固定氮素

11050 氮素固定 农业生产力、环境脆弱性、关于补贴的作用 Esha D. Zaveri 政策研究工作论文 11050 摘要 氮肥对于提高农业产量和粮食生产至关重要。然而，农业补贴往往导致肥料的不合理使用，给农场、环境和经济带来重大成本。科学证据表明，氮污染已超过安全行星边界，成为世界上最大的外部性之一。然而，补贴氮肥使用的全球经济成本和后果仍然了解不多。本文结合补贴、卫星衍生的作物生产力、氮肥使用、水质以及空间和行政数据集，提供了全球范围内化肥使用的长期成本和补贴作用的全面经验估计。结果表明，在大量投入补贴的地区，氮肥过量使用会降低作物产量。 生产力回报增加，导致氮流失进入水道，对人类健康和劳动生产率产生持久影响。全球超过一半的农业生产发生在高补贴氮使用区域，在这些区域，额外肥料的边际效益是负面的。这表明，在不影响作物产量的情况下，有显著潜力减少肥料的使用。在全球范围内，多达17%的氮污染与低效的投入补贴有关，导致缺氧区和有害藻华。相反，与生产脱钩的补贴可以减少这些有害的外部效应。这些发现强调了氮肥的持久后果，以及如何良好的意图但设计不当的补贴会加剧氮浪费，以及政策如何为改革铺平道路。 政策研究工作组系列论文发布进行中的工作成果，以鼓励关于发展的思想交流。一系列研究的问题。本系列的目标是尽快发布研究结果，即使这些展示的内容还不够完善。这些论文带有作者名字应相应引用。本文中表达的研究发现、解释和结论完全属于作者本人。作者的观点。他们并不一定代表重建与发展银行/世界银行的立场。其附属机构，或世界银行执行董事及其代表的国家政府。 固氮技术：农业生产力、环境脆弱性与作用补贴Esha D. Zaveri1 关键词：补贴、肥料、氮管理、农业、环境污染、缺氧藻华 JEL Codes: O13, O44, Q5, Q25, Q24 1. 引言 氮气是极少数能够像改变世界一样带来巨大创新的发明之一。自从其开始应用以来...面包来自空气或 20世纪，人类在制造“通过将空气中的氮气转化为氨，一种植物可以利用的活性氮的形式，“空气面包”得以实现。自哈伯和博施进行氮固定实验的巧妙实验一百年以来，氮肥已经大量被撒入土壤。实验的一个结果已经显而易见。它已经将全球的氮固定率翻了两番，使得产量提高了30-50%，并支持了几十亿人的生命，否则他们可能会过早死亡，或者根本无法出生（Erisman et al.2008；Stewart et al. 2005）。 规模化生产肥料的能力，加上大量肥料补贴，导致氮肥消费量稳步增长。自20世纪60年代以来，肥料使用量增长几乎全部发生在亚洲，尤其在中国的印度。这与社会变革的开始相吻合，当时，政府政策开始通过大额补贴积极支持一套国内价格控制系统，这扭曲了市场价格。 在很多国家，化肥补贴是政府预算中支出最大的项目之一。印度目前每年花费1000亿至1100亿美元用于化肥补贴（查特吉、卡普尔、塞希卡拉、苏布拉曼尼亚，2022年），比15年前的记录高五倍多（古拉蒂和班纳杰，2015年）。其中近70%的资金分配给氮肥，造成全球与中国国内化肥价格的较大差距。在中国，2008年至2010年间化肥产业的补贴平均每年高达70亿美元，这极大地抑制了化肥价格。2在墨西哥，政府于2019年创立了肥料计划（Programa de Fertilizantes），初始预算约为7500万美元，用以支持和供应小农户每年600公斤的化肥（Ding等人，2021年）。在非洲等地区，虽然仅占全球氮消耗的1.5%，但目前至少有10个非洲国家的政府（占该地区一半以上的人口）每年花费近6至10亿美元用于补贴，这约占它们国家预算中分配给农业的14%-26%（Jayne和Rashid，2013年；Jayne等人，2018年）。3然而，这些数值掩盖了实施过程中的混合记录，各地区及大小农户之间化肥使用的巨大差异，以及由于土壤组成的不同而导致的其不确定的有效性。 