干旱半干旱地区农业生态环境系统优化调控研究
第23卷第6期干旱地区农业研究
.23No.6Vol
干旱半干旱地区农业生态环境系统优化调控研究
王 娟1,2,林年丰1,汤 洁1,卞建民1
(1.吉林大学环境与资源学院,吉林长春 130026;2.吉林大学地球科学学院,吉林长春 130026)
Ξ
摘 要:以松嫩平原西南部的长岭县为例,依据区域农业可持续发展理论、生态经济学、反馈控制理论和系统动力学原理,建立干旱半干旱区农业生态环境系统动力学模型。设计了“维持现状”、“生态建设”、“节水”、“偏畜牧业”、“偏种值业”和“农牧互促”等6种调控方案。经仿真模拟及其结果对比分析,“农牧互促”系统的优化调控方案。
关键词:农业生态环境系统;系统协力学模型;中图分类号:F301 文献标识码:A 文章编号:)22,境问题[1],、半干旱地区,生态环境问题已成为农业可持续发展的瓶颈。为了实现区域的可持续发展,保护治理农业生态环境,使人口、资源、环境与社会经济协调发展,必须对被破坏了的农业生态环境系统进行结构修复或重建,以提高整体系统的功能。为实现这一目标,需要进行农业生态环境系统的优化调控研究。我们选择地处松嫩平原西南部的长岭县为研究区,进行农业生态环境系统
(AEES)的优化调控典型研究。该县东部为森林草甸草原区,中部为草甸草原区,西部为干草原2草甸草原区,从东向西生态环境有规则的变化。
长岭县位于吉林省西南部,幅员5728.4km2,东南部为台地,中部为平地,西北部为沙丘草原。该县在建国以前,基本上保持了原始的生态环境状态。但近50年来,由于人为因素和气候变化的影响,生态环境受到较大的破坏,如水资源短缺,旱灾频繁,土壤贫瘠,土地盐碱化,草地退化,生态环境问题日益严重。该县农牧业发展滞缓,多年来以破坏资源和环境为代价维持农业经济低水平的增长。该县的农业生态环境系统已步入恶性循环的轨道,如不及时对该系统进行优化调控与恢复重建,任其发展,将会导致系统的“崩溃”。因此,对长岭县农业生态环境系统调控优化已成为刻不容缓的任务。
Ξ
1 系统动力学模型的建立
1.1 系统动力学方法的应用特点
目前,系统动力学(SystemicDynamics,SD)已
被广泛运用于城市经济发展、企业经营管理、宏观经济规划、区域经济、科技管理、能源规划、资源配置与土地承载能力、农林牧副渔动态调节与控制、环境影响评价以及预警等方面[2～10]。它适于处理周期性、长期性、高阶、非线性、时变性等问题,在数据不足的条件下仍可应用,适合于本研究采用。1.2 系统动力学分析过程
1.2.1 变量集与流图 长岭县农业生态环境系统
由人口、水资源、土地资源、种植业、畜牧养殖业、林业、生态效益、社会经济等8个子系统组成,生态效益主要包括林业、草业、种植业的生态效益、盐碱地损失的生态效益、植被覆盖率和盐碱地占的比重,植物有吸收二氧化碳、释放氧气、涵养水源、改良土壤(提供N、P、K元素)等作用,把这些作用折合成经济价值。各子系统间相互联系、相互影响,相互制约,以实现总体最佳效益。该系统的变量集包括:目标变量、状态变量、控制变量和辅助变量,此外还有各种常量和函数(表1),根据各种变量之间的关系确定其反馈机制及SD模型流图(图1)。
1.2.2 方程的建立 SD模型方程由状态方程、速率方程、辅助方程、参数方程和初值方程组成,其中状态方程是SD模型的核心方程,它表示系统行为的变化,其它方程均由它推导而出。状态方程一般表达
收稿日期:2005204204
基金项目:国家自然科学基金项目(40072093,40273047)
作者简介:王 娟(1968-),女,黑龙江双城市人,博士,主要从事生态环境系统研究。E2mail:[email protected]
2 干旱地区农业研究 第23卷
式为:
=f(Xi,Ri,Ai,Ci)dt
其差分方程:
X(t+∃t)=X(t)+f(Xi,Ri,Ai,Ci)×∃t
式中:X—状态变量;R—速率变量;A—辅助变量;C—参数;t—时间变量;∃t—时间间隔;根据长岭县农业生态环境系统的具体情况,共设置12个状态变量,25个速率变量,157个辅助变量,96个参数。
表1 长岭县农业生态环境系统优化调控SD模型的主要变量集
Table1 ThemainvariablesofSD2modelforoptimaladjustmentofagricultural
eco2environmentsystem(AEES)inChanglingcounty
变量集
Variables
具体指标Indexes
农业收入、种植业收入、畜牧业收入、生态效益、人均收入、人均粮食Agriculturalincome,farmingincome,
