基于SD模型的湖北省農業碳排放系統仿真與政策優化

徐 磊,董 捷,張俊峰2,李 璐

(1.華中農業大學 公共管理學院,湖北 武漢 430070;2.中南財經政法大學 公共管理學院,湖北 武漢 430073)

基于SD模型的湖北省農業碳排放系統仿真與政策優化

徐 磊1,董 捷1,張俊峰2,李 璐1

(1.華中農業大學 公共管理學院,湖北 武漢 430070;2.中南財經政法大學 公共管理學院,湖北 武漢 430073)

從系統論視角出發,利用系統動力學(SD)方法分析農業碳排放系統的反饋機理,構建湖北省農業碳排放系統動態仿真模型,選取產業就業政策、農業投資和農業結構調整政策作為可控參數變量,通過改變參數值和組合方式設置了12種情景進行政策模擬,并基于農業碳排放效率最佳的原則,運用超效率數據包絡分析模型(DEA)對預測結果進行了評價和政策優化。研究結果表明:單獨政策調控不能有效提高碳排放效率,三個政策共同調節后的效率優于單獨政策和雙政策調節,多政策共同調節方案是減少碳排放效率最佳的模式。該研究為分析農業碳排放系統動力機制提供了有力的理論依據,為我國科學制定低碳農業政策提供了決策參考。

農業碳排放;系統動力學;仿真;政策模擬

1 引言

全球氣候變暖已成為世界各國共同關注的重點問題之一,碳排放量逐年增加是導致全球氣候變暖的重要因素[1]。世界經濟快速發展使工業生產成為最主要的碳排放源,而農業作為基礎性產業,隨著生產技術和條件的不斷改善,農業生產活動導致的碳排放也不可忽視,農業已成為導致溫室氣體排放的第二大重要來源[2]。農業生產與氣候變化密切相關[3]。隨著農業現代化發展的加快,農業生產物資大量投入,農業生產活動導致的碳排放逐漸增加,由此導致的氣候變化

已日益引起人們的廣泛重視。

目前國內外關于農業碳排放的研究逐步成熟,研究方向主要集中在農業碳排放測算[4]、演變特征[5]及影響因素[6]分析方面。在農業碳排放時空特征分析方面,學者們從區域農業生產與碳排放脫鉤的時空差異[7]、農業碳排放空間效應和驅動機制[8,9]進行了探索;在農業碳排放績效評價方面,有學者從農業碳排放效率差異及動態特征[10]、收斂特征等[11]方面進行了研究；在農業碳排放仿真方面,國內外學者多利用系統動力學原理進行碳排放過程的仿真和預測[12,13]。由上可知,農業碳排放的研究主要集中在從不同視角下對農業碳排放的機理、特征、績效等方面,而從系統角度出發,對省域范圍內農業碳排放系統的動力機制和仿真研究較少。此外,在碳排放政策情景仿真與選擇大多都采用定性分析,缺乏定量研究方法,本文在建立農業碳排放仿真模型的基礎上,對不同政策情景下的仿真結果進行了碳排放效率評價,選取最佳方案作為低碳農業政策制定的參考和基準,拓展了政策選擇路徑,具有一定的現實意義。

2 研究區概況

湖北省位于我國中部,地處長江中游段,是我國的農業大省,也是重要的糧食產區和農產品生產基地,農業現代化發展較快。根據《國民經濟和社會發展公報》[14],2015年湖北省全省第一產業增加值3309.84億元,實現穩步增長,全年糧食種植面積446.60萬hm2,糧食總產量達到2703.30萬t,畜牧業發展勢頭較平穩,全省生豬出欄數達到4363.20萬頭。湖北省是我國最先開展低碳發展實驗的“5省8市”之一,湖北省農業低碳發展不僅是政策的要求,在全國范圍還具有典型示范作用。但隨著農業經濟的快速發展,湖北省實現農業碳減排的壓力逐漸增加,發展低碳農業的要求十分緊迫。

3 研究方法與數據來源

3.1 系統動力學仿真模型

系統動力學(System Dynamics,SD)創立于1956年,其創始人Forrester教授著重研究了系統結構與動態行為的相互關系,并綜合系統科學、反饋理論、計算機仿真等多個學科,將其廣泛應用于系統分析、決策和預測[15]。系統動力學建模主要包括以下幾個步驟:①明確系統模型建立的目的,確定系統邊界。②分析系統結構,構建系統流程圖,并確定方程式及參數。③檢驗模型。根據模型仿真效果不斷改進系統結構和參數,檢驗模型的準確性。本文主要利用系統動力學建模軟件Vensimplus進行系統仿真與預測。

