湖北省农户家庭耕地经营规模情景分析——基于系统动力学原理的实证研究

王嫚嫚，刘颖，2*，陈实

（1.华中农业大学经济管理学院，湖北 武汉 430070；2.主要粮食作物湖北省协同创新中心，湖北 荆州 434025）

湖北省农户家庭耕地经营规模情景分析
——基于系统动力学原理的实证研究

王嫚嫚1，刘颖1，2*，陈实1

（1.华中农业大学经济管理学院，湖北 武汉 430070；2.主要粮食作物湖北省协同创新中心，湖北 荆州 434025）

本文利用系统动力学原理，对家庭耕地经营规模进行了建模和仿真分析。通过分析粮食供求、人口状况、耕地面积和政策调节因素的因果反馈关系，构建湖北省家庭耕地经营规模系统动力学模型并进行仿真模拟。研究结果表明：1）系统对湖北省进行的初始预测表明，未来省内能够完全满足粮食自给自足，家庭经营面积也不断扩大，逐步实现规模经营；2）人口政策的开放短期内对湖北省粮食安全不会产生威胁。提高耕地安全基线，加大单位面积耕地资金投入和提高粮食种植比例都能够对粮食产量进行一定调节；3）上调耕地安全基线，在一定程度上能够快速调节粮食供给，保障粮食安全，但这种形式的调节不利于农业的可持续发展；4）人口自然增长率上升，农村人口总量增加，会减慢家庭耕地经营规模的扩大，城镇化是实现规模经营的关键。

系统动力学；仿真；农户耕地；经营规模；粮食安全；湖北省

王嫚嫚， 刘颖，陈实. 湖北省农户家庭耕地经营规模情景分析——基于系统动力学原理的实证研究［J］. 农业现代化研究，2016， 37（5）: 848-855.

Wang M M， Liu Y， Chen S. Simulation of the operation scale of household farmland in Hubei Province: An empirical study based on system dynamics［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 848-855.

规模经营作为解决农业发展，粮食需求，农民增收的途径之一，一直以来备受关注［1］。1987年，适度规模经营第一次出现在中央5号文件中，之后接连出现在若干重要中央文件中。2013年中央一号文件中提出了“坚持依法自愿有偿原则，引导农村土地承包经营权有序流转，鼓励和支持承包土地向专业大户、家庭农场、农民合作社流转，发展多种形式的适度规模经营”。规模经营的发展是顺应我国农业发展阶段诞生的，是城镇化和工业化的必然结果。

学术界围绕规模经营进行了大量研究，主要集中在规模与效率之间的关系［2-4］，规模经营适宜度的研究［5-8］，以及农户规模经营的选择和驱动力分析［9］等几个方面。尽管学者们通过不同的测算来证明是否存在规模效率，但规模经营已成为必然选择［10-11］。并且研究发现不同的评价标准和经营目标会测算出不同的适度经营规模［12-13］，即农业经营规模在理论上缺乏清楚界限［14］，这也说明很难用有普适性的数值对最优土地经营规模做出界定。

已有研究大多从农户生产经营的微观角度出发测算出可能适度经营区间［13］。但耕地经营还会涉及到许多较难把握的规律和内在关系，系统动力学是复杂系统研究的有效手段。马永欢和牛文元［15］利用系统动力学原理，对我国粮食需求和耕地配置状况进行仿真模拟，结果表明我国粮食总需求量呈刚性增长，耕地供给处于紧平衡状态。赵黎明和王忠［16］则从供给、库存、需求三个方面建立了粮食安全预警系统。王海燕等［17］建立了粮食预测和政策仿真模型，认为只要保证农业基础设施和科技研究投入，宏观政策的有效实施，我国可以长期实现95%粮食自给率的目标。然而，以农户家庭耕地经营规模为主体的系统动力学文献目前较少。系统动力学将耕地经营规模的动态性加以考虑，反映了各个变量之间的动态关系和相互作用，模拟和分析相应政策的实施效果，具有一定的现实意义。

文章选择湖北省作为研究区域，对湖北省家庭经营面积进行了模拟和仿真，研究在各个子系统相互制约下家庭耕地经营面积的变化状况，旨在提出以粮食安全为前提的耕地规模经营措施，是国家粮食安全和农业现代化发展的重要内容。

