种植业结构优化的系统动力学方法研究

来源：职称论文发表咨询网作者：田编辑时间：2022-02-15 09:06

　　摘要：以生态环境学为基础，将系统动力学方法应用于种植业结构优化的研究，并针对地处干旱半干旱地区的吉林省长岭县种植业的实际情况，采用定性和定量相结合的研究方法，建立了种植业结构优化的系统动态仿真模型，提出了“自然发展型”、“经济效益型”、“生态型”、“协调发展型”等多个设计方案，经过对比参照和多方论证，最终确定了“协调发展型”作为长岭县种植业结构的优化方案，并提出了实现该方案的措施和途径。

　　关键词：种植业结构；系统动力学；仿真模拟；吉林长岭

　　东北地区是我国重要的商品粮基地，“九五”期间年均总产占全国年均产量的15％。目前东北农村的收入来源主要依靠种植业，但是传统的耕作习惯和种植业结构仍居主导地位。一方面种植业结构不合理、粮食品质差、成本高，在我国粮食供需基本平衡且略有盈余的情况下，随着粮食市场的开放，造成了东北地区粮食竞争优势逐渐减弱，粮食过剩与积压，农民卖粮难，收入下降和地方财政负担过重的情况［1］；另一方面，农村大多数仍采用掠夺式的耕作方式，片面强调高产增收，而忽视了对耕地资源的保护，造成了耕地肥力下降，土壤流失、沙化、碱化等一系列的生态环境问题。所以，改变传统的种植业耕作方式，进行合理的结构优化，提高耕地整体的生态效益，对于耕地的可持续利用、农村生态环境的保护以及农业的可持续发展都有非常重要的现实意义。

种植业结构优化的系统动力学方法研究

　　1研究区概况

　　长岭县位于吉林省西部，地处松辽分水岭台地平原，全县面积5728km2。地貌特征为东南略高，逐渐向西北略微倾斜，境内河流稀少，地势平坦，为一小型的内流盆地。该县属典型的温带大陆性季风气候，年均气温为4．5℃，年降水量为400～500mm，无霜期142d左右。粮食作物以玉米和大豆为主，经济作物以油料和蔬菜为主。根据2000年长岭县的统计年鉴资料，2000年全县总人口63万，农业人口52．8万，占总人口的83．8％，耕地面积18万hm2，其中粮食作物播种面积14．96万hm2，占耕地面积的83％，净收入为7．41亿元；经济作物种植面积3．04万hm2，占耕地面积的17％，净收入为3．52亿元。粮、经面积比为4．9∶1，而两者收入比仅为2．1∶1。上述种植业问题在长岭县比较突出，该县的生态环境脆弱，种植业的生态效益直接关系着农村的整体生态环境质量。同时由于吉林省正在加大力度推进生态省建设，把全省的生态环境改善作为重要的战略部署，这样就使种植业结构优化势在必行，而且必须把提高生态效益作为最终目标。

　　2系统动力学模型的建立

　　2．1资料来源

　　本研究工作是建立在资料收集和遥感解译基础之上的，其资料来源包括：进行实地调查获得作物生长情况和市场行情的数据；1985、1990、1995、2000的长岭县统计年鉴资料数据以及上述4a各地类遥感面积数据等。

　　2．2系统边界

　　系统中动态行为产生的原因是系统的关键，系统内产生增长、流动和变化的相互作用关系是系统的基础。在系统内，任何一个特定的行为是由相互作用的各组成部分结合而产生，这些组成部分都处在一条规定的封闭系统的边界内［3］。Forrester认为：就概念而言，一个反馈系统是一个封闭系统，它的动态行为在其固有的结构内部发生，模型边界所包围的组成部分可以很少，但必须要能解释边界内发生的系统行为，除了激发系统能够使我们观察到系统的扰动处外，闭合边界从本质上来说是没有任何流可以穿过的［4］。然而，我们实际研究的系统大部分是开放系统，它们与环境之间存在着频繁的物质、能量和信息的交流。所以应针对该研究的具体情况把直接或间接影响到种植业效益的各因素都包括到系统边界之内。这里考虑的因素有：（1）社会因素，包括人口数量、资金投入、技术水平等；（2）经济因素，包括种植业总收入，粮食作物和经济作物的种植面积、成本、市场价格，农家肥施用量，科技投入，灌溉面积，用水量，农民人均粮食等；（3）生态因素，包括各种作物在吸收CO2、释放O2、涵养水源、保持土壤作用中的生态效益，秸秆还田的生态效益，农家肥施用的生态效益［5］，退耕还林的生态效益以及作物本身汲取养分带来的生态效益（负值）等。生态效益即生态价值，它是隐性的，但可以通过其它实体来体现［6］。关于种植业生态效益的计算是参照利奥波德（AldoLeopold，1877～1949）在土地伦理观中介绍的土地生态效益的估算方法，并结合作物在生态环境价值贡献中的实验数据，其值等于上述各生态因素的生态效益之和。

