第 1 章绪论
1.1 研究背景
在粮食生产中，化肥是增加单位面积产出水平的重要投入因素(Caires et al., 2015; Fei and Weiming, 2015; Lin et al., 2015)。据 FAO（2004）统计，过去 30 年世界粮食产量 50%的增加量来自化肥施用量的增加，发展中的中国也不例外。中国是世界上最大的化肥消费国，也是世界上化肥过量施用程度最高的国家之一。2016年，中国单位耕地面积化肥使用量达到 443.3 kg/hm2，为国际化肥安全施用上限（225 kg/hm2）的 1.97 倍，已经超过了经济学意义上的最优施用量。化肥的过量施用在增加粮食生产成本(Ange, 1993)的同时，还对粮食安全(Branca et al., 2013)、土壤安全(Oberholzer et al., 2015; Mbuthia et al., 2015; Zhu and Bo, 2015)、水生态环境安全(Sepaskhah and Barzegar, 2010; Paolo and Rinaldi, 2008; Ikeda et al., 2014; Fujiwara et al., 2007)等造成现实威胁，直接影响经济社会可持续发展和人类身体健康(王艳群等, 2005; 朱兆良等, 2005; Ju et al., 2009)。
中国共产党和政府充分认识到农业化肥面源污染治理的重要性。2015年2月，国家农业部出台《到 2020 年化肥使用量零增长行动方案》确立“到 2020 年，盲目施肥和过量施肥现象基本得到遏制，主要农作物化肥使用量实现零增长”的目标任务。2017 年、2018 年、2019 年中央一号文件均明确深入推进化肥农药零增长行动，启动有机肥替代化肥试点工作。2018 年 3 月 5 日，十三届全国人大一次会议推出调优结构减量、精准施肥减量、有机肥替代减量、推进耕地质量建设减量和加强监督考核等化肥减量增效的五项重大举措。
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化肥是粮食的“粮食”(朱兆良、金继运, 2013)，是提高中国主要粮食作物单产的重要途径之一。然而，在化肥施用过程中，会因为化肥施用过多以及结构不合理等因素引起化肥流失率过高、面源污染扩大、粮食产出弹性减少、增产效应下降等问题，这不仅增加了中国粮食生产成本，还带来了日趋严重的土壤、水等环境问题，影响着粮食生产的可持续性。如何有效减少化肥施用以降低过量施肥程度，并能同时保持粮食产出的质量和数量，已成为政府部门和学术界关注的重点和热点问题。
那么，现阶段中国主要粮食作物主产区过量施肥程度如何？中国主要粮食作物主产区过量施肥程度时空格局分布如何？哪些区域可以成为化肥合理科学施用任务的重点关注区域？什么原因导致农户选择过量施肥行为？采取何种措施可有效治理农业化肥面源污染？目前的研究还未就此给出令人信服的答案。对这些问题进行深入细致研究并给出符合实际的科学解答，将可以为中国政府完善和推动化肥减量相关政策的有效实施提供直接参考，具有重要的实践价值。
为此，本研究以中国主要粮食作物水稻、小麦和玉米主产区为研究案例地区，从经济学的视角，基于利润最大化理论构建经济学标准，测度农户过量施肥的程度；从空间分异特征分析的视角，研究中国水稻、小麦和玉米主产区是否存在过量施肥现象的集聚效应以及哪些区域存在空间集聚，根据其集聚特征对其进行空间聚类冷点和热点分析，并以矢量地图形式展现，识别出化肥减量施用的关键区域；从农户行为特征的视角，运用空间杜宾模型系统研究影响农户过量施肥决策的影响因素；在上述研究的基础上，设计出激励农户化肥减量增效的政策方案，为中国政府和非研究案例地区地方政府制定、完善和实施相关政策提供理论支撑和决策参考。
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第 2 章国内外相关研究综述
2.1 过量施肥程度测算研究
过量施肥程度的准确测算是制定化肥减量任务的基本支撑，给出正确的解答将直接关系到中国化肥减量任务能否顺利实现，具有重要的实际意义。
