我国农药施用的时空演变
郭利京1，2， 王 颖1
(1.安徽财经大学经济学院，安徽蚌埠 233030； 2.中国人民大学农业与农村发展学院，北京 100872)
摘要： 基于1991—2015年31个省级行政单位的农药施用量数据，研究我国农药空间使用水平及时空演变特征。运用ArcGIS软件和Slope分析、空间自相关、空间冷热点分析等方法，研究了我国农药施用的空间自相关性、施用量变化的区域迁移和空间冷热点情况。结果表明：(1)1991—2015年，27个省份农药施用量呈现出增长的态势，由1991年的76.5万t增长至2015年的178.3万t，年均增速3.44%，远远快于在此期间我国粮食产量年均1.4%的增幅；(2)1991—2015年，我国农药施用的空间自相关性逐年减弱，农药施用空间分布由东部沿海的高聚集区向中西部和东北部地区离散化演变。农药施用增量的空间演变特征表现为东南沿海地区→中部地区→东北、西南地区；(3)东北地区取代东南沿海地区成为农药施用的热点地区，农药施用的冷点地区由东南沿海向中部地区迁移。根据我国农药施用量的空间和时间变化特征，应采用不同的农药减量化措施，对东部沿海和东北地区农业生产适宜采用统防统治的规模化病虫害防治方式，生态脆弱的西部地区应以生态环境保护为重心施用低毒、高效的低毒农药和生物农药。
关键词： 农药施用；时空演变；空间自相关；空间冷热点；生态环境；区域迁移
我国农药过量施用的情况严重，2017年我国农药施用量高达178.3万t，农药施用量为11.7 kg/hm2，是世界平均水平的 2.5倍。较低的农药施用效率导致了较高的农药残留率。当前我国每年农业生产中使用的农药只有三成直接作用于目标生物体，剩下七成进入土壤、空气和水域中[1]。农药残留对耕地、水资源和食品安全构成严重威胁，给人体和生态环境带来巨大风险。2011年我国启动低毒农药价格补贴试点，2015年中央安排财政支出996万元，将低毒农药试点推广至北京等18个省(市、区)。2017年党的十九大报告提出，要防治农业面源污染，实施食品安全战略和生态宜居的乡村振兴战略。在此背景下，研究我国农药空间使用水平及时空演变特征，对于控制农药施用量、减少农药使用风险具有重要的理论和现实意义。
我国是农药生产大国，2017年我国粮食产量高达6.17亿t，是世界上粮食产量最高的国家[2]。但同时我国也是农业病虫害多发国家，且呈现逐年加重的趋势，2017年我国病虫害面积比2016年增长9.7%，预计2018年病虫害发生面积还会继续增加[3]，为防控农业病虫害，农业生产中农药的施用必不可少。虽然农药能有效抑制农业病虫害，但农药过量施用会对人体健康、食品安全和生态环境造成严重危害，我国农药平均利用率仅为30%，农药施用的环境危害十分严重。
我国农药施用量时空分布与不同地区农业生产效率密切相关。梁盛凯等以广西省为例，研究了农业生产效率的时空演变特征，发现广西省农业生产效率逐年下降，其中南部和北部农业生产效率较高，且农药等农业生产要素投入与生产效率呈显著负相关[4]。张丽娜等研究了我国玉米生产效率的时空分布，发现西南、西北、东部沿海和东北地区玉米生产的规模效率较高，对农药松弛量测算发现，农药施用已过量且增长空间越来越小[5]；曹慧等对我国粮食主产区研究发现，农业生产效率较高的地区分布于东部沿海、中部和东北地区[6]。由此可知，我国各地农业生产效率存在区域化差异，但可以看出，西南、西北、东部沿海和东北地区生产的规模效率较高，因此探讨农药施用量的空间分布有利于研究不同区域农业生产效率与农药施用量的关系，合理控制农业生产中农药的施用水平。
关于农药残留的空间分布，国内文献中大多运用环境科学方法进行实地采样分析。马瑾等分别对广东省惠州市和湛江市农药残留的空间分布进行调查，发现惠州市土壤中农药残留检出率在80%以上，且农药残留分布存在明显的趋势性和岛状分布特征，而湛江市土壤中农药残留检出率高达90%，且残留量较高区域主要分布于该市的北部和南部[7-8]；瞿程凯等对福建戴云山区土壤中农药残留分布研究发现，有机氯农药残留(包括HCHs、DDTs和硫丹硫酸脂等)分别分布于戴云山区的北部、中部和南部[9]；盖利亚等对华北某地分析发现，不同农药残留分布存在明显差异，且分布趋势与土壤和水流量等因素密切相关[10]。
