土地利用政策仿真模拟框架构建——基于两类模型的对比分析

重 多，许祖学，柴克清，黄 诚，郭华松

（西藏自治区国土资源规划开发研究院，西藏·拉萨 850000）

土地利用政策仿真模拟框架构建
——基于两类模型的对比分析

重 多，许祖学，柴克清，黄 诚，郭华松

（西藏自治区国土资源规划开发研究院，西藏·拉萨 850000）

土地政策是土地利用优化管理的重要手段。土地优化利用蕴含丰富的人类活动信息，可以通过改变生态系统类型及生态过程影响生态系统服务功能，进而影响人类福祉。本研究在界定土地利用政策模拟内涵的基础上，从复杂政策行为表现中厘清土地利用、生态系统服务功能和人类福祉之间的传动机制，分别构建基于系统动力学（system dynamics, SD）模型和可计算一般均衡（computable general equilibrium, CGE）模型框架，解析生态系统服务功能和人类福祉在不同土地利用优化政策下的变化问题，及其政策变化所带来的直接或间接影响。最后从研究尺度、数据依赖性和预测功能等方面系统对比两类模型在土地利用优化政策模拟中的优缺点和适用条件。研究成果可为土地利用政策制定和实施提供参考，降低土地利用相关政策制定存在的风险、降低损失。

土地利用优化；政策仿真模拟；生态系统服务功能；系统动力学(SD)模型；可计算一般均衡(CGE)模型

土地系统是地球陆地系统的重要组成部分[1]，土地利用活动在为人类提供物质产品和服务的同时，也使土地利用/覆被发生了深刻变化。学界针对LUCC的研究主要集中在厘清土地利用/覆被变化驱动机制、分析土地利用/覆被变化特点和预测模拟未来土地利用/覆被变化和空间布局方面[2]。近年来，土地利用变化通过影响生态系统服务功能进而影响人类福祉的作用机制成为当前学术界关注的热点问题。但将土地利用、生态系统服务功能与社会经济系统串联起来，从政策层面探讨通过优化土地利用来改善生态系统服务并促进社会经济发展的研究却鲜有深入报道。

近年来，由于快速城镇化发展忽视了耕地保护和生态保育，导致用地矛盾问题和生态环境问题越来越突出，出现了粮食短缺、环境污染、气候差异等一系列问题，土地利用与国民经济和社会发展的协调能力受到人为的削弱[3,4]。土地政策作为土地利用优化管理的重要手段，直接关系社会经济运行和人民福祉，因此有必要对土地政策实施效果进行仿真预估，根据土地利用变化影响生态系统服务功能并进而影响人类福祉的传导机制，科学构建土地利用政策仿真模拟框架，保障政策制定的科学性，降低政策风险。

1 土地利用优化政策模拟内涵

1.1 土地利用优化政策模拟的概念

政策模拟是指针对政策问题进行虚拟试验[5]，模拟多种政策环境下的单一政策作用，认识政策的有效性[6]，包括数学建模、计算机建模与模拟、算法研究、决策支持等[7]。土地利用优化政策通过其导向、调控和分配功能深刻影响人们的土地利用管理活动和土地利用方向[8]，是影响生态系统服务功能和改变人类福祉的最根本动因之一[9]，因此土地利用政策模拟以较低的成本对实施效果进行比较准确的预测和分析，可帮助决策者制定正确的方针政策，最大程度上减小政策实施的风险和成本，最终促进经济社会的健康长远发展[10]。综上所述，本研究将土地利用优化政策模拟定义为以优化土地利用为目的，以计算机技术为基础，通过数学建模，设定土地政策情景方案、模拟土地政策行为而进行的虚拟试验。

