基于中国可持续发展模型的谷物供需研究

杨 阳，贺德方，佟贺丰，王静宜，屈慰双，李燕羽

(1．中国科学技术信息研究所，北京100038; 2．南京大学信息管理学院，江苏南京210093;3．美国千年研究所，Arlington VA 22201 USA; 4．国家粮食局科学研究院，北京100037)

一、引言

中国在20世纪末期和21世纪初期创造了增长的奇迹，各个行业几乎都取得了增长，农业也不例外，中国在粮食供需紧平衡的状态下，在保证人民营养不断提高的状态下，用世界9%的耕地养活了世界20%的人口，为世界粮食安全和降低世界营养不良人口数量做出了重要贡献。按照中国官方贫困标准衡量，中国绝对贫困人口已从1978年的2.6 亿降至2007年的1480 万［1］。人民收入水平的增高导致了饮食结构的明显改善，2012年世界粮食计划署的世界粮食安全报告指出:中国体重过轻的儿童数量在迅速而持续地下降［2］。中国的营养改善也反映在人均能量摄入的增长上(图1)，根据世界粮食计划署的数据库，中国的人均能量的供给由1990年的2562 千卡/人/天增长到2009年的3036 千卡/人/天，2009年中国人均能量供给比发展中国家人均能量供给高出8.3%，比世界平均水平高出7.2%。

图1 中国的人均GDP 与人均能量供给

但是，收入的增长和城镇化建设的扩张增加了人们对肉类等非主粮食品的需求，这些变化刺激了农业结构的突然转型［3］。人们饮食结构的变化也对我国的农业生产和粮食安全提出了新的更为严峻的挑战:(1)从国家安全层面上看，农业生产已难以满足广大人民日益增长的需求，进口粮食数量正在增长，大豆进口比10年前增长了4 倍，比20年前增长了470 倍;(2)从生态安全层面上看，传统农业需要向现代的绿色农业转型，我国需要在不破坏生态系统和人类健康的前提下满足人们的营养需求［4］;(3)从社会公平层面上看，农业劳动力对于GDP 总量的增长的贡献可以更好地消除贫困，世界银行2010年的报告指出:发展中国家农业人口GDP 的增长对于消除贫困的影响是非农业人口的2.9 倍［5］。如何在确保国家粮食安全的前提下，通过宏观调控和市场经济手段提高农业就业质量、改善农民收入，特别是贫苦地区农民的收入非常重要。

粮食供需作为国家的重大战略问题一直受到关注。朱希刚对中国粮食的供需平衡进行研究，并通过趋势外推等方法对2020年中国的粮食安全问题进行了分析［6］;陈百明通过外生的参数设定预测了我国2030年和2050年粮食生产能力和粮食需求情况［7］;周巧富等人设置了不同的情景，分析了气候变化对我国不同区域的粮食供需的影响情况［8］;黄季焜等人从中国经济增长的角度分析了不同增长方案下中国的粮食安全情况［9］。但是学术界关于粮食安全的研究缺乏基于模型的定量化研究，更没有将粮食安全置于整个工业化和城市化的整体系统背景下研究［10］。为了从模型仿真和系统论的角度分析不同情境下我国粮食安全的发展情况，为了更好地理解和分析上段所提到的三个挑战，判断和预测未来这三个挑战未来的发展情况，中国科学技术信息研究所与美国千年研究所在联合国环境规划署(UNEP)的资助下合作开发了中国可持续发展模型(T21-China)。该模型使用Vensim DSS 5.8 软件构建，模型包括了数千个函数表达式以及超过50 个存量变量和数千个反馈回路。模型具有以下特征:

(1)模型主要针对国家层面;

(2)模型集成了经济、社会和环境模块，并将它们建立了联系，相互影响;

(3)模型主要针对长期分析;

(4)模型由许多小模块组成，可根据需要进行补充和删减，具有很好的灵活性;

