耕地資源可持續發展的系統動力學仿真分析

張雪花， 滑永勝， 韓成吉，2

(1.天津工業大學 環境經濟研究所， 天津 300387； 2.中國農業科學院 農業經濟與發展研究所， 北京 100081)

耕地是人類生存發展的物質基礎和條件，生態用地是維持生態平衡、滿足人民群眾對良好生態環境和美好生活的向往的重要保障。人口數量的增長和社會經濟發展的需要導致耕地資源數量日益趨緊，而不合理的耕作方式是導致耕地退化的重要原因，在嚴重影響糧食有效供給的同時[1-2]，也給環境承載帶來了巨大的壓力。科學推進污染耕地輪作休耕制度，通過耕地與生態用地之間的轉換，以生態修復促耕地休養，不僅對推動耕地資源永續利用、保障糧食安全具有重要戰略意義，將耕地轉換為生態用地也將惠及全民。

在保障耕地質量方面，國家層面做出了許多努力。為改善農用地土壤環境，管控農用地土壤污染風險，2018年6月，生態環境部制定了《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》，對農用地土壤污染風險篩選值和管制進行規定，其中包括農用地土壤中鎘、汞、砷、鉛和鉻的風險管控。現有研究表明，在農用地受重金屬污染中，耕地污染較為嚴重(耕地土壤點位超標率19.4%，土壤總超標率16.1%)[3]。其中，在農用地重金屬污染修復中，植物重金屬修復技術具有費用低、護表土和減少水土流失的作用，是最清潔的土壤重金屬污染修復技術之一[4]。目前，可以用于植物重金屬修復技術的植物有紫松國菊[5]、竹類植物[6]、紫花苜蓿[7]、刺兒菜[8]、桑樹[9]、印度芥菜[10]、蜈蚣草[11]等，即當耕地受重金屬污染時，可采用綠色植物種植的方式對其進行修復。

耕地作為一大社會生態復合系統存在于人們的生產生活中，將系統動力學方法運用在土地利用方面研究成果豐富，但尚存在一些不足。姜秋香等[12]運用系統動力學研究黑龍江省水土保障風險評價，但污溉風險沒有納入評價指標中；胡玉璽等[13]利用系統動力學研究濕地生態—經濟—社會復合系統，但沒有考慮濕地與耕地之間的可能轉換；涂小松等[14]運用系統動力學研究江蘇省土地資源優化配置與土壤質量調控，但并未將土壤重金屬含量作為土壤質量的衡量指標；李夢娜等[15]在對土地整理項目效益后評價中，忽略了耕地與生態用地之間的轉換帶來的效益；胡宗楠等[16]在對土地利用結構多情景中得到，忽略生態用地可以促進耕地的保護；宋蕾等[17]在長壽區耕地資源變化的研究中，未考慮重金屬引起耕地質量的變化；洪鴻加等[18]在耕地資源的優化配置研究中，未考慮土壤重金屬含量對糧食安全的影響。可以看出系統動力學已經廣泛應用于土地利用研究，但關于耕地與生態用地聯合調配問題的研究較少。其次，系統動力學方法作為一種有效的仿真方法在農用地土壤重金植物修復方面的還未見報導。

本文擬以天津市為例，運用系統動力學方法構建耕地生態修復系統動力學仿真模型，探討綠色發展策略、可持續發展策略、生態修復策略3種類型6種情景下的耕地、生態用地、糧食產量和土壤重金屬含量等相關因素的變化趨勢，以期通過模擬未來耕地、生態用地、糧食產量和土壤重金屬含量發展情景，為糧食安全和耕地可持續利用綜合決策提供參考依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