1.2 土地利用政策影响人类福祉机制分析

土地利用政策与人类福祉之间存在着不同形式的反馈关系。一方面，合理的土地政策会促进土地资源的合理利用，人类可从土地利用获取食物、药材等物质产品及美学、精神等文化产品，推动社会经济的发展、提升收入水平并加强生态系统保护，形成良性发展的生态环，促进人类福祉的提高；相反的，不合理的土地利用政策则会导致土地资源的低效利用，引起土地退化和生态环境破坏，降低土地产出，造成土地的过度利用，造成生态系统服务功能降低，进而影响生态系统服务供给和区域居民福祉，形成恶性循环[11]。另一方面，人类福祉的提高会加大对土地和生态系保护力度，同时也会增加对土地产出的需求，造成对土地资源的高强度利用，造成生态环境严重退化，最终需要通过制定一系列符合社会经济发展实际的政策促进可持续发展。

2 土地利用优化政策模拟框架

2.1 基于SD模型土地利用优化政策模拟机理

SD模型适用于对社会经济系统进行定性与定量相结合的研究[12]，经过长期发展，SD已日臻完善，相关学者也基于SD模型综合土地经济、土地管理、协整理论、系统论分析了土地宏观调控的科学性[13]。一般而言，通过SD模型开展政策仿真包括模型边界的确定、因果关系图的确定与分析、编写模型程序并进行调试、通过模拟实验得出相应结果、运用过程中完善模型等内容。

（1）SD模型土地利用政策优化的传导路径分析

土地政策—人类福祉耦合即土地利用优化系统是土地政策与人类福祉两个系统及其内部各构成要素相互作用、相互影响形成的非线性关系总和，主要研究土地政策系统和人类福祉系统之间相互作用的机理和反馈过程，通过调控经济社会参数实现经济效益、社会效益及环境效益最大化。土地利用优化系统主要包含政策、土地、资源、经济、环境等5个相互关系的子系统（图1）。

图1 基于SD的土地利用优化系统因果关系回路图Fig.1 SD-based land use optimization system causality circuit diagram

（2）SD模型土地利用政策传导系统的反馈复杂性分析

基于上述土地利用优化系统因果关系回路图，将政策、土地、资源、经济、环境等5个相互关系的子系统细化，政策子系统包括耕地保护政策、节约集约用地政策、土地复垦政策、退耕还林政策、退牧还草政策、基本农田保护政策、建设用地管理政策、农地流转政策等八类；土地类型包括耕地、林地、草地、建设用地等四类；生态系统服务主要体现供给、调节和文化功能[14]；人类福祉通过GDP、人口和收入体现，再适当增加一些辅助变量，建立土地利用政策传导系统反馈图（图2）。

上图中只包含一个政策调控因子的主导反馈环（调控因子的独立主导反馈环），同一类调控因子的所有主导反馈环所组成的系统称为该类调控因子的主导反馈子系统，这些主导反馈系统的性质及它们相互间的作用，决定了系统行为的性质及其变化与发展。

图2 基于SD的土地利用政策传导系统反馈图Fig.2 SD-based land use policy transmission system feedback diagram

2.2 基于CGE模型土地利用优化政策模拟机理

（1）CGE模拟基本框架

CGE模型是用于描述经济系统供求平衡关系的方程组，包括供给、需求和均衡3类。结合现有国内生产总值形式及投入产出表的统计与核算情况，可以从各种不同角度分析方程组，并确定基期均衡相关的参数估计，其一般结构如表1所示。