　　2．3系统变量集合与系统因果关系反馈图的确定

　　模型集的选择应围绕系统的目的，并且能够表现系统的主要特征。同时，还应确定待研究系统的层次，因为层次设置直接决定了模型的大小和最终结果。由于模型涉及的变量很多，故首先应找出主要的状态变量，并确定这些变量之间的因果关系或反馈关系。所谓反馈关系，笼统的概念就是：系统决策的信息导致决策的制定，而决定一旦产生，则需采取相应的行动，这些行动反过来改变了系统原有的状态，这种改变作为新的信息再产生新的决定和行动。依次类推，形成一个封闭的因果关系环即反馈环，反馈关系在系统动力学占有很重要的地位，它直接决定了系统的结构。针对该研究问题的需要以及系统的结构，涉及到的变量有：（1）状态变量，包括人口数、耕地面积等；（2）目标变量，种植业的总经济效益和总生态效益、人均粮食等；（3）控制变量，包括灌溉面积、各种作物的种植面积比例、农家肥施用量、科技因子投入、秸秆还田量等；（4）辅助变量，为连接各状态变量、目标变量等而设置的变量。主要有各种作物的单产量、纯收入、生态指标等。这里的人均粮食不考虑粮食的商品因素和其它的消耗。我们用SmartDraw6软件绘制种植业结构优化系统动力学简化流图（图1），该图反映了各系统变量与系统因果的反馈关系。

　　2．4系统方程的构建

　　以上述系统动力学流图为基础，结合所搜集的资料，对各变量之间的关系进行定量的分析，并借鉴已有研究中的成熟公式或参数，最终建立了种植业结构优化的系统动力学方程。本模型共有166个活性方程，其中包括3个状态方程，17个流率方程，93个辅助方程，14个表函数方程以及39个常量（初值）方程。该模型运用PDPPlus软件在PC机上运行，模型的初始时间定为2000年，仿真终止时间为2020年，步长是1a。选取1985、1990、1995年的耕地面积、人均粮食，各种作物的种植面积，种植业净收入等主要指标与该县实际历史资料进行比较，发现误差＜2％的概率为53．4％，误差＜5％的概率为81．7％，误差＜10％的概率为92．1％，这说明该模型对历史实际有较好的仿真性。

　　3仿真结果

　　根据各控制变量的确定原则，以及“人机对话”式的调控模拟过程，选择各种作物的种植比例、科技投入比重、秸秆还田量、农家肥单位施用量、灌溉面积等几个指标作为系统调控变量，通过改变某一变量或者几个变量的组合，达到系统调控实验的目的。“自然发展型”、“经济效益型”、“生态型”、“协调发展型”是众多调试方案中较具代表性的，它们从不同的角度来对系统进行调控。表1是4个方案的输出结果，各方案的主要特点如下：

　　方案I（自然发展型）：本方案是依据长岭县1985年至2000年种植业的发展趋势设计。耕地面积略有增加，玉米、大豆、油料和蔬菜的种植面积比例基本保持在69∶13∶16∶2。到2020年，种植业经济效益增加20．4％，生态效益基本不变，人均粮食略有增加。

　　方案II（经济效益型）：增大经济作物在种植业中的比重，大幅减少玉米的播种面积，适量进行秸秆还田和施用农家肥，逐年增加耕地的灌溉比例，科技投入指数为0．2。到2020年，4种作物的种植面积比例约为46∶16∶23∶15，种植业的经济效益是2000年的2．51倍，而耕地的平均生态效益和人均粮食分别下降了12．7％和5％。