1　研究区域概况

湖北省是农业大省，也是人口大省，目前人均耕地面积约0.082 1 hm2，2013年农村居民人均可支配收入为9 691.80元，城市人均可支配收入是其2.34倍。为提高农户收入，缩小城乡收入差距，促进农业发展，实现耕地规模经营是关键。湖北省耕地面积演变则是未来耕地经营规模预测的基础。

根据中国国土资源年鉴以及第二次土地调查部分数据，2001年至2013年湖北省耕地面积增减逐渐持平，总量趋于稳定。2001年年初湖北省耕地总面积为492.16万hm2，持续下降至2013年年初的462.27万hm2，2004年之后，耕地总面积下降趋势减缓，这与近年来耕地保护政策密切相关。各年耕地面积具体变化中，年内耕地减少面积几乎全部大于年内耕地增加面积，但两者之间的差距自2004年起明显缩小，直至2007年基本持平。除去2005年，年内耕地增加面积总体处于缓慢上升趋势，年内耕地减少面积在2003年上升至最大，之后则快速下降并趋于平缓。这些变化充分展示2001-2013年湖北省耕地变更状况，为今后的耕地利用及耕地保护政策制定提供依据。

2　研究方法

2.1系统动力学模型构建思路

粮食安全是现代农业的前提，规模经营是实现农业现代化的必经之路，在实行规模化经营的同时必须强调粮食安全。耕地供需是影响农户规模经营的重要方面，农户耕地规模主要受耕地总面积和人口总量的影响。粮食安全则与粮食供求量有关，粮食供求由人口量、人均粮食需求量以及单位面积产量和种植面积决定。本文将系统划分为三个子系统：1）粮食安全子系统，主要通过粮食需求量、粮食作物年产量、自给率等评价指标来衡量，将生产和消费之间联系起来。2）人口子系统，人口结构和数量的变化，对粮食需求总量、居住面积需求及农业人口数量都会产生影响。同时也影响建设用地以及建设用地占用耕地情况。3）耕地面积子系统，耕地面积变化主要有两方面，耕地面积增加和耕地面积减少。在影响粮食种植面积的同时，也受人口结构变化而引起的建设用地面积变化的影响。总之，三个系统之间相互影响相互制约，反映着任意一个量的变化对家庭经营规模的影响。

2.2系统动力学模型结构分析

2.2.1粮食安全子系统 粮食安全涉及到粮食的生产和消费。粮食生产受粮食单产和粮食播种面积的直接影响，粮食播种面积是由粮食播种比例、复种指数和耕地面积共同决定的。根据生产函数，粮食单产主要受技术条件、劳动力供给以及资本投入的影响，这些都是从农户的行为角度分析的，但是农户是经济人，能够在已有的条件下做出最适合的选择，本文从外生变量的角度出发，根据以往国家对单位耕地的资金投入与粮食单产之间的关系确定单位面积的粮食产量，简化了粮食生产系统。这与吕德宏等［18］、吴沛良［19］认为的农业资金投入对提高粮食生产显著作用的观点一致。粮食安全强调的是我国粮食供求能否平衡，通过粮食自给率来衡量。

近些年来粮食需求结构在不断的改变，对粮食需求量也提出了新的要求。根据粮食安全子系统因果关系图，有以下几个因果反馈（图1）：1）粮食自给率→耕地调整因子→耕地面积→粮食播种面积→粮食作物年产量。这条负向关系反馈图说明了粮食安全需要耕地适量供给作为保障，当粮食自给率下降时，通过政策手段保护耕地，提高粮食自给率。2）粮食自给率→耕地调整因子→耕地面积→单位耕地支持资金→粮食作物单产→粮食作物年产量。这是一条正向关系反馈图。耕地面积上升，单位面积耕地的支持资金减少，粮食作物年产量增加量也随之减少。耕地面积对粮食播种面积和粮食单产的作用正好相反，也即是在系统内变量是相互制衡的。3）粮食自给率→财政支农比例→财政支农资金→单位耕地支持资金→粮食作物单产→粮食作物年产量。这条负向关系反馈图表明当粮食自给率下降时，可以通过调节财政支农资金刺激农业，促进粮食生产。

