耕地资源可持续发展的系统动力学仿真分析

2019-07-23张雪花滑永胜韩成吉

水土保持通报 2019年3期

张雪花，滑永胜，韩成吉，2

(1.天津工业大学环境经济研究所，天津 300387； 2.中国农业科学院农业经济与发展研究所，北京 100081)

耕地是人类生存发展的物质基础和条件，生态用地是维持生态平衡、满足人民群众对良好生态环境和美好生活的向往的重要保障。人口数量的增长和社会经济发展的需要导致耕地资源数量日益趋紧，而不合理的耕作方式是导致耕地退化的重要原因，在严重影响粮食有效供给的同时[1-2]，也给环境承载带来了巨大的压力。科学推进污染耕地轮作休耕制度，通过耕地与生态用地之间的转换，以生态修复促耕地休养，不仅对推动耕地资源永续利用、保障粮食安全具有重要战略意义，将耕地转换为生态用地也将惠及全民。

在保障耕地质量方面，国家层面做出了许多努力。为改善农用地土壤环境，管控农用地土壤污染风险，2018年6月，生态环境部制定了《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》，对农用地土壤污染风险筛选值和管制进行规定，其中包括农用地土壤中镉、汞、砷、铅和铬的风险管控。现有研究表明，在农用地受重金属污染中，耕地污染较为严重(耕地土壤点位超标率19.4%，土壤总超标率16.1%)[3]。其中，在农用地重金属污染修复中，植物重金属修复技术具有费用低、护表土和减少水土流失的作用，是最清洁的土壤重金属污染修复技术之一[4]。目前，可以用于植物重金属修复技术的植物有紫松国菊[5]、竹类植物[6]、紫花苜蓿[7]、刺儿菜[8]、桑树[9]、印度芥菜[10]、蜈蚣草[11]等，即当耕地受重金属污染时，可采用绿色植物种植的方式对其进行修复。

耕地作为一大社会生态复合系统存在于人们的生产生活中，将系统动力学方法运用在土地利用方面研究成果丰富，但尚存在一些不足。姜秋香等[12]运用系统动力学研究黑龙江省水土保障风险评价，但污溉风险没有纳入评价指标中；胡玉玺等[13]利用系统动力学研究湿地生态—经济—社会复合系统，但没有考虑湿地与耕地之间的可能转换；涂小松等[14]运用系统动力学研究江苏省土地资源优化配置与土壤质量调控，但并未将土壤重金属含量作为土壤质量的衡量指标；李梦娜等[15]在对土地整理项目效益后评价中，忽略了耕地与生态用地之间的转换带来的效益；胡宗楠等[16]在对土地利用结构多情景中得到，忽略生态用地可以促进耕地的保护；宋蕾等[17]在长寿区耕地资源变化的研究中，未考虑重金属引起耕地质量的变化；洪鸿加等[18]在耕地资源的优化配置研究中，未考虑土壤重金属含量对粮食安全的影响。可以看出系统动力学已经广泛应用于土地利用研究，但关于耕地与生态用地联合调配问题的研究较少。其次，系统动力学方法作为一种有效的仿真方法在农用地土壤重金植物修复方面的还未见报导。

本文拟以天津市为例，运用系统动力学方法构建耕地生态修复系统动力学仿真模型，探讨绿色发展策略、可持续发展策略、生态修复策略3种类型6种情景下的耕地、生态用地、粮食产量和土壤重金属含量等相关因素的变化趋势，以期通过模拟未来耕地、生态用地、粮食产量和土壤重金属含量发展情景，为粮食安全和耕地可持续利用综合决策提供参考依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

天津市地处华北平原北部、海河下游，东临渤海、北依燕山，地势呈北部高东南低，是环渤海经济中心，其位于38°34′—40°15′N，116°43′—118°04′E，总面积11 916.85 km2，耕地4 369.26 km2，占总面积的36.7%。天津市属于温带半湿润季风性气候，四季分明，雨热同期，夏季炎热多雨，冬季干旱降水稀少，年均降水量在360～970 mm之间；年平均气温约为14 ℃，7月最热，月平均气温为28 ℃；1月最冷，月平均温度为-2 ℃。2016年，天津人口有1.56×107人，GDP 1.79×1010元。其中第一产业2.20×1010元，占GDP总量的1.23%。

天津市作为中国重要中心城市、超大城市，人口密度1 328人/km2，高于全国人口密度144人/km2，保持有效的农业生产，对维持社会稳定有极大的作用。在对天津农业用地的调查中发现，重金属镉对农用地污染较为严重[19-20]。天津市属资源型缺水城市，人均水资源量仅为全国水平的5.10%，农业生产中不得不引污水灌溉，早在1958年就利用污水进行农田灌溉，距今已有60 a余历史，现污水灌溉面积达2.34×105hm2，占天津市耕地面积的50%，其中在污水灌溉区，重金属镉、锌、汞含量较高[21-22]。为了保证粮食产量，稳定种植面积，被污染的土地得不到及时修复；还有部分耕地长期单一种植，土地综合肥力下降，产出能力持续降低。面对以上危机情况，亟须开展耕地与生态用地联合调配的方法研究，以生态修复恢复受损耕地的自然生产力，同时使其发挥生态服务功能，改善城市生态系统，保障生态安全。