3.2 數據包絡分析模型

數據包絡分析(Data Envelopment Analysis,DEA)是由Charnes、Cooper等學者[16]在“相對效率評價”概念基礎上發展起來的一種新的系統分析方法,但CCR模型無法對多個決策單元在效率值為1的情況下進行比較。1993年Anersen等學者[17]提出了一種超效率DEA模型,它能對有效前沿面上的評價對象做進一步的比較,克服了CCR模型無法對有效決策單元繼續評價的缺陷。超效率DEA模型評價的基本思想是:在進行某個決策單元效率評價時,生產集不包含該決策單元的投入和產出,傳統DEA模型則將這一決策單元包括在內[18];在進行效率評價時,無效決策單元的效率值與傳統的DEA模型測算出的效率值一致,但有效決策單元可使其投入按一定比例增加而其效率不變,將投入增加的比例記為超效率評價值[19],具體計算方法參見有關文獻[19,20]。

3.3 研究思路及數據來源

本文利用Vensimplus軟件平臺,建立了農業碳排放系統仿真模型,對不同政策情景的碳排放系統進行了仿真,得出系統變量的預測值,進而利用DEA模型進行農業碳排放效率評價,分析不同政策的仿真結果,將農業碳排放效率作為政策選擇的主要條件,給出優選后的政策方案,并以湖北省為實證進行了研究,為實現低碳農業發展及提高碳排放效率提供政策參考和依據。

本文建立的系統模型和分析問題所涉及的基礎數據主要來源于2001—2009年的《中國能源統計年鑒》、《中國國土資源年鑒》、《湖北省統計年鑒》、《湖北省農村統計年鑒》,并參考了相關年份的湖北省國民經濟和社會發展統計公報等資料,土地利用數據主要來源于2000—2008年的湖北省土地利用變更調查數據。

4 系統建模與仿真

4.1 系統目的與邊界

構建農業碳排放系統仿真模型的目的:主要是分析農業碳排放內各子系統之間的反饋關系,模擬湖北省2000—2020年農業碳排放系統動態變化,并找出影響系統發展的關鍵政策因素;通過SD仿真和預測,分析農業碳排放、經濟與人口系統的發展趨勢,設置不同政策組合方案,分析不同情景下農業碳排放系統投入與產出的變量值,為碳排放效率評價提供數據基礎。本文的研究系統邊界為:在空間上是以湖北省行政區范圍作為研究邊界;在時間上是以2000—2008年作為仿真基期,2009—2020年作為預測期,仿真步長設置為1年。

4.2 系統構成

在分析各子系統之間相互關系的基礎上,設置農業碳排放系統的各種變量,并分析各子系統內變量之間的邏輯和因果關系,建立系統流程圖,見圖1。耕地是進行農業生產活動的重要承載基礎,也是土地作為農業生產要素功能的體現。耕地子系統間接影響種植業生產活動中的碳排放量,耕地面積決定了可播種面積,進而影響種植業碳排放系統。耕地增加主要是通過土地開發、整理及農業結構調整等方面;耕地減少主要是由于建設用地占用、生態退耕、災毀及農業結構改變等方面的原因。種植業與畜牧業生產子系統是農業碳排放的重要來源之一。在模型結構中,播種總面積受到耕地變化的影響,同時與復種指數也有一定程度的關系,而種植業投資通過推動農業物資使用來影響碳排放水平。畜牧養殖業產生的碳排放主要是受到畜牧業投資的影響,本文只考慮投資對畜牧業發展的動力機制,其投資水平通過刺激和改變牲畜養殖數量來影響該系統的碳排放水平。在人口與經濟發展子系統中,人口子系統為農業經濟發展提供勞動力,是推動經濟發展的重要動力。總人口數量主要受到人口增長率和減少率的影響,是系統中重要的狀態變量之一。經濟發展是推動整個碳排放系統的根本動力,該子系統主要受到從業人員和農業投資政策的影響。此外,農業投資政策也是影響種植業和畜牧業生產活動的重要變量因素之一。

圖1 農業碳排放系統流程

4.3 參數確定

模型中狀態變量的初始值以2000年為基準輸入,對參數變量賦值的方法主要有:參照已有研究、資料統計、取平均值及表函數等,由于參數作用不同,賦值方法也各異;確定各種輔助變量間的方程式主要通過統計數據,結合變量之間的邏輯與因果關系,通過計量回歸、經驗公式等方法確立。