图1　粮食安全子系统因果关系图Fig. 1　Causality of grain security subsystem

2.2.2人口子系统 我国是一个人口基数大，人口规模和人口结构在不断改变的国家。与人口规模相关的直接变量是人口出生率和人口死亡率，根据我国国情，我国人口变化率主要受生育政策、医疗条件、生活水平、生活环境等因素的影响。资源缺乏、环境污染等负面环境因素会带来出生率下降和死亡率上升，但医疗技术的进步会减少甚至消除这种现象，相互之间能够达到均衡［20］。生育政策是外生变量，相机抉择人口政策对粮食安全有着重要的意义［21］。本文只选择了计划生育政策作为唯一一个影响因素，因为生育政策是外生变量，是由国家根据人口总量及结构决定的，不受系统制约，并且能够在短期内调节。比如我国计划生育政策落实后，湖北省人口出生率从1990年的2.16%下降至2003年的0.826%，降低人口总量的增长速度，使粮食需求量得到缓解。关于人口结构，影响城乡人口比例的主要因素是城镇化率，城镇化率上升，人口结构变化，这种变化会对农村家庭经营面积以及新增建设用地面积等产生影响，调节整个系统（图2）。

图2　人口子系统因果关系图Fig. 2　Causality of population subsystem

2.2.3耕地面积子系统 耕地是粮食生产的主要载体，其质量及面积会对粮食生产产生直接影响。农户家庭经营规模主要通过家庭耕地面积来表达，本文从粮食安全的视角，研究其他各个变量变化对未来家庭耕地面积的影响。

未来耕地面积的变化状况将会直接影响到家庭经营规模，决定耕地面积的主要因素是耕地增加面积和耕地减小面积。耕地增加的主要方式包括耕地复垦、耕地开发以及农业结构调整，系统中将耕地增加系数统一称为耕地调整因子，对耕地增加面积具有正向作用。影响耕地增加面积的另外两个因素是粮食自给率和耕地安全基线。耕地面积减少的因素有建设占用耕地、农业结构调整、退耕还林以及环境灾害等。后三者根据近几年的平均变化率赋值，建设占用耕地是通过人均新增建设用地计算得来。

2.3系统动力学模型建立

系统动力学模型建立的基础是系统动力学流图。根据以上结构分析，将三个子系统进行合并和扩展，构建出如图3所示的基于粮食安全系统下的家庭经营规模系统动力学流图。

模型的建立需要设定相关变量的初值及动态仿真运行的参数。模型中的数据均来源于中国国土资源年鉴、中华人民共和国国家统计局。对于参数的处理方法包括趋势外推法，统计回归，相应的表函数，逻辑函数，平均值法等。按照所属的子系统进行分类，模型中的主要方程如下：

1）人口子系统中，涉及到的变量比较少，通过各变量之间的函数关系，最终计算出变量农村家庭个数。其中人口和城镇化率是水平变量，由初始值和速率变量决定。主要包含的方程有：

图3　家庭耕地经营规模系统动力学流图Fig. 3　System dynamic flow of household farmland operation scales

式中：P表示人口，PB代表出生人口，PD代表死亡人口，IP代表初始人口，VCR代表城镇化率变化量，ICR代表初始城镇化率，CR代表城镇化率，RP代表农村常住人口，RH代表农村家庭个数，AR代表平均农业家庭人数。

2）粮食安全子系统，这个系统的核心变量是粮食自给率，相关变量方程如下：

各变量的概念和具体内容为：PGD为人均粮食需求量，IPGD为人均粮食需求量增长量，PGDI为初始人均粮食需求量，GD为粮食需求量，GYPU为粮食作物单产，SFUC为单位耕地支持资金，FCP为粮食作物年产量，GA为粮食播种面积，RFPA为粮地比例，MCI为复种指数，RFS为粮食自给率。其中GYPU没有采用最常用的柯布道格拉斯生产函数，而是运用统计回归，分析了GYPU和SPUC之间的关系［18-19］，回归结果中系数和截距均显著，R2值为0.78，通过F检验。