投入大量资源用于化肥补贴的理由通常是为了刺激农业生产，使贫困农村家庭受益，稳定食品价格，并提高粮食安全。同时，这也为政治家们提供了一个向选民表达支持的明显方式。4在发展中国家，经济论点通常基于对市场失灵的感知，这可能导致农民低效地使用肥料。例如，研究表明，由于肥料生产者的高额沉没成本、与不良市场基础设施相关的高交易成本，农民因流动性约束或不完善的信息而导致需求低，肥料市场可能容易发生市场失灵。 fertilizer returns uncertainty (Duflo, Kremer, and Robinson 2011; Carter et al. 2013; Abay et al.2017). 在此类环境中，经济上合理的农民会对补贴提供的价格激励做出响应，并增加他们使用肥料的比率。 另一方面，由于化肥价格异常低廉，补贴也可能鼓励农民偏离最佳水平，导致化肥过度使用，超出推荐率（Schultz等人，1964年）。5它可能导致在恰当的时间和数量下无法提供适量的肥料——一个在发展中国家似乎普遍存在的问题，因为那里的技术水平较低（Duflo，Kremer，和Robinson 2011）。6这尤其适用于氮肥，与其他肥料相比，它需要更多的信息来确定合适的施用时机和规模。部分原因在于，可供作物吸收的氮形式具有高度的挥发性，并且可以迅速离开土壤。 补贴或扭曲的价格，加上农民无法准确判断所需施用量，可能导致过度施用以及不适时施用（Islam和Beg，2021）。事实上，几项研究表明，化肥补贴增加了化肥的使用强度以及过度使用（Huang，Gulati和Gregory，2017）。7通常，这种平衡偏向于氮肥，因为它的补贴比其他肥料要高得多。8 但是，就像人一样，植物也需要各种营养素以生长茂盛。适当地施用合适的矿物肥料可以缓解土壤中的营养缺乏，并提高作物产量。虽然矿物肥料提供更高且植物更容易吸收的营养，但有机矿物也提供碳，这有助于保持健康的土壤和更好的作物生产力（Gram等人，2020年；Barrett和Bevis，2015年）。然而，受补贴驱动的氮肥应用似乎导致世界许多地区的营养失衡，因为农民施用的氮肥远远多于其他主要营养素，如钾和磷，或其他次要和微量元素（Kurdi等人，2020年；Gautam，2015年）。 化肥的不平衡使用导致了土壤中广泛缺乏锌、硫、铁和锰等中微量元素，这最终限制了农民高效使用化肥的能力（Jayne and Rashid，2013；Goyal and Nash，2017；Giné et al.，2019；Kishore et al.，2021），并且也可能影响人们食用的作物和食品的营养含量（De Groote et al.，2021）。9这在非洲尤其重要，因为那里的土壤质量变化特别大（Carter等人，2015年），并且酸性土壤的存在需要次要和微量元素、有机改良剂，以及 补充石灰以提高土壤管理（Smale 和 Theriault，2018）。因此，那些片面推荐和过分依赖氮肥的补贴计划，而没有充分考虑土壤或农艺条件，可能无法解决特定于当地环境的植物生长的限制因素（Smale 和 Theriault，2018）。10 然而，尽管化肥补贴作为一种农业政策工具普遍存在，且投入的资源量很大，但关于其长期影响以及由于使用不当而造成的溢出效应和浪费了解甚少（Gautam et al., 2022）。化肥补贴的不平衡，尤其是大幅度降低氮相对于其他营养成分的价格，可能促进低效率和不有效率的利用。这种过量使用和应用中的低效率意味着并非所有施加在田地上的氮都能被农作物吸收。这是因为植物的生产能力基于氮的量是有限的。11由于氮循环的独特化学性质，剩余的过量反应性氮随后以多种化学形式损失到周围环境中——作为亚硝酸盐和硝酸盐污染水道；作为无水氨或氮氧化物对空气质量产生负面影响；以及作为一氧化二氮，加剧气候变化和同温层臭氧层破坏（Kanter 2018）。