我国部分地级行政区耕地无机肥氮素经济产出效率测算与时空分异特征分析

摘 要 为了厘清中国城市耕地无机肥的氮素投入状况和经济产出效益，采用区域种植业经济产出与区域无机肥氮素总投入量的比值作为无机肥氮素经济产出效率指示因子，研究了2000—2019年间全国、各城市、九大农业区、东中西部、粮食产区的无机肥氮素经济产出效率。基于核密度曲线、空间自相关分析等方法分析耕地无机肥氮素经济产出效率的时空差异特征。结果表明：1）总体来看各城市和区域耕地无机肥氮素经济产出效率存在长期向好倾向;2）从区域尺度上看，东中西地区耕地无机肥氮素经济产出效率呈现“东部高西部低”分布格局;3）从空间分异特征来看，在全局范围内呈显著的空间正相关性，且存在集聚分布态势和空间依赖性，空间集聚程度表现出极化效应有所减缓。

关键词 无机肥;氮素经济产出效率;动态演变;时空分异

中图分类号：S963.9 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.11.031

氮元素是维持生命的关键元素。改革开放以来，中国农业成功利用占世界7%的耕地养活占世界22%的人口，取得了举世瞩目的成就，无机肥的高投入在其中发挥了重要的作用[1]。但无机肥的过量施用或不当施用会引起耕地土壤酸化、耕层变浅[2]，造成局部空气污染、产生温室效应，造成水体富营养化和地下水污染等农业面源污染问题[3]。农业发展对生态环境的胁迫效应十分剧烈[4]，进一步加强耕地无机肥氮素管理对提高区域种植业生产率和改善耕地质量具有积极的影响。耕地无机肥氮素经济产出效率反映了种植业无机肥氮素投入的经济效益，探讨中国城市耕地无机肥的氮素投入状况，测算耕地无机肥氮素经济产出效率，有助于了解各城市耕地利用发展的高质量成效，为中国城市合理施用无机肥和有效控制无机肥面源污染提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  研究区域概况

为科学反映各地级及以上城市在全国范围内的空间分异特征，本文将直辖市纳入研究样本，涉及我国333个地级行政区（包括293个地级市、7个地区、30个自治州、3个盟），以及4个直辖市（北京、上海、重庆、天津）。

研究区域按3种类别进行划分，1）按照地理分区，以省级行政区为标准分为东中西地区;2）按照粮食生产情况划分，分为粮食主产区和非粮食主产区;3）根据《中国综合农业区划》，将全国划分为9个农业区。

1.2  数据来源

本研究所需数据包括全国各城市的氮肥施用折纯量、复合肥施用折纯量、耕地面积、种植业总产值，时间尺度为2000—2019年，数据来源于我国的统计年鉴、农村统计年鉴、农业统计年鉴、城市统计年鉴、城市建设统计年鉴以及各城市（州）统计年鉴、各城市（州）国民经济与社会发展统计公报。

1.3  测算方法

1.3.1  无机肥氮素投入量测算方法

我国农业生产上含氮元素的无机肥肥料主要包括氮肥和复合肥。氮肥施用折纯量和复合肥施用折纯的含氮量构成无机肥氮元素的输入源，本研究中根据我国常用的不同配方复合肥中氮含量折算，折纯的复合肥中氮素含量为32.2%[5]。

[Nfer=NF+CF×rN]   （1）

式（1）中，[NF]和[CF]分别表示氮肥和复合肥的施用折纯量;[rN]表示复合肥中氮素的含量，无机肥氮素投入涉及的数据主要为地市级行政单位氮、磷、钾、复合肥施用量及无机肥施用总量（折纯量），耕地面积等，数据来源为我国历年地级行政区及省份的统计年鉴。部分缺失数据用省级数据按耕地面积插值替代[6]。

1.3.2  无机肥氮素经济产出效率测算方法

本文参考欧盟国际上提出的氮素利用率（NUE），确定采用区域种植业经济产出与区域无机肥氮素总投入量的比值作为无机肥氮素经济产出效率（Nitrogen economic output efficiency）指示因子来评估研究中国城市耕地无机肥氮素经济产出效率大小。

[NEOE=AOVNinput×100%]  （2）

式（2）中，NEOE表示区域无机肥区域氮素经济产出效率，AOV表示区域种植业的经济产出（亿元），数据来源于各地市级行政单元统计年鉴中农林牧渔业总产值分类中的农业总产值;[Ninput]表示农作物种植过程中无机肥氮素总投入量（万t）。

2  结果与分析

2.1  无机肥氮素投入量时间演变特征

中国耕地无机肥氮素投入量从2000年的2 662万t增长到2019年的2 906万t，年均上升率为0.46%，氮肥施用折纯量氮投入从2000年的2 358万t下降到2019年的2 171万t，年均上升率为-0.4%，在全国城市耕地无机肥氮素投入量中贡献率从2000年88.59%的降低到2019年的74.71%;复合肥施用折纯量从2000年的862万t上升到2019年的2 128万t，复合肥施用折纯量氮素投入量从2000年的304万t增长到2019年的735万t，增长率为142%，年均上升率为7.09%，在全国城市耕地无机肥氮素投入量中贡献率从2000年11.41%的增长到2019年的25.29%。