3）耕地面积子系统中，耕地面积由初始值和耕地增减面积决定，函数表达式为：CL=INTEG（ICL-DCL，4622720）。其中ICL是逻辑函数表达的，将耕地面积和耕地安全基线进行比较，根据不同情形调节相应的耕地保护政策，具体表达式为：IF THEN ELSE（CL＞=CLS，CL×CLA，（CLA-CL） ×RFS）。

另一个速率变量DCL，涉及到的关系式包括：DCL=CLC+（SAA+RCF+CLD）×CL，

CLC=NCL×CLNCL，NCL=PCLR×RP+PCLC×CR× RP/（1-CR），其中SAA，RCF，CLD根据2001年至2013年的耕地变更状况计算其均值，取作常量。CLNCL则根据湖北省土地利用总体规划（2006-2020年），取作0.625。

各变量具体涵义为：CL耕地面积，ICL耕地增加面积，DCL耕地减少面积，CLS耕地安全基线，CLA耕地调整因子，CLC建设用地占用耕地面积，SAA农业结构调整耕地减少率，RCF生态退耕减少率，CLD耕地灾毁减少率，NCL新增建设用地，CLNCL新增建设用地中建设用地占用耕地比例，PCLR农村人均新增建设用地，PCLC城市人均新增建设用地。

3　湖北省家庭经营面积情景分析

3.1政策不变条件下家庭耕地情景仿真

假设未来相关政策和目前的政策一致，整个系统以现有的趋势运行。即人口自然增长率、耕地的增加系数和减少系数均处于近年的平均水平之上，城镇化率按照已有趋势变化，其他变量也保持在现有水平。

根据仿真结果（图4），2030年湖北省的粮食总产量会上升到2 825.02万t，结合湖北省目前的自然人口增长率0.347%，以及全国人均粮食消费的增长情况，湖北省在未来的粮食自给率超过100%，即湖北省未来在粮食供求上能够完全满足自给自足，并有结余。湖北省的耕地总面积由2013年的462.27万hm2下降到2030年的460.92万hm2，后期耕地面积变化比较平稳，这与湖北省对耕地保护的重视程度以及政策的落实程度不可分离，在系统中表现为耕地面积调整因子灵敏程度高，能够及时的对耕地进行补充。农村家庭数由2013年的697.11万户下降至2030年的194.94万户，农村家庭平均耕地面积由2013年的0.663 hm2/户上升至2030年的2.364 hm2/户，这对于农村家庭耕地面积来说是一个较大的增长。未来家庭耕地面积规模扩大是一个必然趋势。

图4　政策不变条件下家庭耕地面积情景仿真Fig. 4　Simulations of household farmland scales under the same policy

3.2放宽计划生育政策的家庭耕地面积情景仿真

根据国家的最新生育政策，我国已全面放开二胎政策，人口自然增长率会发生改变。文中做了两个估计，一个是假设湖北省人口自然增长率上升为2001-2014年的全国平均水平0.005 45（生育政策改变1），这个估计相对保守。另一个是假设人口自然增长率上升至1990-2000年的湖北省平均水平0.009 62（生育政策改变2），这个时期计划生育政策良好实施，人口自然增长率稳步下降，可与现行生育政策形成对比。根据预测结果，湖北省人口2030年分别达到6 360.35万人和6 823.99万人，此时，湖北省粮食自给率和平均家庭耕地面积均发生改变。

如图5所示，粮食自给率在不同的人口自然增长率下变化差异较大。当人口自然增长率为0.009 62时，2030年粮食自给率下降到0.948。人口自然增长率为0.005 45时，各年粮食自给率仍均大于1。显然，人口问题会对粮食安全造成一定影响，但如若人口增长适度，湖北省未来仍能处于95%的粮食自给率安全目标内。

图5　不同政策背景下粮食自给率情景仿真Fig. 5　Simulations of grain self-sufficiency rates under different policies

此时，湖北省的耕地总面积总体上依旧没有大的变化，这是耕地安全基线政策的结果。在保持耕地面积不低于安全基线463.13万hm2前提下，家庭耕地面积整体快速上升，但人口自然增长率较高时，家庭耕地面积整体下降（图6）。和初始预测相比，2030年家庭耕地面积分别下降到2.286 hm2/户、2.130 hm2/户。开放生育政策对家庭规模经营具有明显的负面影响，虽然短期内不会有粮食安全问题，但应密切关注，及时的调整农业政策，在保证粮食安全的前提下，家庭规模经营才有意义。

