiě)入法律，后來(lái)逐漸建立了一套完整的農(nóng)業(yè)管理體系，從而推動(dòng)法國(guó)成為歐洲第一生態(tài)農(nóng)業(yè)大國(guó)。中國(guó)2019年要求“加大農(nóng)業(yè)面源污染治理力度，開(kāi)展農(nóng)業(yè)節(jié)肥節(jié)藥行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥使用量負(fù)增長(zhǎng)”。因此，合理施用化肥，提高化肥施用效率，是世界農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)需要研究解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外用多種指標(biāo)進(jìn)行化肥施用效率的研究。如作物邊際產(chǎn)量[4]、作物生產(chǎn)效率[5]、肥料利用率[6]、化肥農(nóng)學(xué)效率[7-8]、化肥技術(shù)效率[9]和化肥偏生產(chǎn)力[10]等。徐亞新等[11]主要通過(guò)對(duì)在中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索到的2000—2016年400多篇馬鈴薯田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)馬鈴薯氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）農(nóng)學(xué)效率平均值分別為52.2、58.5和42.3 kg/kg，偏生產(chǎn)力平均值分別為205.7、339.0和209.2 kg/kg，化肥利用率（養(yǎng)分回收率）平均值分別為36.4%、18.5%和27.6%。張福鎖等[12]統(tǒng)計(jì)中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)2001—2005年1 333個(gè)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出水稻、小麥和玉米氮肥的偏生產(chǎn)力分別為54.2、43.0、51.6 kg/kg，氮肥利用率分別為28.3%、28.2%和26.1%。楊增旭等[13]采用隨機(jī)生產(chǎn)函數(shù)法測(cè)算出中國(guó)1996—2009年間小麥和玉米化肥施用平均技術(shù)效率分別為0.474和0.452，與張福鎖等基于田間試驗(yàn)得出的肥料利用率存在明顯差異。楊印生等[14]基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析研究玉米種植施肥效率，結(jié)果表明變量施肥比傳統(tǒng)施肥技術(shù)效率高，更容易獲得規(guī)模收益。國(guó)內(nèi)研究從不同的角度認(rèn)識(shí)不同作物的化肥施用效率，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的參考和指導(dǎo)作用，但多基于國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)資料或較為復(fù)雜的計(jì)算，缺乏與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家化肥施用強(qiáng)度及效率的系統(tǒng)比較研究。因此，本文根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織提供的1961—2017年各國(guó)化肥施用量和糧食產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，提出化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率和綜合效率的概念及其較為簡(jiǎn)單的計(jì)算模型，對(duì)中國(guó)和英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、西班牙、意大利、美國(guó)、加拿大的化肥施用強(qiáng)度和效率進(jìn)行比較研究，一方面，對(duì)化肥施用效率測(cè)算提供有效方法，另一方面，為探討中國(guó)和歐美主要國(guó)家化肥施用強(qiáng)度和效率的變化規(guī)律及中國(guó)化肥施用存在的問(wèn)題，促進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)化肥施用負(fù)增長(zhǎng)提供決策依據(jù)。

1 方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 模型設(shè)定

1.1.1 化肥施用強(qiáng)度

化肥施用強(qiáng)度（Fertilization Intensity，F(xiàn)I）是一個(gè)常用的概念，但有2種不同的表示方法：1）指1a內(nèi)單位耕地面積化肥施用數(shù)量[15]；2）指單位作物播種面積化肥施用量，如2010年原國(guó)家環(huán)保部“關(guān)于印發(fā)《國(guó)家級(jí)生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)申報(bào)及管理規(guī)定（試行）》的通知”[16]對(duì)化肥施用強(qiáng)度的解釋是“指鄉(xiāng)鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)實(shí)際用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化肥施用量（包括氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥）與播種面積之比”。由于中國(guó)與歐美國(guó)家復(fù)種指數(shù)差別很大，為了便于比較各國(guó)化肥施用對(duì)作物生產(chǎn)的作用，本研究用第2種方法計(jì)算化肥施用強(qiáng)度（折純量）。計(jì)算公式[16]為

FI =/（1）

式中FI表示化肥施用強(qiáng)度，kg/hm2；表示化肥施用總量，kg；表示作物播種面積，hm2。

按照國(guó)際上通用的化肥安全施用上限為225 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)[17]，參考張福鎖等[12]對(duì)化肥施用強(qiáng)度等級(jí)以100 kg間隔劃分方法，本研究將化肥施用強(qiáng)度≤50、>50～150、>150～250、>250～350、>350 kg/hm2的變化范圍，分為低強(qiáng)度、較低強(qiáng)度、中強(qiáng)度、較高強(qiáng)度、高強(qiáng)度5個(gè)類型。

