摘要：以生態(tài)環(huán)境學為基礎，將系統(tǒng)動力學方法應用于種植業(yè)結構優(yōu)化的研究，并針對地處干旱半干旱地區(qū)的吉林省長嶺縣種植業(yè)的實際情況，采用定性和定量相結合的研究方法，建立了種植業(yè)結構優(yōu)化的系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，提出了“自然發(fā)展型”、“經(jīng)濟效益型”、“生態(tài)型”、“協(xié)調發(fā)展型”等多個設計方案，經(jīng)過對比參照和多方論證，最終確定了“協(xié)調發(fā)展型”作為長嶺縣種植業(yè)結構的優(yōu)化方案，并提出了實現(xiàn)該方案的措施和途徑。

　　關鍵詞：種植業(yè)結構；系統(tǒng)動力學；仿真模擬；吉林長嶺

　　東北地區(qū)是我國重要的商品糧基地，“九五”期間年均總產(chǎn)占全國年均產(chǎn)量的15％。目前東北農(nóng)村的收入來源主要依靠種植業(yè)，但是傳統(tǒng)的耕作習慣和種植業(yè)結構仍居主導地位。一方面種植業(yè)結構不合理、糧食品質差、成本高，在我國糧食供需基本平衡且略有盈余的情況下，隨著糧食市場的開放，造成了東北地區(qū)糧食競爭優(yōu)勢逐漸減弱，糧食過剩與積壓，農(nóng)民賣糧難，收入下降和地方財政負擔過重的情況［1］；另一方面，農(nóng)村大多數(shù)仍采用掠奪式的耕作方式，片面強調高產(chǎn)增收，而忽視了對耕地資源的保護，造成了耕地肥力下降，土壤流失、沙化、堿化等一系列的生態(tài)環(huán)境問題。所以，改變傳統(tǒng)的種植業(yè)耕作方式，進行合理的結構優(yōu)化，提高耕地整體的生態(tài)效益，對于耕地的可持續(xù)利用、農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的保護以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都有非常重要的現(xiàn)實意義。

　　1研究區(qū)概況

　　長嶺縣位于吉林省西部，地處松遼分水嶺臺地平原，全縣面積5728km2。地貌特征為東南略高，逐漸向西北略微傾斜，境內(nèi)河流稀少，地勢平坦，為一小型的內(nèi)流盆地。該縣屬典型的溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為4．5℃，年降水量為400～500mm，無霜期142d左右。糧食作物以玉米和大豆為主，經(jīng)濟作物以油料和蔬菜為主。根據(jù)2000年長嶺縣的統(tǒng)計年鑒資料，2000年全縣總人口63萬，農(nóng)業(yè)人口52．8萬，占總人口的83．8％，耕地面積18萬hm2，其中糧食作物播種面積14．96萬hm2，占耕地面積的83％，凈收入為7．41億元；經(jīng)濟作物種植面積3．04萬hm2，占耕地面積的17％，凈收入為3．52億元。糧、經(jīng)面積比為4．9∶1，而兩者收入比僅為2．1∶1。上述種植業(yè)問題在長嶺縣比較突出，該縣的生態(tài)環(huán)境脆弱，種植業(yè)的生態(tài)效益直接關系著農(nóng)村的整體生態(tài)環(huán)境質量。同時由于吉林省正在加大力度推進生態(tài)省建設，把全省的生態(tài)環(huán)境改善作為重要的倡議部署，這樣就使種植業(yè)結構優(yōu)化勢在必行，而且必須把提高生態(tài)效益作為最終目標。

　　2系統(tǒng)動力學模型的建立

　　2．1資料來源

　　本研究工作是建立在資料收集和遙感解譯基礎之上的，其資料來源包括：進行實地調查獲得作物生長情況和市場行情的數(shù)據(jù)；1985、1990、1995、2000的長嶺縣統(tǒng)計年鑒資料數(shù)據(jù)以及上述4a各地類遙感面積數(shù)據(jù)等。

