土地利用政策仿真模擬框架構建
——基于兩類模型的對比分析

重 多，許祖學，柴克清，黃 誠，郭華松

（西藏自治區國土資源規劃開發研究院，西藏·拉薩 850000）

土地利用政策仿真模擬框架構建
——基于兩類模型的對比分析

重 多，許祖學，柴克清，黃 誠，郭華松

（西藏自治區國土資源規劃開發研究院，西藏·拉薩 850000）

土地政策是土地利用優化管理的重要手段。土地優化利用蘊含豐富的人類活動信息，可以通過改變生態系統類型及生態過程影響生態系統服務功能，進而影響人類福祉。本研究在界定土地利用政策模擬內涵的基礎上，從復雜政策行為表現中厘清土地利用、生態系統服務功能和人類福祉之間的傳動機制，分別構建基于系統動力學（system dynamics, SD）模型和可計算一般均衡（computable general equilibrium, CGE）模型框架，解析生態系統服務功能和人類福祉在不同土地利用優化政策下的變化問題，及其政策變化所帶來的直接或間接影響。最后從研究尺度、數據依賴性和預測功能等方面系統對比兩類模型在土地利用優化政策模擬中的優缺點和適用條件。研究成果可為土地利用政策制定和實施提供參考，降低土地利用相關政策制定存在的風險、降低損失。

土地利用優化；政策仿真模擬；生態系統服務功能；系統動力學(SD)模型；可計算一般均衡(CGE)模型

土地系統是地球陸地系統的重要組成部分[1]，土地利用活動在為人類提供物質產品和服務的同時，也使土地利用/覆被發生了深刻變化。學界針對LUCC的研究主要集中在厘清土地利用/覆被變化驅動機制、分析土地利用/覆被變化特點和預測模擬未來土地利用/覆被變化和空間布局方面[2]。近年來，土地利用變化通過影響生態系統服務功能進而影響人類福祉的作用機制成為當前學術界關注的熱點問題。但將土地利用、生態系統服務功能與社會經濟系統串聯起來，從政策層面探討通過優化土地利用來改善生態系統服務并促進社會經濟發展的研究卻鮮有深入報道。

近年來，由于快速城鎮化發展忽視了耕地保護和生態保育，導致用地矛盾問題和生態環境問題越來越突出，出現了糧食短缺、環境污染、氣候差異等一系列問題，土地利用與國民經濟和社會發展的協調能力受到人為的削弱[3,4]。土地政策作為土地利用優化管理的重要手段，直接關系社會經濟運行和人民福祉，因此有必要對土地政策實施效果進行仿真預估，根據土地利用變化影響生態系統服務功能并進而影響人類福祉的傳導機制，科學構建土地利用政策仿真模擬框架，保障政策制定的科學性，降低政策風險。

1 土地利用優化政策模擬內涵

1.1 土地利用優化政策模擬的概念

政策模擬是指針對政策問題進行虛擬試驗[5]，模擬多種政策環境下的單一政策作用，認識政策的有效性[6]，包括數學建模、計算機建模與模擬、算法研究、決策支持等[7]。土地利用優化政策通過其導向、調控和分配功能深刻影響人們的土地利用管理活動和土地利用方向[8]，是影響生態系統服務功能和改變人類福祉的最根本動因之一[9]，因此土地利用政策模擬以較低的成本對實施效果進行比較準確的預測和分析，可幫助決策者制定正確的方針政策，最大程度上減小政策實施的風險和成本，最終促進經濟社會的健康長遠發展[10]。綜上所述，本研究將土地利用優化政策模擬定義為以優化土地利用為目的，以計算機技術為基礎，通過數學建模，設定土地政策情景方案、模擬土地政策行為而進行的虛擬試驗。

