基于部分預算法的玉米大田變量施肥經濟效益分析

陳 靜，吳永?！?，陳立平，趙春江，王永生

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基于部分預算法的玉米大田變量施肥經濟效益分析

陳 靜1，吳永常1※，陳立平2，趙春江2，王永生2

（1. 中國農業(yè)科學院農業(yè)經濟與發(fā)展研究所，北京 100081；2. 北京農業(yè)信息技術研究中心，北京 100096）

為明確精準農業(yè)技術的應用效果和經濟效益，促進精準農業(yè)技術在中國的推廣應用。該研究基于田間50 m×50 m土壤堿解氮測定數據，采用目標產量模型，設計了變量施氮處方進行變量施氮試驗，以相鄰地塊常規(guī)均一施肥區(qū)為對照。采用部分預算法評價從均一施肥措施改變?yōu)樽兞渴┓蚀胧┖蟮慕洕б?。結果表明：變量施肥比常規(guī)統(tǒng)一施肥顯著減少了19.4%的氮肥用量，產量增加了1.8%；從常規(guī)統(tǒng)一施肥改變?yōu)樽兞渴┓屎髢羰找嬖黾恿?83.23元/hm2，增加投資部分的投資收益率為753%，遠大于可接受的最低年收益率105%。綜上，在規(guī)模農場采用變量施肥相關變量施肥裝備和軟件進行變量施肥管理可以減少氮肥施用量，增加作物產量，從而提高農場種植的經濟效益，具有良好的推廣價值，制定變量施肥機的購置補貼政策有利于進一步促進變量施肥技術在大規(guī)模農場的推廣應用。

作物；模型；設計；變量施肥；規(guī)模農場；部分預算法；經濟效益

0 引 言

農業(yè)經營主體一般會為了更方便操作或者更高的經濟效益才會選擇調整農業(yè)管理措施。當農業(yè)經營主體選擇不同的農業(yè)管理措施時，會對農業(yè)經濟效益產生影響。部分預算法（partial budget analysis，PBA）非常適用于決策是否要進行管理措施的改變[1]，是國際上比較通用的評價精準農業(yè)經濟效益的方法[2]。通過部分預算法可以評價某一農田管理環(huán)節(jié)的變化所帶來的投入和產出的變化，并且只關注改變了或者有變化的部分[3]。PBA是一種通過對比技術變化所帶來的投入和產出情況，輔助農業(yè)經營主體進行是否采用一項新的技術的規(guī)劃或決策方法[3-4]，它雖然不是一個新方法，但是卻是一個非常有效的方法，可應用于只知道變化部分的投入和產出而不了解全部投入的情況[5]。但是部分預算法的有效性取決于計算過程中所采用的數據信息[4,6]。很多學者將該方法應用于農場管理決策，Hady等[7]利用部分預算法研究了農場日常管理措施不同所帶來的經濟影響，并開發(fā)了相應軟件輔助農場的日常管理決策。其中農場生產產品的價格對部分預算模型的結果影響最大[7]。