stockbreedingincome,ecologicalbenefit,percapitaincome,percapitafoodstuff
目标变量
Goalvariable
状态变量
Statevariable
耕地面积、草地面积、林地面积、盐碱地面积、水田面积、旱田灌溉面积、人工草地面积Farmland
area,grasslandarea,woodlandarea,salinaarea,paddyfield,glebegrassarea,population,livestockamount
控制变量
Controlvariable
人口自然增长率、牲畜年变化率、粮食商品率、粮食2饲料转换率、节水技术、回归水利用系数、Nofannualvariationrateoflivestock,
annualvariationoflands,ratefield,conversionratefromstrawtofeed,mfoodstufftofeed,water2savingtechnology,utilizationofglebe
辅助变量
Assistant、生态需水量Un2usedland,totalwaterresourceamount,agriculturalwater
,logicalwaterrequirement
常量
总幅员面积、用水定额Totallandarea,waterusequota
1.2.3 调试及仿真 依据各类方程及各变量之间
的关系,采用DYNAMO语言编写SD模型程序。模
型初始时间为1990年,仿真终止时间为2020年,步长为1年。1990～2000年的运行中,选择人口、农业收入、种植业收入、畜牧业收入、粮食总产量、耕地等主要指标与该县实际历史资料进行回顾性验证,并用2001年、2002年和2003年的数据进行检验。使这些指标的模拟值(通过SD模型计算出的值)与这些指标的社会统计数据相比较,当模拟计算值与社会统计数据的相对误差均小于5%时(表2),认为SD模型模拟结果与实际值的拟合较好,说明模型有足够的有效性,可以进行预测,通过对变量的调控进行多方案仿真与优选。
2 调控方案的设计及仿真结果分析
2.1 方案的设计
根据长岭县的社会经济情况和主要的生态环境问题,就农业生态环境系统调控进行多方案的设计,选出其中有代表性的6种方案,见表3。2.2 仿真模拟结果分析
选取农业收入、种植业收入、畜牧业收入、生态效益、地下水开采系数、植被覆盖率、人均收入等主要指标进行各种方案的仿真模拟分析,其结果见表4。
(1)方案1——维持现状方案
农业收入和种植业收入在2001～2020年期间分别以每年0.75%、0.99%的速率缓慢增长。畜牧业由于草地面积的减少而下降,盐碱地以每年0.21×104hm2速度递增,而草地却以每年0.14×104hm2的速率递减,生态环境不断地恶化,水资源出现短缺现象。如按此方案进行发展,长岭县经济增长不仅非常缓慢,而且生态环境还会受到严重破坏。
(2)方案2——生态建设方案从2002年开始实施退耕还林、还草工程建设,加大盐碱地改良力度,于2013年使长岭县境内的盐碱地基本得到治理;生态环境得到较大的改善,其效益以年4.53%速率增加;而经济效益却增长较慢,农业收入、种植业收入、畜牧业收入的增长率分别为年均1.17%、0.94%、2.79%。由于考虑生态需水,在没有节水和回归水重复利用的情况下,于2005年出现地下水超采现象,2020年,需水量是供水量的1.66倍,水资源短缺现象十分严重,如果不增加可供水量,很难维持其经济发展速度。
(3)方案3——充分利用水资源方案
在地下水最大可开采资源量不增加的情况下,通过调控水资源子系统有关的变量,充分利用回归水,控制水田面积的增长率,减少水田灌溉定额,增加生态需水,实现生活用水、农业用水、生态用水三者的协调,保持开采系数≤1,收入情况与方案2相同。
第6期王 娟等:干旱半干旱地区农业生态环境系统优化调控研究3
(4)方案4——重畜牧型方案
方案3基本实现了生态环境向良性方向的发展,植被覆盖率由29%增加到57%,水资源得到较充分的利用。但人们的生活水平却没有较大的提高,生产水平处在较缓慢发展的状态下,没有实现“三效益”相统一。为此,需通过加大科技投入、增加有机肥、改良作物品种、调整农业内部结构、大力发展畜牧业生产等措施来增加收入。这样可使畜牧业收入占农业收入的比重从13%提高到33.6%,人们的生活水平也会得到较大地提高。
(5)方案5——重农型方案本方案是通过提高粮食的商品率、减少饲料粮的供给和进一步减少玉米的种植面积、增加豆类和