1.1.2 化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率

在眾多的表示化肥施用效率的指標(biāo)中，被國(guó)際農(nóng)學(xué)界常用的是化肥偏生產(chǎn)力[12]，是指作物籽粒產(chǎn)量與單位面積化肥投入量之間的比值，又叫化肥產(chǎn)出率（Fertilizer Output，F(xiàn)O）[18]。由于化肥產(chǎn)出率是帶有量綱的強(qiáng)度相對(duì)數(shù)，沒(méi)有最高上限，不便做出效率高低的類型劃分。為了便于比較不同國(guó)家化肥施用效率，參考測(cè)算相對(duì)效率的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（Data Envelopment Analysis，DEA）方法[14]，提出化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率（Fertilization Relative Output，F(xiàn)RO）的概念，即某一化肥施用產(chǎn)出率與最大化肥產(chǎn)出率的比值。計(jì)算公式如下

FRO = FO/FOmax（2）

FO =/FI （3）

式中FRO表示化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率或凈效率；FO表示化肥施用產(chǎn)出率，F(xiàn)Omax表示最大化肥施用產(chǎn)出率，kg/kg；表示作物產(chǎn)量，kg/hm2。

1.1.3 產(chǎn)量規(guī)模系數(shù)

化肥施用產(chǎn)出率和相對(duì)產(chǎn)出率只是表示化肥施用量與作物產(chǎn)量的對(duì)比關(guān)系以及某一化肥產(chǎn)出率在所有化肥產(chǎn)出率中的位置，不能反映化肥施用的作物產(chǎn)量規(guī)模效應(yīng)。例如投入10 kg化肥產(chǎn)出300 kg糧食的產(chǎn)出率與投入100 kg化肥產(chǎn)出3 000 kg糧食的產(chǎn)出率一樣，其相對(duì)產(chǎn)出率也相同，但他們的產(chǎn)出規(guī)模顯然不同。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求高效率的高產(chǎn)出，而不是高效率的低產(chǎn)出。為了體現(xiàn)化肥產(chǎn)出率的作物產(chǎn)量規(guī)模，提出產(chǎn)量規(guī)模系數(shù)（Yield Scale，YS）的概念，即作物某一單位播種面積產(chǎn)量與最高單位播種面積產(chǎn)量的比值，反映作物生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)。產(chǎn)量規(guī)模系數(shù)越大，表示作物產(chǎn)量越高。計(jì)算公式為

YS =/max（4）

式中YS表示產(chǎn)量規(guī)模系數(shù)，max表示最高產(chǎn)量，kg/hm2。

1.1.4 化肥施用綜合效率

為了體現(xiàn)化肥施用的規(guī)模效應(yīng)，提出化肥施用綜合效率（Fertilization Integrated Efficiency，F(xiàn)IE）的概念，是指作物產(chǎn)量規(guī)模系數(shù)與化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率的乘積的開(kāi)平方，計(jì)算公式為

FIE =(YS·FRO)1/2（5）

式中FIE表示化肥施用綜合相對(duì)產(chǎn)出率，即綜合效率，綜合效率越大，說(shuō)明化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率和作物產(chǎn)量的綜合效應(yīng)最佳。

化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率和綜合效率的值都在0～1之間。值越接近1，則化肥施用效率越高，反之亦然。按照涂正革等[19-20]對(duì)技術(shù)效率的分類，本研究將化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率或綜合效率取值在<0.60、0.60～0.69、>0.69～0.79、>0.79～0.89、>0.89的決策單元，分為低效率、較低效率、中效率、較高效率和高效率5個(gè)類型。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

中國(guó)及歐美7國(guó)（德、英、法、意大利、西班牙、美國(guó)和加拿大）的化肥施用量、糧食產(chǎn)量以及作物播種面積（或收獲面積）數(shù)據(jù)主要來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫(kù)[21]和《國(guó)際統(tǒng)計(jì)年鑒》[22]。糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫(kù)中各國(guó)農(nóng)用化肥數(shù)據(jù)分為2個(gè)類型：1）化肥消費(fèi)檔案中1961—2002年的農(nóng)業(yè)消費(fèi)的化肥實(shí)物總量；2）直接可查詢的2002—2017年農(nóng)業(yè)消費(fèi)的氮（N）、磷（P2O5）、鉀肥（K2O）折純量。2類化肥數(shù)量正好在2002年有交叉，可以算出2002年化肥實(shí)物量和折純量的換算系數(shù)。根據(jù)此換算系數(shù)，把各國(guó)1961—2001年的農(nóng)業(yè)化肥消費(fèi)的實(shí)物量轉(zhuǎn)換為折純量。糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有分別給出各種糧食作物的化肥施用量。由于糧食作物是各國(guó)的主要農(nóng)作物，參照多項(xiàng)研究的做法，用農(nóng)作物化肥施用量代替糧食作物化肥施用量[23-26]計(jì)算化肥施用效率。糧食產(chǎn)量是選取各國(guó)主要的3種糧食作物的產(chǎn)量按收獲面積加權(quán)平均獲得。各國(guó)及其主要的糧食作物如下：1）中國(guó)：小麥、水稻和玉米；2）德國(guó)和法國(guó)：小麥、大麥和玉米；3）英國(guó)：小麥、大麥和燕麥；4）意大利和西班牙：小麥、大麥和玉米；5）美國(guó)：小麥、大豆和玉米；6）加拿大：小麥、大麥和大豆。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家化肥施用強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)式（1），計(jì)算中國(guó)及歐美共8個(gè)國(guó)家1961—2017年的農(nóng)作物單位收獲面積的化肥施用量。結(jié)果表明，中國(guó)及英、德、法、意大利、西班牙、美國(guó)和加拿大的化肥施用強(qiáng)度分別從1961年的3.1、407.6、278.0、180.9、68.2、60.9、86.6、10.7 kg/hm2變化到2017年的315.1、346.7、238.7、219.4、127.2、139.2、206.0、128.7 kg/hm2，分別是原來(lái)的101.6、0.85、0.86、1.2、1.9、2.3、2.4、12.0倍。由此可見(jiàn)，中國(guó)化肥施用強(qiáng)度呈100倍巨大變化，加拿大呈12倍變化，意大利、西班牙和美國(guó)呈約2倍變化，德國(guó)、法國(guó)和英國(guó)施肥數(shù)量基本不變。中國(guó)、英、德、法、意大利、西班牙、美國(guó)和加拿大在不同年份達(dá)到的高峰值分別是338.2（2014年）、594.9（1983年）、503.4（1988年）、438.3（1983年）、235.0（1987年）、169.0（1998年）、213.7（1993年）、140.1（2011年）kg/hm2。為了更清楚地顯示各國(guó)化肥施用強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，對(duì)原時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行3 a滑動(dòng)平均，減少2 a數(shù)據(jù)，形成的時(shí)間序列趨勢(shì)如圖1。