1.2 土地利用政策影響人類福祉機制分析

土地利用政策與人類福祉之間存在著不同形式的反饋關系。一方面，合理的土地政策會促進土地資源的合理利用，人類可從土地利用獲取食物、藥材等物質產品及美學、精神等文化產品，推動社會經濟的發展、提升收入水平并加強生態系統保護，形成良性發展的生態環，促進人類福祉的提高；相反的，不合理的土地利用政策則會導致土地資源的低效利用，引起土地退化和生態環境破壞，降低土地產出，造成土地的過度利用，造成生態系統服務功能降低，進而影響生態系統服務供給和區域居民福祉，形成惡性循環[11]。另一方面，人類福祉的提高會加大對土地和生態系保護力度，同時也會增加對土地產出的需求，造成對土地資源的高強度利用，造成生態環境嚴重退化，最終需要通過制定一系列符合社會經濟發展實際的政策促進可持續發展。

2 土地利用優化政策模擬框架

2.1 基于SD模型土地利用優化政策模擬機理

SD模型適用于對社會經濟系統進行定性與定量相結合的研究[12]，經過長期發展，SD已日臻完善，相關學者也基于SD模型綜合土地經濟、土地管理、協整理論、系統論分析了土地宏觀調控的科學性[13]。一般而言，通過SD模型開展政策仿真包括模型邊界的確定、因果關系圖的確定與分析、編寫模型程序并進行調試、通過模擬實驗得出相應結果、運用過程中完善模型等內容。

（1）SD模型土地利用政策優化的傳導路徑分析

土地政策—人類福祉耦合即土地利用優化系統是土地政策與人類福祉兩個系統及其內部各構成要素相互作用、相互影響形成的非線性關系總和，主要研究土地政策系統和人類福祉系統之間相互作用的機理和反饋過程，通過調控經濟社會參數實現經濟效益、社會效益及環境效益最大化。土地利用優化系統主要包含政策、土地、資源、經濟、環境等5個相互關系的子系統（圖1）。

圖1 基于SD的土地利用優化系統因果關系回路圖Fig.1 SD-based land use optimization system causality circuit diagram

（2）SD模型土地利用政策傳導系統的反饋復雜性分析

基于上述土地利用優化系統因果關系回路圖，將政策、土地、資源、經濟、環境等5個相互關系的子系統細化，政策子系統包括耕地保護政策、節約集約用地政策、土地復墾政策、退耕還林政策、退牧還草政策、基本農田保護政策、建設用地管理政策、農地流轉政策等八類；土地類型包括耕地、林地、草地、建設用地等四類；生態系統服務主要體現供給、調節和文化功能[14]；人類福祉通過GDP、人口和收入體現，再適當增加一些輔助變量，建立土地利用政策傳導系統反饋圖（圖2）。

上圖中只包含一個政策調控因子的主導反饋環（調控因子的獨立主導反饋環），同一類調控因子的所有主導反饋環所組成的系統稱為該類調控因子的主導反饋子系統，這些主導反饋系統的性質及它們相互間的作用，決定了系統行為的性質及其變化與發展。

圖2 基于SD的土地利用政策傳導系統反饋圖Fig.2 SD-based land use policy transmission system feedback diagram

2.2 基于CGE模型土地利用優化政策模擬機理

（1）CGE模擬基本框架

CGE模型是用于描述經濟系統供求平衡關系的方程組，包括供給、需求和均衡3類。結合現有國內生產總值形式及投入產出表的統計與核算情況，可以從各種不同角度分析方程組，并確定基期均衡相關的參數估計，其一般結構如表1所示。