　　2．2系統(tǒng)邊界

　　系統(tǒng)中動態(tài)行為產(chǎn)生的原因是系統(tǒng)的關鍵，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生增長、流動和變化的相互作用關系是系統(tǒng)的基礎。在系統(tǒng)內(nèi)，任何一個特定的行為是由相互作用的各組成部分結合而產(chǎn)生，這些組成部分都處在一條規(guī)定的封閉系統(tǒng)的邊界內(nèi)［3］。Forrester認為：就概念而言，一個反饋系統(tǒng)是一個封閉系統(tǒng)，它的動態(tài)行為在其固有的結構內(nèi)部發(fā)生，模型邊界所包圍的組成部分可以很少，但必須要能解釋邊界內(nèi)發(fā)生的系統(tǒng)行為，除了激發(fā)系統(tǒng)能夠使我們觀察到系統(tǒng)的擾動處外，閉合邊界從本質上來說是沒有任何流可以穿過的［4］。然而，我們實際研究的系統(tǒng)大部分是開放系統(tǒng)，它們與環(huán)境之間存在著頻繁的物質、能量和信息的交流。所以應針對該研究的具體情況把直接或間接影響到種植業(yè)效益的各因素都包括到系統(tǒng)邊界之內(nèi)。這里考慮的因素有：（1）社會因素，包括人口數(shù)量、資金投入、技術水平等；（2）經(jīng)濟因素，包括種植業(yè)總收入，糧食作物和經(jīng)濟作物的種植面積、成本、市場價格，農(nóng)家肥施用量，科技投入，灌溉面積，用水量，農(nóng)民人均糧食等；（3）生態(tài)因素，包括各種作物在吸收CO2、釋放O2、涵養(yǎng)水源、保持土壤作用中的生態(tài)效益，秸稈還田的生態(tài)效益，農(nóng)家肥施用的生態(tài)效益［5］，退耕還林的生態(tài)效益以及作物本身汲取養(yǎng)分帶來的生態(tài)效益（負值）等。生態(tài)效益即生態(tài)價值，它是隱性的，但可以通過其它實體來體現(xiàn)［6］。關于種植業(yè)生態(tài)效益的計算是參照利奧波德（AldoLeopold，1877～1949）在土地倫理觀中介紹的土地生態(tài)效益的估算方法，并結合作物在生態(tài)環(huán)境價值貢獻中的實驗數(shù)據(jù)，其值等于上述各生態(tài)因素的生態(tài)效益之和。

　　2．3系統(tǒng)變量集合與系統(tǒng)因果關系反饋圖的確定

　　模型集的選擇應圍繞系統(tǒng)的目的，并且能夠表現(xiàn)系統(tǒng)的主要特征。同時，還應確定待研究系統(tǒng)的層次，因為層次設置直接決定了模型的大小和最終結果。由于模型涉及的變量很多，故首先應找出主要的狀態(tài)變量，并確定這些變量之間的因果關系或反饋關系。所謂反饋關系，籠統(tǒng)的概念就是：系統(tǒng)決策的信息導致決策的制定，而決定一旦產(chǎn)生，則需采取相應的行動，這些行動反過來改變了系統(tǒng)原有的狀態(tài)，這種改變作為新的信息再產(chǎn)生新的決定和行動。依次類推，形成一個封閉的因果關系環(huán)即反饋環(huán)，反饋關系在系統(tǒng)動力學占有很重要的地位，它直接決定了系統(tǒng)的結構。針對該研究問題的需要以及系統(tǒng)的結構，涉及到的變量有：（1）狀態(tài)變量，包括人口數(shù)、耕地面積等；（2）目標變量，種植業(yè)的總經(jīng)濟效益和總生態(tài)效益、人均糧食等；（3）控制變量，包括灌溉面積、各種作物的種植面積比例、農(nóng)家肥施用量、科技因子投入、秸稈還田量等；（4）輔助變量，為連接各狀態(tài)變量、目標變量等而設置的變量。主要有各種作物的單產(chǎn)量、純收入、生態(tài)指標等。這里的人均糧食不考慮糧食的商品因素和其它的消耗。我們用SmartDraw6軟件繪制種植業(yè)結構優(yōu)化系統(tǒng)動力學簡化流圖（圖1），該圖反映了各系統(tǒng)變量與系統(tǒng)因果的反饋關系。

　　2．4系統(tǒng)方程的構建

　　以上述系統(tǒng)動力學流圖為基礎，結合所搜集的資料，對各變量之間的關系進行定量的分析，并借鑒已有研究中的成熟公式或參數(shù)，最終建立了種植業(yè)結構優(yōu)化的系統(tǒng)動力學方程。本模型共有166個活性方程，其中包括3個狀態(tài)方程，17個流率方程，93個輔助方程，14個表函數(shù)方程以及39個常量（初值）方程。該模型運用PDPPlus軟件在PC機上運行，模型的初始時間定為2000年，仿真終止時間為2020年，步長是1a。選取1985、1990、1995年的耕地面積、人均糧食，各種作物的種植面積，種植業(yè)凈收入等主要指標與該縣實際歷史資料進行比較，發(fā)現(xiàn)誤差＜2％的概率為53．4％，誤差＜5％的概率為81．7％，誤差＜10％的概率為92．1％，這說明該模型對歷史實際有較好的仿真性。

　　3仿真結果

　　根據(jù)各控制變量的確定原則，以及“人機對話”式的調控模擬過程，選擇各種作物的種植比例、科技投入比重、秸稈還田量、農(nóng)家肥單位施用量、灌溉面積等幾個指標作為系統(tǒng)調控變量，通過改變某一變量或者幾個變量的組合，達到系統(tǒng)調控實驗的目的。“自然發(fā)展型”、“經(jīng)濟效益型”、“生態(tài)型”、“協(xié)調發(fā)展型”是眾多調試方案中較具代表性的，它們從不同的角度來對系統(tǒng)進行調控。表1是4個方案的輸出結果，各方案的主要特點如下：

　　方案I（自然發(fā)展型）：本方案是依據(jù)長嶺縣1985年至2000年種植業(yè)的發(fā)展趨勢設計。耕地面積略有增加，玉米、大豆、油料和蔬菜的種植面積比例基本保持在69∶13∶16∶2。到2020年，種植業(yè)經(jīng)濟效益增加20．4％，生態(tài)效益基本不變，人均糧食略有增加。

