用于分析农业生态系统的系统动力学模型与相关的政策建议

生态模型用于分析农业生态系统的系统动力学模型与相关的政策建议摘要：农业生态系统是一种寻求生态与经济间平衡并促进双方可持续发展的一种途径。这篇文章建议以一种科学方法来分析生态农业的环境与经济影响并模拟他们长期发展的一种趋势。在这里，我们以甘肃省平凉市崆峒区的生态农业为重点，同时我们创建一种名为（AEP-SD)的动力学模型来评估2009年到2050年该系统的综合影响。在正常情况下，模拟结果显示，直到2027年快速改善并达到峰值，之后系统性能逐渐下降。该模型显现出以前农业系统的缺陷和劣势，比如过度增加的牛屠宰量、不稳定的甲烷生产、缓慢发展的有机农业、不可持续的能源结构。我们提供的系统改进策略，之后该模型证明他们确实能够减少不利影响并且消除系统减弱的潜在危害。1、介绍随着人类经济活动规模在地球的增加，人们更加注意生态经济方法的交互作用。（盖尔，2000:；popke，2005）。作为一种经济活动，农业与环境拥有更直接更密切的相互作用。农业发展不仅是人类生存的基础，同时也直接影响了全球的环境。提高农业生产水品，建立生态农业系统，达到良好的生态效益与经济效益对于人类的发展有着至关重要的影响。在最近几年，生态农业已经被很广泛的研究（克莱茵曼等人，1995年）。一些研究已经从理论角度揭示了生态农业的含义和前景(AltieriandAnderson,1986;YunlongandSmit,1994)，一些调查运用了案例研究来证明生态农业发展政策的优势（LarssonandGranstedt,2010;Maurer,1989;Schroll,1994)。在农业发展中，越来越多的研究除了考虑经济效益外也将生态效益考虑在内，同时，很多因素已经可以为决策者提供有用的信息，比如氮利用效率和积累量（Granovskyetal.,2007;HauandBakshi,2004;HoangandAlauddin,2011;Libralatoetal.,2006;Sciubba,2003),以不同的尺度，从农场和工厂到整个国家再到生物圈的角度来评估农业生产对环境和经济的贡献度(HezriandDovers,2006;Hoang,2011;Niemeijer,2002;Piorr,2003;Smithetal.,1999).现在很明显的是生态农业是一个包括生态、经济、工业、人类行为、政策和很多其他因素的复杂系统。系统的角度可以被用来分析生态农业发展中的每个相关因素。（陈等人，2009年）然而，大多数的生态农业研究主要集中在一些外部影响因素上（比如收入变化和土壤肥力等）。(ShiandGill,2005)，很少关注产业链和物质能量在生态农业系统中的循环。生态农业系统的核心是物质能量的产生和消费的过程，这种过程产生了所有的生态和经济效益。如果物质能量的生产和消费不能持续循环下去，那么生态农业系统将会衰弱。因此，从根本上加强生态农业的可持续发展能力，综合模拟和对物质能量流动过程以及生态经济正负面影响的发展趋势的分析都应该被加强重视。因此，以中国甘肃省平凉市崆峒区为例，我们创建立一个生态农业系统的动力系统模型，并将其命名为“AEP-SD”（农业-效应-政策动力系统），用来模拟当地生态农业产业链的物质与能量流动，分析生态经济的影响以及它们长期进化的趋势，明确系统的缺陷并为提高系统性能提供建议。这个系统在寻求区域生态经济系统的可持续发展模型方面有着重要的理论和实践价值，同时更重要的是“AEP-SD”模型以及方法能够为相识的生态经济模型奠定基础。2、研究领域中国甘肃省平凉市崆峒县（东经106◦25–107◦21，北纬35◦12–35◦45）位于六盘山的东部，以及泾河的上游（图1）。崆峒县是半干旱半湿润的大陆性季风气候；平均每年日照长度为2425小时；全年太阳辐射为129.20千卡每平方厘米，每年平均气温为8.6摄氏度，无霜期为165天，每年降水量为511毫米，崆峒区在黄土高原丘陵沟壑区，有严重的土壤流失和脆弱的生态环境。