變量施肥的技術路線和原則是在充分了解土地資源和作物群體變異情況的條件下，因地制宜地根據田間每一操作單元的具體情況，精細準確地調整肥料的投入量，獲取最大的經濟效益和環(huán)境效益[8]。對于變量施肥應用效果的研究有很多，主要應用效果包括增加作物產量[9-10]，減少作物收獲后的土壤氮殘留，減少氮淋失[8,11-13]，提高環(huán)境效率[14]，同時可以減少土壤養(yǎng)分的空間差異性[15]。變量施肥技術對作物產量的影響也有部分研究者得出不同的結論，如Varsa等[16]，陳立平[8]，薛緒掌等[13]的研究結果顯示變量施肥技術對作物產量沒有影響甚至使產量略降。也有很多學者對大田變量施肥技術應用的經濟效益進行評價，Godwin 等[17]的試驗研究結果表明，在英國南部谷物種植中實施變量施肥比統(tǒng)一施肥每公頃收益可以增加185元（22英鎊）。變量施肥技術應用的經濟效益還與農場規(guī)模、作物的經濟價值有很大關系，Lowenberg- DeBoer[18]對利用GPS導航噴藥以避免遺漏和重疊的經濟效益進行了估算，新購買GPS設備實施精準農業(yè)管理的農場只有當農場大小達到800 hm2時方可以實現盈虧平衡。Swinton和Lowenberg-DeBoer[19]的研究結果顯示變量施肥技術的經濟效益與作物的經濟價值直接相關，在小麥和大麥上應用幾乎沒有經濟收益，在玉米上應用效益不穩(wěn)定，在甜菜上應用經濟效益最高。部分預算法在從統(tǒng)一施肥變化為變量施肥的經濟效益評價中被較廣泛應用，Link等[20]利用部分預算法結合模型模擬研究了在德國弗萊堡玉米大田應用變量施肥技術的經濟效益，結果表明長期應用變量施肥技術可以通過減少氮肥投入而獲得更高的凈效益，政府對減少氮肥使用而提供的環(huán)保補貼有利于提升變量施肥技術應用的經濟效益。也有學者的研究結果顯示利用變量施肥技術經濟效益沒有顯著差異[16]，但是從文獻中可以看出，對變量施肥技術應用經濟效益評價的成本計算時，有些學者未考慮精準農業(yè)管理的裝備投入，僅考慮肥料等可變物的投入[21]，有的學者則綜合機械、測樣和可變物投入[22-23]，因此不同區(qū)域不同學者的研究結果也不具有直接可比性。目前國內對變量施肥技術經濟效益的評價大多沒有考慮實施變量施肥管理的裝備投入、土壤肥力測樣投入和人工投入，主要考慮肥料投入[24-25]，或者變量施肥管理采用的是人工施肥，而非機械施肥[2]，而基于不同農場規(guī)模、農場實際管理措施，綜合考慮變量施肥各類成本投入的經濟效益評價研究尚少。本研究基于在黑龍江趙光農場的變量施肥和統(tǒng)一施肥對比試驗和調查獲取的經濟評價基礎數據，采用部分預算法評價在黑龍江趙光農場從統(tǒng)一施肥措施改變?yōu)樽兞渴┓蚀胧┖蟮慕洕б?，為該區(qū)域選擇是否采用變量施肥技術提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黑龍江省趙光農場（126°26￠E，47°54￠N），趙光農場的總耕地面積為28 400 hm2，試驗區(qū)屬寒溫季風氣候，年平均氣溫0.5℃，無霜期120 d左右，年降雨量570 mm，年平均日照2 700 h以上。試驗區(qū)每年種植一季玉米，前茬作物為玉米，管理采用常規(guī)均一管理方式。土壤類型為黑土，0~20 cm土壤有機質質量分數66.61 g/kg，銨態(tài)氮1.50 mg/kg，硝態(tài)氮4.22 mg/kg，有效磷40.75 mg/kg，速效鉀138.56 mg/kg。

1.2 試驗設置

試驗設置變量施氮（VF）和當地常規(guī)施氮（CK）2個處理（具體布局及尺寸見圖1）。變量施肥區(qū)面積為6.67 hm2，常規(guī)施肥區(qū)面積為12 hm2。供試玉米品種為德美亞1號，播種時間為2015年5月11日，播種密度約為55 000株/hm2。變量區(qū)與常規(guī)區(qū)其他措施都相同，僅施肥措施不同，常規(guī)區(qū)采用均一施肥方式，施肥量采用當地常規(guī)施肥量，施純氮量為底肥101.42 kg/hm2，追肥70 kg/hm2，共施純氮171.42 kg/hm2，變量區(qū)以固定間距網格進行土壤采樣，根據各網格單元土壤養(yǎng)分測試值，采用目標產量法計算各單元的追肥量，利用ArcGIS軟件生成施肥處方圖（圖2），最后通過變量施肥機讀取施肥處方圖進行變量施肥。