12 使用氮肥、产量和水质量分解的网格单元级数据集，以及1995-2013年间约150个国家的补贴行政数据，该论文突出了这些肥料补贴的意外但显著的长远成本。在此过程中，结果聚焦于无效的氮肥应用如何损害农业生产力以及损害淡水资源。 本文其余部分组织如下。第2节描述了本分析中使用的数据和实证策略。第3节展示了主要结果，证明了氮肥对农业生产力和水道污染以及补贴整体影响的影响。最后，第4节总结了政策含义，并讨论了未来的发展方向。 2. 数据与实证策略 为了研究氮肥对农业生产率的影响，该论文使用了一个覆盖整个世界的网格单元级数据集。在分析中，土地面积被划分为每边为0.5度的网格单元，在赤道上大约相当于56×56千米。样本期从2000年延伸至2013年。以下方程在全球范围内进行估计： ( ) + + + 10由于对尿素的高度关注，研究表明，马里补贴计划未能解决作物生长的限制性因素，在某些情况下是磷而不是氮（Smale和Thériault，2018）。同样，坦桑尼亚的一项田间研究通过土壤检测发现，所有地块都缺乏硫，且硫仍然是提高玉米产量的关键限制因素。然而，政府规定的国家肥料推荐方案并未包括硫（Harou等，2021）。11肥料对植物生长至关重要，但超过一定量后，增加肥料可能无法提高产量。12因此，氮污染的影响被认定为21世纪最重大的环境问题之一（Kanter 2018）。最新的估算显示，氮可能成为世界最大的全球外部性问题，甚至超过碳（Keeler等人，2016年）。 我：it 细胞按年和年份索引。因此，观测单位是网格单元格-年。这里是网格单元i在年份t的净初级生产力。NPP可以通过卫星图像测量，自以往文献以来，它被用来 衡量农业绩效，因为它为不同作物类型提供了一个共同的单位生产力（Zaveri，Russ和Damania，2020）。NPP与植物在生长季节吸收的太阳能量线性相关，并以碳NNNNPP克计量。每平方米。净初级生产力（NPP）与欧洲航天局气候变化倡议开发的地表覆盖数据集相结合，该数据集在全球范围内提供关于37个地表覆盖类别的信息，并以300米网格为尺度。这确保了仅捕捉包含大量农业的网格单元格中的植物生产力（通过NPP衡量），从而避免了将影响归因于森林或其他自然栖息地。 数据关于每公顷农田平均年使用氮肥的数据来源于Lu和Tian（2017）。McArthur和McCord（2017）的先前工作13研究发现，每公顷增加1公斤肥料导致产量增加8-9公斤/公顷。这相当于氮肥使用量增加10%，使全球产量提高约29-32%。然而，氮肥使用的持续测量可能掩盖了由于补贴存在而产生的对产量影响的异质性。这是因为虽然肥料补贴可能已经使得肥料使用成为可能，从而提高了农业生产率，但补贴也可能激励农民过量施用肥料，导致氮肥对生产力的有益影响开始减弱。为了展示全球范围内氮肥使用对农业生产力的非线性影响，氮肥使用的持续测量被替换为是否处于九个不同的分位数箱中的氮肥使用对数值的指标，以评估全球肥料分布的影响。分位数系数，是我关注的系数。第一个分位数被省略，成参考 。量分位数. 众多其他因素也可能影响氮肥和产量之间的关系。陆地气温与降水版本 4.01 从以下来源获取的气象数据：由...汇编 德雷塞尔大学（Willmott和Matsuura 2001）在其经济学文献中已被广泛引用（Dell Jones和Olk en 2012，Burke Hsiang和Miguel 2015等人）。此数据集提供了以0.5度空间分辨率的月度总降水和温度数据。数据涵盖自1901年至2014年每个月份。 陆地气温与降水 控制变量包括降雨量和温度从以下来源：版本 4.01 编译自特拉华大学（Willmott和Matsuura 2001）。包括各种固定效应和时间趋势，尽可能地将氮肥的影响与其他因素隔离开来。其中是年份固定效应，是网格单元固定效