基于系統(tǒng)動力學(xué)的禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)研究

基于系統(tǒng)動力學(xué)的禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)研究

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)組成。它的發(fā)展和發(fā)展在人類、社會、經(jīng)濟(jì)、政策、科學(xué)、技術(shù)和自然等因素的綜合作用下表現(xiàn)出高度線性、多因素、復(fù)雜動態(tài)特征。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行合理的人為干預(yù),通過政策實(shí)施和技術(shù)支撐,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行合理調(diào)控,使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)處于安全與健康狀態(tài),為人類提供持續(xù)的生態(tài)服務(wù)、滿足人類生存和發(fā)展需求。系統(tǒng)動力學(xué)(SystemDynamics)是研究信息反饋系統(tǒng)動態(tài)行為的計(jì)算機(jī)仿真方法,用于研究與規(guī)劃非線性復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)行為和相應(yīng)的長期戰(zhàn)略決策有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),它巧妙地把信息反饋的控制原理與因果關(guān)系的邏輯分析結(jié)合起來,面對復(fù)雜的實(shí)際問題,從研究系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手,建立系統(tǒng)的仿真模型,并對模型實(shí)施各種不同的“政策試驗(yàn)”,通過計(jì)算機(jī)仿真展示系統(tǒng)的宏觀行為,尋求解決問題的正確途徑,即系統(tǒng)動力學(xué)模型能夠處理高階次、非線性、多重反饋的復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)的有關(guān)問題。所以,在生態(tài)學(xué)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變模擬及其影響因素研究中得到了廣泛應(yīng)用(周曼殊,1987;Constanzaetal,1993;Grasso,1998;JWoodwell,1998;Evansetal,2001;Noordwijk,2002)。我們根據(jù)人口、資源、投入等條件,以社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo),應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)模型對禹城市農(nóng)牧結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展趨勢進(jìn)行動態(tài)模擬,并對其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行優(yōu)化。1方法與區(qū)域總結(jié)1.1建立系統(tǒng)動力學(xué)模型系統(tǒng)動力學(xué)模型由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖和構(gòu)造方程組成,二者相輔相成,融為一體。流程圖反映系統(tǒng)中各變量間因果關(guān)系和反饋控制網(wǎng)絡(luò),正反饋環(huán)有強(qiáng)化系統(tǒng)功能,表現(xiàn)為偏離目標(biāo)的發(fā)散行為;負(fù)反饋環(huán)則有抑制功能,能跟蹤目標(biāo)產(chǎn)生收斂機(jī)制。二者組合使系統(tǒng)在增長與衰減交替過程中保持動態(tài)平衡,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。所以,流程圖用以體現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)造方程是變量間定量關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式,可由流程圖直接確定或由相關(guān)函數(shù)給出,可以是線性或非線性函數(shù)關(guān)系,其一般表達(dá)式為:dXdt=f(Xi,Vi,Ri,Pi)(1)dXdt=f(Xi,Vi,Ri,Ρi)(1)其差分形式可寫成:X(t+Δt)=X(t)+f(Xi,Vi,Ri,Pi).Δt(2)式中,X—狀態(tài)變量,V—輔助變量,R—流率變量,P—參數(shù),t—仿真時(shí)間,Δt—仿真步長。系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立,首先是確定系統(tǒng)分析目的;其次是確定系統(tǒng)邊界,即系統(tǒng)分析涉及的對象和范圍;之后是建立因果關(guān)系(反饋回路)圖和模型流程圖;然后寫出系統(tǒng)動力學(xué)方程;最后進(jìn)行仿真試驗(yàn)和計(jì)算。模型建立與模擬運(yùn)行應(yīng)用Stella軟件系統(tǒng)。Stella系統(tǒng)是動力學(xué)模型系統(tǒng)之一,它具有友好的圖形界面,包含3個(gè)聯(lián)結(jié)層:最上一層是映射層,在映射層可以建立模型的基本結(jié)構(gòu)。