表1 CGE模型的基本结构Table1 Basic structure of the CGE model

CGE模型的标准数据结构是SAM表。SAM表是对一定时期内某国或某地区经济结构的全面描述，它在投入产出表的基础上增加了各类机构的信息，如居民、政府、世界其它地区的收支流，以能反映政策变动对经济整体的全面影响。CGE 模型体系主要包括生产、消费、价格、贸易和均衡5个模块：生产模块通过使用三种主要要素之间的CES复合和中间投入品的进口部分与国产部分的CES复合商品进行生产活动，生产一种用于内销或出口的商品或服务，部门必须在一定的技术条件下，按照既定成本利润最大化或者既定利润成本最小化的原则来进行生产决策；消费模块指的是消费者在其预算约束下，如何合理分配其资源或禀赋选择商品和服务实现效用最大化；价格模块是模型假设生产活动零利润和规模收益不变，意味着生产者价格只是投入价格的函数，模型假设销售零利润，意味着购买者价格是该商品的生产者价格、销售税和贸易与运输等费用之和；贸易模块指的是与国外的进出口贸易等活动，模型假设生产地处于价格接受者的地位，在该价格下，进口供给具有无限弹性，完全由国内需求和贸易平衡状况所确定，即采用小国假设，并且假设出口需求用固定价格弹性的向下倾斜曲线描述；均衡模块包括各个经济部门实现总供给等于总需求，资本市场实现总投资等于总储蓄、国内贸易收支均衡、国际贸易收支均衡、政府财政收支均衡。同时，模型闭合须满足以下条件：方程的个数等于内生变量的个数、在所有的价格变量中必须将一个变量处理为外生变量、同一个方程中不能全是外生变量。

（2）CGE模型土地利用政策仿真模型构建

为了优化土地利用管理，本研究在传统CGE模型框架内增添土地资源要素和土地主体信息，以土地资源为主要核算内容分析人类福祉在不同土地政策下的变化问题。CGE模型由生产系统、消费需求、对外贸易、自然资源和供求平衡关系5部分组成。

生产活动通过三层嵌套的函数来刻画。第一层为经济资本和土地资源的合成，采用常替代弹性（CES）生产函数；第二层包括两个内容，一是劳动与合成的经济资本—土地资源的合成，采用CES生产函数，二是中间投入的合成，采用列昂惕夫生产函数；第三层是总产出，劳动—经济资本—土地资源合成与中间投入合成采用CES生产函数。产品总调出和国内的供给采用常转换弹性（CET）函数表示，分为两层：一层是国内留用与总调出之间的替换关系，二是出口和国际调出的替换关系，其中有总调入和国内供给的替换关系。居民的效用在其预算约束的条件下，通过柯布—道格拉斯效用函数形式使效用最大化。消费受收入的约束，居民的效用函数采用柯布—道格拉斯消费函数。政府消费和投资需求按照固定支出份额的函数描述。

市场均衡与宏观闭合。模型中所有商品市场通过价格出清。各种投资支出的总和等于各种储蓄的总和。模型采用新古典闭合规则，即劳动力、经济资本和土地资源的供给均外生决定，要素的价格内生决定。汇率和国际价格差异为模型的价格因子，国外账户通过实际汇率的变动来实现均衡（图3）。

图3 区域CGE模型基本结构图示Fig.3 Basic structure of the regional CGE model

本研究设计包含土地资源的 SAM表共有12个子账户（表2），与传统的 SAM表的不同之处在于：在要素账户中将土地资源要素从“资本”账户中分离出来，以更好地分析经济活动对土地资源的影响；在主体账户中设立“土地”账户，反映了土地生态系统应该获得的收入来源和支出项目。“土地资源”账户是指土地生态系统提供的自然资源供给服务功能应该获得的收益，而这部分收益就成为“土地”主体账户的一个收入来源。“土地”账户的收入包括两部分：对土地利用优化而应该发生的居民、企业和政府对土地的投入支出（转移支付），土地生态系统提供的类似劳动力和经济资本等生产要素应该获得的报酬收入；“土地”账户的支出项目是指土地生态系统为持续提供进入生产活动中的产品等生态系统服务功能的价值而进行的储蓄。“土地”账户的储蓄就可以被认为是对土地生态系统进行补偿的一个参考数值。当相关变量（例如居民、企业和政府对土地的转移支付率）发生变化，将会引起土地状况的变化。上述模型中各个账户之间的关系如图4和表2所示。

图4 CGE模型中经济系统要素内在联系Fig.4 Internal relationships of economic system elements in CGE models