(5)模型的运行结果包括历史年份，其数据可以与历史数据进行比较，从而保证模型结果的准确性。

本文基于该模型对营养结构调整下的中国谷物供需进行研究，希望能为决策部门提供有益的政策建议。

二、模型结构

(一)模型考虑的关键因素

为了更好地展现分析思路，首先需要对中国的粮食供需的一些关键因素进行梳理:

(1)根据国家统计局的数据，中国在2008年的人均耕地面积仅为0.009 公顷，并且耕地的数量随着工业城镇化和生态建设的要求还在不断减少，人口却在不断地上升。在研究中，需要通过模型展现出这种变化趋势。

(2)决定农产品单位产量的关键资源是水、农业投资、化肥的使用等，这些资源都处于动态的变化中，例如工业用水和城市居民用水会导致农业用水的减少，国家总投资的减少会导致农业投资的减少，化肥的过度使用和土地的过度开发会导致土壤肥力下降等。在研究中，同样需要用模型展现出这种变化趋势。同时将这几种因素合理地结合起来。

(3)决定农产品消耗的关键因素是人口数量以及收入情况，通过对比分析世界粮食计划署的数据库中的国别数据，收入越高的国家，其总能量摄入，特别是来自肉食性能量的摄入都远远高于低收入国家，但肉类的消费需要消耗更多的粮食和水。中国正处于营养结构的转型期，如何合理地引导居民的膳食结构改变，如何准确地把握粮食的供需平衡，需要用模型计算出粮食的生产和需求。

(二)模型包含的基本模块

从上节的分析可以看到，研究中需要考虑的关键因素涉及到社会、经济、环境的各个方面，还包括这些方面之间的相互联系，为了反映出这种关系，中国可持续发展模型包含社会、经济、环境这三大方面，涉及众多部门间的相互联系。图2 展示了模型包含的各个部分，当点击其中的任一部分时，将会得到更为细致的模型结构。例如，如果点击土地模块，然后点击建设用地，就可以看到模型在该部分的具体结构(图3)。

图2 T21 模型主要子模块示意图

如图3 所示，建设用地包括了居民和工业用地、公路铁路用地、以及水利建设用地，这些用地的变化都会影响到农业用地。模型的其余部分也可通过这种方式一一展示。

图3 建设用地模块

表1 展示了模型包含的所有模块。鉴于篇幅，本文无法对所有模块一一进行详细介绍，基于本模型前期版本的一些研究资料可以作为参考［11-15］。本文重点介绍营养结构的变化带来的谷物供需安全问题。

表1 模型的主要模块

(三)模型的主要反馈回路

1.耕地

耕地是保证农业生产最基本的自然资源之一。中国处于工业化和城镇化建设的高速发展期，工业化和城镇化建设对耕地的挤占是一大挑战，而退耕还林等生态文明建设也减少了部分耕地，图4 展示了4 条涉及到耕地的反馈回路中的一条。

图4 主要反馈回路:耕地

如图4 所示:耕地的面积决定了农业的产量，农业产量与价格一起决定了农业GDP，从而影响了总的GDP 以及人均GDP，世界卫生组织的报告显示:人均GDP 与期望寿命之间的关系是非常显著的［16］，经典的普雷斯顿曲线也反映了收入与期望寿命的显著关系。通过期望寿命与生命周期表(life table)的结合，可以得到不同年龄男性和女性的死亡率，从而计算出总人口。人口的数量决定了居住用地的需求，而这种需求又会对耕地的数量产生影响。

2.产量

模型采用科布-道格拉斯函数对农业产量进行计算，传统的柯布-道格拉斯函数的表达式为:Y =A* K^α* L^(1-α)，其中A 代表全要素生产率，K代表资本，L 代表劳动力(在T21-China 模型中，我们用农业用地代替了原函数的劳动力)，常数α 代表资本对产出影响的弹性系数，农业用地对产出影响的弹性系数为1-α。在实际应用中，考虑到单位问题，资本和劳动力并不能直接输入到公式进行计算，需要进行单位归一化，我们采用Sterman的方法，将A(资本)和L(农业用地)除以各自的初始值从而将单位统一［17］。模型中的相关方程如下:

全要素生产率=教育对于生产率的影响* 能源价格对于生产率的影响* 水资源对于生产率的影响* 劳动力供给* 技术进步对于生产率的影响［农业］* 健康对于生产率的影响

农业产量［谷物］=全要素生产率［谷物］*(农业资本/初始农业资本)(农业用地［谷物］

由于模型没有考虑到农产品需求对于农产品生产的影响，因此无法对产量进行短期的准确预测，模型在中长期的预测结果较为准确。图5 展示了5810 条涉及到产量的反馈回路中的两条。

图5 主要反馈回路:产量

如图5 所示:产量影响了农业石油需求，从而对总的石油需求产生影响。由于中国已经成为石油进口大国，石油需求的上升会导致石油进口的增加，石油进口份额如果过多地受制于国际油价，一方面会消耗我国的外汇储备从而减少总投资和农业投资，从而影响粮食产量。另一方面会对我国的工业生产造成影响，总的用水需求也会随之变化，水资源的压力又会影响到产量。

3.需求

农产品的需求同样是模型需要考虑的重要因素。由于研究假设农产品的需求不对农产品的生产产生影响，因此模型没有形成相关的回路，图6展示了谷物的需求流图:

图6 谷物需求流图

三、模型运行结果

(一)人口

模型的基准情景假定中国在2030年以前还将继续实行计划生育政策。如图7 所示:中国在2030年的总人口将达到14.2399 亿。图7 中的一条线是中国统计局公布的数字，另一条线是模型在基准情景下的模拟数字。

图7 中国的总人口

人口的年龄结构同样在模型中得以展现，图8展示了中国2005年的人口年龄构成情况，下方色条为人口统计年鉴的数据，上方色条为模型模拟数据，中间的数字代表年龄，底部的数字代表人口数量(左侧为男性，右侧为女性)。从图8 可以看出，我国还处于人口红利期，人口结构较为年轻，劳动力供给充足。

图8 中国2005年的人口金字塔

(二)土地

中国耕地资源数量在1999年后由于生态退耕等原因开始迅速减少，2005年的耕地面积1.22 亿公顷与1996年的1.30 亿公顷相比净减少了6.2%。十五期间全国生态退耕累计0.537 亿公顷，占耕地减少总数的87%。其中2002年和2003年中国生态退耕面积达到了0.142 亿公顷和0.224 亿公顷，分别占耕地减少总数的84% 和88%。模型结果显示:中国的耕地面积在未来还将持续面临严峻的挑战，但这一时间段的耕地下降趋势较为平缓，主要是由于城镇化和基础设施建设用地增加所引起。图9 和图10 的结果显示:随着城镇化建设和基础设施建设的稳步推进，建设用地在未来的一段时间内还会持续增长，随之而来的是耕地面积的进一步减少。因此，在推进城镇化建设和基础设施建设的同时，需要平衡多方面的关系，努力提高综合发展水平，实现新型城镇化和农业发展的良好融合和协调发展。

图9 建设用地面积

图10 耕地面积

(三)谷物产量和农业用水

图11 展示了在基准情景下的谷物产量变化，2000年－2003年期间，由于耕地面积的减少和谷物占农作物总播种面积比例的下降，谷物的产量出现了下降，但随着国家对耕地政策的日益完善和谷物播种面积比例的上升，情况有所好转。在未来一段时间内，随着耕地面积的日趋稳定、农业生产技术的不断提高、和饲料用谷物的旺盛需求(特别是玉米)，谷物的产量将会稳定在5 亿吨左右。