由于资源和环境的严格限制，以及低生活水平，崆峒区面临着经济发展和环境保护的双重压力。从2003年开始，崆峒区采取了“红牛”策略，以家庭生产的沼气、有机水果、蔬菜和由秸秆造纸作为经济发展的主体，最终形成一种“牛-沼气-水果和蔬菜-秸秆循环利用”的发展模式。直到2009年，经过7年的发展，牛肉饲养数量达到300000头，沼气用户达到20000户，水果和蔬菜产量分别达到69466吨和250732吨。与传统的生产模式相比，在2009年燃煤减少15597.54吨标准煤；二氧化碳排放量减少了2164400吨，氮肥磷肥和钾肥的用量由于农田有机肥利用率的降低，分别减少了99600/53100/33200吨；秸秆回收率达到180900吨。因此，良好的经济效益和生态效益得以实现。但是，仍然有很多的负面影响，如较低的秸秆回收率，沼气不完全利用产生的CDU2（牛粪和尿液）污染和排放。尤其是近些年大规模的肉牛屠宰、不稳定的沼气生产以及其他的关键问题都有可能在将来造成资源枯竭和严重的二次污染，并导致系统面临不可持续发展的潜在危害。3、方法和模型描述3.1目标和模型要求生态农业系统带来了很多好处。然而，也有一些负面影响和潜在危害。因此，它急需我们建立一种系统分析模型来分析这种危害和消极影响的原因，明确限制及影响因素并为减少负面影响提供改进政策，增强积极影响和促进系统的可持续发展。为了实现这个目标，这就要求这个模型的建立能够动态并定量的模拟系统的发展趋势，能够反映工业发展模式和整体效果之间的相互作用；可以为制定改善措施提供关键的影响因素；可以测试改善效果来确定改进政策的可行性和有效性。3.2、系统动力学方法根据以上目标和要求，我们运用系统动力学方法来建立一种生态农业系统分析模型。这种系统动力学方法是由麻省理工学院的福雷斯特教授在1950中期创建的（福雷斯特，1958）。经过几十年的发展与提高，这种系统动力学模型已经广泛用于经济、社会、生态和很多复杂系统的研究（chang等人，2008；王和张，2001年）。这种系统模型能够揭示系统的动态变化、反馈、延迟系统的其他过程，同时它的特性是可定量化和可控性。因此，他在分析、改进、以及管理系统的较长的开发周期以及复杂的反馈效果方面拥有截然不同的优势。（tao，2010）。因此，该系统的动力学方法在我们的研究领域符合模型的要求。3.3、模型的逻辑框架崆峒县的生态模型系统由三个子系统组成：农业、效应和政策。农业子系统主要由肉牛饲养，沼气的生产和利用，农作物，水果和蔬菜的种植组成。这形成了一个循环型产业链“肉牛-沼气-作物，水果和蔬菜-稻草饲料（或纸）-肉牛”。这种农业子系统的运行形成了一些积极影响（比如经济和产量的增长）以及一些消极的影响（比如资源的消耗，污染以及温室气体的排放）。这些效应构成了“效应子系统”，他可以通过影响生态、经济、社会和其他因素与“农业子系统”相互抵消。例如，严重的污染可能造成生态退化甚至限制农业发展。为了增加积极影响和减弱消极影响，决策者将根据“影响子系统”和“农业子系统”之间的相互作用制定改善政策。这些政策构成了“政策子系统”，它可以调整“效应子系统”并最终促进整个生态农业系统的可持续发展。（图2）根据农业、效应和政策之间的相互影响，我们建立了一种名为“AEP-SD”（农业-效应-政策-动力学系统）的系统动力学模型。3.4、数据资源这个模型中用的数据主要来自实地调查中的第一手资料，问卷调查和局部地区的面对面访谈，“2000-2009年平凉市崆峒县的统计年鉴”，和“2000-2009年平凉市崆峒县农村地区的经济统计报告”。模型中能量的转化系数主要是以“中国能源统计年鉴”的标准为基础，秸秆和沼气的燃烧产生的碳排放因素是基于“2006年ipcc（联合国政府间气候变化专门委员会）的指导方针中国家温室气体排放清单”。根据当地电厂提供的测试结果显示煤的热值和碳排放系数分别为4933千卡/千克、1.9779.4、AEP-SD的建模过程4.1、循环图根据逻辑框架和物质能量在农业产业链中的流动，AEP-SD模型的循环图被设计出来了。