从自然科学角度出发，粮食作物过量施肥程度的主要判断依据为作物产量最大化和有效吸收量。例如，朱兆良(2000)根据中国15N 标记氮肥的田间试验结果，以效益最优下稻田氮素有效吸收量为判断依据，测算得出中国粮食作物的氮肥利用率为 30%~35%，水稻过量施肥程度达到 70%；陈同斌等(2002)根据 1990-1998年中国不同化肥施用量和粮食产量数据等数据，以能被作物吸收的实际有效养分为基础，测算中国三大区域化肥利用率亦存在较大差异，高施肥区的化肥利用率为 26.1%，中过量区的化肥利用率为 33.2%，低过量区的化肥利用率为 34.8%，全国平均过量施肥程度达到 69%；张福锁等(2008)通过对中国粮食主产区的 1333 个田间试验结果，进行氮磷肥钾肥的农学效率、肥料利用率等分析，测算出中国不同地区水稻、小麦、玉米的当季肥料利用率分别为 28.3%、28.2%、26.1%，水稻、小麦和玉米的平均过量施肥程度均在 70%以上；中国科学院南京土壤研究所统计全国 782 个试验的结果，氮肥的利用率平均仅为 28%～41%，利用率为 35% 左右，平均过量施肥程度达到 65%。
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2.2 影响过量施肥程度的因素研究现状
基于西奥多·舒尔茨“理性小农”的基本假设，学者们运用农户行为模型从理论上探讨农户过量施肥决策的形成机理，解析农户个人特征、生产和家庭特征、农户的风险意识等内生因素以及外生因素对农户过量施肥决策的影响机制和影响路径，归纳整理农户过量施肥决策的关键影响因素。
张福锁、纪月清、何浩然等人的研究表明，种植结构调整、缺乏科学施肥的技术和知识导致了化肥的过量施用(纪月清等, 2016; 张福锁等, 2008; 何浩然等, 2006)。纪月清等(2016)从化肥市场差异性与农户信息不完全的视角，研究发现化肥市场差异化使农户难以通过经验积累正确的施肥知识，加之信息获取成本较高，进而导致一些“理性无知”的农民在购买高质量化肥后仍按照过去经验或其他农户的一般做法施肥，因此导致化肥施用过量。何浩然等(2006)通过建立农户施肥强度影响因素的多元回归模型，研究得出农业技术培训多由化肥、农药等农资站所提供，在技术培训时以农作物增产、化肥促销为目的，直接提高了化肥施用强度，导致化肥施用过量。
仇焕广、李静等人的研究则强调了农户受教育水平对化肥施用的影响：一方面，广大农户在接受了化肥科学知识培训教育之后，农户更加能够采纳农机部门所推广的先进施肥技术及其最优施肥量，从而达到减少化肥使用的目的(仇焕广等, 2014)；但另一方面，农户也有可能会因为受教育程度越高，对化肥提高农作物产量的认识越深刻，在机会成本的诱惑下，高学历的农户更容易过量施用化肥保证粮食产量，去挣取更高的机会成本(李静、李晶瑜, 2011)。
胡浩、何浩然等人的研究发现，劳动力非农就业对农户化肥施用量增加也具有较强的解释力，主要原因在于，伴随着我国劳动力市场的不断完善，农业劳动成本不断增加，农户投入农业生产的时间较少，倾向于通过增施化肥来弥补劳动投入量的减少，导致劳动成本增加对化肥施用具有促进作用(胡浩、杨泳冰, 2015)；同时，非农就业机会所带来的收入流，提高了农户家庭经济发展水平，降低了农户购买化肥等生产资料的资金约束，从而提高了购买化肥的经济能力，导致农户过量施肥(何浩然、张林秀、李强, 2006)。
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第 3 章中国主要粮食作物过量施肥程度评价 ................................. 15
3.1 粮食作物是否过量施肥的判别结果 .................................. 15
3.2 国家尺度粮食作物过量施肥程度的时序变化分析 ...................................... 16
3.3 区域尺度粮食作物过量施肥程度的时空差异分析 ...................................... 17
第 4 章中国主要粮食作物过量施肥程度的空间关联格局分析 ................................ 28