圖1 1961—2017年中國(guó)與歐美7國(guó)化肥施用強(qiáng)度3 a滑動(dòng)平均的變化趨勢(shì)

由圖1可見(jiàn)，從1963年到2017年，歐美7國(guó)化肥施用強(qiáng)度的變化有一定的規(guī)律性，大致可以分為以下3類：

1）英德法3國(guó)，其化肥施用在中—高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)“上升—下降—上升—平穩(wěn)”的大幅度波動(dòng)變化（除去英法在1974年由于化肥產(chǎn)量銳減，化肥施用強(qiáng)度有短期低谷外），其波動(dòng)幅度以英國(guó)最高，德國(guó)次之。即3國(guó)在20世紀(jì)60年代和70年代農(nóng)業(yè)化肥施用強(qiáng)度在約200～400 kg/hm2的基礎(chǔ)上快速上升，直到1984年左右達(dá)到最高峰（約400～600 kg/hm2的高施肥強(qiáng)度），然后又逐步波動(dòng)下降到2010年前后，施肥強(qiáng)度低于20世紀(jì)60年代初的水平，此后又開(kāi)始緩慢上升至2017年200～350 kg/hm2，趨于平穩(wěn)。

2）意大利和西班牙，這2個(gè)國(guó)家在低強(qiáng)度施肥基礎(chǔ)上呈現(xiàn)“上升—下降—上升—平穩(wěn)”的小幅度波動(dòng)變化，其波動(dòng)幅度意大利高于西班牙，即這2個(gè)國(guó)家從起初化肥施用約為60～70 kg/hm2的較低強(qiáng)度，分別上升至20世紀(jì)80年代末期和90年代末期達(dá)到最高峰約235和169 kg/hm2的中強(qiáng)度，然后分別回落到2010年的低谷約120和110 kg/hm2，2013—2017年都又緩慢上升至約130 kg/hm2左右的較低強(qiáng)度，趨于平穩(wěn)。

3）美國(guó)和加拿大，分別在低和較低強(qiáng)度施肥基礎(chǔ)上，呈持續(xù)波動(dòng)上升，即從起初化肥施用強(qiáng)度分別從約87和11 kg/hm2較快速地上升到上世紀(jì)1980年的約194 kg/hm2和1985年的約90 kg/hm2，后來(lái)分別緩慢地波動(dòng)上升至2017年的約206 和130 kg/hm2。與以上3類相比，中國(guó)的化肥施用從1963年的約4 kg/hm2的低強(qiáng)度快速上升至2014年的最高值約338 kg/hm2較高強(qiáng)度水平，2015—2017年持續(xù)緩慢下降至約320 kg/hm2?？傊?，8國(guó)化肥施用強(qiáng)度由波動(dòng)發(fā)展走向平穩(wěn)發(fā)展，并出現(xiàn)集聚趨勢(shì)。

