農業產業集聚區生態系統內部種群間協同演化機理及均衡分析

肖 蓉， 劉雪蓮， 劉志凌

(1.江蘇省農業科學院，江蘇南京 210014； 2.南京林業大學，江蘇南京 210037)

伴隨著經濟全球化和世界貿易自由化的浪潮，我國農業農村發展不斷邁上新臺階，目前我國農業發展迎來重要戰略機遇。在新型城鎮化戰略快速推進中，農業迎來蓬勃發展的黃金時期。近幾年，我國在農業轉方式、調結構、促改革等方面進行積極探索，為進一步推進農業轉型升級、最大限度釋放農業市場主體活力、打造農業發展的良好生態環境奠定了基礎。

由此可見，適應國家新型城鎮化及產業結構布局調整、居民消費結構升級需要，加快農業發展，是我國城鎮化發展戰略的重要內容。然而，當前農業發展面臨一些現實難題：一是傳統農業粗放式擴張，對生態環境的影響加大；二是農業產業集約化水平低、成本高、效率低等問題突出，需要深入推進農業供給側結構性改革，創建良好的農業產業生態秩序。農業產業集聚區作為城市新興的服務類產業集群，有其獨特的運行方式和創新模式，集聚區內部環境在其發展過程中起著至關重要的作用。所以探尋農業產業集聚區生態系統的協同演化機理，揭示農業產業集聚區的發展規律對于提升集聚區企業核心競爭力和區域經濟水平具有重要的意義。本研究借鑒生態學中的Lotka-Volterra模型，建立了基于效益增長趨勢的農業產業集聚區生態系統的協同演化模型，并分析得出了農業產業集聚區生態系統內部種群間的均衡穩態，為農業規劃布局、產業結構調整、政策制定等提供理論依據。

1 農業產業集聚區生態系統的內部種群間關系分析

農業產業集聚區生態系統的種間關系是指農業產業集聚區生態系統內部不同產業種群之間相互作用所形成的關系。農業產業集聚區生態系統內部種群之間的關系分析可以作為分析產業種群在演進過程中相互適應并且協同演化機制的理論基礎。根據生態學理論可知自然種群之間的相互作用關系(表1)。

表1 種群之間相互作用關系

注“+”表示對生長或其他種群特征有益；“-”表示種群生長或其他特征有害；“o”表示2個種群之間沒有相互的影響。

表1表述的相互作用類型，可以劃分為中性、正相互、負相互這3種作用關系。一般來說每種作用都包含了不同的關系，共生關系、互利關系以及偏利關系被包含在正相互作用當中。負相互作用關系包括競爭關系、捕食關系、寄生關系和偏害關系。種群之間沒有作用，即實質上是中性作用。一般來說，彼此相互依存、相互依賴、雙方只能同時存在，若缺了任何一方，另一方都無法生存下去，我們都稱之為共生關系(symbiotic)。共生關系實際上是擁有緊密關系并且共同生存的不同物種間的關系。除了共生關系外，雙方有共同利益關系稱作互利關系(reciprotic)。互利關系實際上是僅存在共同利益，2個生物種群中沒有緊密的關系，若是不存在共同利益，雙方均可繼續生存。種群之間沒有相互作用則是中性關系(neutralism)。總的來說，各種生物之間都是存在普遍聯系的，沒有絕對相互作用而是有相對相互作用。除了互利關系外，還存在偏利關系(commensalism)。偏利關系則是指種群之間對一方沒有任何影響的相互作用，即為不存在任何的利益與傷害，而對另一方有利的種間關系，則被統稱為偏利。捕食關系(predation)是2個生物種群間，一方以另一方為食物，從另一方汲取生存能量的相互作用。密切生活在一起的2個種群，除互利關系外，一種群對另一種群會造成損害，則稱為寄生(parasitism)。偏害(amemsalism)是指種群之間發生相互作用后對一方沒有影響，沒有利益關聯也沒有任何傷害，而對另一方有害的種間關系。競爭(competition)是指2個種群相互比賽、為爭奪同一資源而相互干擾的種間關系。

在農業產業集群生態系統中，產業種群之間也存在著相互的作用關系。將目光聚焦在產業集群當中，企業間建立的關系均為競爭與合作關系，并不存在偏利、偏害、寄生關系。企業間關系也并不存在協同演化，彼此相互獨立、互不影響，所以企業間并不存在中性關系。綜上分析，本研究認為，互利共生關系和競爭共生關系兩大類關系是農業產業集群生態系統內部產業種群之間的主要關系。

2 農業產業集聚區生態系統的種群間協同演化模型

假設：產業集聚區生態系統內部中，存在某一個產業種群(產業種群A)，即具有相似特征的企業(若干數量、規模大致相同)組成A產業種群，與環境產生物質、能量和信息的交流，并經歷誕生、成長、成熟、衰退、死亡的成長進化過程，在生態系統中種群個體數量達到一個最終均衡狀態。在一個有限的空間(產業集聚區生態系統)當中，受多種影響(有限空間資源和其他條件)，在其系統內部呈現出單一種群所表現出的一種阻滯增長形態，可以將其成長進化進行模型化描述。即：種群在t時間的變化率=種群瞬時增長率×種群密度×密度制約因子。