在该图中，蓝色的箭头的生成路径表明一些积极的效果，例如生态农业输出，二氧化碳排放减少等等；绿色箭头的生产路径表明一些消极的影响，比如能源消耗、污染排放等等；红色箭头的生产路径表明系统改善政策中的计划和实现的路径。（图3）4.2树状流动图树状流动图是AEP-SD模型的核心，同时是因果环流图的量化和物化过程。在生态农业系统2003至2008年实际数据以及由树状流动图建立的差分方程的基础上，整个生态农业系统被定量且动态的模拟（所有的功能和参数在附录A和B分别列出（系统动力学软件格式））。为了便于讨论，将模型按照产业链分为四个部分。4.2.1模块一：肉牛的饲养和屠宰这个模块反映了牛的饲养、屠宰以及其它相关因素的变化。模型的这个模块包括三级变量：小牛，成熟牛和市场牛。这些变量由四种效率的变量控制，同时，受其他22中辅助变量影响。（图4.1）在牛饲养链中，小牛被饲养成成熟牛并投入市场进行屠宰。屠宰能力和牛市场数量，决定了肉牛的供求关系，进而影响肉牛的购买价格和饲养利润，利润影响了农民在增加肉牛数量的积极性，同时也决定繁殖率和小牛数量。这些过程形成了一个消极的反馈链。另外，肉牛的整体数量决定秸秆饲料的需求，并影响秸秆饲料工业的上成工业发展。“CDR”总体上影响下游沼气的产量。近几年，崆峒县的牛饲养产业发展迅速，由于政府对养牛户和屠宰企业的财政支持和政策优惠，导致肉牛繁殖率和屠宰数量持续上升。然而，屠宰企业数量少且规模小，且肉牛是由自己屠宰的，因此，屠宰率低于饲养率，肉牛的整体数量迅速上升。直到2009年，肉牛的整体数量达到了310084头，牛饲养利润达到182.6百万元,其排便总量达到2945800吨主要用于沼气生产和农业施肥，牛骨的副产品达到14506.8吨，牛血和内脏达到了38684.8吨。然而，由于不良的卫生状况和农民低技术的屠宰方法，这些副产品不能满足生物制药和食品的要求。因此他们不能被有效率的利用甚至当垃圾丢掉，导致资源的大量浪费和生态污染，这都成为生态农业系统的消极影响。4.2.2模块二：沼气的生产和利用这部分反映了甲烷的生产和利用，以及有机肥料的产生，和有机水果蔬菜的发展，同时他也是生态农业系统中产生积极效果的主要单元。模型的这个模块包括3级变量：沼气存储；沼气浆料和残渣的存储；有机水果和蔬菜收入的增加量，9种速率变量（比如沼气生产率）和25种辅助变量。（图4.2）这该模型中，“应用于沼气生产的CDR比率“决定“沼气产出率”。“沼气使用率“反映每年的利用量。在2009年，沼气的产量和消耗量分别达到了7084640立方米和4959250立方米使得燃煤量减少15531.4吨。良好的生态和经济效益得以实现。然而，由于昼夜和季节温度的差异，以及家庭生产的低科技设备，沼气生产量和浓度是非常的不稳定的，每年大约有30%的沼气由于泄漏或者是不符合标准不能被利用。未使用沼气的排放导致浪费和污染，这些在模型中通过“每年沼气排放损失量”来计算。沼气生产中未被利用的动物粪便和沼气生产中的MSR除了一小部分被排出，其他的都作为有机肥料用于农田。在2009年，“有机肥料总量”等同于99600吨氮肥、53100吨磷肥和33200吨钾肥，替代了大量化肥的使用，同时他也为有机水果和蔬菜的发展奠定了基础。然而，“农民认可度”和“市场完善程度”限制了有机水果和蔬菜的发展。通过实地调查，我们发现80%的农民不知道市场对有机水果和蔬菜的需求，同时也没有形成有机水果和蔬菜的交易频道，导致种植面积知道现在仍旧很小。（图4.2）。4.2.3模块3：作物生产和秸秆回收这个模块反映了作物的产量和秸秆回收。模型的这个模块包括3级变量：“秸秆的存量”、“饲料存量”“废水存量”以及8种变量速率例如：秸秆利用率、和24种辅助变量（图4.3）。假设作物播种的面积不变，技术的普及度和进步是作物、秸秆产量增加的主要推动力。崆峒县的秸秆回收被用于造纸和饲料。“利用率