天津市地處華北平原北部、海河下游，東臨渤海、北依燕山，地勢呈北部高東南低，是環渤海經濟中心，其位于38°34′—40°15′N，116°43′—118°04′E，總面積11 916.85 km2，耕地4 369.26 km2，占總面積的36.7%。天津市屬于溫帶半濕潤季風性氣候，四季分明，雨熱同期，夏季炎熱多雨，冬季干旱降水稀少，年均降水量在360～970 mm之間；年平均氣溫約為14 ℃，7月最熱，月平均氣溫為28 ℃；1月最冷，月平均溫度為-2 ℃。2016年，天津人口有1.56×107人，GDP 1.79×1010元。其中第一產業2.20×1010元，占GDP總量的1.23%。

天津市作為中國重要中心城市、超大城市，人口密度1 328人/km2，高于全國人口密度144人/km2，保持有效的農業生產，對維持社會穩定有極大的作用。在對天津農業用地的調查中發現，重金屬鎘對農用地污染較為嚴重[19-20]。天津市屬資源型缺水城市，人均水資源量僅為全國水平的5.10%，農業生產中不得不引污水灌溉，早在1958年就利用污水進行農田灌溉，距今已有60 a余歷史，現污水灌溉面積達2.34×105hm2，占天津市耕地面積的50%，其中在污水灌溉區，重金屬鎘、鋅、汞含量較高[21-22]。為了保證糧食產量，穩定種植面積，被污染的土地得不到及時修復；還有部分耕地長期單一種植，土地綜合肥力下降，產出能力持續降低。面對以上危機情況，亟須開展耕地與生態用地聯合調配的方法研究，以生態修復恢復受損耕地的自然生產力，同時使其發揮生態服務功能，改善城市生態系統，保障生態安全。

2014年的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，在調查的55個污水灌溉區中，有39個存在土壤污染，天津僅是污灌受損地區之一。因此，科學解決天津市耕地由于污灌而受損的問題，對上述土壤污染地區具有一定的借鑒意義。

1.2 數據來源

本文建立耕地生態修復系統動力學模型，數據來源于2006—2017年《天津統計年鑒》《天津水資源公報》《中國統計年鑒》和土地調查成果共享應用服務平臺以及其他研究成果等。

2 系統動力學模型構建

2.1 系統邊界

模型的空間邊界為天津市；時間跨度為2006—2030年，其中2016年為基期年，2030年為規劃水平年，時間步長為1 a。主要歷史數據時段為2006—2016年，數據內容主要涉及影響生態退耕規模的人口結構、經濟狀況、耕地規模和生態用地規模等。

2.2 系統結構及反饋分析

本文以耕地與生態用地聯合調配所構建的社會、經濟、資源和環境復雜系統內各要素間的相互關系為出發點，進行系統多重反饋結構分析。

其中，資源子系統主要研究在污水灌溉影響下，耕地土壤資源的重金屬隨時間的變化。當其達到標準限制時，依據土壤植物修復理論，將耕地轉成植物高富集的生態用地；當耕地產量低于基礎地力水平時，轉成生態用地作為休耕模式；當耕地資源較少或糧食產量較低時，把土壤重金屬含量符合生產標準且能夠達到一定糧食單產的生態用地轉成耕地。

社會子系統主要研究隨著時間的推移，總人口數量的變化對農業人口的投入、對糧食的需求、對生態環境的需求以及對耕地的影響。例如，人口數量的增大會增加耕地及生態環境的壓力。

經濟子系統主要研究地區經濟量變化及其對農業的不同方式的投入可能產生的影響。經濟投入量可以促進農業發展，但如果過量投入農藥、化肥則會危害農業發展。環境子系統主要研究長時間的耕作對土壤環境和耕地產出的影響以及污水灌溉對土壤重金屬含量的影響。