1.3 變量區(qū)施肥量計算

在玉米施基肥前取樣測定土壤養(yǎng)分，按照50 m×50 m網格取0～20 cm土層5點混合土樣，測定土壤堿解氮，根據測試值利用目標產量法[13]計算施氮量。

施肥量=（玉米吸氮量–土供氮量）/0.4 （1）

式中0.4為氮肥當季利用率。

玉米吸氮量=目標籽粒產量×0.03 （2）

其中目標籽粒產量為試驗區(qū)2014年玉米產量，0.03為每生產1 kg籽粒吸收的純氮量。

土壤供氮量=（播前堿解含量–50）×耕層土質量 （3）

式中50 mg/kg是土壤堿解氮含量的下限,低于此值則玉米遭受氮素脅迫。耕層厚度按20 cm計算。根據上述的土壤施肥計算模型進行疊加分析計算，得出變量施肥處方圖（如圖2），然后按照獲取的處方圖利用2f-vt1變量施肥機進行變量施肥，圖中各區(qū)域的施氮量為總施氮量，底肥和追肥期各施50%。

圖1 試驗小區(qū)布局

圖2 變量施氮處方圖

1.4 產量測定

玉米成熟后，每處理采用五點采用法選擇5個點，每點取10 m2測產，收獲玉米穗，稱量后折算成各處理玉米籽粒產量。

1.5 數據分析

采用SPSS 22.0軟件進行產量的單因素方差分析。

1.6 經濟分析

采用部分預算法進行變量施肥技術應用經濟分析。為簡化分析，假設農業(yè)生產的目標是使凈收益最大化，為了決定是否使用新技術，農民需要了解新技術是否能夠提高凈收益和收益率。

凈收益NI是總收益TR中減去總投入TC，即：

總收益TR是收獲的玉米的總價值，計算公式為：

式中表示玉米產量，玉米價格P采用中國政府玉米的最低收購價2元/kg。

總投入TC包括所有的投入花費，比如種子、肥料、農藥、勞動力和資本。在部分預算法中將總投入分為固定投入FC和變量投入VC兩部分。一項新的農業(yè)技術相對傳統(tǒng)技術來說，固定投入是指在2項技術中沒有區(qū)別的投入；變量投入則是指由于應用新技術而導致的變化量。本文中從統(tǒng)一施肥轉變?yōu)樽兞渴┓实淖兞客度胫饕ǚ柿贤度?、變量施肥增加人工投入、土壤養(yǎng)分取樣和化驗、精準施肥決策軟件年折舊和施肥機/變量施肥機年折舊。

式中肥料投入等于肥料用量乘以肥料價格；變量施肥增加的人工投入主要包括進行變量施肥管理的人員工資；土壤養(yǎng)分化驗費用包括每公頃取4個土樣進行堿解氮含量測定的費用；根據應用的面積計算每單位面積的年折舊，年折舊費用計算公式為：

式中DC表示年折舊費，OV表示固定資產原值，表示殘值率，表示折舊年限。

因此凈收益計算公式可表示為：

變化量是指采用新技術后與采用新技術前相應值的變化量，本文指采用變量施肥技術的投入和產出與采用常規(guī)統(tǒng)一施肥技術的投入和產出的差值（Δ表示因子的變化量，結果為正值表示增加量，負值表示減少量）。凈收益的變化量根據總收益的變化量和固定投入的變化量、變量投入的變化量計算可得。