图11 谷物产量

灌溉在建立中国高产的农业经济体制中非常重要［18］:我国灌溉耕地的比例从1952年的18%增加到2007年的50%。但是家庭和工业用水需求的增加是灌溉农业的一个严重制约因素，水资源稀缺被看做中国未来粮食安全和人民福祉的一个重大挑战，特别是在北方尤其如此。图12 展示了农业用水的变化情况，从代表历史数据的曲线来看，农业用水和谷物产量在2003年都降入了低谷，这说明农业用水与产量确实存在某种关系。但是，在调试模型的过程中发现:缺水对农业的影响在模型中的影响并不显著，这有可能会导致在模型在计算未来谷物的产量时结果偏大。

(四)谷物需求

图12 农业用水

图13 谷物需求

我国人均直接粮食消费(口粮)，以1984年的243kg 为转折点，出现了由不断增加转向缓慢减少的变化，到2005年人均直接粮食消费只有158kg。这种变化，是从传统食物结构向现代食物结构转变的基础和起点［19］。图13 展示了谷物需求情况，从结果中可以发现:谷物的总需求在2000年-2003年期间有所下降，这是因为随着人民生活水平的提高，饮食结构发生改变，用于口粮的谷物不断减少，由谷物提供的能量越来越多地被动物性食品的能量代替。在未来的一段时间，用于口粮的谷物还将缓缓下降，而用于饲料的谷物将持续增高。总的谷物需求随着中国人口峰值在2030年到来后稍有减少，但始终保持在5.7 亿吨-5.8 亿吨的范围。OECD 和FAO 在2013年-2022年农业展望报告中指出:中国将更加依赖粮食进口，到2022年，有3000 万吨小麦将被用来制作饲料，有1.76 亿吨玉米将被用来制作饲料，以玉米为主的饲粮进口量将达到1320 万吨［20］。USDA 的预测也反映了相同的趋势，到2020年中国用于饲料的玉米将达到1.72 亿吨，其中1810 万吨吨依靠进口［21］。本文的模型也展示出了相同的趋势，到2020年，中国用于饲料的谷物将达到2.74 亿吨，并且在未来很长一段时间内，中国对饲料谷物的需求还将增长。

图14 的谷物平衡表展示了中国谷物生产和谷物需求的差值，从图中的曲线变化来看，中国的谷物在2030年人口高峰期之前还将需要进口，谷物生产和谷物需求的差值在2024年左右达到最大，供需两端的差值将达到2391 万吨。产需自给率达到95%，此后，由于人口的减少和科技进步带来的亩产上升，中国的谷物将会保持平衡，并且逐渐满足需求。

图14 谷物平衡表

这是一个比较乐观的数字，因为模型中设定了农业科技水平会持续提升未来谷物的产量，但全国粮食生产发展规划(2006-2020年)指出:粮食科技进步缓慢，超级稻等增产科技尚未大面积推广，高产栽培技术推广力度弱［22］。因此，在稳定种植面积的同时，应继续努力通过农业科技创新提高谷物产量。

四、情景分析

考虑到未来的不确定性，例如技术的进步和气候的变化;考虑到模型对决策的支撑，例如计划生育政策和农业发展政策。中国可持续发展模型并不仅仅限于对基准情景进行模拟分析，模型可以提供多种多样的情景分析来预测未来可能出现的不同情景。

本文通过对未来中国社会、经济、环境中一些政策变量的改变假设出了三种情景进行对比分析(表2)。

表2 三种情景的比较

(1)人口政策方面:悲观情境下2020年-2050年期间允许所有的夫妇生育两个孩子。这样政策将会导致总和生育率的提高，引起人口金字塔和人口总数的改变。基准情景和乐观情景下计划生育政策保持不变。

(2)饮食结构方面:2050年时中国人均营养提供达到3800 千卡/人/天(参考世界粮食计划署数据库中美国2000年的水平)，基准情景下为3300千卡/人/天［23］(参考中国现代化报告2012)。这样的改变将会导致人们消费更多的谷物口粮和肉类。肉类的消费上升导致饲料谷物的需求上升。乐观情境下中国的人均营养提供变化不大，在2050年为3100 千卡/人/天。