2.2  无机肥氮素经济产出效率时间演变特征

2.2.1  中国城市无机肥氮素经济产出效率时间趋势

研究期间中国耕地无机肥氮素经济产出效率总体上呈现持续上涨趋势，均值为12.59，最高值为2019年的21.79，最低值为2000年的5.43，从2000年的5.43增长为2019年的21.79，年均增长率为15.05%。中国耕地无机肥氮素经济产出效率的变动主要分为3个阶段。第1阶段为2000—2003年，该阶段出效率分布在[5，6]，这段时期的经济产出水平呈现缓慢上升趨势。相对整个时期来说较低;第2阶段为2006—2015年，该阶段效率分布在[6，18]，这段时期的氮素产出水平呈现匀速上升趋势，相对整个研究时期来说属于中效水平;第3阶段为2017—2019年，该阶段效率分布在[18，22]，这段时期增长幅度较大，可能与政府重视粮食安全，推进农业可持续和绿色高质量发展有关。随着经济的快速发展，农业科技进步、农业机械化水平得到提升，2017—2019年的经济效益较高。从总体上来看，我国耕地无机肥氮素经济产出效率总体上呈现持续上升趋势，亟需继续提高无机肥的氮素产出效率，以实现经济效益和生态环境保护的可持续协调发展。

为了进一步研究我国城市耕地无机肥氮素经济产出效率随时间变化趋势，本文根据2000、2005、2010、2015、2019年城市耕地无机肥氮素经济产出效率核密度曲线展现出其动态变化。从峰值分布可以看出，我国城市耕地无机肥氮素经济产出效率呈现明显的单峰分布态势，说明2000—2019年相较于处于低效的城市数量而言，较高效的数量有明显的增加;从时间维度上看，5个年份的低效率峰值正逐年向右移动，说明在研究时期内，低效率城市的效率值得到大幅度的提升。就波峰陡峭程度而言，也可以看出低效率峰值逐年降低，高效率峰值则逐年升高。总体上也说明在研究时期内，我国城市耕地无机肥氮素经济产出效率两极分化现象正不断减弱，其中低效城市效率提高的速度较快，当地政府仍需加强区域间的协同合作和协调发展。

2.2.2  不同区域耕地无机肥氮素经济产出效率时间变化

从东中西地区耕地无机肥氮素经济产出效率来看，2000—2019年三大地区耕地无机肥氮素经济产出效率总体上呈现上升的时间变化趋势。考察期内，东中西地区效率均值分别为13.64、12.08、9.64，总体上呈现“东部高西部低”分布格局。东部地区耕地无机肥氮素经济产出效率从2000年的6.6增长为2019年的23.89，除2004年有所下降外，整体上逐年上升，年均增长率为13.09%。中部地区耕地无机肥氮素经济产出效率从2000年的4.21增长为2019年的18.04，年均增长率为16.45%;西部地区耕地无机肥氮素经济产出效率从2000年的5.75增长到2019年的24.78，年均增长率为16.55%。2000—2016年，中西部地区变动趋势相对一致，但是从2017年开始逐渐拉开差距，西部地区耕地无机肥氮素经济产出效率上升幅度较大，但中部增长幅度较小。

进一步分析粮食主产区和非粮食主产区耕地无机肥氮素经济产出效率，其变化趋势与全国及东中西三大区域变化趋势一致，呈现“波动式”上升演进趋势。考察期内粮食主产区耕地无机肥氮素经济产出效率平均值大于非粮食主产区，均值分别为11.54、11.71。粮食主产区耕地无机肥氮素经济产出效率从2000年的5.32增长为2019年的20.64，年均增长率为14.39%;非粮食主产区的耕地无机肥氮素经济产出效率从2000年的5.66增长为2019年的23.99，年均增长率为16.19%。

2.2.3  分农业区耕地无机肥氮素经济产出效率时间变化

从分农业区层面看，中国耕地无机肥氮素经济产出效率差异较为明显。总体上2000—2019年中国各农业区耕地无机肥氮素经济产出效率呈现波动性上升趋势。青藏高原区2019年效率值达到70.65且2000—2019年耕地无机肥氮素经济产出效率平均值位列第一，表明青藏高原区耕地无机肥氮素经济产出效率处于生产前沿面，用相对较少的无机肥氮素投入量获得经济收益。华南区2019年耕地无机肥氮素经济产出效率值达到31.85且2000—2019年效率平均值位列第二，表明华南用相对较少的无机肥氮素投入量获得较高的经济收益。耕地无机肥氮素经济产出效率平均值小于10的省份有2个，依次为北方干旱半干旱区（9.48）、黄土高原区（6.49），表明相对来讲相同的无机肥氮素投入量获得较少的经济收益，可能与区域土壤、气候、用水条件、种植业发展方式有一定的关系。2000—2019年四川盆地、青藏高原区耕地无机肥氮素经济产出效率增长较快，年均增长率均达到20%以上;其他农业区年均增长率均达到10%以上。总体上九大农业区耕地无机肥氮素经济产出效率呈现波动性上升趋势，亟需提高耕地无机肥氮素经济产出效率，大力实施粮食产能提升工程，集中支持适宜区域、重点品种，因地制宜发展现代化农业。