表1 農業碳排放系統主要變量歷史性檢驗

4.4 模型檢驗

SD模型在進行仿真預測之前還要進行模型歷史性檢驗,通過比較系統中變量仿真值與真實值的擬合情況[21],確定系統是否具有可信度以及模型的有效性如何。本文選取對系統影響較大的狀態變量和主要的輔助變量進行檢驗,歷史性檢驗結果見表1。所選取變量的仿真值與真實值擬合的誤差均小于5%,符合復雜系統模型仿真的誤差要求,可進行政策模擬。

5 政策模擬與選擇

5.1 政策模擬

農業碳排放系統是一個受經濟、社會、土地等多方面政策影響的復雜系統,本文主要從對整個系統控制的角度出發,兼顧政策調整的可行性,選取了經濟子系統中農業投資政策,表示為農業資產總投資占GDP的比例;耕地子系統中農業結構調整政策,表示為農用地調整為耕地的比例;選取人口子系統中第一產業就業政策,表示為第一產業從業人數占總從業人數的比例,利用3個政策變量進行情景仿真的調控參數。由于每個政策變量都可進行調控且能自由調整變化幅度。因此,所選的3個政策變量組合在理論上會有相當數量的候選方案,將每種政策變化情景進行仿真和測算是十分困難的,也不具有可行性。本文從單政策變量、雙政策變量及三政策變量分類調整入手,通過大量仿真模擬,逐步選出包括自然發展模式在內共計12種具有代表性的方案,作為其他政策變量調整和組合的參照,具體政策調整值見表2。

表2 湖北省農業碳排放模型政策變量參數值

通過SD模型系統仿真,按三類共12種方案的政策參數值進行模擬,得出系統各變量2009—2020年的預測值,作為農業碳排放效率測算的數據基礎。通過仿真結果分析,不同調控方案下農業碳排放系統運行的狀態各異,但每一類別的變量仿真值相差不大,不同類別之間變量變化差異比較明顯,能反映出不同政策組合對系統運行的影響方向與趨勢。

圖2 不同方案農業碳排放效率平均值比較

5.2 模擬結果評價與選擇

在利用DEA模型評價農業碳排放效率時,首先需要對非期望產出指標中的農業碳排放量進行處理,參考屈小娥[22]總結的處理方法,本文采用INP方法對非期望產出進行轉換分析,將農業碳排放量作為投入指標,并擬將農業碳排放效率平均值作為政策優化的標準和參考系。系統仿真為選取農業碳排放效率評價提供了數據基礎,根據DEA模型指標選擇的原則和要求[11,23],選取農業總投資、第一產業從業人數、耕地面積及農業碳排放量作為投入指標,第一產業產值作為產出指標,利用超效率DEA模型對湖北省農業碳排放效率進行評價,運用DEA-SOLVER軟件測算,將所得預測期內的碳排放效率取平均值后進行比較，具體情況見圖2。

在12種情景下的農業碳排放效率評價結果分析見圖2。方案12為情景模擬中平均效率最佳的方案,而無政策調控的方案1平均效率最低,故將方案12作為政策效果最佳的推薦方案。平均效率最佳方案是三個政策綜合共同調控的結果,所得到的平均農業碳排放效率值優于其他方案。該方案第一產業從業人數逐漸減少,符合湖北省農業產業高級化和轉型的目標,也是我國進行新型城鎮化、農業現代化發展的必然趨勢,政策選擇符合實際需求。湖北省是農業大省,“三農”發展勢頭良好,農業基礎設施投資與建設是加快新型農業發展、提高農民收入的有力保障。此外,農業投資還是保證糧食安全和提升農業碳排放效率重要政策之一,也符合“十三五”規劃及省農業發展規劃中持續增加農業投入的要求;農業結構調整目的是在保障耕地面積和質量的前提下,優化農業產業結構,符合農業供給側結構性改革要求,合理調整耕地、園地、林地等面積,不但有助于農業生產效益的提升,而且通過優化還能發揮農用地碳排放調節的重要作用,實現農業生產過程的碳減排。政策模擬和選擇的結果客觀上驗證了農業碳排放系統是受多個子系統影響的復雜系統,單個政策改變對系統行為影響十分有限,只有多個政策因素共同作用,才能逐步實現農業碳排放效率最佳,模擬結果符合湖北省農業低碳發展要求,可為低碳農業建設提供政策參考。

