农业面源污染管理政策调控仿真模型研究进展与展望

来源：职称论文发表咨询网作者：田编辑时间：2022-06-09 08:58

　　摘要：农业面源污染因其分散性、滞后性和不确定性而成为环境治理的难点。面源污染物迁移转化过程的模拟模型发展迅速，而农业面源污染管理政策仿真评估模型研究相对较为滞后。本文系统梳理与分析了自上而下宏观目标约束、自下而上微观行为传导及宏观与微观上下耦合三类政策仿真模型研究进展，总结了当前模型的基础理论与方法的优势与不足。本文提出了融合流域水系统过程规律认知，构建宏观政策目标自上而下约束与微观主体行为自下而上传导耦合的农业面源污染政策仿真模型，实现政策仿真模拟在、区域、流域与栅格跨尺度上的嵌套传导、参数互验与系统预测，以解决因农业面源污染防治主体的多元性与防治对象的广泛性特征所导致的复杂性系统难题，使得政策效应模拟仿真结果空间显性化，进而实现农业面源污染控制的政策管理由粗放型向精准化方向迈进。

　　关键词：面源污染;政策模拟;耦合模型;行为调控

　　农田氮磷营养物流失是流域水环境污染的重要风险源，其污染物具有广域分散性、相对微量且运移途径多样无序性特征，是环境污染治理的难点，严重影响了河湖水环境安全，同时制约着农业绿色可持续发展。中国农业自然资源“水土光热”匹配的耕地面积只占国土面积的9%，粮食安全需求导致投入要素的增加，特别是农药与化肥等化学品投入的增加加剧了面源污染风险。2015年发布《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，通过测土配方施肥、畜禽养殖废弃物综合利用、水肥一体、秸秆还田等一系列面源污染防治措施，化肥施用量及施用强度逐渐降低，至2019年年均下降率超过了10%。其中2019年化肥施用强度已下降至326公斤/公顷，但仍高于发达设置的安全上限(225公斤/公顷)，种植业污染负荷量仍具有较大的调控空间。2021年3月，生态环境部颁布《农业面源污染治理与监督指导实施方案(试行)》，提出2025年重点区域农业面源污染得到初步控制，2035年重点区域土壤和水环境农业面源污染负荷显著降低的目标，并制定了一系列农业面源管理政策。如何科学评估农业面源管理政策的实施效果?农业面源管理政策调控阈值应该处于什么范围才能实现环境与经济双重效益相协同?这些问题的科学解答迫切需要在流域水系统过程规律的认知基础上耦合农业面源管理政策仿真模型工具的支撑。

　　1农业面源管理政策仿真评估模型介绍

　　1.1自上而下的政策评估模型分析

　　宏观管理政策通常按照自上而下的过程进行实施，因此现有对政策效果的定量模型多以自上而下的思路进行建模，且多关注于上层目标的落实情况。管理政策多由政府或企业等相关管理部门制定，通过推进或促进相关社会主体行为变革而实现其环境或经济等管理目标[2]。自上而下的经济管理政策模拟仿真主要从宏观管理目标出发进行调控，一是从经济学视角出发，以部门为单位考虑多个经济部门之间的关联关系，进行政策调控模拟评估其宏观经济效应;二是从系统分析的角度出发，构建人口?资源环境?经济的复杂系统，基于政策工具参数变动观察系统要素的互馈关系与作用强度的响应，以实现宏观管理政策的仿真模拟。其代表性模型有投入产出模型、一般均衡模型、系统动力学模型等。

　　1.2自下而上的政策评估模拟

　　自下而上的政策定量评估主要从实施主体的行为和管理主体的目标两个分析角度建模。政策最终的实施主体均是人，因此可以通过调控人在实现其自身利益最大化的条件下的生产行为，如种植结构调整、农药化肥投入等，由个体利益博弈行为决策整合形成群体行为，进而实现个体?群体?系统间自下而上的模拟。此外，可以对管理主体不同视角的目标进行系统整合，从经济、社会、环境等多维视角考虑政策的组合目标，以形成综合性的多个层面目标最优化决策。其中，政策评估计量经济学模型、基于主体的建模(Agent?BasedModel，ABM)方法与多目标优化模型等是上述思路具有代表性的模型。

　　2农业面源管理政策仿真模型的重要发展方向

　　农业复杂系统集成评估模型通过实现自上而下宏观目标约束与自下而上微观行为传导耦合应用，将为农业面源污染治理政策制定提供科学依据。农业生产发展过程中技术水平不断提高，集约化种植所使用的化肥、农药和塑料薄膜，以及农村禽畜养殖所产生的粪便及废弃物不断增长，成为了流域水体污染的重要外源。从源头控制与过程削减入手，需要结合当地资源环境与经济发展条件，合理安排农业生产方式与种植结构，提高资源利用效率和生产力，并依据所处流域水体污染程度建立不同类型的源头控制措施，进而有效控制农业面源污染。农业系统集成评估模型有效模拟了政策影响下对农产品的生产结构和效率，其包含的驱动因素不仅考虑了宏观社会经济变动影响，且考虑了自然资源禀赋空间异质性的约束。同时，将农业面源污染产生的源头刻画降至空间栅格尺度，实现其与水系统过程过程模型耦合将成为科学决策工具发展的重要方向。全球化影响下的资源流、信息流与自然过程的物质循环使得资源环境问题解决需从人?自然耦合系统视角开展仿真模拟，农业面源污染管理的系统集成评估模型研究亟需从以下两个方面加强。