(3)住房面积方面，绿色情境下的人均住房面积更小，更小的住房面积减少了建设用地的面积，从而使得耕地面积较大。

(4)肉类进口方面，由于中国未来对动物性营养的摄入不断增大，如果完全在国内种植饲料作物，需要占用大量耕地，因此未来需要适当放宽对肉类进口的准入机制。模型通过三种情景的设定，比较了肉类进口政策改变后中国谷物供需的变化。

(5)石油价格方面，由于现代农业不管是农药的生产还是农用机械的使用，都越来越依赖石油，石油价格的变化会直接影响到农业生产的成本，模型也对石油价格未来的几种情景进行了对比分析。

(6)农业技术方面，如文章第二部分所述，农业技术的进步会影响到全要素生产率，模型通过设定未来对农业技术投资的不同情境，来比较这种变化下的中国谷物供需。

图15 展示了三种情景下中国总人口的变化情况，基准情景和绿色情景中的人口在2030年左右达到高峰后逐渐下降，而X 情景中的人口则持续上升，在2050年时达到1.44 亿人，比基准情景下2050年的人口多出1000 万人。图16 展示出计划生育政策的改变对于人口年龄结构的影响(一条线为x 情景下的人口结构，另一条线为基准情景下的人口结构)。

图15 两种情景下的总人口

与前面的分析类似，在灰色情景中，受制于人口的增长，耕地面积不断减少，谷物的产量也有所降低，如图16 所示。

图17 展示了两种情景下谷物供需的差值变化，在灰色情景下，谷物供给端与需求端的差额迅速地增大，在差额最大的2035年，差额达到了9186 万吨，当年的谷物自给率仅为85%，这种情景下的国家的粮食安全存在着重大隐患。而绿色和基准情境下的谷物供需情况较为良性健康，谷物自给率保持在95%以上。

五、政策建议

(一)人口政策需要慎重考虑，未来需要加强农业科技投入和科技成果转化

人口数量是决定粮食需求的关键因素，模型的基准情景结果显示(图14):我国谷物的供需面前处于紧平衡状态，在2035年以前都将处于供小于求的状态，但谷物自给率稳定在在95%以上。情景模拟的结果表明(图16):放开计划生育政策对谷物供需的影响是显著的，任何有关人口的政策实施都必须特别谨慎，农业技术的进步、国际油价的变化和居民生活方式的改变也会对谷物的供需产生影响。

图16 两种情景下的谷物产量

图17 两种情景下的谷物平衡表

(二)在谷物生产端，要坚持面积稳定、绿色发展、耗损降低

模型的结果显示(图10):我国耕地面临的问题依然严峻，建筑用地随着基础设施建设和人民生活水平的提高在不断增加，势必会对我国的耕地面积带来严峻挑战。在能源紧缺、生态环保的国际大环境下，要求我国必须积极发展绿色农业，在确保安全健康环保的前提下，实现农业和工业化建设的协调发展。农产品在收割、运输、储存、加工过程中的损失也需要通过设备技术的提高予以改善。考虑到中国肉类消费在未来的快速增长，在有限的耕地条件下，我们一方面要考虑进口更多的肉类以控制畜牧业生产引起的环境问题，限制饲料需求的增长;另一方面我们需要控制粗粮的面积，进口更多的饲料粮以满足日益增长的需求，限制粗粮的面积增长还可以为更高价值的蔬菜和水果作物提供更加稳定的耕地面积。

(三)在谷物消费端，要坚持合理膳食、减少浪费

我国居民的膳食结构正随着收入的增长产生变化，总能量中来自动物产品的比例越来越高，肉食性营养比重的提高会带来饲料用量的大幅增加，给谷物的供需平衡造成较大压力(图13)。因此，在满足人们营养需求的同时，从国家粮食安全的角度考虑，需要对居民的饮食进行合理引导，形成良好的膳食结构。同时，粮食浪费现象需要引起足够重视。

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