【研究意义】我国农业生产长期依赖农药和化肥投入，农户在获得较高经济收益的同时，也对环境造成极大破环。近年，大量研究表明我国化肥的施用量已经超过了经济意义上的最优量，给农户带来了经济损失，但是化肥施用量依然呈上升趋势［1-3］。我国当前化肥过量施用较为普遍，与粮食作物相比，经济作物过量施肥更为严重［4-5］。有学者利用我国20年化肥施用量相关数据，对施肥量持续增长的原因进行分解，认为化肥施用强度的增加是我国化肥施用总量增长的主因［6］。因此，有必要确定合理的化肥施用强度，以有效控制化肥施用总量并提高化肥利用率。
【前人研究进展】作物最佳化肥施用量的测算通常有3种标准［3］，即农学最佳施肥量、经济学最佳施肥量和环境学最佳施肥量。农学最佳施肥量是以作物产量最大化为目标，且会随着要素投入变化和技术提高而变化；经济学最佳施肥量则是在化肥投入的边际收益等于边际成本时，以农户收益最大化为目的的最佳化肥施用量；环境学最佳施肥量，则是考虑了农业的负外部性所产生的环境治理成本的最佳施肥量。一般认为，农学最佳施肥量＞经济效益最佳施肥量＞生态效益最佳施肥量。对化肥最佳施用量测算方法已有大量研究，学者们大多围绕经济效益最大化的施肥量展开研究，通过对农作物产量与化肥投入构建一元二次生产函数进行回归分析，求解出产量最大化和经济效益最大化的化肥投入量。但此类研究大多集中于对粮食作物化肥投入进行分析。如有学者对山东省小麦的氮、磷、钾肥分别基于产量最大化和效益最大化为目标进行了测算，认为小麦施肥量偏高且施肥比例不合理［7］。还有学者通过对924个试点进行田间肥效试验，利用试验数据拟合一元二次函数，对河南小麦最佳经济施肥量进行测算，并提出要提高养分资源利用效率，保证粮食生产和生态环境安全［8］。还有学者运用投入导向的径向超效率模型，对山东省9个县（区、市）果农的产出效率以及改进值进行了测算，计算得出化肥施用量目标值平均为108.1 kg/667m2［9］。随着化肥污染的加剧，人们逐步意识到施用化肥的外部成本。为了保护生态环境和农业可持续发展，在进行农业生产时，农户必须将环境成本纳入生产决策中。学者采用环境影响经济评价方法估算氮肥的外部成本，并估算了基于农户经济效益、生态效益的稻田适宜施氮量［10］。其他的测算方法有直接市场法、影子价格法、支付意愿法等，但存在一定主观性和随意性。
【本研究切入点】从生态环境角度考虑，不能单纯为了追求产量最大而施肥，而为了保障粮食安全，施肥量也不能完全参照环境学角度的最佳施用量［11］。因此，本研究重点分析兼顾经济效益和生态效益的最佳施肥量。【拟解决的关键问题】以经济作物为例，选取我国苹果化肥施用量数据，利用剂量影响法和能值分析理论估计化肥的外部成本，通过构建苹果化肥（折纯量）与苹果产出之间的生产函数模型并进行回归分析，测算符合经济效益和生态效益的苹果最佳施肥量。
1 理论分析与模型构建
1.1 边际外部成本计算理论分析
符合生态效益的最佳经济施肥量测算，难点在于化肥外部成本的估算。本研究根据能值分析理论［12］，采用剂量影响法对我国苹果化肥施用的外部成本进行核算。能值理论是以太阳能值为依据通过将经济系统与生态系统进行有机结合，即将各种形式的能量转换为统一的标准太阳能（焦耳），定量分析和评价其在系统中的地位和作用［13］。按照化肥对环境的影响可以分为大气污染、土壤污染和水体污染3类。化肥大气污染是指由化肥施用所产生的一些危害呼吸系统和导致温室效应的气体，如氨气、一氧化二氮以及其他氮氧化物。化肥土壤污染是指由于过量施肥所导致土壤的盐渍化、土壤酸化板结和土壤重金属污染等。化肥水体污染是由于淋失、渗透等作用污染地下水，导致水体富营养化等。本研究通过将化肥产生的各种污染物的影响统一折算成伤残调整生命年，即各种环境污染物对人体健康所造成的危害导致健康寿命损失年，再通过与单位劳动力的能值消耗数相乘转换为太阳能值。最后利用能值货币比率对污染物进行经济估值。
1.2 边际外部成本计算模型构建
1.2.1 化肥污染物影响剂量确定 归纳国内外有关农田氮肥、磷肥养分运移转比率和污染物产生剂量的研究成果数据，确定苹果氮磷肥污染物产生的剂量：