根據固定投入的定義，新技術和傳統(tǒng)技術的固定投入相同，即ΔFC=0，因此凈收益變化量公式可表示為：

除了凈收益外，收益率也是另外一個重要的投資考核指標，計算公式為：

2 結果與分析

2.1 施氮量與籽粒產量

根據變量施肥處方，變量施肥區(qū)一級梯度區(qū)總面積為0.32 hm2，二級梯度區(qū)總面積為5.34 hm2，三級梯度區(qū)總面積為1.01 hm2，整個區(qū)域平均施純氮量為138.12 kg/hm2，比常規(guī)施肥區(qū)的單位面積施氮量減少了19.4%。

表1表明，變量施肥處理的平均玉米產量為 122 00.25 kg/hm2，常規(guī)施肥區(qū)為119 83.20 kg/hm2，變量區(qū)比常規(guī)區(qū)增加了1.8%。

2.2 經濟效益分析

如表1所示，變量施肥處理和常規(guī)施肥處理每年的變量投入分別為729.72和679.09元/hm2，將常規(guī)統(tǒng)一施肥改變?yōu)樽兞渴┓士偼度朐黾恿?0.63元/hm2。而變量施肥處理和常規(guī)施肥處理的總收益分別是24 400.50和23 966.40元/hm2，變量施肥技術應用的總收益比常規(guī)統(tǒng)一施肥增加了434.10 元/hm2。進而從凈收益上看，將常規(guī)統(tǒng)一施肥改變?yōu)樽兞渴┓屎髢羰找嬖黾恿?83.23元/hm2。從常規(guī)統(tǒng)一施肥改變?yōu)樽兞渴┓试黾拥哪遣糠滞顿Y的收益率達到了753%。

表1 不同施肥處理的部分預算分析

注：尿素價格1.8元·kg–1（參考電商平臺“京東”上的價格）；常規(guī)施肥機每輛6萬元，變量施肥機每輛25萬元，精準施肥決策軟件每套15萬元（調研數據）；精準施肥決策軟件和施肥機的應用面積分別為28 400（全農場）和333 hm2（根據農田管理時間限制），折舊年限均以10a計算?！白兓俊北硎緩某Ｒ?guī)統(tǒng)一施肥改變?yōu)樽兞渴┓实耐度牒彤a出的變化量。

Note: The price of urea is 1.8 yuan·kg–1(according to e-commerce platform-“Jingdong”); the price of normal fertilizer applicator, variable-rate fertilizer applicator and variable rate fertilization software is 60 000, 250 000 and 150 000 yuan per unit (investigation data);variable rate fertilization software application area is 28 400 hm2(over the whole farm), fertilizer applicator application area is 333 hm2(according to the time of farm management), depreciation years=10a. “Change” means the change of costs and return from conventional fertilization to variable-rate fertilization.

2.3 部分預算法中新技術應用確定標準

部分預算法中新技術是否應該被推薦使用有3個衡量標準：1）如果凈收益保持不變或降低，則不應采用新技術，因為新技術不能獲得更高的收益；2）如果凈收益有所增長，變量投入保持不變或降低，則可以采用新技術，因為新技術可以帶來更高的收益；3）如果凈收益和變量投入都增加了，則要根據收益率來確定是否采用新技術，收益率越高說明新技術經濟效益越好，只有當收益率至少超過100%后，新技術才應該被采用[3]。

從上述計算結果來看，試驗區(qū)應用變量施肥技術符合凈收益和變量投入都增加了的情況，需要根據收益率來確定是否采用新技術。假設農業(yè)投資資本的年利息為5%，東北地區(qū)一年種植一季，因此考慮資本成本后可接受的最低年收益率為105%（100%+5%）。將常規(guī)統(tǒng)一施肥改為變量施肥后，增加投資的收益率達到753%，遠大于可接受的最低年收益率105%。符合部分預算法中新技術是否應該被推薦使用的第三個衡量標準，因此采用購買變量施肥相關變量施肥裝備和軟件的方式進行規(guī)模農場變量施肥管理在東北大農場是被推薦的。