油料作物的种植面积来实现的。
其结果农业收入从
目前的16.9亿元增加到2010年的27.69亿元,其后由于减少有机肥的投入,产量呈现缓慢下降的趋势,种植业收入占农业收入的92%。而畜牧业由于缺少饲料的供给,其收入呈下降趋势。
(6)方案6—农牧互促型此方案综合了方案4和方案5的优点,其目的是既要提高种植业收入,也要增加畜牧业的收入,协调好农牧两者的关系,使农牧业之间形成以农养牧、以牧促农的良性循环。农业收入、种植业收入、畜牧业收入分别以年均3.8%、2.5%和12.5%的速率增长,到2020亿元、22.20亿.22,27%。
图1 长岭县农业生态环境系统优化调控的SD模型流图
Fig.1 FlowchartofSD2modelforoptimaladjustmentofAEESinChanglingCounty
4 干旱地区农业研究
表2 模拟数值与统计数据对比
Table2 Comparisonofsimulatedresultsandstatisticdata
1990年
1993年
1996年
1999年
2001年
第23卷
2003年
项目
Item
模拟值实际值模拟值实际值模拟值实际值模拟值实际值模拟值实际值模拟值实际值
SimulatedActualSimulatedActualSimulatedActualSimulatedActualSimulatedActualSimulatedActual10.39
10.4
11.38
11.41
11.66
11.57
13.14
13.68
17.22
16.96
17.20
17.33
农业收入(亿元)
Agriculturalincome
(108yuan)种植业收入(亿元)Farmingincome(108yuan)
10.0910.0710.9711.0111.1211.1112.4413.0814.8914.4114.9415.18
畜牧业收入(亿元)Stockbreedingincome
(108yuan)总人口(万人)Totalpopulation
(104)粮食总产量(万t)Totalgrainoutput
(104t)
耕地
Farmlandarea(42)
0.300.330.410.400.530.460.690.602.252.282.182.36
56.7456.7558.4758.7460.2460.1162.0763.2463.7063.64.3364.45
82.6782.8794.8095.60111.6525.126..154.09148.58
18.0517.8818.18...6618.0218.0017.4117.56
表 长岭县农业生态环境系统优化调控方案
T3 SchemesofoptimaladjustmentofAEESinChanglingCounty
方案Scheme方案12维持现状
Scheme12Presenttrendmaintaining
调控方案设计的要点Themainpointsoftheadjustmentscheme
按目前自然演化的方向发展,盐碱地按年2%的速率增长,草地按2%的速率退化According
tothepresentsituationofnaturalevolution,theincreaserateofsalinais2%,andthe
degradationrateofgrasslandis2%.
方案22生态建设
Scheme22Ecologicalconstructing
进行退耕还林、还草建设Ecologicalconstructionofreturningfarmlandtoforestand
grassland
方案32节水
Scheme32Watersaving
在方案2的基础上,增加节水措施,充分利用农田回归水,减少水田灌溉定额Basedon
Scheme2,themeasuresofwatersavingareadopted,thereturnedwaterfromfarmlandsisfullyused,andtheirrigationquotaofpaddyfieldisreduced.
方案42偏畜牧业
Scheme42Leaningtostockbreeding
在方案3的基础上,加大科技投入,增加有机肥,提高产量,大力发展牲畜业Basedon
Scheme3,theinputofscienceandtechnologyisadded,stockbreedingisvigorouslydeveloped,andorganicfertilizerisusedtoraiseoutput.