8國(guó)化肥施用強(qiáng)度的時(shí)空變化規(guī)律與各國(guó)相應(yīng)的自然經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件有著密切的關(guān)系。在時(shí)間上，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，西歐5國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，對(duì)糧食的需求也越來(lái)越迫切，農(nóng)業(yè)化肥的施用量也越來(lái)越大，英德法3國(guó)相繼過(guò)量。隨之土壤肥力降低、面源污染嚴(yán)重、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降等問(wèn)題顯露。到了20世紀(jì)80年代初期，化肥施用量達(dá)到頂峰，農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題更為嚴(yán)峻。各國(guó)都制定了嚴(yán)格的環(huán)境制度，并大力提高農(nóng)業(yè)施肥技術(shù)，化肥的施用量不斷降低，并趨于穩(wěn)定。在空間上，化肥施用量受各國(guó)氣候條件、人口密度和經(jīng)濟(jì)水平差異等的綜合影響。由于英國(guó)所處的緯度高，氣溫相對(duì)較低，化肥利用率較低，加上英國(guó)人口密度在5個(gè)國(guó)家中最大，經(jīng)濟(jì)水平高，對(duì)糧食的需求更為迫切，所以英國(guó)的化肥施用強(qiáng)度是最高的，起伏波動(dòng)幅度最大，與之相比，西班牙所處緯度較低，氣溫較高，化肥利用率較高，且人口密度最小，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，對(duì)糧食的需求也相對(duì)較低，所以化肥施用強(qiáng)度也最低，波動(dòng)幅度最小。

美國(guó)和加拿大的化肥施用量在時(shí)間變化上的趨勢(shì)基本一致的原因是他們都屬于移民國(guó)家，國(guó)土面積廣大，土地資源豐富，人口密度小，如美國(guó)的人口密度不到西班牙的2/5，加拿大的人口密度僅為美國(guó)的1/9，糧食壓力大為降低。移民國(guó)家由于勞動(dòng)力不足，農(nóng)業(yè)投入優(yōu)先用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，化肥投入數(shù)量較小[27]。同時(shí)美國(guó)農(nóng)業(yè)部自20世紀(jì)80年代初，在化肥施用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)凸顯的情況下提出了“最佳管理措施（Best Management Practices, BMPs）”，對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行控制，幫助農(nóng)民控制化肥施用數(shù)量，提高效率和成效[28]。在空間上美國(guó)的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件優(yōu)于加拿大，糧食產(chǎn)量比加拿大高近一倍，因此其化肥施用強(qiáng)度在各個(gè)時(shí)期都比加拿大高。

中國(guó)是世界上人口最多的發(fā)展中國(guó)家，用全球7%的耕地養(yǎng)活20%的人口，對(duì)糧食需求的壓力更大。在1978年改革開(kāi)放以前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展緩慢，化肥施用量不足，糧食生產(chǎn)主要靠土壤自然肥力和有機(jī)肥。改革開(kāi)放后，廣大農(nóng)民從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性高漲，通過(guò)化肥、農(nóng)藥等化學(xué)品的施用來(lái)保證農(nóng)產(chǎn)品的增產(chǎn)增收，化肥施用量快速提高，但過(guò)量及低效率施肥導(dǎo)致了嚴(yán)重、持續(xù)性的化肥面源污染[29]。2015年初，中國(guó)政府提出《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，有效控制住了化肥用量增長(zhǎng)的勢(shì)頭[25]。和歐美國(guó)家相比，中國(guó)的化肥施用量目前正處于高峰期，并有下降的趨勢(shì)?？梢韵嘈?，隨著中國(guó)政府和農(nóng)戶的共同努力，化肥用量將會(huì)緩慢地下降到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。

可以預(yù)期，隨著施肥技術(shù)及管理水平的不斷改進(jìn)，各國(guó)在目前化肥施用強(qiáng)度120～350 kg/hm2的基礎(chǔ)上，會(huì)圍繞國(guó)際公認(rèn)的化肥安全施用上限225 kg/hm2[15]，進(jìn)一步在更小的范圍內(nèi)聚集。中國(guó)、德國(guó)和英國(guó)這些高強(qiáng)度施肥的國(guó)家會(huì)降低化肥的施用，意大利、西班牙和加拿大的化肥施用量會(huì)有所提高，美國(guó)和法國(guó)則繼續(xù)保持在目前中強(qiáng)度的水平。這種趨勢(shì)也許成為225 kg/hm2安全指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)學(xué)根據(jù)。

2.2 中國(guó)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家化肥施用效率的動(dòng)態(tài)變化

化肥施用效率主要用糧食作物產(chǎn)量來(lái)衡量。利用糧農(nóng)組織網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)，通過(guò)作物收獲面積加權(quán)平均，計(jì)算各國(guó)1961—2017年間主要的3種糧食作物的單位面積產(chǎn)量，并進(jìn)行3年滑動(dòng)平均形成新的數(shù)列（圖2a）。由圖2a可見(jiàn)，中國(guó)和歐美7國(guó)的糧食產(chǎn)量變化明顯呈高中低3組波動(dòng)上升趨勢(shì)，且高中低3組之間的產(chǎn)量差距隨著時(shí)間的推移明顯地拉大。根據(jù)各國(guó)2010—2017年的年均糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分別按≤5 000、>5 000～7 000、>7 000 kg/hm2分為低產(chǎn)組、中產(chǎn)組、高產(chǎn)組。因此，加拿大和西班牙為低產(chǎn)組，中國(guó)、美國(guó)和意大利為中產(chǎn)組，英國(guó)、德國(guó)和法國(guó)為高產(chǎn)組（表1）。盡管各國(guó)的化肥施用強(qiáng)度波動(dòng)幅度差別很大，但是糧食產(chǎn)量波動(dòng)的幅度相對(duì)一致，皆呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，將對(duì)化肥施用效率有顯著影響。根據(jù)式（2）和式（3），計(jì)算出中國(guó)和歐美7國(guó)1961—2017年的化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率，即凈效率，然后進(jìn)行3年滑動(dòng)平均（圖2b）。