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基于以上研究可知，以往文献多数以农业主产区为研究对象，分析某一地区农药残留的空间分布，并未从宏观层面对农药施用量及其时空变化趋势进行研究。因此，从宏观层面研究农药施用量空间分布演化趋势，有助于掌握农药总体施用水平，对我国农药施用量空间分布的预测和农药污染的防治大有裨益。为弥补已有文献对农药施用空间变化研究的不足，本研究利用我国1991—2015年共31个省级行政单位的面板数据，从空间上分析农药施用量聚集和变化情况，为我国农药污染治理提供参考。
1 农药施用时空变化特征
1.1 研究方法
式中：
为各地区农药施用量的方差，
为各地区农药施用量均值，n 为省级行政单位的数量，X i 、X j 为省级单位i 、j 的农药施用量，W ij 为标准化了的省级行政单位i 、j 的空间权重。此外，GMI 的取值介于-1～1之间，当置信水平为0.01且GMI 取值介于0～1时，区域间表现为空间自相关，即我国农药施用有空间聚集趋势；当GMI 取值介于-1～0时，区域间表现为空间负相关性，农药施用空间分布更加离散；GMI 取值接近0时，空间相关性较低，农药施用表现为随机分布。
(1)
1.1.3 空间冷热点分析 空间冷热点分析是对空间冷点(低值)和空间热点(高值)的空间聚类分析[13]。Getis-OrdG i *统计常用来描述空间冷热点情况，计算公式如下：
通过对水源地六年的监测数据进行分析，考虑到水源地为河流，因此不对总氮进行评价。2016年水源地各月水质处于Ⅲ类～劣V类，水质波动明显。如果采用湖库标准对总氮进行评价，各月均为劣V类。水源地（不含总磷）各月水质仍然处于Ⅲ类～劣V类，水质波动明显。分析多年数据可以看出，水源地每年的5～10月份（丰水期）水质较差。
1.1.2 空间自相关分析 空间自相关分析是探索不同区域经济变量是否具有相似性，即彼此之间的相关关系和相关程度[12]。常用莫兰指数(Global Moran’s Index，GMI)来描述不同区域经济变量的相关性，当莫兰指数变大时，空间相关性增强，变量出现空间集聚现象，反之，相关性变弱，变量表现为空间离散趋势。本试验借助空间自相关分析，研究我国农药施用量整体分布情况，并判断农药使用中是否存在空间集聚现象。计算公式如下：
(2)
1.1.1 Slope分析 Slope分析是时间序列分析的一种，即为简单斜率分析。本试验选择时间序列i 为自变量，农药施用量为因变量，研究农药施用量随时间的变化趋势。当Slope值为正时，表明农药施用量随时间推移而不断增加；当Slope值为负时，表明农药施用量随时间推移而不断减少[11]。计算公式如下：
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式中：i 为从1到n 的时间序列编号；n 为研究中选择的年份数；pesticide 为各省级行政单位农药施用量，万t；Slope 为农药施用量随时间延长的变化趋势。
(3)
从1991—2015年农药施用空间变化量上来看，仅有4个省份(北京、上海、浙江和青海)农药施用量有所下降，有27个省份农药施用量明显增加，增加省份占全国行政单位总量的87.1%。其中，增幅较大(4.051%～8.98%)的省份大多集中于东北平原(黑龙江、吉林)、华北平原(山东、河南)、长江中下游平原(安徽、湖北、湖南、江西)、河套平原(甘肃)和云贵高原(云南、广西)等农业主产区，占全部行政单元的35.5%；农药施用量变化居于中等水平(2.361%～4.05%)的省份(内蒙古、辽宁、山西、河北、广东和海南)共计6个，占全部省份数量的19.4%；农药施用量低增长(0.01%～2.36%)和施用量减少(-0.98%～0)省份大多集中于东部沿海农业发达地区、中部农业产值比重较低地区及西部生态保护区，占全国总数的45.3%(图3-a)。从农药随时间延长而变化趋势上看，图3-a与图3-b反映的内容比较一致，农药施用增量较高的地区Slope值(0.141～0.35)也较高，即该地区农药增量与时间显著正相关，农药施用量增量较低的区域Slope值较小(0.001～0.14)，增量减少的地区Slope为负。