2.4 變量施肥機購置補貼政策的影響

目前來說由于變量施肥機非通用農機，因此未進入中國農機購置補貼名錄中。參考當前中國農機購置補貼政策（農業(yè)部辦公廳財政部辦公廳關于印發(fā)《2015—2017年農業(yè)機械購置補貼實施指導意見》的通知），假設變量施肥機的購置補貼比例為30%，則變量施肥機年折舊從70.95元/a降低為49.66元/a，總成本增加值從50.87元/a降低為29.61元/a，增加投資的邊際收益率增長至1 366%，對于促進變量施肥技術在大規(guī)模農場的推廣有非常重要的推動意義。

3 討 論

本研究主要利用田間試驗研究變量施肥技術對玉米大田施肥量和產量的影響，并在此基礎上利用部分預算法研究在規(guī)模農場自購變量施肥相關裝備的經濟效益變量情況。田間試驗結果顯示，在變量施肥條件下，氮肥投入比統(tǒng)一施肥條件下減少了19.4%，玉米產量比統(tǒng)一施肥條件下略有增長，提高了1.8%。這一研究結果與前人的研究結果相似，不同學者在不同區(qū)域多個大田應用變量施肥技術都得出了與傳統(tǒng)施肥地塊相比，變量施肥管理在減少化肥投入的基礎上增加了玉米產量的結論，節(jié)肥7%～16%，增產率7%～13%[9,26-27]。王熙等[10]對大豆變量施肥播種作業(yè)，也得出在同等成本條件下，比照增產7.5%的結論。對于變量施肥技術對作物產量的影響也有部分研究者得出變量施肥技術對作物產量沒有影響甚至使產量略降的結論[8,13,16]。產生這種現象的主要原因可能是目標產量的制定的原因[13]，或者是地塊的基礎肥力空間變異性很小，少到不足以影響均一施肥下的作物產量[28]。

通過部分預算法計算得出在試驗區(qū)應用變量施肥技術比常規(guī)施肥技術凈收益提高了383.23元/hm2，雖然增加了50.87元/hm2的成本投入，但是增加的這部分投資的收益率達到了753%，因此在試驗區(qū)變量施肥技術是可以推薦使用的。很多學者在研究中也獲得了相似的研究結果，Meyer-Aurich等[29]和Godwin等[17]的田間試驗研究結果顯示，在小麥等谷物大田中應用變量施肥技術可以比統(tǒng)一施肥增加約20～200元/hm2的經濟效益。Pasuquin等[26]在東南亞十三個地區(qū)基于田間試驗獲得變量施肥管理方案，結果顯示與常規(guī)施肥相比經濟效益升至可以提高1137.27元/hm2（167美元/hm2）（相當于總凈收益的15%）。田耘等[27]的示范應用結果也顯示應用變量施肥技術可以提高經濟效益15%以上。對于精準農業(yè)技術應用的經濟效益也有一些研究的結果顯示經濟效益不變甚至有所降低[8]。其原因與農田管理技術應用的經濟效益的各影響因素有關，產量是變量施肥技術經濟效益的驅動因素[26]，同時農場規(guī)模越大、種植的農作物的經濟效益越高，其應用的經濟效益也越高[18-19,30]，變量施肥技術的采樣、測試、管理等投入高于應用技術所帶來的效果也會影響其經濟效益[28]，因此不同區(qū)域、不同農田土壤基礎條件、不同農場規(guī)模、不同農作物或者農產品價格都是導致變量施肥技術應用的經濟效益不同的原因。

4 結 論

1）在研究區(qū)進行變量施肥與常規(guī)統(tǒng)一施肥相比可以顯著減少肥料施用量，同時增加作物產量，但是增產效果不顯著。

2）從常規(guī)統(tǒng)一施肥改變?yōu)樽兞渴┓侍幚韮羰找嬖黾恿?83.23元/hm2，增加的那部分投資的收益率為753%。大于可接受的最低年收益率105%，因此采用購買變量施肥相關變量施肥裝備和軟件進行變量施肥管理在東北大農場是被推薦的。