由圖2b可見(jiàn)，中國(guó)、加拿大和意大利3國(guó)分別在1963—1989、1990—2001、2002—2017這3個(gè)時(shí)期為化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率最大的國(guó)家，中國(guó)在2004年以后成為相對(duì)產(chǎn)出率最小的國(guó)家，英國(guó)除了在2004年以后比中國(guó)稍高并與中國(guó)同步降低外，基本上一直是處在最低的位置上向上提升。法國(guó)、德國(guó)和美國(guó)在中間水平呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，約在2010年前后呈現(xiàn)快速下降，近幾年又有所提升。

化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率的變化是糧食產(chǎn)量和化肥施用量綜合作用的結(jié)果。中加意3國(guó)化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率分別在上述3個(gè)不同時(shí)期最高，主要是因?yàn)樗麄兊幕适┯昧吭谙鄳?yīng)的時(shí)期最低或比較低。中國(guó)在1980年代末期后相對(duì)產(chǎn)出率呈現(xiàn)急速下降，是由于自1978年實(shí)行改革開(kāi)放以后化肥施用量大大提升，成為僅稍低于英國(guó)的較高強(qiáng)度施肥國(guó)家，使得近期化肥相對(duì)產(chǎn)出率在各國(guó)中最低。近些年隨著中國(guó)化肥減量增效措施的實(shí)施，使得糧食產(chǎn)量繼續(xù)增加，化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率稍微提高。西歐國(guó)家如德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)20世紀(jì)80年代前化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率的變化主要受糧食產(chǎn)量的影響，此后受環(huán)保壓力，他們的化肥投入量逐年下降，但其糧食單產(chǎn)不但沒(méi)有降低，還逐年升高，化肥施用效率快速提高，其關(guān)鍵原因是加強(qiáng)了科學(xué)施肥，實(shí)現(xiàn)了節(jié)肥增效[30]。

從8個(gè)國(guó)家化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率變化曲線的位置來(lái)看，20世紀(jì)80年代以前，由于中國(guó)和加拿大化肥施用強(qiáng)度低，化肥產(chǎn)出率數(shù)值過(guò)大，壓縮了其他國(guó)家化肥產(chǎn)出率的差別，隨著中國(guó)化肥產(chǎn)出率的降低，各國(guó)之間化肥相對(duì)產(chǎn)出率差距逐漸變大，從2010年以后分層比較明顯且穩(wěn)定，從大到小的順序?yàn)椋阂獯罄⒎▏?guó)、美國(guó)、德國(guó)、西班牙、加拿大、英國(guó)、中國(guó)，其平均值分別為0.99、0.81、0.67、0.66、0.62、0.58、0.49、0.41（表 1）。需要說(shuō)明的是，這里計(jì)算出的8國(guó)化肥相對(duì)產(chǎn)出率與用DEA軟件計(jì)算出的化肥技術(shù)效率相比，數(shù)值完全相同，說(shuō)明本文計(jì)算相對(duì)產(chǎn)出率的思路是可行的。

圖2 1961—2017年中國(guó)與歐美7國(guó)糧食產(chǎn)量及化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率3 a滑動(dòng)平均的變化趨勢(shì)

化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率僅反映了一個(gè)國(guó)家凈化肥利用率。但是理想的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的不僅是高的化肥利用率，還要是高的單位面積產(chǎn)量，即高效率和高產(chǎn)出，這樣更能體現(xiàn)化肥投入的意義和作用。表1可見(jiàn)，在2010—2017年間，意大利的化肥相對(duì)產(chǎn)出率雖為高效率，糧食產(chǎn)量卻屬于中產(chǎn)類型，而法國(guó)的糧食單產(chǎn)卻比意大利高34%，屬于糧食高產(chǎn)類型，但相對(duì)產(chǎn)出率卻低于意大利，顯然相對(duì)產(chǎn)出率沒(méi)有反映出產(chǎn)量規(guī)模。所以，綜合考慮化肥相對(duì)產(chǎn)出率和糧食產(chǎn)量的綜合影響，利用式（4）和式（5）計(jì)算出各國(guó)各年的化肥施用綜合效率（圖3）。由圖3可見(jiàn)，各國(guó)的綜合效率值比相對(duì)產(chǎn)出率趨于集中，是因?yàn)榧Z食產(chǎn)量相對(duì)集中。中國(guó)和加拿大綜合效率分別波動(dòng)上升到1987年和1982年后開(kāi)始下降，2010年后有所上升。其余各國(guó)的綜合效率1963年以來(lái)總體上不斷增加，這與相關(guān)研究結(jié)果具有較強(qiáng)的一致性[31]，2010年前后開(kāi)始下降，近幾年又有增加。與相對(duì)產(chǎn)出率相比，各國(guó)的綜合效率順序發(fā)生了一些變化，20世紀(jì)90年代以來(lái)，加拿大由于糧食產(chǎn)量最低，綜合效率也最低，法國(guó)的糧食產(chǎn)量比意大利高，綜合效率高于意大利位居第一。2010年以來(lái)，化肥施用綜合效率從大到小的排序?yàn)榉▏?guó)、意大利、德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)、西班牙、加拿大，其平均值分別為0.88、0.85、0.81、0.71、0.67、0.57、0.54、0.49（表1）?？梢哉f(shuō)，化肥施用綜合效率較好地反映了各國(guó)化肥利用的實(shí)際情況。