2.3  无机肥氮素经济产出效率空间变化特征

2.3.1  全局空间自相关分析

本文采用Geoda软件对Moran’s I散点图、LISA聚集图等进行分析，从而发现城市无机肥氮素经济产出效率在空间分布上存在的空间聚集特征。

全局空间正相关显著。2000—2019年各城市耕地氮素经济产出效率的 Moran’s I指数全部为正，而且Z值均大于0，P值均为0.001，基本上都通过了1%水平下显著性检验，在全局范围内呈显著的空间正相关性。地区间不平衡性尚存，高值集聚区增多。结合2000—2019年各城市耕地无机肥氮素经济产出效率指数散点图，发现其分布由集中趋于分散，这也在一定程度上表明各城市无机肥氮素经济产出效率水平极化现状严重，有向均衡化发展态势靠近的趋势。

2.3.2  局部空间自相关分析

局部空间正相关不显著。根据LISA显著性图可知，2000—2019年典型年份300左右以上城市的耕地无机肥氮素经济产出效率不显著，P值小于0.01的城市介于20～40个，这些城市主要分布在海南省、黄土高原及青藏高原等地区，在城市全局范围内呈显著的空间正相关性，且存在集聚分布态势和空间依赖性。空间聚集类型不显著。2000—2019年，270个以上的地级行政区耕地氮素经济产出效率聚集类型不显著，2000—2019年H-H型的地级行政区数量10～15个，主要集中在东北平原区北部地级市、青藏高原区南部地区。

3  结论与讨论

1）研究期間，全国各城市耕地无机肥氮素经济产出效率存在长期向好倾向，从2000年的5.43增长为2019年的21.79，均值为12.59，年均增长率为15.05%，总体上呈现持续上升趋势，低效率城市效率提高的速度较快，两极分化现象正不断减弱。亟需继续提高耕地利用的氮素效率，在测土配方的基础上，平衡综合使用无机肥和有机肥;调整要素配置，合理控制无机肥消费总量，确定生产资源配置的最佳方案;更好地推广和教育，提高农民对土壤肥力和无机肥施用的环保认知，实现经济效益和生态环境保护的可持续协调发展。

2）2000—2019年东中西地区耕地无机肥氮素经济产出效率总体上呈现上升的时间变化趋势。粮食主产区、非粮食主产区和九大农业区耕地无机肥氮素经济产出效率呈现“波动式”上升演进趋势。考察期内，耕地无机肥氮素经济产出效率呈现“东高中低”分布格局，粮食主产区效率均值比非粮食主产区高，青藏高原区和华南区的平均值较其他农业区高。各区域应根据当地资源优势和农业特色，因地制宜发展高产高效农作物。通过建立和发展特色农业基地，开发优势农产品，积极推进特色农业产业化和规模经营发展。同时，积极推进农业与二三产业融合发展，不断延伸农业产业链和价值链，促进高技术产业发展。利用互联网平台，带动特色农业产业的发展。

3）从空间分异特征来看，整体上呈现出东部高西部低的特征。从全局自相关看，在全局范围内呈显著的空间正相关性，且存在集聚分布态势和空间依赖性，各城市无机肥氮素经济产出效率水平逐步向均衡化发展态势靠近，高值集聚现象不断增强。从局部自相关看，2000—2019年典型年份300左右以上城市的耕地氮素经济产出效率不显著。东部地区和中部地区大部分城市的生产率聚集类型不显著。亟需推进种植业结构优化升级和绿色高质量转型，推广耕地利用可再生的绿色清洁能源，加强区域间协同发展，建立跨区域无机肥减量与环境保护合作机制。

参考文献：

[1]  朱兆良，孙波，杨林章，等.我国农业面源污染的控制政策和措施[J].科技導报，2005（4）：47-51.

[2]  张福锁.我国农田土壤酸化现状及影响[J].民主与科学，2016（6）：26-27.

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[4]  李海鹏，罗丽，张雄，等.中国农业能源效率动态演变及其影响因素[J].中国人口·资源与环境，2020，30（12）：105-115.

[5]  高伟，郭怀成，后希康.中国大陆市域人类活动净氮输入量（NANI）评估[J].北京大学学报（自然科学版），2014，50（5）：951-959.

[6]  田沛佩，卢宏玮，李丹，等.2008～2017年中国地级市化肥施用碳足迹的时空演变格局[J].中国环境科学，2021，41（2）：967-973.

收稿日期：2022-04-03

作者简介：韩莉（1998—），女，河南信阳人，在读硕士，主要研究方向为资源经济与管理。E-mail：
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