2 实证结果与分析
本研究选取了1991—2015年全国31个省级行政单位(除港澳台)的农药施用量数据，分别分析了农药施用量的空间分布、随时间的分布变化和空间冷热点分布，研究了我国农药施用的时空演变格局，其中数据来源于《中国统计年鉴》和《中国农业年鉴》。
2.1 农药施用量空间分布演变
2004年我国开始逐步实施农业税减免、农产品最低收购价等惠农政策[14-23]，为追求农业生产的高产量和高利润，农户增加了对农药等农业生产要素的投入，致使我国农药施用量激增至138.6万t，与1991年相比增幅高达0.8倍。其中，低水平(0～1.23万t)地区和次低水平(1.231万～2.91万t)省级行政单元数量占比分别为25.8%、19.3%，两者合计共占比45.1%，与1991年相比总体下降了6.7百分点。然而农药施用量出现了新增长点：黑龙江由农药施用量次低水平地区增长为中等施用量水平地区；农药中等施用量水平(2.911万～6.63万t)地区由1991年的3个省份(辽宁、广西、上海)增加至7个(黑龙江、辽宁、浙江、福建、江西、四川和广西)；此外，农药施用量高水平(10.121万～15.39万t)省份数量回落至3个(山东、湖北和湖南)，其中江苏和浙江分别由农药施用量高水平地区演变为次高等和中等施用水平地区；次高水平地区(6.631万～10.12万t)减少至6个省份，主要分布于华北平原(河北、河南、安徽和江苏)和南部沿海地区(广东和海南)。由此可知，我国农药使用量高水平地区正向中高水平趋势演变，且逐渐由东部沿海向中部平原和东北平原地区迁移。此外，由于农药施用量低水平地区行政单元总量基数较大，农药施用量整体表现为“高水平省份少、中低水平数量逐步增加”的金字塔型分布。
2004年起我国农业税逐步减免，由此导致的农业生产成本降低有效刺激了农业生产过程中农药的投入，因此，本研究以农业税减免政策实施节点为划分依据，选取1991、2004、2015年的农药施用量水平，以此反映我国农药施用量随时间延长的变化趋势。从我国农药使用量空间分布上看，1991年我国大分部分省份农药施用量处在低水平(0～0.25万t)和次低水平(0.251万～1.07万t)。低水平地区(天津、宁夏、青海、重庆和西藏)和次低水平地区(东北部、西北部和西南地区)分别占全部省级行政单元的16.1%、35.7%，两者合计所占比重为51.8%；中等水平(1.071万～2.42万t)地区所占比重为9.6%，该范围涉及区域相对较少，仅为上海、广西和辽宁3省(市、区)；高水平(5.121万～8.07万t)和次高水平(2.421万～5.12万t)地区占总统计省级行政单元的16.1%、22.5%，合计占比为38.6%，超过总统计省级行政单元的1/3，其中次高水平地区主要分布于中西部省份(如安徽、河南、江西等)，高水平地区主要集中于我国东南沿海的农业种植大省(山东、江苏、浙江和广东)和中部(湖南)省份。
从全国农药施用总量上看，我国农药施用量逐年增长，由1991年的76.5万t增长至2015年的178.3万t，增幅达1.3倍，年均增速为3.44%，远远超过了同时期我国粮食产量年均1.4%的增速。从1991—2015年农药施用的空间自相关性变化(图1)看，我国农药施用量区域分布逐渐由高聚集状态向随机分布演变。1991—2010年我国农药使用区域表现为高聚集分布，Moran’s I值均在0.11以上，其中1991年Moran’s I值为0.178，是近25年来的最高值，这样的高聚集分布一直持续到2010年。自2011年起，我国加强了对农药质量和农药市场的监管，农药施用区域分布趋于分散化，特别是2015年我国实施农药“零增长”政策后，Moran’s I值为0.057，达到历史最低点，我国农药施用的区域聚集状态大大减弱，农药施用量分布更加离散。