　　一是，推进生态?水文过程、作物生长模型与农业种植行为仿真模型的过程耦合，实现要素相互作用与过程互馈的刻画。目前，已有部分研究尝试将生态?水文模型与农业种植行为、作物生长模型的系统耦合。如全球农业部门均衡分析的格网模型SIMPLE?G与全球水资源平衡模型(WaterBalanceModel，WBM)进行耦合，模拟减少水资源消耗和流域间的调水对全球粮食安全和土地使用变化的具体影响[88]。通过链接GLOBIOM模型与区域水文模型(TheCommunityWaterModel，CWATM)，模拟农业种植行为对河流营养物及污染的影响过程[97]。模型将精准刻画生态?水文过程的变动对农业生产的影响，进而作用于农业面源污染的水质响应，推动农业复杂系统集成评估模型中自然?经济要素之间的有效互馈。

　　二是，推动空间栅格尺度农业生产行为中资源环境要素禀赋、农业生产的理性与非理性选择行为的耦合。具体可通过链接微观行为主体模型(如网络分析法、计量经济学模型和基于多主体的建模方法)，将防治主体多元性与农业生产非理性行为纳入模型框架，模拟污染防治中农民、企业、政府及其他多主体行为变动对农业面源污染的影响，实现数据在不同尺度的一致性表达，进而开展自然过程模型与社会经济系统模型的互馈模拟。在模型整合技术方面，随着ABM模型和CGE模型链接的最新进展，以系统科学思想为推进IAM模型与其他模型整合提供了巨大的发展潜力。

　　3结语

　　农业面源污染调控政策多以人的生产行为调控为目标，探讨施肥减量化管理、种植结构布局优化、农业资源转化与循环利用等相关生产过程的环境经济效应。然而，传统农业生产行为与资源环境的空间异质性特征决定了管理政策需要向精准化方向进一步发展，进而避免政策的“一刀切”和微观规制缺乏造成的粗放式管理问题。农业面源污染治理是降低农业发展过程的环境负外部效应，实现农业绿色可持续发展的重要举措。本文通过整理现有经济政策仿真模拟模型和农业面源污染的特征，将建模方法划分为自上而下、自下而上以及相互耦合的三种方式。研究提出未来需融合水系统演化、地球化学循环过程等自然规律认知，构建自上而下宏观政策目标约束与自下而上的行为传导集成的复合系统模型，以解决农业面源污染防治主体多元性与防治对象广泛性所带来的复杂性系统难题。同时，研究提出的耦合污染物迁移转化过程的农业复杂系统集成评估模型在系统分析中呈现出了巨大潜力。将政策评估或仿真模拟由区域尺度降低至空间栅格尺度，一方面有助于实现自然过程与人类活动互馈的过程刻画上的尺度匹配，另一方面也有利于推动主体行为调控的管理向更为精准化的方向探索。在模型技术方面，从经济学理论的可计算一般均衡分析模型与信息计算科学的微观行为多主体仿真模型或计量经济分析模型框架出发，集成自然过程规律的认知模块，将为构建人?自然耦合复杂系统模型提供技术与理论研究的重要支撑。此外，研究可在大数据技术支持下不断提高模型模拟的精度，增加模型新的功能模块或链接不同的集成评估模型，以实现人口?资源环境?经济复合系统的集成模拟。然而，模型的复杂性与数据需求量也会随之大幅增加，数据公开性问题与多节点数据融合问题将成为巨大的挑战[87]。面对该难题，如何将模型简化并通过大数据分析技术以加深对重要问题的刻画，是值得进一步探究的问题。

　　参考文献(References)：

　　[1]牛志明，解明曙，孙阁，StevenG.McNulty.非点源污染模型在土壤侵蚀模拟中的应用及发展动态.水土保持，2001(03)：20?22.

　　[2]高懋芳，邱建军，刘三超，刘宏斌，王立刚，逄焕成.基于文献计量的农业面源污染研究发展态势分析.农业科学，2014，47(6)：1140?1150.

　　[3]YoungA.Anonpoint?sourcepollutionmodelforevaluatingagriculturalwatersheds.Jour.ofSoilandWaterConservation，1989，44(2)：121?132.

　　[4]洪华生，黄金良，张珞平，杜鹏飞.AnnAGNPS模型在九龙江流域农业非点源污染模拟应用.环境科学，2005(04)：63?69.

　　[5]孟春红，赵冰.AGNPS模型在小流域农业非点源污染中的应用.长江科学院院报，2008(04)：24?27.

　　[6]BouraouiF，DillahaTA.ANSWERS?2000：Runoffandsedimenttransportmodel.JournalofEnvironmentalEngineering，1996，122(6)：493?502.

　　[7]BeasleyDB.ANSWERS：AMATHEMATICALMODELFORSIMULATINGTHEEFFECTSOFLANDUSEANDMANAGEMENTONWATERQUALITY.Neuropharmacology，1977，18(4)：355?60.

　　[8]张玉斌，郑粉莉.ANSWERS模型及其应用.水土保持研究，2004，011(004)：165?168.

　　[9]DillahaTA，BeasleyDB.Distributedparametermodelingofsedimentmovementandparticlesizedistributions.TransactionsoftheASAE，1983，26(6)：1766?1772.

　　吴锋1，2曾麟岚1，2，刘桂君1，2

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