影响粮食产量的因素有单位面积粮食产量和粮食播种面积，因此要从这两个方面入手。一方面可以通过提高财政支农资金，即提高财政支农比例，加大对农业的投入。另一方面，提高粮食播种比例，即通过扶持政策，调整湖北省农业种植结构。根据模拟结果，当种粮比例从目前平均水平0.53上升到0.55时，即使人口自然增长率有较大幅度上升，湖北省的粮食自给率也能高于100%。

图6　不同政策背景下家庭耕地面积情景仿真Fig. 6　Simulations of household farmland under different policies

3.3不同耕地安全基线水平下家庭耕地面积变化

增加耕地面积是最直接的保障粮食安全的政策。但是这一政策会对单位面积粮食产量带来一定的负面影响。因为耕地面积增加的同时，会减少单位耕地支持资金，致使单位面积粮食产量相应减少。同时，湖北省耕地后备资源有限，耕地资源质量不高，通过增加耕地面积来扩大家庭耕地面积并非长久之计。

如图7所示，是将耕地安全基线分别向下调和向上调到416.82万hm2、509.45万hm2时的粮食自给率。伴随着小幅度人口自然增长率上升，当耕地安全基线上调，仍然能够保证粮食自给率在100%以上，当下调耕地安全基线，粮食自给率2023年之前都是保持在100%以上，2021年到2030年则逐渐下降到98%。

图7　不同耕地安全基线下粮食自给率情景仿真Fig. 7　Simulations of grain self-sufficiency rates with different cultivated land security baselines

在其他变量保持不变的条件下，家庭耕地面积的变化受耕地总面积的影响，耕地总面积在耕地调整因子和粮食自给率的作用下，总是能保持在耕地安全基线左右。因而，家庭耕地面积最终随耕地安全基线的变化而变化，耕地安全基线下降时，家庭耕地面积也随之下降。模拟中将耕地安全基线在现有的基础上分别上调和下调10%，到2030年，湖北省的家庭耕地面积分别为2.602 hm2/户和2.198 hm2/户（图8）。显然，不同耕地安全基线下，家庭耕地经营面积有一定差异，且在目前的耕地安全基线下，即使未来人口自然增长率有一定程度的上升，湖北省短期内仍然能够完全做到粮食自给自足，保证省内粮食供给。

图8　不同耕地安全基线下家庭耕地面积情景仿真Fig. 8　Simulations of household farmland with different cultivated land security baselines

3.4不同城镇化率下家庭耕地面积情景仿真

城镇化率是另外一个影响家庭耕地面积变化的关键因素。根据目前湖北省的城镇化率的平均变化情况，2030年湖北省的城镇化率将达到0.879 4，达到和超过部分先进国家水平，这是一种理想化的状况，只有城镇化进程按照目前的趋势很好的实施才能实现。如图9是不同城镇化率变化状态下的家庭耕地面积。

图9　不同城镇化率下家庭耕地面积情景仿真Fig. 9　Simulations of household farmland with different urbanization rates

假设在仿真的起始点上，城镇化率变化率从0.028 8下降到0.021 4，即城镇化率速度减慢，其他条件不变的情况下，到2030年城镇化率由初始条件下的0.882 7下降到0.781 1。从图9可以看出，城镇化率的微小变化，会引起家庭耕地面积的相对明显的变化，具体表现为2030年的平均家庭耕地面积从2.364 hm2/户下降到1.267 hm2/户。当城镇化率下降，农村常住人口减少变慢，即使建设用地占用耕地面积量增加明显，但是通过耕地调整因子，耕地的面积变化减小，因而农村常住家庭数是影响平均家庭耕地面积的主要因素。我国城镇化程度是影响我国农村耕地规模经营的主导因素，在保障我国粮食安全的同时，为了实现耕地的规模经营，必须保障城市化进程的正常有序进行。