本试验利用1991—2015年共25年的省级面板数据，以我国31个省级行政单位为研究对象，研究了我国农药施用空间分布、施用量空间演化和空间冷热点分布，结论如下：(1)结合农药施用量的Moran’s I值可知，1991—2010年我国农药施用量分布处于较高的聚集状态，Moran’s I值均在0.11以上；2011年后，我国农药施用地区分布向离散化发展，不同施用水平区域分布更加分散。
空间冷热点分析主要通过Z (G )得分(G i *的标准差得分)和P 值(概率值)描述变量的空间聚集程度，当Z (G )得分高、P 值低时，变量分布具有空间聚集趋势，此时该区域变量值相对较高，为热点区域；反之，变量表现为随机分布，该地区变量值较低，为冷点区域。
2.2 空间冷热点分析
2004年起我国农业税逐步减免，由此导致的农业生产成本降低有效地刺激了农业生产过程中农药的投入；2008年后，我国开始实施农产品最低收购价政策，农户农业生产收益得到极大保证。因此，本研究以这2个政策实施节点为划分依据，选取1991—2004、2005—2008、2009—2015年的农药施用量变化水平，分析我国农药施用变化量的冷热点地区随时间的迁移趋势。
从农药施用变化量的冷热点演变趋势(图4)看，1991—2004年我国农药施用量热点(高值)区域表现为高聚集状态，集中分布于长江中下游平原(江西)和东部沿海地区(江苏、浙江)。此时，东部沿海地区经济开始快速崛起，农户的纯收入也增长较快，因此农业生产中农药投入增长迅速。此外，由于20世纪90年代初期，我国农药整体施用水平不高，冷点区域分布不明显，次冷点地区主要分布于多高山丘陵、农业生产比重较低的西部地区(甘肃)。
2005—2008年，随着各项惠农政策的颁布实施(农业税减免、农产品补贴和最低收购价等)，热点地区分布逐步向我国粮食主产区东北平原(黑龙江、吉林)迁移，同时冷点地区逐渐显现，主要分布于华北平原地区(河南)。2009年起，我国开始实行农药市场监管年计划，国家对农药质量、农药价格监管加强，因此在2009—2015年期间，我国农药施用量变化的冷热点分布更加突出，东南沿海(山东、上海、江苏、浙江、福建和广东)和中部地区(河南、山西、安徽、湖南、湖北和江西)受国家农药监管政策和经济增长动力多样化的影响，农业在经济中的贡献率下降，致使该地区由最初农药施用变化量热点区域逐步演变为冷点区域，农药施用量热点区域最终聚集于自然条件适宜、农业产值占比高的东北地区(黑龙江和吉林)。
3 结论及对策
2015年，我国农药施用量低水平(0～1.82万t)和次低水平(1.821万～3.98万t)地区范围持续缩减，其中吉林、甘肃和云南农药施用量增长为中等施用水平；中等水平(3.981万～6.23万t)地区缩减至6个省份，主要分布于东北(辽宁、吉林)、东南(浙江、福建)和西南(四川、云南)地区；高水平(9.391万～15.1万t)和次高水平(6.231万～9.39万t)省份数量快速增长，新增省份包括甘肃、黑龙江、江西和广西，同时中部(河南、安徽)和南部沿海地区(广东)共有3个省份农药施用量由次高水平迅速增长为高水平地区，农药施用量增速明显(图2)。
借助Olifant软件检索(图2)，细察well所在句的译文对照语，在52个话语标记语中，处于话轮开始的有18个，处于话轮中间的有34个。其统计情况如文末表3中的N值所示。表3中的归类标准是按其翻译时需要首先考虑的主要因素来划分的。限于篇幅，本文只对前五种类型结合实例进行讨论，讨论结构是：原文—译文—分析。
(2)从农药施用量的空间分布趋势看，近25年间我国农药施用水平较高的区域由东部沿海向中西部和东北地区迁移。1991年，我国农业生产中农药投入水平整体较低，农药施用量仅为76.54万t/年，其中农药施用水平较高的地区(2.42万～8.07万t)集中分布于东南沿海地区、长江中下游平原地区和四川盆地等农业主产区；东北、西部地区由于受干旱、严寒等极端自然条件和经济条件的制约，农业产值较低，农药施用量相对较少(0～1.07万t)；2004年后，为促进农业生产，我国陆续出台了农业税减免、农产品最低收购价等惠农政策，极大地刺激了农业生产中农药投入的增加，1991—2015年农药施用量增长了0.8倍。此外，由于东南沿海地区经济增长动力更加多元化，消费者对农产品的需求出现多样化(更偏爱无公害、绿色、有机农产品等)，致使农药施用量较高的地区开始由东部向中部省份转移。2015年，农药施用量迁移趋势加剧，农药施用水平较高地区除中部省份外，西北、西南地区和东北地区也逐步演变为农药施用量的新增长点。