式中，Dosei表示污染物i产生的剂量（kg），M表示氮肥或磷肥的折纯量，Cei表示营养元素的流转系数，Wc表示所产生污染物的分子量，Wf表示N或P2O5的分子量。本研究复合肥养分质量分数按《复合肥料国家标准GB15063-2009》规定氮肥40%、磷肥30%、钾肥25%计算。设定化肥养分的运移比率，各污染物的流转系数由文献整理所得［12］。分别计算各种污染物的影响剂量。
1.2.2 化肥危害系数的确定 通过采用伤残调整生命年法，分别量化不同污染物对人体健康的影响。
式中，DALYi表示某种污染造成的生命损害年累计数（年），Cdi表示单位污染物剂量引致的生命损害年数（年/kg），具体取值采用Ecoindicator99的系列评估值［14］。
1.2.3 化肥环境污染能值估算 将生命损害累计数与单位劳动力的能值消耗数据相乘并进行汇总，以此估算化肥施用对环境影响的总能值:
式中，U表示化肥施用对环境影响的总能值（J），i表示不同类型的污染物，Cm表示单位劳动力的能值消耗，取值为 9.35×1013 J［12］。
1.2.4 化肥环境成本估算 依据某一地区各年的能值货币比率，折算化肥施用的污染成本为：
式中，Ermb表示化肥环境影响的经济估值（元），Cg表示某一地区单位时间内使用的能值与GDP的比，即能值货币比率（J/元），此处Cg取值5.26×1011 J/元［15］。
1.3 兼顾生态效益的最佳施肥量理论分析
与经济最佳施肥量相比，兼顾经济效益和生态效益的施肥量更加符合经济发展与保护环境一致的目的。根据边际报酬递减规律，在短期农业生产中，假定其他生产要素投入数量不变，农产品的产量就会随着化肥投入量的增加而增加。但随着产量增加到一定程度后，单位化肥产出将不再增加，开始不断减少，直到为零，甚至为负。表现为农作物的产量增加的幅度小于化肥增加的幅度，甚至会随着化肥投入量的进一步增加而减少。农作物的总产量呈现S型变动，化肥的边际产出则表现为倒“U”型。假设苹果种植户是理性经济人。在实际生产中，种植户并非总是追求单位面积产量最大，而是会考虑化肥成本与苹果收益之间的关系，获得最大化经济效益。在完全竞争的市场中，化肥的边际成本就是其市场价格，当边际成本等于边际收入时，可以获得最大的效益。因此，化肥的施用量并非越多越好，需要对化肥的投入量进行控制以达到最佳投入水平。随着化肥投入要素的不断增加，就会产生农业污染，带来外部成本。实际上，农户在做出生产决策时并没有考虑这部分成本。因此，农户个人边际成本小于社会边际成本，导致农户化肥投入量大于社会化肥投入最优量［4］。
1.4 兼顾生态效益的最佳施肥量模型构建
若只考虑生产过程中某一要素投入（图1，L表示化肥投入的数量，Q表示苹果单位面积产量，MP表示苹果产量的边际产量，L1表示苹果边际产量由递增到递减的转折点），那么当化肥投入增加到L3，此时苹果的边际产量为0，苹果单位面积产量达到某一极限值；当化肥投入超过L3，苹果总产量开始下降。生产函数的重要部分是转折点与总产量递减点之间的一段。这一部分几乎代表全部生产过程［16］，是对报酬递减原理的反映。可用以下简单二次生产函数表示：
图1 生产函数曲线
Fig. 1 Production function curve
式中，β0、β1、β3为常数且大于0，
表示随机扰动项。用P表示苹果出售价格，PL表示化肥的市场价格，构造苹果生产的利润函数：
计算利润最大化下化肥投入量，则:
当满足上式时，即边际收益等于边际成本，可解出农户个人利润最大化时化肥投入量。由于化肥过量施用污染农业环境，造成一定社会成本，因此为了能实现农业生产与环境保护协同发展，农户进行生产决策时应考虑化肥的边际外部成本。边际社会成本由边际生产成本（MPC）、边际耗竭成本（MUC）和边际外部成本（MEC）组成。若用化肥单价PL作为MPC，则当边际收益等于边际社会成本时得到以下等式：
同时兼顾经济效益和生态效益的最佳施肥量L*为：
此时，当化肥投入量大于L*时，每增加单位的化肥投入成本大于其带来的苹果收益，应该减少投入。当化肥投入量小于L*时，增加单位化肥投入所带来的收益大于成本，化肥投入量L*即为兼顾生态效益的最佳施肥量。
2 对苹果生产中化肥投入的实证分析