表1 CGE模型的基本結構Table1 Basic structure of the CGE model

CGE模型的標準數據結構是SAM表。SAM表是對一定時期內某國或某地區經濟結構的全面描述，它在投入產出表的基礎上增加了各類機構的信息，如居民、政府、世界其它地區的收支流，以能反映政策變動對經濟整體的全面影響。CGE 模型體系主要包括生產、消費、價格、貿易和均衡5個模塊：生產模塊通過使用三種主要要素之間的CES復合和中間投入品的進口部分與國產部分的CES復合商品進行生產活動，生產一種用于內銷或出口的商品或服務，部門必須在一定的技術條件下，按照既定成本利潤最大化或者既定利潤成本最小化的原則來進行生產決策；消費模塊指的是消費者在其預算約束下，如何合理分配其資源或稟賦選擇商品和服務實現效用最大化；價格模塊是模型假設生產活動零利潤和規模收益不變，意味著生產者價格只是投入價格的函數，模型假設銷售零利潤，意味著購買者價格是該商品的生產者價格、銷售稅和貿易與運輸等費用之和；貿易模塊指的是與國外的進出口貿易等活動，模型假設生產地處于價格接受者的地位，在該價格下，進口供給具有無限彈性，完全由國內需求和貿易平衡狀況所確定，即采用小國假設，并且假設出口需求用固定價格彈性的向下傾斜曲線描述；均衡模塊包括各個經濟部門實現總供給等于總需求，資本市場實現總投資等于總儲蓄、國內貿易收支均衡、國際貿易收支均衡、政府財政收支均衡。同時，模型閉合須滿足以下條件：方程的個數等于內生變量的個數、在所有的價格變量中必須將一個變量處理為外生變量、同一個方程中不能全是外生變量。

（2）CGE模型土地利用政策仿真模型構建

為了優化土地利用管理，本研究在傳統CGE模型框架內增添土地資源要素和土地主體信息，以土地資源為主要核算內容分析人類福祉在不同土地政策下的變化問題。CGE模型由生產系統、消費需求、對外貿易、自然資源和供求平衡關系5部分組成。

生產活動通過三層嵌套的函數來刻畫。第一層為經濟資本和土地資源的合成，采用常替代彈性（CES）生產函數；第二層包括兩個內容，一是勞動與合成的經濟資本—土地資源的合成，采用CES生產函數，二是中間投入的合成，采用列昂惕夫生產函數；第三層是總產出，勞動—經濟資本—土地資源合成與中間投入合成采用CES生產函數。產品總調出和國內的供給采用常轉換彈性（CET）函數表示，分為兩層：一層是國內留用與總調出之間的替換關系，二是出口和國際調出的替換關系，其中有總調入和國內供給的替換關系。居民的效用在其預算約束的條件下，通過柯布—道格拉斯效用函數形式使效用最大化。消費受收入的約束，居民的效用函數采用柯布—道格拉斯消費函數。政府消費和投資需求按照固定支出份額的函數描述。

市場均衡與宏觀閉合。模型中所有商品市場通過價格出清。各種投資支出的總和等于各種儲蓄的總和。模型采用新古典閉合規則，即勞動力、經濟資本和土地資源的供給均外生決定，要素的價格內生決定。匯率和國際價格差異為模型的價格因子，國外賬戶通過實際匯率的變動來實現均衡（圖3）。

圖3 區域CGE模型基本結構圖示Fig.3 Basic structure of the regional CGE model

本研究設計包含土地資源的 SAM表共有12個子賬戶（表2），與傳統的 SAM表的不同之處在于：在要素賬戶中將土地資源要素從“資本”賬戶中分離出來，以更好地分析經濟活動對土地資源的影響；在主體賬戶中設立“土地”賬戶，反映了土地生態系統應該獲得的收入來源和支出項目。“土地資源”賬戶是指土地生態系統提供的自然資源供給服務功能應該獲得的收益，而這部分收益就成為“土地”主體賬戶的一個收入來源。“土地”賬戶的收入包括兩部分：對土地利用優化而應該發生的居民、企業和政府對土地的投入支出（轉移支付），土地生態系統提供的類似勞動力和經濟資本等生產要素應該獲得的報酬收入；“土地”賬戶的支出項目是指土地生態系統為持續提供進入生產活動中的產品等生態系統服務功能的價值而進行的儲蓄。“土地”賬戶的儲蓄就可以被認為是對土地生態系統進行補償的一個參考數值。當相關變量（例如居民、企業和政府對土地的轉移支付率）發生變化，將會引起土地狀況的變化。上述模型中各個賬戶之間的關系如圖4和表2所示。

圖4 CGE模型中經濟系統要素內在聯系Fig.4 Internal relationships of economic system elements in CGE models