表1 基于2010—2017年多年平均獲得的各國(guó)化肥施用強(qiáng)度、糧食產(chǎn)量、相對(duì)產(chǎn)出率和綜合效率

圖3 1961—2017年中國(guó)與歐美7國(guó)化肥施用綜合效率3年滑動(dòng)平均的變化趨勢(shì)

需要說(shuō)明的是，法國(guó)不僅化肥施用綜合效率高，其化肥施用強(qiáng)度也在化肥安全施用上限225 kg/hm2以下。因此，法國(guó)的化肥施用在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中較為理想，表現(xiàn)為中等強(qiáng)度投入的高效率，糧食產(chǎn)量高且生態(tài)安全，為世界生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了較為成功的范例。

3 討 論

在歷史上，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家曾出現(xiàn)為追求農(nóng)業(yè)產(chǎn)量而導(dǎo)致化肥施用過(guò)量的面源污染問(wèn)題，造成地下水硝酸鹽污染和地表水中磷的富集。在歐洲由農(nóng)業(yè)面源排放的磷曾為地表水污染總負(fù)荷的24%～71%[32]，促使歐盟1980—1991年，相繼出臺(tái)了《飲用水法令》《硝酸鹽法令》和《農(nóng)業(yè)環(huán)境條例》等，對(duì)各成員國(guó)在水環(huán)境保護(hù)與管理方面提出了統(tǒng)一的目標(biāo)和要求[33]。但在實(shí)施過(guò)程中，各國(guó)可根據(jù)自身情況，采取不同的防治措施。以法國(guó)為例，為了減少化肥面源污染，法國(guó)1980s就采取多種農(nóng)業(yè)增產(chǎn)措施以逐漸取代化學(xué)化生產(chǎn)方式，例如培育和推廣高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和抗病蟲(chóng)害、抗逆性強(qiáng)的農(nóng)作物品種，通過(guò)土地休耕、輪作等途徑恢復(fù)并培育土壤肥力，發(fā)展生物肥料、生物固氮技術(shù)和生物防治病蟲(chóng)害技術(shù)等[34]。法國(guó)自1985年對(duì)“生態(tài)農(nóng)業(yè)”立法后，逐漸建立了一套完整的農(nóng)業(yè)管理體系，成為歐洲第一生態(tài)農(nóng)業(yè)大國(guó)[35]。法國(guó)谷物類糧食總量和人均產(chǎn)量遠(yuǎn)高于德國(guó)和英國(guó)，其農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占?xì)W盟農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的22%，農(nóng)產(chǎn)品出口長(zhǎng)期位居歐洲首位，成為世界主要農(nóng)副產(chǎn)品出口國(guó)。可以說(shuō)法國(guó)不僅是歐洲也是全球生態(tài)農(nóng)業(yè)的典范。

中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程與歐美國(guó)家相比起步較晚，目前化肥施用強(qiáng)度處于高峰期，從2014年后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這將符合發(fā)達(dá)國(guó)家所發(fā)生的化肥施用強(qiáng)度先升后降再趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律。與歐美多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家化肥投入相比，現(xiàn)在中國(guó)的化肥施用強(qiáng)度是處在超量過(guò)高的水平，化肥施用綜合效率處于低水平。本文是以播種面積計(jì)算化肥施用強(qiáng)度，若按照耕地面積計(jì)算化肥施用強(qiáng)度，中國(guó)的化肥施用強(qiáng)度比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家高的更多。因?yàn)闅W美發(fā)達(dá)國(guó)家的復(fù)種指數(shù)多為0.5～0.8，中國(guó)約為1.3，中國(guó)南方特別是福建、海南、廣東等省份，復(fù)種指數(shù)甚高，其單位耕地面積的化肥投入量都遠(yuǎn)高于全國(guó)水平。因此，中國(guó)節(jié)肥增效任重道遠(yuǎn)。參照目前法國(guó)的施肥強(qiáng)度和糧食產(chǎn)量，中國(guó)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，把化肥施用強(qiáng)度降低約40%至化肥安全施用上限225 kg/hm2以下，糧食產(chǎn)量仍有上升可能。