上述要素間的多重反饋因果回路如圖1所示。

圖1 耕地與生態用地調配系統因果反饋圖

圖1系統中的主要反饋回路有：①耕地→地區GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→退生轉耕土地→耕地；②生態用地→退生轉耕土地→耕地→地區GDP→污水灌溉耕地→需修復耕地面積→退耕轉生耕地→生態用地；③負反饋，耕地土壤重金屬→需修復耕地面積→退耕轉生耕地→生態用地→耕地土壤重金屬；④耕地土壤重金屬→耕地單產→地區GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬；⑤耕地→地區GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→死亡率→人口→人均生態用地→退生轉耕土地→耕地；⑥地區GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→需修復耕地面積→耕地→地區GDP；⑦人口→農業人口→耕地單產→地區GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→死亡率→人口；⑧生態用地→退生轉耕土地→耕地→地區GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→需修復耕地面積→退耕轉生耕地→生態用地；⑨需修復耕地面積→耕地→地區GDP→污水灌溉耕地→需修復耕地面積。

正反饋可以使回路中變量的偏離增強，負反饋使回路中變量趨于穩定。上述反饋回路中，①，③，④，⑥，⑦和⑨為負反饋，②，⑤和⑧為正反饋。反饋回路①，⑤和⑨表明，耕地的增加會使農業產值增加，帶動地區GDP的增長，隨著社會經濟的發展，較多的污水灌溉到耕地，增加耕地土壤重金屬的含量，為維護農產品的安全以及人類健康，需要將這些耕地退出農業生產，轉換為生態用地；反饋回路②，③，④和⑧表明，生態用地的增加，改善原有耕地土壤環境，在不改變原有生態環境的條件下，增加耕地面積，提高耕地單位產量，進而促進地區產值的增長；反饋回路⑥和⑦表明，土壤重金屬含量的增長，增大人口死亡率，減少農業人口投入，降低耕地單產，進而抑制地區經濟的發展。

2.3 模型構建

在耕地與生態用地系統結構和反饋分析的基礎上，充分考慮資源、環境、經濟、社會的相互關系以及相互影響，依據相關分析法、趨勢法、模糊綜合評判法等，以2006年為起始年，以2030年為規劃水平年，在Vensim-DSS平臺上建立耕地與生態用地聯合調配系統模型。在模型中共有75個變量，其中有6個水平變量，10個速率變量，37個輔助變量和22個常量，主要方程如下：

(1) 人口= INTEG(凈遷入人口+出生人口-死亡人口，1 075)

(2) 污水排放量= 地區GDP×單位GDP污水排放量

(3) 灌溉污水耕地土壤重金屬變化= 污水灌溉量/33000×污水重金屬濃度×1000×0.000 2

(4) 生態用地= INTEG(增加生態用地-減少生態用地，25 133)

(5) 耕地= INTEG(增加耕地-減少耕地，437 200)

(6) 耕地單產= 農業勞動力增產系數×農業勞動力投入+農業基礎設施投入×農業基礎設施投入增產系數+農藥投入×農藥投入增產系數×農藥投入調整系數 +化肥投入×化肥投入增產系數×化肥投入調整系數+調整單產

(7) 耕地土壤重金屬含量= INTEG(耕地土壤重金屬增加，2.37)

(8) 轉生土壤重金屬減少= 植物修復重金屬富集率×轉生土壤重金屬含量

(9) 需修復耕地系數= IF THEN ELSE(耕地單產>=3 800，IF THEN ELSE(耕地土壤重金屬含量>=3，1，0)，污水灌溉修復影響調整系數×耕地單產修復影響調整系數)

(10) 需退生還耕土地=IF THEN ELSE(人均生態用地>=最小人均生態用地，IF THEN ELSE(轉生土壤重金屬含量>=3，0，IF THEN ELSE(耕地紅線-耕地>=0，耕地紅線-耕地，0))，0 )

耕地與生態用地聯合調配系統流圖如圖2。

圖2 耕地生態修復系統動力學流圖

2.4 模型檢驗

系統動力學模型建立之后，需要進行模型的有效性檢驗，檢驗仿真模擬結果是否能夠較為準確地描述現狀并解決研究問題[23]。判斷構建的系統動力學模型是否是具有現實性及對歷史問題的再現，需要對歷史問題進行檢驗。本文歷史性檢驗以2006—2016年為檢驗時間，選取主要狀態變量耕地、生態用地和人口作為歷史檢驗指標，檢驗結果如表1所示。