苹果在我国果业中占有重要地位，其产量对果区经济、市场供应以及出口创汇有巨大影响。由于化肥的大量使用，我国苹果产量直线上升，同时也带来了一些问题。如化肥边际产出不断下降，过量施肥对果园环境与生态造成影响，优质苹果品质和数量有所下降等。测度苹果施肥量一般用单位面积施肥量指标即施肥强度来表示。从总体来看，苹果施肥强度在波动中呈增长趋势（图2）。1998—2002年，苹果施肥强度趋势先增长后下降；从2002—2009年，苹果施肥强度以平均每年8.6%的增长速度稳定上升，2009年苹果化肥施用强度比2002年化肥施用强度增加366.45 kg/hm2，是其1.74倍。2009—2017年，苹果施肥强度先后经历了两次先下降再上升的变动，这一阶段施肥强度波动明显，但始终在930 kg/hm2上下波动。与此对应的，我国1998—2017年苹果平均产量为27 521.85 kg/hm2。1998—2004年苹果单位产量变动幅度大，苹果产量大致呈现先降低后上升的趋势，与化肥施用强度具有相同变动幅度，这一阶段增加化肥施用强度可以提高苹果的产量。2004—2017年苹果单位产量变动幅度较小，在单位面积产量29 250 kg上下波动，且这一阶段化肥施用强度与苹果单位产量呈现出相反的变动趋势，随着施肥强度的增加，苹果的单位产量减少。
单位化肥产出指一单位化肥带来的产量。2004年单位化肥产出最高，一单位化肥可以带来47.46 kg苹果产出，施肥强度为617.1 kg/hm2；而2014单位化肥产出最低，一单位化肥仅能产出27.86 kg苹果，对应的施肥强度最大。总体上看，近20年来前10年化肥的单位产出呈下降趋势，后10年苹果的化肥单位产出在32.33 kg上下呈波动状态。
图2 我国苹果产量与化肥施用量
Fig. 2 Apple yield and fertilizer application in China
2.1 化肥边际社会成本估算
选取2017年全国苹果化肥平均施用量的数据，按照前述公式进行计算，结果（表1）显示，单位面积化肥产生的大气污染、土壤污染和水体污染分别占比为18.87%、34.19%、47.64%。大气中的氨气、土壤中的硝酸盐和水体中硝态氮对污染的贡献较高，累计达89.17%。当前各类污染物主要来自氮肥，磷肥次之。通过估算，2017年单位面积苹果施肥环境影响的经济估值为621.75元/hm2。苹果施肥边际外部成本（MEC）为0.73元/kg。若将化肥视为非耗竭性资源，则边际耗竭成本（MUC）为0。边际生产成本（MPC）等于2017年化肥折纯后混合平均价格（6615.15/853.5=7.75元/kg）。因此，化肥的边际社会成本（MSC）为8.48元/kg。
表1 2017年苹果化肥施用外部成本估算结果
Table 1 Estimation results of external cost of apple fertilizer application in 2017
磷酸盐Phosphate流转系数Transfer coefficient（%）指标Index氨气Ammonia二氧化氮Nitrogen dioxide氮氧化物Nitrogen oxide硝酸盐Nitrate硫酸盐Sulfate硝态氮Nitrate nitrogen铵态氮Ammonium nitrogen 5 0.67 0.5 34.5 64 6.7 3.3 11.2影响剂量Influence dose（kg）影响强度（年/kg）Influence intensity（year/kg）伤残调整生命（年）Disability adjusted life（year）总太阳能值Total solar energy（J）经济估值（元）Economic valuation（yuan）单位化肥成本（元）Unit fertilizer cost（yuan）26.1 4.515 5.82 66.75 3.165 129.45 31.35 26.25 5.10E-5 4.00E-6 6.79E-5 4.90E-5 1.70E-6 3.05E-5 1.67E-5 3.60E-6 1.33E-3 1.81E-5 3.95E-4 3.27E-3 5.38E-6 3.95E-3 5.24E-4 9.45E-5 4.53E+13 6.17E+11 1.35E+13 1.12E+14 1.85E+11 1.35E+14 1.79E+13 3.23E+12 86.1 1.2 25.65 212.25 0.3 256.2 33.9 6.15 0.1 0 0.03 0.25 0 0.3 0.04 0.01占比Proportion（%）13.85 0.19 4.13 34.13 0.06 41.19 5.46 0.99