表2 社会核算矩阵Table2 Social accounting matrix

2.3 SD模型与CGE模型适用性对比

从原理上看，CGE模型以一般均衡理论为基础，明确定义了经济主体的生产函数和效用函数，从而反映多个部门、多个市场之间的相互依赖和相互作用的关系，揭示比宏观计量经济模型更为广泛的经济联系[15]。SD模型基于系统论、信息论和控制论思想，从系统内部的机制、微观结构入手，剖析系统进行建模，借助计算机模拟技术来分析研究系统内部结构与其动态行为的关系，并寻觅解决问题的对策[16]。两类模型具体适用性分析如表3。

表3 两类模型土地利用优化政策模拟对比分析Table3 Comparison and analysis of land use optimization policies in two models

综上所述， CGE模型具有完整的建模理论依据，建模难度相对较小，但是由于其理想化的前提假设和对数据的依赖性，使得政策预测的准确性下降。SD模型亦有一套完整的理论作为建模指导，但是需要对研究对象进行深入的分析和挖掘，构建出合理的模型，模型构建具有一定的难度，它们不是依据数学逻辑的推演而获得答案，而是依据对系统的实际观测信息建立动态的仿真模型，并通过计算机试验来获得对系统未来行为的描述[17]。

3 结论与讨论

本文首先对土地利用优化政策模拟的传导机制进行了分析，在此基础上分别搭建了基于SD模型和CGE模型土地利用优化政策模拟的框架。将SD模型下的土地利用优化系统分为政策、土地、资源、经济、环境等5个相互关系的子系统，政策由鼓励政策和限制政策组成；土地即各种土地利用类型；资源由物质资源和文化资源两部分构成；经济由人口、收入和GDP等构成；环境由土地退化、环境恶化两部分构成。分析从土地利用政策到人类福祉的传导路径，构建了16条反馈环。构建了由生产系统、消费需求、对外贸易、自然资源和供求平衡关系等5部分组成的土地利用CGE模型，在传统的CGE模型框架内增添土地资源要素和土地主体信息，以土地资源为主要核算内容分析人类福祉在不同土地政策下的变化问题。

SD模型和CGE模型均是政策模拟的有效工具，本文将二者应用于土地利用优化政策模拟，研究土地政策引起土地利用变化、土地利用变化影响生态系统服务功能、生态系统服务功能影响人类福祉的传导机制和政策模拟机理，探索出了一条从管理层面探讨通过优化土地利用来改善生态系统服务并促进社会经济发展的新思路。SD模型和CGE模型各有利弊，在政策模拟实践中，可根据需要选择合适的模型。

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Land use policy simulation modeling framework: A comparative analysis based on two models

CHONG Duo, XU Zu-Xue, CHAI Ke-Qing, HUANG Cheng, GUO Hua-Song
(Tibet Autonomous Region Planning and Development Institute of Land and Resources, Xizang Lasa 850000, China)

The land policy is an important meaning of land use optimization management.Optimizing land use contains abundant information on human activities，which can affect the ecosystem service function by changing the type of ecosystem and ecological process, and then affect the well-being of human beings.Based on the defnition of land use policy simulation, this paper analyzes the mechanism of land use, ecosystem services and human well-being from the complex behavior of policy behavior, and constructs the system dynamics based on system dynamics (SD) model and computable general equilibrium (CGE) model framework to analyze the changes of ecosystem service function and human welfare under different land use optimization policies and the direct or indirect impact of policy changes.Finally, the advantages and disadvantages of the two models are compared in terms of research scale, data dependency and forecasting function, and their application conditions in the land use optimization policy simulation are systematically compared.The research results can provide reference for the formulation and implementation of land use policy, reduce the risk of land use policy making and reduce the loss.

land use optimization; policy simulation; ecosystem services; system dynamics (SD) model; computable general equilibrium (CGE) model

F301.2

A

2095-1329(2017)03-0013-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.004

2017-06-14

修回日期: 2017-07-22

重多(1977-),女,学士,工程师,主要从事国土资源规划管理研究.

电子邮箱: 16259490@qq.com

联系电话: 18689110099

武汉市软科学项目“武汉市国土空间功能定位与优化利用研究”(2016040306010208)