4.1 全局空间自相关分析 ...................................... 28
4.2 冷热点的时空特征分析 ................................ 29
第 5 章中国主要粮食作物过量施肥程度影响因素研究—基于 SDM 模型 ............. 37
5.1 主要影响因素及解释变量的选择 ............................... 37
5.2 中国主要粮食作物过量施肥程度影响因素回归分析 .................................. 38
第 5 章中国主要粮食作物过量施肥程度影响因素研究 —基于 SDM 模型
5.1 主要影响因素及解释变量的选择
此前，已有相关文献对化肥过量施用行为的内生性因素、外生性因素进行了探讨。其中，内生性因素的研究主要包含农户的经济收入水平、家庭劳动力的数量与文化程度、种植规模等因素，外生性因素的研究主要包含当地机械化水平、经济作物种植比例、农技培训开展状况以及受灾情况等。据此，解释变量包括如下影响因素：
①农业机械化水平（mech），用水稻、小麦和玉米主产区省（市、自治区）的农业机械总动力表示。根据王欧（2016）、杨万江（2017）等人的研究，中国农业正依靠更多的机械投入向着专业化和现代化的方向发展，机械化操作一方面可以替代劳动力，另一方面整田、施肥等机械化操作能够显著降低化肥施用量。
②农户经济发展水平（inc）。用不变价格的农村居民家庭人均经营纯收入表示。根据“理性小农”假设，农村居民家庭人均经营纯收入的增加有利于提高农民农业生产的积极性，同时决定了农民对农业投入化肥、农药等其他农业生产投资行为的能力。
③农业劳动力非农转移比例（labor）。用非农人口比例表示。农村劳动力逐渐向城市转移，劳动力转移以后，在时间约束下，农户为避免劳动力投入不足带来的减产损失，倾向于通过追加化肥、农药等化学要素对劳动力要素进行替代，使得化学要素的投入强度不断增加。因此，本文选择用非农业人口占总人口的比率表征农业劳动力的非农转移比例。
④农业种植结构（crop）。用经济作物种植面积占农作物种植总面积的比率表征。根据潘丹（2014）的研究，粮食作物的单位农产品化肥消费量高于非粮食作物，粮食作物比重上升时化将增加肥投入量，经济作物比重上升时将降低化肥投入量。
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第 6 章研究结论与政策建议
6.1 研究结论
基于 2002-2015 年全国农产品成本收益数据，本文采用 C-D 生产函数测算 2002－2015 年水稻、小麦、玉米 3 种中国主要粮食作物主产区的过量施肥程度；运用空间自相关理论和冷热点分析方法，对中国主要粮食作物过量施肥程度的空间关联格局进行分析；运用空间杜宾模型（SDM）模型测度水稻、小麦和玉米主产区过量施肥程度的影响因素。得出的主要结论如下：
（1）2002-2015 年中国水稻、小麦和玉米的化肥投入已经超过经济学最优，存在过量施肥现象，其过量施肥程度分别为 44.47%、34.58%、32.76%，三者平均过量施肥程度达到 36.94%。
（2）从时序变化特征来看，国家尺度的三种粮食作物的过量施肥程度经历了先持续下降（2002-2004 年）再波动上升（2005-2015 年）的变动态势。其中，东北地区过量施肥程度表现为下降态势，华南地区基本维持不变，其余五大区域均为上升状态，增幅由高到低依次为：北部高原＞西北地区＞长江中下游地区＞黄淮海地区＞西南地区。
（3）从空间分异特征来看，粮食作物过量施肥程度由高到低的区域排序依次为：华南地区＞长江中下游地区＞黄淮海地区＞北部高原地区＞西南地区＞西北地区＞东北地区。
（4）中国三类粮食作物化肥减量潜力较大的省份为：海南、广东、广西、河北、山东、江苏的水稻，可减少化肥使用总量为 137.48 万 t；山西、安徽、山东、宁夏、陕西、内蒙古、河北、江苏的小麦，可减少化肥使用总量为 208.78 万 t；吉林、广西、湖北、云南的玉米，可减少化肥使用总量为 102.75 万 t。这些化肥减量潜力较大的省份，将是中国在三大粮食作物种植中深入推进化肥减量任务的区域选择依据。
参考文献（略）