2.2 兼顾生态效益的最佳经济施肥量估算
本研究选取1994—2017年苹果单位面积主产品产量和化肥投入折纯量构建模型（数据来源于1998—2018年《全国农产品成本收益汇编》），模型的R2为0.76，F值在1%显著水平下通过检验（括号内为t值）。
结果显示，苹果施肥量的二次项在1%显著水平下通过检验，且取值为负，表明在其他投入要素不变的情况下，苹果的产量与化肥施用量呈现倒“U”型关系。因此，化肥的施用量并非越多越好，苹果产量会随着化肥增加而到达极值，随后会减产，苹果的产量增长存在上限。对上式中L求导，发现化肥这一生产要素投入产出符合边际报酬递减规律，化肥的边际产出会随着化肥投入的增加而减少。为了估算经济施肥量和基于经济、生态效益最佳施肥量，可将上式系数β1=79.1、β2=0.615代入最佳施肥量L*公式，其中化肥折纯后混合平均价格PL=7.75元，苹果每50 kg出售价格为161.1元，苹果单价P=3.22元。计算2017年兼顾经济效益和生态效益的最佳苹果施肥量L*为932.55 kg/hm2。但此值并非固定值，容易受到化肥、苹果的市场价格影响。对L*公式中苹果价格P、化肥价格PL分别求偏导，发现最佳施肥量会随着化肥价格上升而减少，随着苹果价格的上升而增加。
从1980年开始，我国化肥施用量增长迅速，年均增长4.67%，其中谷类作物占农作物化肥用量比重呈下降趋势，瓜果蔬菜化肥用量的比重则逐年增加［17］。果树和蔬菜是主要的化肥消费群体，两者的化肥用量占比30%［18］。随着我国种植结构不断改变，经济作物比重不断增加，只有控制经济作物的施肥量，才能更好地减少化肥使用量，减少化肥污染，因此从化肥减量的角度出发，L*更加符合当前面源污染防治“两减”的要求。
2.3 八大苹果主产区施肥情况分析
从全国平均施肥强度来看，苹果施肥量小于兼顾生态效益的最佳施肥量L*（图2）。2013、2014、2015年苹果平均施肥均高于最佳施肥量，存在过量施肥问题。但2016、2017年苹果平均施肥分别为864、853.5 kg/hm2，均低于基于经济效益和生态效益的最佳施肥量，符合最佳施肥要求。
从河北、山西等八大苹果主产区实际施肥情况（表2）来看，各省的化肥施用强度存在较大差别，仍存在过量施肥问题。山东、河南和甘肃的单位面积施肥量较其他产区偏大，山东地区施肥量最大，单位面积施肥1 550.55 kg/hm2。宁夏、辽宁两地单位面积施肥量较小，宁夏地区的施肥量最小，不到山东施肥量的40%。从过量施肥的角度来看，八大苹果主产区中有五大产区存在过量施肥问题。山西、山东、河南、陕西、甘肃5个地区实际施肥量都超过了L*。山东化肥过量程度最高，达到66.27%，相比L*多施618 kg/hm2，产生外部成本1 131.9元/hm2。甘肃、河南两省苹果化肥施用过量程度也较大，相比L*分别过量53.29%和44.57%，产生外部成本为1 043.55、984.15元/hm2。河北省苹果施肥强度接近最佳施肥量，不存在过量施肥问题。相较其他产区，宁夏和辽宁苹果施肥强度低于最佳施肥量要求，宁夏施肥强度不足L*的66%，辽宁施肥强度不足L*的71%，存在一定的缺肥问题。
表2 2017年苹果主产区实际施肥及过量情况
Table 2 Actual fertilization amount and excessive situation in main apple producing areas in 2017
注：L*表示基于经济效益和生态效益的最佳施肥量，—表示该产地不存在过量问题。
Note: L* represents the optimal amount of fertilizer application based on economic and ecological benefits, —represents that there is no excessive problem in the production area.