中間一層是圖標(biāo)層,有分別代表積累變量、流速變量和參數(shù)變量的圖標(biāo),是建立模型的主要“組件”,給每一“組件”賦予初始值或函數(shù)關(guān)系,再通過信息流將這些“組件”連接起來,就是系統(tǒng)的模型流程圖;同時(shí),還可以在這一層形成用來采集數(shù)據(jù)的圖表。最下層是模型中每一參數(shù)和關(guān)系的方程式,即構(gòu)造方程,當(dāng)在中間層建立系統(tǒng)模型流程圖時(shí),這些方程式便會自動生成,不需要模型構(gòu)建者掌握復(fù)雜的編程語言。1.2農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與養(yǎng)殖業(yè)的關(guān)系禹城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為縣級尺度的生態(tài)系統(tǒng)。全市擁有耕地52927hm2,全市總?cè)丝?99755人,其中農(nóng)業(yè)人口415913人。土地平坦,水資源豐富,適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn),經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主,農(nóng)業(yè)長期以種植業(yè)為主,20世紀(jì)90年代,糧食單產(chǎn)穩(wěn)定在12000kg/hm2以上,畜牧業(yè)有了較快發(fā)展,逐步呈現(xiàn)農(nóng)牧結(jié)合的良好態(tài)勢,到2000年種植業(yè)產(chǎn)值和畜牧業(yè)產(chǎn)值在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總產(chǎn)值中分別占到65.0%和29.8%。種植業(yè)以小麥、玉米為主,部分為棉花、蔬菜、瓜果等經(jīng)濟(jì)作物,養(yǎng)殖業(yè)以牛、豬、雞為主。目前,隨著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新階段,面臨新一輪農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,根據(jù)區(qū)域資源特點(diǎn)及我國優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品區(qū)劃,禹城市既是糧食生產(chǎn)優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),同時(shí)也是畜牧業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),種植業(yè)子系統(tǒng)和養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)是禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)最主要的子系統(tǒng),種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的結(jié)合也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的形式。養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用,一方面主要表現(xiàn)為提供營養(yǎng)豐富的動物性食品和增加經(jīng)濟(jì)收入,另一方面則表現(xiàn)為充分利用種植業(yè)副產(chǎn)物,并為種植業(yè)提供大量有機(jī)肥從而可適當(dāng)減少化肥用量。種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的有機(jī)結(jié)合,有利于減少工業(yè)輔助能的投入,能夠提高抵抗自然災(zāi)害和社會經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的能力,可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究的主要目的就是進(jìn)行種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)內(nèi)部組分結(jié)構(gòu)比例調(diào)控,以協(xié)調(diào)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)兩個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系,探討實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體高效和良性循環(huán)的途徑。2模型的構(gòu)建和測試2.1農(nóng)牧結(jié)構(gòu)變化模型的建立禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間通過物質(zhì)轉(zhuǎn)換與能量流動組成一個(gè)有機(jī)整體,但它們并不是一個(gè)完全封閉的自然生態(tài)系統(tǒng),而是人類參預(yù)調(diào)控的開放型的社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)地研究各子系統(tǒng)之間的能流、物流將有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃方案的建立與選擇,以獲取最佳的農(nóng)牧結(jié)合高效發(fā)展模式。種植業(yè)子系統(tǒng)主要研究分析在耕地面積既定的情況下,根據(jù)各類作物對社會生產(chǎn)的滿足程度和資源利用效率,調(diào)整控制各類作物占用耕地的面積,種植業(yè)產(chǎn)出水平除受播種面積制約外,還受單產(chǎn)的影響。