表1 耕地生態修復系統動力學模型(CLERSD)歷史性檢驗結果

由表1可知，上述所有狀態變量的最大相對誤差為0.879%<1%，即誤差允許范圍內[17]，說明所建模型有效，能夠很好的模擬所研究的對象系統。

3 模型仿真

耕地的產量和質量都會影響地區糧食安全，它們分別從數量和質量上對糧食安全產生影響。本文從農業投入、環保、生態等3項策略出發，對耕地與生態用地聯合調配進行模擬仿真，以了解不同聯合調配策略對耕地與生態用地的影響和作用效果。模擬方法是在其他策略不變的情況下，改變其中一項策略。在天津市基本情況分析的基礎上，本文設置3種策略6種情景，分別為綠色發展策略、可持續發展策略和生態修復策略。依據不同情景，對2016年至2030年天津市耕地與生態用地進行仿真，對比分析不同情景下耕地、生態用地、糧食產量和土壤重金屬含量的變化趨勢，據此提出耕地與生態用地聯合調配的合理建議。

3.1 綠色發展策略分析

綠色作為實現“十三五”發展目標的5大基本發展理念之一，給各行各業的發展提供了發展方向。農業是社會發展的基礎行業，對農業的適度投入會增加糧食產量，但如果農藥及化肥過量投入，可能會產生短期的增產效果，但長期使用則會影響土地利用的可持續性，還會影響人體健康。例如，化肥和農藥的過度施用會造成土壤板結，長期使用農藥殘留高的食物會對人體健康產生影響。

因此，本文將化肥和農藥的投入作為調控因子，來考察糧食產量和耕地單產的變化趨勢(表2)。為了考查不同施用情況的影響差異，此處設置兩種情景，情景一為大量使用農藥化肥模式，情景二為適度使用農藥化肥模式，仿真結果如圖3所示。

表2 綠色發展調控因子方案

圖3 天津市2016-2030年綠色發展策略仿真曲線

由圖3可知，糧食產量和耕地單產在當前農藥化肥投入情況下，均呈現先增長后穩定的趨勢。在情景一中，糧食產量先高于現行政策，每年呈減少趨勢，大約在2023年開始低于現行政策；耕地單產最高，每年呈減少趨勢，大約在2022年耕地單產低于現行政策。在情景二中，糧食產量低于現行政策和情景一，每年呈增長趨勢，大約在2023年超過現行政策和情景一，在此后的時間開始緩慢增長并趨于穩定；耕地單產最低每年呈增長趨勢，在2023年超過情景一和在2025年超過現行政策。由此可知，當增加農藥化肥的投入使用時，在短期會增加糧食產量和提高糧食單產，隨著時間的推移，糧食產量和糧食單產都將降低，即過多的農藥化肥投入降低了土地產出能力；當降低農藥化肥的投入使用時，糧食產量和糧食單產都較低，但呈增長趨勢，最后都將超過現行政策和情景一，即降低農藥化肥的使用從長遠來看，可以充分發揮土地生產力，減少農藥化肥對土壤測破壞。

3.2 可持續發展策略分析

一個行業的發展離不開一定資金的投入使用，對于當前高效農業發展的要求，資金的投入會帶動農業發展。另一方面，隨著社會經濟的發展以及人口的增長、快速的城鎮化，會產生大量的污水用于農業灌溉。污水中含有較多植物生長營養物質，但同時也含有較多的污染物質。在天津耕地重金屬污染中，最嚴重是鎘污染，它的來源主要就是污水的灌溉。