施肥外部成本External cost（yuan/hm2）河北Hebei 926.85 -5.70 — 676.65山西Shanxi 1042.35 109.80 11.77 760.95辽宁Liaoning 662.40 -270.15 — 483.60山东Shandong 1550.55 618.00 66.27 1131.90河南Henan 1348.20 415.65 44.57 984.15陕西Shaanxi 986.40 53.85 5.77 720.00甘肃Gansu 1429.50 496.95 53.29 1043.55宁夏Ningxia 615.00 -317.55 — 448.95苹果主产区Apple production area Actual fertilization amount（kg/hm2） L-L* 过量程度Degree of excess（%）实际施肥量L
3 结论与建议
3.1 主要结论
经估算，苹果生产兼顾生态效益和经济效益的最佳施肥量为932.55 kg/hm2，但此值并非固定值，易受到市场价格变化的影响。苹果施肥强度呈现出明显的地区差异特征，全国平均施肥强度符合最佳施肥要求，但各地区之间施肥强度差异较大，过量施肥现象仍然存在，且个别产地较为严重。苹果单位面积施肥产生污染物成本大小依次是大气污染<土壤污染<水体污染，且化肥的外部成本为0.73元/kg，较为昂贵。
3.2 对策建议
针对上述结论，为了优化苹果生产化肥施用量，减少对环境的污染，提出以下建议：
3.1.1 减少化肥财政政策干预，加强市场监管 基于生态效益的最佳经济施肥量会随着化肥价格上升而减少，随着苹果价格的上升而增加，农户为了获得更多经济收入，会根据市场价格变动相应地调整施肥量。农户作为理性经济人，会根据化肥市场变化做出施肥选择，但一些相关财政优惠政策扭曲了价格信号和刺激化肥需求加剧了化肥的滥用［19］。如我国在2001、2002年内实行化肥增值税先征后退的政策并相继出台多个“限价政策”来控制化肥市场价格，这些化肥政策稳定了农资价格，提高了农民的生产积极性，同时也使化肥施用量快速增加，导致农业面源污染较为严重。因此，政府部门要减少化肥财政干预，还原市场价格，防止扭曲化肥市场价格。此外，农户调查数据显示，由于化肥企业生产化肥养分并不完全适合当地土壤需求，使农民购买施用的配方肥与农业部发布配方相同或相近较少［20］。因此，有必要规范化肥生产市场，加强市场监管，严格按照化肥生产标准对各大化肥生产厂进行抽检，确保化肥含量以及品质。
3.2.2 加快测土配方施肥技术推广，增施有机肥 从不同苹果主产地的平均施肥量来看，我国施肥强度呈现出明显的地区差异。个别产地的施肥强度快接近最佳施肥量的1.7倍，并产生了较高的外部成本。另外一些产区则明显缺肥，影响了当地果农的收入。为此，需要根据当地的土壤、水文、气候条件适当调整施肥强度，提高苹果经济收入。测土配方肥是按照作物生长需肥的规律以及种植土壤的养分供给量之间供需情况，提供必需的营养物质，进而提高作物产量。因此，我国要继续推广科学施肥技术，进一步扩大测土配方施肥的使用范围。各地在结合当地作物生长条件并对最佳施用量进行测算和推广的同时，还要增施有机肥，改善地质地力，用养结合。各地农业部门要加快当地测土配方工作的进展，实现“对症下药”，避免过量施肥带来的低效低产以及生态环境污染的问题。政府相关部门还要鼓励当地农户积极采用测土配方施肥，可以按照实际情况，对采用技术的农户给予适当补贴。
3.3.3 构建生态补偿体系，提升农户生态保护意识 经估算，基于生态效益和经济效益的最佳施肥量更加符合化肥减量化的要求。但在农业生产过程中，大部分农户都是基于产量最大化或是经济最大化进行施肥决策，对保护生态环境普遍缺乏认知。因此，为了减少面源污染，实现经济发展与保护生态环境的统一，需要提升农户生态保护意识。而生态补偿是一种协调经济发展和保护生态环境的有效手段，不但可以增加农民收入，还可以提高生态环保意识。因此政府部门可以采用生态补偿的方式，应用经济手段来激励农户维持一定的施肥水平，达到保护生态环境的目的。但若要将生态补偿付诸实施，还需要对补偿的标椎、补偿的方式以及补偿的来源等问题进行探讨，构建符合现实并可操作的生态补偿体系。
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