在进行位置分析时，用a、b、c、d来表示4个构件的长度，根据矢量方向和方位的选择(由箭头指明)如图3所示，得到了下面的矢量环方程：
(3)从农药施用量空间变化趋势看，中部、东北部和西北部地区农药施用量增速迅猛，逐步替代东部沿海地区成为农药施用的新增长点；东部沿海、青藏高原农药施用量增幅较小，农药施用量总体变化不大。其中，北京、浙江由于自身经济较为发达、消费者需求的改变及农药施用技术的不断成熟，其农药施用量呈现递减趋势；另外，青海省作为国家重要的自然保护区，生态环境较为脆弱、污染后修复比较困难，出于对自然环境的保护，农药施用量也出现了负增长。
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(4)从农药使用的空间冷热点分布看，20世纪90年代初期，东部沿海地区作为当时经济改革的先发地区，经济得到快速发展，人均收入开始增加，农业生产中农药投入比重缓慢上升，成为我国农药施用的热点地区；西北部省份受自身经济条件和自然条件的制约，农药投入水平较低，表现为农药施用的冷点地区。进入21世纪后，农药施用的冷热点分布发生改变，以河南为中心的冷点地区逐步显现，西南地区和东北地区取代东部沿海地区成为农药施用量的新增长点。2015年，农药施用的冷热点分布更加明显，中部省份的农药施用水平在全国各地区中逐渐达到顶峰，农药施用量增长空间变得极为有限，因此中部地区逐步开始向农药施用的冷点方向演变，农药投入的冷点地区由河南省扩散至我国东部和中部地区；东北地区由农药投入的次热点地区演变成为热点地区。
结合我国各地区农药施用的空间分布情况，通过区分冷点和热点地区采用不同的农药施用减控措施：作为冷点地区，东部沿海地区经济较为发达，对以农户为单位的小农经济依赖程度较小，适合发展集约型的农业，应逐步提高农业集约化生产，采用统防统治的方式科学高效的施用农药，实现规模化的经营方式、合理控制农药用量；对于农药施用量增长的新热点地区(中部地区)，应适时控制农药施用规模，中部地区作为我国粮食主产区，应在保证粮食产量基础上兼顾当地农业生态环境；对于干旱灾害频发、地形地貌多样、自然条件相对恶劣的西部地区，当地环境不适宜农业生产，应把当地自然环境的保护放在优先位置，推广使用低毒、高效的生物农药，降低对环境的污染程度；对于农药施用的热点地区，东北地区的农药施用量增长空间相对较大，可在原有的机种机收的基础上采用规模化喷洒的方式合理提高农药施用效率。
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中图分类号： F062.2；F323.22
文献标志码： A
文章编号： 1002-1302(2019)14-0327-05
郭利京，王 颖. 我国农药施用的时空演变究 [J]. 江苏农业科学，2019，47(14)：327-331.
doi： 10.15889/j.issn.1002-1302.2019.14.074
收稿日期： 2018-03-28
基金项目： 国家自然科学基金面上项目(编号：71773001)；安徽省哲学社会科学规划办公室项目(编号：AHSKQ2017D02)；全国统计科学研究项目(编号：2017LY79)；安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目(编号：gxyqZD2017043)。
作者简介： 郭利京(1981—)，男，河南洛阳人，博士，副教授，研究方向为农业资源与环境。E-mail：guolijing0379@163.com。
标签：农药施用论文; 时空演变论文; 空间自相关论文; 空间冷热点论文; 生态环境论文; 区域迁移论文; 安徽财经大学经济学院论文; 中国人民大学农业与农村发展学院论文;