在其他變量不變的情境下，為使土地資源可持續利用，將農業投資和污水灌溉作為調控目標，來考察耕地土壤重金屬含量和糧食產量的變化趨勢。為了考察不同投資和污水灌溉率的影響差異，此處設置兩種情景，情景三為大量增加農業投資和降低污水灌溉率，情景四為大量增加農業投資和提高污水灌溉率，情景設置如表3所示，仿真結果如圖4所示。

表3 可持續發展調控因子方案

圖4 天津市2016-2030年可持續發展策略仿真曲線

由圖4可知，情景三耕地土壤重金屬含量最低、情景四耕地土壤重金屬含量最高、現行政策下耕地土壤重金屬含量處于兩者之間，在這3種情景中耕地土壤重金屬含量逐年呈現增長。對于糧食產量，情景三和情景四在開始一段時間呈現增長并高于現行政策，情景三和情景四糧食差別很小。由此可知，高的農業投入可以增加糧食產量；對于污水灌溉量對糧食產量的影響較小，但是它增加了耕地中土壤重金屬含量，這會污染耕種在土地上的糧食，進而影響本地區居民的身體健康。因此，為保持農業可持續發展要加大農業投資和減少污水對農田的灌溉。

3.3 生態修復策略分析

綠色植物除具有景觀功能、進化大氣和水土保持等功能外，它還對土壤具有修復作用，比如改善土壤的通氣性以及土壤的團粒結構和對土壤重金屬污染的修復等。植物對重金屬污染土壤的修復技術主要是通過對土壤重金屬的穩固和高富集植物對重金屬的吸附。這里將植物對土壤重金屬的富集率作為調控因子，來考察耕地和生態用地的變化趨勢。為考察植物重金屬富集率的影響，此處設置情景五為較高植物重金屬富集率，情景六為高植物金屬富集率，具體設置如表4所示，仿真結果如圖5所示。

表4 生態修復調控方案

圖5 天津市2016-2030年生態修復模擬仿真曲線

由圖5可以看出，現行政策耕地和生態用地都是在減少，情景五、情景六耕地和生態用地都高于現行政策；對于耕地，情景五低于情景六，情景五和情景六在2016年開始一段時間變化較小，此后呈現緩慢增長；對于生態用地，情景五高于情景六，情景五和情景六在2016年開始一段時間變化較小，此后呈減少趨勢。因此，通過耕地與生態用地的聯合調配，利用重金屬高富集植物等對耕地的修復作用，可以使耕地得以修復。

4 結 論

本文以耕地與生態用地為研究對象，通過分析耕地與生態用地之間相互作用，建立耕地生態修復系統動力學模型，并通過設置不同的情景模式，以仿真模擬的形式考察耕地與生態用地聯合調配策略的改變對耕地和生態用地優化配置的影響作用。研究結果表明：

(1) 在農業綠色發展中，大量增加化肥農藥的投入使用，可以增加糧食產量和提高糧食單產，但會降低土地產出能力。降低化肥農藥使用，糧食產量和糧食單產都較低并呈增長態勢。因此，為保護天津市糧食安全，維護耕地土壤質量，提高農業經濟，需要合理的使用化肥農藥，以促進本地區農業的綠色發展。

(2) 在可持續發展策略中，農業資金投入的增多會提高糧食產量，可以促進農業的可持續發展。污水灌溉量增多，耕地土壤中重金屬Cd含量增大，需要進行修復耕地越多。因此，在農田灌溉中，要減少污水灌溉量。

(3) 在生態修復策略中，將耕地轉為生態用地，利用植物重金屬修復技術，可以降低重金屬Cd在土壤中的含量。提高植物重金屬富集率，可以增加生態用地轉為耕地的量，另一方面使更多的耕地以生態修復的形式轉為生態用地，以促進耕地的修復。

總的來看，在農業生產中，為維護糧食安全以及農業綠色可持續發展，可以通過改變農藥化肥投入、資金投入、降低污水灌溉和耕地生態修復。