4　结论

规模经营系统涉及到多个方面，是人口、粮食安全、耕地之间的非线性关系。本文通过对湖北省未来家庭耕地面积经营规模的分析，得到以下结论：首先在目前政策背景下，湖北省耕地未来能够充分保障粮食安全，并能逐步实现规模经营，走向农业现代化。其次，人口政策的开放带来的人口增长短期内不会对湖北省粮食安全产生威胁。提高耕地安全基线，加大单位面积耕地资金投入和提高粮食种植比例是调节粮食产量的有效措施。再次，耕地安全基线的上调，能够对粮食供给进行快速调节，加快家庭耕地规模经营步伐，但是这种形式的调节不利于农业的可持续发展。最后人口自然增长率上升，会减慢家庭耕地经营规模的扩大，城镇化是实现规模经营的关键，只有部分农户退出农业生产，将土地释放出来，合理的流转，才能实现土地的规模经营。

5　政策建议

在未来湖北省农业发展过程中，应从以下几个方面保障规模经营的顺利进行：第一，保持耕地安全基线不变。根据不同情景分析，维持目前耕地基线463.13万hm2，结合基础设施和科技投入，合理调整农业结构等农业政策，能够很好的保障粮食安全。第二，提高耕地质量。目前湖北省耕地能够完全保障省内粮食安全，在发展规模经营的同时，合理休耕，提高耕地生态价值，才能保证湖北省粮食安全以及农业可持续发展。第三，稳步推进城镇化。人口政策的完全开放，对人口年龄结构具有一定的调节作用，有利于粮食长期稳定生产。但城乡人口结构的调节是家庭耕地经营规模的关键，因此确保城镇化稳步有序的进行，是实现耕地规模经营以及农业现代化发展的关键。

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［22］ 徐建玲， 查婷俊. 基于城镇化视角的省域粮食安全研究——以江苏省为例［J］. 资源科学， 2014（11）: 2353-2360.

Xu J L， Cha T J. Provincial food security from the perspective of urbanization in Jiangsu Province［J］. Resources Science， 2014（11）: 2353-2360.

（责任编辑：王育花）

Simulation of the operation scale of household farmland in Hubei Province: An empirical study based on system dynamics

WANG Man-man1， LIU Ying1，2， CHEN Shi1
（1. College of Economics and Management， Huazhong Agricultural University， Wuhan， Hubei 430070， China；2. Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry， Jingzhou， Hubei 434025， China）

Based on the system dynamics theory and incorporating the grain supply and demand， population， and the causality relationship between the cultivated area for grain and the grain policy adjustment， this paper built a simulation model to analyze the household farmland management scales in Hubei Province. Results show that: 1） the initial projection for Hubei Province shows that Hubei can completely meet the grain self-sufficiency in the future，expand household farmland scales， and gradually realize the scale operations； 2） the open-door population policy will not impose any threats to grain security in the short run and improving cultivated land security baseline， increasing investment per unit of the arable land， and raising the grain planting proportion can help to adjust grain production； 3）although improving cultivated land security baseline has a better adjustment to the grain supply to a certain extent， this form of regulation is not sustainable for agricultural development in the long run； and 4） the rising of natural population growth rate will increase rural population and slow down the expansion of scale operation in grain production. Therefore， the urbanization is the key to the realization of scale operation for grain production in Hubei Province.

system dynamics； simulation； household farmland； scale of operation； grain security； Hubei Province

National Social Science Foundation of China （15BJY099）.

LIU Ying， E-mail: liuying@mail.hzau.edu.cn.

29 December， 2015；Accepted 17 May， 2016

F301

A

1000-0275（2016）05-0848-08

10.13872/j.1000-0275.2016.0083

国家社会科学基金项目（15BJY099）。

王嫚嫚（1990-），女，湖北宜昌人，博士研究生，研究方向为农业经济理论与政策，E-mail：W-mandy@webmail.hzau.edu.cn；通讯作者：刘颖（1971-），女，内蒙古包头人，教授，博士生导师，研究方向为农业经济政策与农产品贸易，E-mail：liuying@mail.hzau. edu.cn；陈实（1992-），男，湖北荆门人，博士研究生，研究方向为农业经济理论与政策，E-mail：chenshi6590@163.com。

2015-12-29，接受日期：2016-05-17