用數學模型描述如下：

式中：N表示種群的個體數量，r表示種群的自然增長率，t表示時間，K表示環境容納量，即表示生態系統中所能容納的該種群的最大數量，而這一數量取決于該物種對環境的適應能力、環境中的資源水平等因素。

該種群成長模型基于以下3個假設：

(1)假設環境容納量有一個最大值，這是生態系統的環境條件所決定的，當該生態系統的種群數量達到K值時，該種群將不再增長。

(2)種群中密度的增加對其增長率的降低作用是立即發生的。

(3)遷出和遷入現象及年齡結構在此種群中并沒有發現。

此時，Logistic模型表明，種群在一個有限空間內的進化是非線性的，種群數量隨著時間呈現“S”形增長曲線(圖1)，其增長過程可分為4個階段：

第1階段(0

3 農業產業集聚區生態系統種群間協同演化模型及均衡分析

3.1 農業產業集聚區生態系統種群間協同演化模型的建立

大量的實踐證明，集群中的表現是多種不同產業的集聚。與生態系統中多種群關系類似，農業產業集聚區生態系統中M種種群間也存在著競爭、合作以及競爭合作型等多種協同演化關系，下面以2個種群為例對各種關系分別進行詳細分析。在外部環境及其他因素一定，內部環境不同的條件下，對農業集聚區分為種群1和種群2進行模型分析。設：

(1)r1(t)、r2(t)分別表示物流種群1和物流種群2的產出水平自然增長率；

(2)M1(t)、M2(t)為物流種群1和物流種群2的產出水平，它們是時間t的函數；

(3)K1、K2分別表示在要素總量一定的條件下物流種群1和物流種群2的市場容量極限，即最大產出水平；

(4)α、β表示物流種群1和物流種群2的相互影響系數；

(5)設資源總量為1。

3.2 農業產業集聚區生態系統相互競爭型模型及平衡分析

根據Lotka-Volterra種群進化模型，構建農業產業集聚區2種群競爭型演化模型：

對于2個種群的相互競爭模型進行穩定性分析，可得出如下結論：

(1)α<1，β>1。α<1意味著在對供養種群1資源的競爭中，種群2弱于種群1，β>1意味著在對供養種群2資源的競爭中，種群1強于種群2，于是種群2終將滅絕，種群1趨于飽和水平(圖2)。

(2)α>1，β<1。α>1意味著在對供養種群1資源的競爭中，種群1弱于種群2，β<1意味著在對供養種群2資源的競爭中，種群2強于種群1，于是種群1終將滅絕，種群2趨于飽和水平(圖3)。

(3)α<1，β<1。因為在競爭種群1資源中種群2較弱，而在競爭種群2資源中種群1較弱，于是可以達到一個雙方共存的穩定的平衡狀態，這是種群競爭中很少出現的現象(圖4)。

(4)α>1，β>1。在競爭種群1資源中種群1較弱，在競爭種群2資源中種群2較弱，這種情況下必有一個種群要滅絕，而另一個種群將繼續生存。至于哪一個滅絕，哪一個繼續生存，不僅取決于模型中各系數之間的關系，還取決于2個種群競爭開始時刻數量的大小(圖5)。

3.3 農業產業集聚區生態系統合作型模型及平衡分析

根據Lotka-Volterra種群進化模型，構建農業產業集聚區2個種群合作型演化模型：

對于2個種群的合作型模型進行穩定性分析，可得出的結論如下：與競爭型模型類似，無法求出上述模型的解析解，只能通過數值解法來求數值解。而且利用微分方程的穩定性理論分析可以得到：只有當α<1，β>1，αβ<1時，種群1和種群2可以處于穩定的平衡狀態，即2個種群在同一環境里相互依存而共生(圖6)。

3.4 農業產業集聚區生態系統競爭合作型模型及平衡分析

假設在用一個區域內生存的農業產業集聚區種群1和種群2，它們相互之間的關系是競爭合作，那么整個系統的演化也可能表現為競爭合作型，這會造成產業之間既因資源爭奪而生產相互阻礙作用，又因資源共享而產生相互促進作用。根據Lotka-Volterra種群進化模型，構建農業產業集聚區2種群競爭合作型演化模型：

由上述Logistic模型進行推導，可以得到農業產業集聚區生態系統M個種群間的競爭合作型演化模型：

式中：αij為種群間競爭演化系數，當i=j時，αij=1；βij為種群間合作演化系數，當i=j時，βij=1。

4 結論

農業產業種群間的關系，是農業產業集聚區生態系統內部種群間協同演化過程中的決定性因素。若是當產業種群之間處于競爭關系，雙方竭盡全力在爭奪有限資源的同時均無法實現其自身的規模最大化，占有的資源數目與各種群的競爭能力呈正相關；如果產業種群之間存在合作共生關系，由于合作所產生的共生協同效應可以使得合作種群實現收益最大化，從而不斷地擴大自身的種群規模。綜上所述，建立一種健康均衡的農業產業集聚區生態系統可以發揮以下功能：推動產業集聚區內部企業廣泛合作，創造出更多的剩余價值，優化其相關產業結構，從而產生最大的效益；排除協同演化過程中的惡性競爭，鼓勵適當的合理競爭，降低因惡性競爭所造成的企業整體利益損失的風險；具備對外界變化良好的敏感性和優化能力，協調產業集聚區內部各企業之間的關系，使得在產業集聚區中的各企業成為一個協同有機的整體。

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