　　方案II（經(jīng)濟效益型）：增大經(jīng)濟作物在種植業(yè)中的比重，大幅減少玉米的播種面積，適量進行秸稈還田和施用農(nóng)家肥，逐年增加耕地的灌溉比例，科技投入指數(shù)為0．2。到2020年，4種作物的種植面積比例約為46∶16∶23∶15，種植業(yè)的經(jīng)濟效益是2000年的2．51倍，而耕地的平均生態(tài)效益和人均糧食分別下降了12．7％和5％。

　　方案III（生態(tài)型）：有計劃退耕還林2．8萬hm2，增加大豆的種植面積，提高秸稈還田率到50％，適量施用農(nóng)家肥，逐年增加耕地的灌溉率，科技投入指數(shù)為0．15。到2020年，4種作物的種植面積比例約為50∶33∶16∶1，種植業(yè)的經(jīng)濟效益和耕地的平均生態(tài)效益分別是2000年的1．32倍和2．66倍，由于進行退耕還林，耕地面積減少，人均糧食略有下降。

　　方案IV（協(xié)調發(fā)展型）：有計劃退耕還林2萬hm2，增加經(jīng)濟作物和大豆的種植面積，提高秸稈還田率到50％，適量施用農(nóng)家肥，實現(xiàn)耕地的全額灌溉，科技投入指數(shù)為0．25，同時使用較為嚴格的人口政策。到2020年，4種作物的種植面積比例約為56∶19∶21∶6，種植業(yè)的經(jīng)濟效益和耕地的平均生態(tài)效益分別是2000年的1．63倍和2．43倍，人均糧食在耕地面積減少的情況下增加了3．4％。

　　各方案中種植業(yè)經(jīng)濟效益、平均生態(tài)效益和人均糧食的對比見圖2。

　　4種植業(yè)結構優(yōu)化方案和實施途徑

　　4．1方案選擇

　　種植業(yè)結構優(yōu)化的依據(jù)：在滿足各階段人口自身對糧食的需求和糧食商品率的條件下，結合吉林省進行生態(tài)省建設所提出的“進行任何工程、建設都要以生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)效益為重”的指導思想，調整種植業(yè)結構，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，最終達到資源、經(jīng)濟、生態(tài)三者和諧發(fā)展和耕地資源可持續(xù)利用的目標。從4個方案的比較來看，種植業(yè)的經(jīng)濟效益都有所增加，其中方案II和IV增加較為顯著，但方案II是以犧牲平均生態(tài)效益為代價的。方案III和IV的平均生態(tài)效益都很高，但方案III的經(jīng)濟效益遠不及后者，同時方案III的人均糧食也低于方案IV。通過對各方案的對比，可以認為第IV方案是最為理想的方案。

　　4．2優(yōu)化方案的實施途徑

　　（1）逐步調整種植業(yè)結構，增加經(jīng)濟作物的種植面積，大力發(fā)展油料和綠色蔬菜的種植；逐步減少玉米的種植面積，適量增加大豆等豆科作物的種植面積。到2020年，玉米、大豆、油料、蔬菜4種主要作物的種植面積比例調整到56∶19∶21∶6。

　　（2）引進優(yōu)良作物品種，以選擇高產(chǎn)型、生態(tài)型作為品種換代標準。改進種植業(yè)傳統(tǒng)的耕作方式，大力推廣施用農(nóng)家肥，提倡秸稈還田；增加資金投入，增大耕地的灌溉率，改善農(nóng)田水利條件，同時提高灌溉節(jié)水的技術水平。

　　（3）進行有計劃地退耕還林，提高農(nóng)業(yè)整體的生態(tài)效益。同時，加大鹽堿地的治理和未利用土地的開發(fā)，建立生態(tài)草和生態(tài)林工程。

　　（4）在種植業(yè)結構調整的范圍內(nèi)，要因地制宜，充分發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，揚長避短。鹽堿土地種植向日葵、甜菜，貧瘠土地種植黃花草木樨，較干旱或者水利條件不太好的地方種植玉米等都會有比較理想的效果。

　　（5）長嶺縣草場資源豐富，畜牧業(yè)較發(fā)達，在進行種植業(yè)結構調整的過程中，積極發(fā)展畜牧業(yè)，引進優(yōu)質牧草，如黃花草木樨等，建立穩(wěn)定的飼料作物種植基地，逐步形成穩(wěn)定的糧經(jīng)飼三元種植結構。

　　（6）拓寬作物的加工和銷售渠道，充分發(fā)揮地區(qū)資源優(yōu)勢，在種植業(yè)中建立多元化經(jīng)營機制，在自給自足的情況下，提高糧食的商品率。

　　（7）實行一系列經(jīng)濟、行政、法律手段控制人口增長。到2020年，人口的自然增長率限制在7‰以內(nèi)。同時，加強宣傳力度，普及農(nóng)業(yè)科技知識，提高廣大農(nóng)民的綜合素質。

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　　孫平安，林年豐，王娟，李昭陽