中國(guó)化肥減量行動(dòng)要因地制宜，分類指導(dǎo)。一般來(lái)說(shuō)，中國(guó)中東部地區(qū)人口密度大，農(nóng)業(yè)集約化程度高，化肥施用強(qiáng)度的變化基本上都經(jīng)歷了由低到高、然后下降的類似歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家那樣的發(fā)展歷程，而西部和東北一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)較晚，化肥施用強(qiáng)度的變化類似于美國(guó)和加拿大移民國(guó)家那樣的發(fā)展過(guò)程，目前多還不存在化肥施用量過(guò)量的問(wèn)題。因此，中東部地區(qū)是中國(guó)化肥減量的重點(diǎn)地區(qū)，例如河南、山東、江蘇、福建、廣東、海南要更多考慮適當(dāng)降低復(fù)種指數(shù)和單季化肥施用量，提高化肥施用效率。各地要明確區(qū)分出化肥施用過(guò)量區(qū)、適量區(qū)和不足區(qū)，有針對(duì)性地分區(qū)實(shí)施減肥增效措施。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)表明，化肥減量增效，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，離不開(kāi)法律、政策、技術(shù)和教育等綜合措施的保障。國(guó)家應(yīng)該出臺(tái)有關(guān)法律制度和政策，對(duì)化肥農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的使用要有相應(yīng)的規(guī)定和要求，明確防治農(nóng)業(yè)化肥污染的基本原則、管理體制、主要權(quán)利和義務(wù)、法律責(zé)任等。各地要確定化肥合理施用參考標(biāo)準(zhǔn)，完善配方測(cè)土施肥政策和技術(shù)手段，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)戶的科學(xué)教育和技術(shù)培訓(xùn)。技術(shù)上可借鑒法國(guó)普及衛(wèi)星管理農(nóng)業(yè)技術(shù)“土地之星”的經(jīng)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，為農(nóng)戶提供施肥量、施肥時(shí)間、灌溉時(shí)間和最佳收獲季節(jié)等，有效地避免濫用化肥農(nóng)藥。學(xué)習(xí)美國(guó)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)牧結(jié)合方法及農(nóng)田殘茬還田和免耕技術(shù)，注重養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)之間在飼料、肥料等方面的相互促進(jìn)與相互協(xié)調(diào)關(guān)系，增加土壤有機(jī)肥料，走有機(jī)無(wú)機(jī)相結(jié)合的道路。

4 結(jié) 論

1）1961—2017年間，中國(guó)化肥施用強(qiáng)度隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈快速波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從起初的3.1 kg/hm2增加到2014年的高峰值約338 kg/hm2，2015年開(kāi)始有所下降；歐洲西班牙、意大利、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)化肥施用強(qiáng)度呈現(xiàn)“上升—下降—上升—平穩(wěn)”的波動(dòng)變化趨勢(shì)，波動(dòng)幅度按上述順序依次增大，其高峰值依次分別為169.0、235.0、438.3、503.4、594.9 kg/hm2；美國(guó)和加拿大呈現(xiàn)持續(xù)小幅度波動(dòng)上升的變化趨勢(shì)，高峰值分別約為213.7、140.1 kg/hm2。目前8個(gè)國(guó)家的化肥施用強(qiáng)度趨于圍繞國(guó)際公認(rèn)的化肥安全施用上限225 kg/hm2，在120～350 kg/hm2的范圍內(nèi)聚集和穩(wěn)定。

2）中國(guó)和加拿大化肥施用綜合效率分別從1961年波動(dòng)上升到1987年和1982年后開(kāi)始下降，2010年后有所回升；其余各國(guó)總體上不斷增加，2010年前后開(kāi)始下降，近幾年也有回升。20世紀(jì)90年代以來(lái)，特別是2010年以來(lái)，化肥施用綜合效率從大到小的排序?yàn)榉▏?guó)、意大利、德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)、西班牙、加拿大，其平均值分別為0.88、0.85、0.81、0.71、0.67、0.57、0.54、0.49。法國(guó)是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中化肥投入既適量又高效、既安全又高產(chǎn)的國(guó)家，可為中國(guó)節(jié)肥增效和生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)提供借鑒。