6 結論與政策啟示

6.1 結論

本文從農業碳排放碳源入手,從系統動力學角度對農業碳排放系統結構和動力機制進行了剖析,并將SD模型與超效率DEA評價方法相結合,用于農業碳排放系統仿真及政策優化,并以湖北省進行了實證分析,主要得出以下結論:①SD模型與DEA模型相結合不僅能直觀地描述和解釋系統內部各變量之間的互動機制,準確模擬出系統內各子系統及變量間作用的動態過程,還能為政策仿真和優化提供可靠的依據和基礎,實現農業碳排放分析的動態性。②湖北省農業碳排放系統政策模擬與評價結果顯示:在從業人數、農業投資及農業結構調整政策三種措施綜合調控的作用下,農業碳排放效率相比單獨政策及雙政策調節要優越。評價結果驗證了農業碳排放系統是涉及多個子系統的復雜系統,只有進行多政策綜合調節才能取得較好的結果。③農業碳排放系統是一個復雜非線性的動態系統,系統仿真過程也是不斷改進和嘗試的過程,系統內部結構和外部環境都在時刻變化,模型的參數、條件和變量關系會隨著經濟社會發展而改變。因此,仿真結果只是在假設條件及政策下模擬系統發展趨勢,所推薦的方案只是代表一種可能性,并不是全部結果,目的在于用直觀的方式表達不同政策下農業碳排放水平與效率的變化趨勢,為湖北省制定低碳農業政策提供參考。

6.2 政策啟示

依據研究結論,以新型城鎮化建設、農業基礎設施投資、農業產業結構調整等方面出發,借鑒供給側結構性改革理論,提供農業低碳發展的相關政策參考:①加快農村勞動力轉移,提高農業碳排放效率。推動“以人為本”的新型城鎮化建設,不斷推動農用地流轉和土地規模經營,有效降低農地細碎化和分散化程度,獲取土地利用規模效益,降低單位農業產值能源消耗,提高農業生產資料利用率;發揮新型農業生產主體的積極作用,解放農村土地勞動力,推動大農業、土地規模化發展,湖北省現已呈現多元化的農業經營模式,如家庭農場、農民專業合作社等,應繼續引導農業規模化、現代化、機械化及低碳化發展,提高農業碳排放效率。②提高農業基礎設施投入,推廣低碳農業技術。加強農田水利及節能減排工程建設,建立完善的農地設施管護體系,并擴大低碳農業科普宣傳,規范田間農藥與化肥使用,逐步建立農膜等生產資料回收機制,控制農業面源污染強度;以農業創新發展為驅動,加強低碳農業創新技術支撐,結合省內雄厚的高校資源和科研力量,在推進低碳農業技術研發的基礎上,加快成果的轉化和推廣,切實提高農業能源利用效率。③優化農業產業結構,發展低碳與特色農業。湖北省作為糧食生產大省,在保障糧食安全的前提下,結合農業生產及市場需求的實際情況,以供給側結構性改革引領農業種植業的產業結構。合理調整水稻、棉花、玉米等作物面積,適當提高林地和園地比例,依據地區特色發展畜牧業、林果業,增強農用地碳匯功能和經濟產出;在低碳農業產業融資、企業引進等方面給予政策扶持,在低碳技術和生產資料中提供資金保障,建設資源集約型、環境友好型的低碳農業。

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SystemSimulationandPolicyOptimizationofAgriculturalCarbonEmissionsinHubeiProvinceBasedonSDModel

XU Lei1,DONG Jie1,ZHANG Jun-feng2,LI Lu1

(1.College of Public Management,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China;2.School of Public Administration,Zhongnan University of Economics and Law,Wuhan 430073,China)

From the perspective of system theory,the causality and feedback relationships among carbon emissions system were analyzed base on system dynamic.Then system dynamic simulation model of agricultural carbon emissions of Hubei Province was established in this paper. Taking employment policy,agricultural investment and agricultural investment and adjustment of the agricultural structure as controllable variable parameters,by changing parameter values and combinations to design 12 scenarios for simulating and forecasting,the predicted results were analyzed and optimized using input-oriented supper-efficiency DEA modeling,based on the optimum selective rules of agricultural carbon emissions efficiency.The results of researching demonstrated that,single policy regulation failed to improve the efficiency of carbon emission effectively.The average efficiency produced by three policies was better than that generated by single policy or dual policy adjustment.The most efficient pattern of carbon emission was the scheme adjusted by multi-policy together.The research results provided a theoretical basis for the study of dynamic mechanism of agricultural carbon emission system and gave a decision-making reference for making scientific low-carbon agricultural policy.

agricultural carbon emissions;system dynamics;simulation;policy simulation

10.3969 /j.issn.1005-8141.2017.09.002

X322

A

1005-8141(2017)09-1031-05

2017-07-14；

2017-08-21

國家自然科學基金青年項目(編號:71603288);教育部哲學社會科學研究重大課題攻關項目(編號:14JZD009)。

徐磊(1985-),男,河北省唐山人,博士研究生,研究方向為土地利用與低碳經濟發展。

董捷(1960-),女,湖北省武穴人,博士,教授,研究方向為土地資源經濟。