表2 社會核算矩陣Table2 Social accounting matrix

2.3 SD模型與CGE模型適用性對比

從原理上看，CGE模型以一般均衡理論為基礎，明確定義了經濟主體的生產函數和效用函數，從而反映多個部門、多個市場之間的相互依賴和相互作用的關系，揭示比宏觀計量經濟模型更為廣泛的經濟聯系[15]。SD模型基于系統論、信息論和控制論思想，從系統內部的機制、微觀結構入手，剖析系統進行建模，借助計算機模擬技術來分析研究系統內部結構與其動態行為的關系，并尋覓解決問題的對策[16]。兩類模型具體適用性分析如表3。

表3 兩類模型土地利用優化政策模擬對比分析Table3 Comparison and analysis of land use optimization policies in two models

綜上所述， CGE模型具有完整的建模理論依據，建模難度相對較小，但是由于其理想化的前提假設和對數據的依賴性，使得政策預測的準確性下降。SD模型亦有一套完整的理論作為建模指導，但是需要對研究對象進行深入的分析和挖掘，構建出合理的模型，模型構建具有一定的難度，它們不是依據數學邏輯的推演而獲得答案，而是依據對系統的實際觀測信息建立動態的仿真模型，并通過計算機試驗來獲得對系統未來行為的描述[17]。

3 結論與討論

本文首先對土地利用優化政策模擬的傳導機制進行了分析，在此基礎上分別搭建了基于SD模型和CGE模型土地利用優化政策模擬的框架。將SD模型下的土地利用優化系統分為政策、土地、資源、經濟、環境等5個相互關系的子系統，政策由鼓勵政策和限制政策組成；土地即各種土地利用類型；資源由物質資源和文化資源兩部分構成；經濟由人口、收入和GDP等構成；環境由土地退化、環境惡化兩部分構成。分析從土地利用政策到人類福祉的傳導路徑，構建了16條反饋環。構建了由生產系統、消費需求、對外貿易、自然資源和供求平衡關系等5部分組成的土地利用CGE模型，在傳統的CGE模型框架內增添土地資源要素和土地主體信息，以土地資源為主要核算內容分析人類福祉在不同土地政策下的變化問題。

SD模型和CGE模型均是政策模擬的有效工具，本文將二者應用于土地利用優化政策模擬，研究土地政策引起土地利用變化、土地利用變化影響生態系統服務功能、生態系統服務功能影響人類福祉的傳導機制和政策模擬機理，探索出了一條從管理層面探討通過優化土地利用來改善生態系統服務并促進社會經濟發展的新思路。SD模型和CGE模型各有利弊，在政策模擬實踐中，可根據需要選擇合適的模型。

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Land use policy simulation modeling framework: A comparative analysis based on two models

CHONG Duo, XU Zu-Xue, CHAI Ke-Qing, HUANG Cheng, GUO Hua-Song
(Tibet Autonomous Region Planning and Development Institute of Land and Resources, Xizang Lasa 850000, China)

The land policy is an important meaning of land use optimization management.Optimizing land use contains abundant information on human activities，which can affect the ecosystem service function by changing the type of ecosystem and ecological process, and then affect the well-being of human beings.Based on the defnition of land use policy simulation, this paper analyzes the mechanism of land use, ecosystem services and human well-being from the complex behavior of policy behavior, and constructs the system dynamics based on system dynamics (SD) model and computable general equilibrium (CGE) model framework to analyze the changes of ecosystem service function and human welfare under different land use optimization policies and the direct or indirect impact of policy changes.Finally, the advantages and disadvantages of the two models are compared in terms of research scale, data dependency and forecasting function, and their application conditions in the land use optimization policy simulation are systematically compared.The research results can provide reference for the formulation and implementation of land use policy, reduce the risk of land use policy making and reduce the loss.

land use optimization; policy simulation; ecosystem services; system dynamics (SD) model; computable general equilibrium (CGE) model

F301.2

A

2095-1329(2017)03-0013-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.004

2017-06-14

修回日期: 2017-07-22

重多(1977-),女,學士,工程師,主要從事國土資源規劃管理研究.

電子郵箱: 16259490@qq.com

聯系電話: 18689110099

武漢市軟科學項目“武漢市國土空間功能定位與優化利用研究”(2016040306010208)