本研究提出的化肥施用相對(duì)產(chǎn)出率，相當(dāng)于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（Data Envelopment Analysis，DEA）中計(jì)算的化肥技術(shù)效率，對(duì)單項(xiàng)化肥投入糧食產(chǎn)出的效率分析來(lái)說(shuō)，2種計(jì)算方法結(jié)果完全一樣，但本文方法更加簡(jiǎn)單，更加實(shí)用，省去了使用計(jì)算機(jī)軟件的麻煩。本文所設(shè)計(jì)的化肥施用綜合效率模型，既考慮化肥投入產(chǎn)出的相對(duì)產(chǎn)出率，又考慮產(chǎn)量基數(shù)，便于區(qū)分化肥產(chǎn)出率相同而產(chǎn)量規(guī)模不同的情況，相當(dāng)于DEA中不僅考慮技術(shù)效率，還要考慮規(guī)模收益，也類似于超效率DEA對(duì)傳統(tǒng)DEA不能有效區(qū)分技術(shù)效率都等于1的多個(gè)有效決策單元效率水平的改進(jìn)。綜合效率模型的計(jì)算結(jié)果更好地反映了各國(guó)化肥利用的實(shí)際情況。如何用簡(jiǎn)單的方法測(cè)算中國(guó)及發(fā)達(dá)國(guó)家氮磷鉀多項(xiàng)化肥投入糧食生產(chǎn)效率是今后研究的重點(diǎn)。

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Comparative study on fertilization intensity and integrated efficiency in China and Euro-American major countries

Liu Qinpu1, Sun Jingrong1, Pu Lijie2

(1.,,211171,; 2.,,210093,)

Optimal fertilizer application with sustaining grain yield is a goal of modern agriculture development. Understanding the fertilizer application history of developed countries is helpful to provide lessons for fertilizer application in China. In this study, the concepts and calculation method of Fertilization Relative Output Rate (FRO), Yield Scale Coefficient (YS) and Fertilization Integrated Efficiency (FIE) were proposed to compare Fertilization Intensity (FI) and integrated efficiency of China and Euro-American countries of UK, Germany, France, Italy, Spain, US and Canada based on the data of fertilizer amount and grain yield in 1961—2017 from FAOSTAT. The FI was defined as ratio of fertilizer amount to harvested area. FRO was defined as ratio of Fertilizer Output (FO) to the maximum fertilizer output. FIE was the square root of product of YS and FRO and YS was the ratio of yield to the maximum yield of crops. The results showed that the FI value in China was increased rapidly with small fluctuation from 3.1 kg/hm2in 1961 upon the peak of 338.2 kg/hm2in 2014 and to 315.1 kg/hm2in 2017. The FI values from 1961 to 2017 in five European countries of Spain, Italy, France, Germany and UK were in a similar pattern of “increase-decrease-increase-stable” and the peak values of these countries occurred in 1998 (169.0 kg/hm2), 1987 (235.0 kg/hm2), 1983 (438.3 kg/hm2), 1988 (503.4 kg/hm2), 1983 (594.9 kg/hm2), respectively. The FI values in US and Canada were slowly increased as immigrant countries with small fluctuations and reached peaks of 213.7 kg/hm2in 1993 and 140.1 kg/hm2in 2011, respectively. The FI values of eight countries fluctuated around 225 kg/hm2(the internationally recognized fertilization safety threshold) between the range from 120 kg/hm2to 350 kg/hm2. China, Canad and Italy had the highest FRO values respectively in the periods of 1963—1989, 1990—2001, 2002—2017, respectively, but the UK’s values of FRO were mostly at the lowest level from 1963 to 2017. The rank of FRO values for eight countries after 2010 from high to low was Italy, France, US, Germany, Spain, Canada, UK and China with the average values of 0.99, 0.81, 0.67, 0.66, 0.62, 0.58, 0.49, 0.41, respectively. The Spain’s FIE values were at most time below the other countries and they were rapidly increased before the end of 1980s and then became relatively stable. However, the FIE values of China and Canada were higher than the other countries respectively before 1990 and 1980, afterwards, they went down to the levels lower than that of France, Italy, Germany, US and UK. The FIE values of France, Italy, Germany, US and UK increased rapidly before 1990. They were increased slowly since 1990 but rapidly decreased since 2010. They showed increasing tendency in recent years. The FIE average values of eight countries in 2010—2017 ranked the first for France, then Italy, Germany, US, UK, China, Spain and Canada with average values of 0.88, 0.85, 0.81, 0.71, 0.67, 0.57, 0.54, 0.49, respectively. France was the best country in fertilizer use with high output rate, high grain yield and safety to environment. The average FI and grain yield in France in 2010—2017 was 207 kg/hm2and 7 294 kg/hm2and the FI was less than 225 kg/hm2. France could be considered as a good example for China to learn from in decreasing fertilizer use amount while sustaining grain yield in eco-agriculture construction.

agriculture; fertilizers; fertilization intensity; relative output rate; integrated efficiency; Euro-American major countries

劉欽普，孫景榮，濮勵(lì)杰. 中國(guó)及歐美主要國(guó)家化肥施用強(qiáng)度與綜合效率比較研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(14)：9-16.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.002 http://www.tcsae.org

Liu Qinpu, Sun Jingrong, Pu Lijie. Comparative study on fertilization intensity and integrated efficiency in China and Euro-American major countries[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 9-16. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.002 http://www.tcsae.org

2020-03-23

2020-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41230751）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41871083）；南京市環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（2017-2020）。

劉欽普，博士，教授，主要從事土地資源利用與環(huán)境評(píng)價(jià)研究。Email：liuqinpu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.002

X592

A

1002-6819(2020)-14-0009-08