畜牧業(yè)子系統(tǒng)主要研究分析不同社會市場需求與資源供給對畜牧生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的影響,探求合理的畜牧生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。模型中以耕地面積和家畜群體總規(guī)模為積累變量,通過調(diào)整各種作物占有耕地面積的比例和各種家畜所占總家畜的比例,求解種植業(yè)與畜牧業(yè)的協(xié)調(diào)關(guān)系。畜牧業(yè)發(fā)展所需的飼料是由種植業(yè)提供的,但系統(tǒng)內(nèi)畜牧業(yè)的發(fā)展并非完全受系統(tǒng)內(nèi)飼料資源約束,其所需飼料卻作為調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)都受資金投入的控制,而資金投入水平和比重又與各業(yè)產(chǎn)出水平與社會市場需求相關(guān)。通過深入分析禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律與機(jī)制,結(jié)合本地的資源優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策等,形成農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)的主要反饋回路圖。根據(jù)系統(tǒng)反饋回路,建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型流程圖與構(gòu)造方程,主要包括人口、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、投入和產(chǎn)出子模塊。人口子模塊用于模擬系統(tǒng)內(nèi)人口的變化情況;種植業(yè)子模塊包括耕地和作物種植結(jié)構(gòu)的變化;養(yǎng)殖業(yè)子模塊用來模擬家畜養(yǎng)殖規(guī)模與養(yǎng)殖結(jié)構(gòu);投入子模塊主要是指作物種植和家畜養(yǎng)殖物質(zhì)投入和飼料需求;產(chǎn)出子模塊包括種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的實(shí)物產(chǎn)出、能量產(chǎn)出和產(chǎn)值。2.2模型有效性檢驗(yàn)農(nóng)牧結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型的參數(shù)較多,類型復(fù)雜,可以分為兩類:第1類為固定參數(shù),這類參數(shù)不隨時(shí)間變化,如牲畜飼料標(biāo)準(zhǔn),生產(chǎn)資料與農(nóng)畜產(chǎn)品折能系數(shù),生產(chǎn)資料與農(nóng)畜產(chǎn)品價(jià)格等,這些參數(shù)主要根據(jù)實(shí)測資料、統(tǒng)計(jì)資料或查閱相關(guān)文獻(xiàn)估算而得;第2類為時(shí)變參數(shù),它隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化,如種植業(yè)中的物資投入、耕地生產(chǎn)力、畜禽生產(chǎn)力等。在時(shí)變參數(shù)中,按其變化規(guī)律又可分為線性時(shí)變參數(shù)和非線性時(shí)變參數(shù)兩種,線性時(shí)變參數(shù)是時(shí)間變量的函數(shù),首先確定其基期和目標(biāo)期的參數(shù)值,然后按照變化規(guī)律確定比例關(guān)系。非線性時(shí)變參數(shù)的變化非常復(fù)雜,一部分采用回歸分析的方法得到參數(shù)方程,而對于不能得到方程的,則采用表函數(shù)的形式表示參數(shù)隨時(shí)間的不規(guī)則變化。模型有效性主要采用歷史檢驗(yàn)法,即利用實(shí)際歷史數(shù)據(jù)與模型仿真運(yùn)行結(jié)果的相對誤差來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?。將禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)代入模型,仿真結(jié)果中選擇人口、耕地、糧食產(chǎn)量、家畜年存欄總數(shù)等變量,將其中1980~2000年模擬數(shù)據(jù)輸出與實(shí)際輸出相比較,其仿真輸出結(jié)果與系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)基本相符(圖1~圖4)。因此,模型是能夠反映真實(shí)系統(tǒng)的,通過不同情景模擬分析,可以評價(jià)各種政策和預(yù)測系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢、形成決策方案。2.3模型構(gòu)建及運(yùn)行結(jié)果模型的仿真實(shí)質(zhì)上是一種政策模擬和戰(zhàn)略實(shí)驗(yàn),即通過模擬不同的調(diào)控措施預(yù)測系統(tǒng)未來的結(jié)果。我們知道,種植業(yè)自始至終是禹城市農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ),養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)過近幾年發(fā)展已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮闹е?而且,目前的生產(chǎn)條件及物質(zhì)投入已經(jīng)達(dá)到較高水平,在現(xiàn)有條件下通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)與養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展以提高農(nóng)業(yè)資源利用率,是當(dāng)前和今后一段時(shí)間內(nèi)的重要舉措。