在方案4的基础上,增加粮食的商品率,减少饲料粮的供给BasedonScheme4,themerchandiserateoffoodstuffisincreased,andthesupplyoffeedgrainisreduced.综合方案4、5,既增加种植业收入,又增加畜牧业收入,实现农牧生产的良性循环
方案52偏种植业
Scheme42Leaningtofarming
方案62农牧互促
Scheme62Farmingpromoting
and
stockbreeding
IntegratingScheme4withScheme5,theincomesofbothfarmingandstockbreedingareimprovedtorealizevirtuouscircleofagriculturalproductionsystem.
2.3 方案的优选
通过对各种仿真方案模拟结果分析,方案1既没取得经济效益,又严重破坏生态环境,是最不可取的。方案2、3虽然可使生态环境得到较好地恢复,取得较好的生态效益,但经济增长缓慢,农民生活水平停滞不前。方案4、5、6在改善生态环境的基础上,既发展了当地的经济,提高人民的生活水平,又保护生态环境,实现了三种效益相统一的目标,只是各方案的则重点不同,对于长岭县这三种方案都具有可行性。在方案6中各项指标均优于其它二种方案,既实
现了农业内部结构的调整,又实现了农牧业之间良性的循环。因此,可以认为方案6是长岭县农业生态环境系统的最优方案。
3 结 语
研究表明采用SD方法进行农业生态环境系统优化调控,较其它方法,如人工神经网络方法等更具有优越性。本文所采用的各项变量系统而全面,能较好地反映长岭县农业生态环境系统的整体状况。因此,优化方案与实际情况更贴近,具有实用性。
第6期王 娟等:干旱半干旱地区农业生态环境系统优化调控研究
表4 长岭县农业生态环境系统调控优化方案的主要变量
Table4 ThesimulationresultsofmainvariablesofoptimaladjustmentforAEESinChanglingCounty
5
方案
Scheme
时间(年)
Year2000
[***********][***********][**************]0农业收入
Agriculturalincome(108yuan)
16.9020.2619.4516.9020.3320.8816.9020.3320.8816.9025.4227.7816.90.28.49种植业收入
Farmingincome(108yuan)14.5616.0717.4614.5617.5017.2614.5617.5017.2614.5618.6918.3514.14.5622.72畜牧业收入
Stockbreeding
income(108yuan)
2.272.111.912.272.753.542.272.753.542.276.469.342.26.2.032.265.69生态效益
Ecologicalbenefit(108yuan)252.40226.00205.20252.40401.00480.90252.40401.00480.90.40.401.00482.00252.40401.00人均收入
Percapitaincome(yuan)2509.12999.02684.02509.13009.02883.02509.13009.02883.0.02509.14098.03439.02509.14281.0水资源开采系数
Waterresourceexploitationcoefficient0.560.922.09
0.561.201.660.560.0..561.020.560.901.010.560.97植被覆盖率
Vegetationcoveragerate
(%)
0.290.260.240.290.480.570.290.480.570.290.480.570.290.480.570.290.48方案1
Scheme1
方案2
Scheme2
方案3
Scheme3
方案4
Scheme4
方案5
Scheme5
方案6
Scheme6
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Optimaladjustmentofagriculturaleco-environmentsystem
inaridandsemi-aridregions
WANGJuan
1,2
111
,LINNian2feng,TANGJie,BIANJian2min
(1.CollegeofEnvironmentandResource,JilinUniversity,Changchun130026,China;
2.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130026,China)
Abstract:TakingChanglingCountyinsouth2westSongnenPlainasanexample,withtheprinciplesofregionalagriculturesustainabledevelopment,ecologicaleconomics,feedbackcontroltheoryandsystemdynamics,thearticlesetsupthemodelofoptimaladjustmentforagriculturaleco2environmentsysteminaridandsemi2aridregions.Sixadjustmentschemesaredesigned,includingpresenttrendmaintaining,ecologicalconstructing,watersaving,leaningtostockbreeding,leaningtofarming,andfarmingandstockbreedingpromoting.Thesimulatingresultsshowthattheschemeoffarmingandstockbreedingpromotingisthebestadjustmentschemeforagriculturaleco2environmentsysteminaridandsemi2aridregions.
Keywords:agriculturaleco2environmentsystem;SDmodel;optimaladjustmentscheme;ChanglingCounty