　　方案III（生态型）：有计划退耕还林2．8万hm2，增加大豆的种植面积，提高秸秆还田率到50％，适量施用农家肥，逐年增加耕地的灌溉率，科技投入指数为0．15。到2020年，4种作物的种植面积比例约为50∶33∶16∶1，种植业的经济效益和耕地的平均生态效益分别是2000年的1．32倍和2．66倍，由于进行退耕还林，耕地面积减少，人均粮食略有下降。

　　方案IV（协调发展型）：有计划退耕还林2万hm2，增加经济作物和大豆的种植面积，提高秸秆还田率到50％，适量施用农家肥，实现耕地的全额灌溉，科技投入指数为0．25，同时使用较为严格的人口政策。到2020年，4种作物的种植面积比例约为56∶19∶21∶6，种植业的经济效益和耕地的平均生态效益分别是2000年的1．63倍和2．43倍，人均粮食在耕地面积减少的情况下增加了3．4％。

　　各方案中种植业经济效益、平均生态效益和人均粮食的对比见图2。

　　4种植业结构优化方案和实施途径

　　4．1方案选择

　　种植业结构优化的依据：在满足各阶段人口自身对粮食的需求和粮食商品率的条件下，结合吉林省进行生态省建设所提出的“进行任何工程、建设都要以生态环境保护和生态效益为重”的指导思想，调整种植业结构，充分发挥资源优势，最终达到资源、经济、生态三者和谐发展和耕地资源可持续利用的目标。从4个方案的比较来看，种植业的经济效益都有所增加，其中方案II和IV增加较为显著，但方案II是以牺牲平均生态效益为代价的。方案III和IV的平均生态效益都很高，但方案III的经济效益远不及后者，同时方案III的人均粮食也低于方案IV。通过对各方案的对比，可以认为第IV方案是最为理想的方案。

　　4．2优化方案的实施途径

　　（1）逐步调整种植业结构，增加经济作物的种植面积，大力发展油料和绿色蔬菜的种植；逐步减少玉米的种植面积，适量增加大豆等豆科作物的种植面积。到2020年，玉米、大豆、油料、蔬菜4种主要作物的种植面积比例调整到56∶19∶21∶6。

　　（2）引进优良作物品种，以选择高产型、生态型作为品种换代标准。改进种植业传统的耕作方式，大力推广施用农家肥，提倡秸秆还田；增加资金投入，增大耕地的灌溉率，改善农田水利条件，同时提高灌溉节水的技术水平。

　　（3）进行有计划地退耕还林，提高农业整体的生态效益。同时，加大盐碱地的治理和未利用土地的开发，建立生态草和生态林工程。

　　（4）在种植业结构调整的范围内，要因地制宜，充分发挥区域优势，扬长避短。盐碱土地种植向日葵、甜菜，贫瘠土地种植黄花草木樨，较干旱或者水利条件不太好的地方种植玉米等都会有比较理想的效果。

　　（5）长岭县草场资源丰富，畜牧业较发达，在进行种植业结构调整的过程中，积极发展畜牧业，引进优质牧草，如黄花草木樨等，建立稳定的饲料作物种植基地，逐步形成稳定的粮经饲三元种植结构。

　　（6）拓宽作物的加工和销售渠道，充分发挥地区资源优势，在种植业中建立多元化经营机制，在自给自足的情况下，提高粮食的商品率。

　　（7）实行一系列经济、行政、法律手段控制人口增长。到2020年，人口的自然增长率限制在7‰以内。同时，加强宣传力度，普及农业科技知识，提高广大农民的综合素质。

　　参考文献：

　　［1］王建国，乔云发，王守宇，等．东北地区种植业结构调整的对策建议［J］．农业系统科学与综合研究，2002，18（4）：308－309．

　　［2］王福林，郑文钟．种植业结构与资源分配问题的研究［J］．系统工程理论方法应用，1996，5（1）：60－63．

　　［3］王其藩．高级系统动力学［M］．北京：清华大学出版社，1995．18－31．