為此,對模型實(shí)施3種方案進(jìn)行系統(tǒng)仿真模擬運(yùn)行,以預(yù)測禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢。第1種方案是完全按照現(xiàn)有種植與養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu),第2種方案是維持現(xiàn)有養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)、調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu),第3種方案是同時(shí)調(diào)整種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過模型反復(fù)運(yùn)行試驗(yàn),從中選出3種典型情景供決策者考慮(表1):第Ⅰ種情景,種植業(yè)結(jié)構(gòu)為糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物二元結(jié)構(gòu),占耕地面積的比例分別為70%和30%,在經(jīng)濟(jì)作物中蔬菜的種植比重為76%;養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)為精料家畜占33%,草食家畜占67%,在精料家畜中豬和家禽的比重分別為63%和37%,在草食家畜中肉牛和奶牛的比重分別為66%和34%。第Ⅱ種情景,種植業(yè)結(jié)構(gòu)為糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和飼料作物三元結(jié)構(gòu),其占耕地面積的比例分別是45%、25%和30%,而在經(jīng)濟(jì)作物中蔬菜的種植比重提高85%;養(yǎng)殖業(yè)的結(jié)構(gòu)同第Ⅰ種情景。第Ⅲ種情景,糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和飼料作物的種植業(yè)三元結(jié)構(gòu)為51%、30%和19%,養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)為精料家畜占40%,草食家畜占60%,在精料家畜中豬和家禽各占50%,在草食家畜中肉牛和奶牛的比重調(diào)整為80%和20%。在運(yùn)行模型篩選方案時(shí),各種農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)值參數(shù)采用了2003年當(dāng)?shù)厥袌鰞r(jià)格,作物種植的物質(zhì)投入?yún)?shù)來源于農(nóng)戶調(diào)查結(jié)合參考文獻(xiàn),家畜消耗的飼料定額參數(shù)結(jié)合了專家咨詢和農(nóng)戶調(diào)查。從表1可以明顯看出,第Ⅰ種情景除了糧食總產(chǎn)出和人均糧食占有量高于第Ⅱ和第Ⅲ情景,其它各項(xiàng)均不及后2種,特別是精、粗飼料供需均有較大缺口。第Ⅱ種情景與第Ⅲ種情景相比,前者比后者具有較高的產(chǎn)值、工業(yè)輔助能能效和光能利用率,但具有較低的糧食產(chǎn)出量和人均糧食占有量;粗飼料資源供需狀況表現(xiàn)為第Ⅱ和第Ⅲ情景都沒有缺口,均能滿足養(yǎng)殖業(yè)的需求,而精飼料資源供需卻表現(xiàn)為第Ⅱ種情景比第Ⅲ種情景缺口更大,說明,在第Ⅲ種情景條件下,養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)就會在更大程度上受控于系統(tǒng)外精飼料資源的供給量。3農(nóng)牧結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題我國廣大平原農(nóng)區(qū),往往既是糧食主產(chǎn)區(qū),也是畜牧業(yè)優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),如何協(xié)調(diào)好種植業(yè)和畜牧業(yè)的關(guān)系,就成為這些地區(qū)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本研究根據(jù)禹城市區(qū)域資源特點(diǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn),建立了該地區(qū)農(nóng)牧結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的動力學(xué)模型,通過對種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)比例實(shí)施調(diào)控,經(jīng)過模型仿真運(yùn)行,針對禹城市選出3種典型優(yōu)化結(jié)構(gòu)供決策者參考。雖然這3種優(yōu)化方案的可行性有待經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證,該模型還需要進(jìn)一步完善,例如,隨著系統(tǒng)中養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大,有機(jī)肥的產(chǎn)出會不斷增加,必然會促使系統(tǒng)中化肥用量不斷減少,即減少對外部投入的依賴性,但是這一行為在該模型中沒有考慮,是因?yàn)橛袡C(jī)肥和化肥的替代關(guān)系和平衡點(diǎn)沒有明確,需要經(jīng)過試驗(yàn)研究確定參數(shù)。但是,該模型充分展示了不同種養(yǎng)結(jié)構(gòu)條件下系統(tǒng)的功能表現(xiàn)及其效果,為今