3）制定變量施肥機的購置補貼政策有利于提高農場的投資收益率，對于促進變量施肥技術在大規(guī)模農場的推廣有非常重要的作用。

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Economic benefit analysis of variable-rate fertilization technology in maize () field based on partial budget analysis method

Chen Jing1, Wu Yongchang1※, Chen Liping2, Zhao Chunjiang2, Wang Yongsheng2

(1.100081,2.100096,)

Precision agriculture is a modern agricultural technique which helps improve the yield and quality of crops, increase economic returns and reduce the pollution in agricultural ecological environment. In China, the effectiveness and economic benefits of applying precision agriculture technologies are not yet clear, which is an important factor that may hinder the popularization and application of precision agriculture technologies, such as variable-rate fertilizer application.Before changing from one production method to another, the farmer considers manyfactors, such as additional costs, and additional incomeresulting from the change. In this research, we aimed to estimate the effect on net benefit of changingfrom unified fertilizer application to variable rate fertilizer application.Partial budget was used toassess the costs and benefits associated with this specific change in a maize farm, which was based on a unit so data were collected from one large maize farm in the northeast of China.Field experiments were carried out in 2015 at Zhaoguang farm in Heilongjiang province, a typical large farm of northeast China. In this study, two fertilization treatments were included: 1) uniform nitrogen fertilization (CK), 12 hm2in area, 2) variable rate nitrogen fertilization (VF), 6.67 hm2in area.In the VF treatment plot. Crop yield goal was set up, soil samples were taken from a 50 m×50 m grid, and Alkali-soluble soil nitrogen was used as available nitrogen during the growing season. Based on those, we generated a variable rate nitrogen fertilization prescription map for maize using ArcGIS. The fertilizer was applied to the farm land as the prescription by variable-rate fertilizer applicator. Other farmland management measures of these two experiment treatments were the same. The main results were: 1) maize yield was improved by 1.8% through the variable rate fertilization compared with the unified fertilization, and the nitrogen fertilizer application amount was decreased from 171.4 kg/hm2to 138.12 kg/hm2, decreased by 19.4%.2) Applying variable rate fertilization technique need investment 50.63 yuan per hm2more than uniform fertilization, and the net return was 383.23 yuan per hm2higher than uniform fertilization. The rate of return on the increased investment of change from unified fertilization to variablerate fertilization was 753%, much more than the minimum rate of return on agriculture investment (105%).3) Suppose the subsidy for purchase variable rate fertilizer applicator was 30% of the purchase price, the annual depreciation of variable rate fertilizer applicator decreased from 70.95 yuan/year to 49.66 yuan/year. The rate of return on the increased investment of change from unified fertilization to variable rate fertilization increased to 1366% as the increased investment decreased to 29.61 yuan/year. In summary, the new technology should be feasible for farmers to accept according to the criteria for partial budget analysis. In addition, subsidy policy to purchasing variablerate fertilizer could increase the economic benefit of application of variablerate fertilization technology in large farms.

crops; models; design; variable-rate fertilization; large farm; partial budget analysis; economic benefit

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.018

S24

A

1002-6819(2017)-19-0141-06

2017-04-10

2017-08-04

國家自然基金委國際（地區(qū)）合作與交流項目（61661136003）；北京市博士后基金（2016 ZZ-65）

陳 靜，漢族，江西玉山人，博士，助理研究員，主要從事現代農業(yè)技術經濟評價等方面的研究。北京中國農業(yè)科學院農業(yè)經濟與發(fā)展研究所，100081。Email：chenjing@caas.cn

※通信作者：吳永常，漢族，陜西大荔人，博士，研究員，博士生導師，主要從事縣域經濟等方面的研究。北京 中國農業(yè)科學院農業(yè)經濟與發(fā)展研究所，100081。Email：wuyongchang@caas.cn