2014年的《全国土壤污染状况调查公报》显示，在调查的55个污水灌溉区中，有39个存在土壤污染，天津仅是污灌受损地区之一。因此，科学解决天津市耕地由于污灌而受损的问题，对上述土壤污染地区具有一定的借鉴意义。

1.2 数据来源

本文建立耕地生态修复系统动力学模型，数据来源于2006—2017年《天津统计年鉴》《天津水资源公报》《中国统计年鉴》和土地调查成果共享应用服务平台以及其他研究成果等。

2 系统动力学模型构建

2.1 系统边界

模型的空间边界为天津市；时间跨度为2006—2030年，其中2016年为基期年，2030年为规划水平年，时间步长为1 a。主要历史数据时段为2006—2016年，数据内容主要涉及影响生态退耕规模的人口结构、经济状况、耕地规模和生态用地规模等。

2.2 系统结构及反馈分析

本文以耕地与生态用地联合调配所构建的社会、经济、资源和环境复杂系统内各要素间的相互关系为出发点，进行系统多重反馈结构分析。

其中，资源子系统主要研究在污水灌溉影响下，耕地土壤资源的重金属随时间的变化。当其达到标准限制时，依据土壤植物修复理论，将耕地转成植物高富集的生态用地；当耕地产量低于基础地力水平时，转成生态用地作为休耕模式；当耕地资源较少或粮食产量较低时，把土壤重金属含量符合生产标准且能够达到一定粮食单产的生态用地转成耕地。

社会子系统主要研究随着时间的推移，总人口数量的变化对农业人口的投入、对粮食的需求、对生态环境的需求以及对耕地的影响。例如，人口数量的增大会增加耕地及生态环境的压力。

经济子系统主要研究地区经济量变化及其对农业的不同方式的投入可能产生的影响。经济投入量可以促进农业发展，但如果过量投入农药、化肥则会危害农业发展。环境子系统主要研究长时间的耕作对土壤环境和耕地产出的影响以及污水灌溉对土壤重金属含量的影响。

上述要素间的多重反馈因果回路如图1所示。

图1 耕地与生态用地调配系统因果反馈图

图1系统中的主要反馈回路有：①耕地→地区GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金属→退生转耕土地→耕地；②生态用地→退生转耕土地→耕地→地区GDP→污水灌溉耕地→需修复耕地面积→退耕转生耕地→生态用地；③负反馈，耕地土壤重金属→需修复耕地面积→退耕转生耕地→生态用地→耕地土壤重金属；④耕地土壤重金属→耕地单产→地区GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金属；⑤耕地→地区GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金属→死亡率→人口→人均生态用地→退生转耕土地→耕地；⑥地区GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金属→需修复耕地面积→耕地→地区GDP；⑦人口→农业人口→耕地单产→地区GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金属→死亡率→人口；⑧生态用地→退生转耕土地→耕地→地区GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金属→需修复耕地面积→退耕转生耕地→生态用地；⑨需修复耕地面积→耕地→地区GDP→污水灌溉耕地→需修复耕地面积。

正反馈可以使回路中变量的偏离增强，负反馈使回路中变量趋于稳定。上述反馈回路中，①，③，④，⑥，⑦和⑨为负反馈，②，⑤和⑧为正反馈。反馈回路①，⑤和⑨表明，耕地的增加会使农业产值增加，带动地区GDP的增长，随着社会经济的发展，较多的污水灌溉到耕地，增加耕地土壤重金属的含量，为维护农产品的安全以及人类健康，需要将这些耕地退出农业生产，转换为生态用地；反馈回路②，③，④和⑧表明，生态用地的增加，改善原有耕地土壤环境，在不改变原有生态环境的条件下，增加耕地面积，提高耕地单位产量，进而促进地区产值的增长；反馈回路⑥和⑦表明，土壤重金属含量的增长，增大人口死亡率，减少农业人口投入，降低耕地单产，进而抑制地区经济的发展。

2.3 模型构建

在耕地与生态用地系统结构和反馈分析的基础上，充分考虑资源、环境、经济、社会的相互关系以及相互影响，依据相关分析法、趋势法、模糊综合评判法等，以2006年为起始年，以2030年为规划水平年，在Vensim-DSS平台上建立耕地与生态用地联合调配系统模型。在模型中共有75个变量，其中有6个水平变量，10个速率变量，37个辅助变量和22个常量，主要方程如下：

(1) 人口= INTEG(净迁入人口+出生人口-死亡人口，1 075)

(2) 污水排放量= 地区GDP×单位GDP污水排放量

(3) 灌溉污水耕地土壤重金属变化= 污水灌溉量/33000×污水重金属浓度×1000×0.000 2

(4) 生态用地= INTEG(增加生态用地-减少生态用地，25 133)

(5) 耕地= INTEG(增加耕地-减少耕地，437 200)

(6) 耕地单产= 农业劳动力增产系数×农业劳动力投入+农业基础设施投入×农业基础设施投入增产系数+农药投入×农药投入增产系数×农药投入调整系数 +化肥投入×化肥投入增产系数×化肥投入调整系数+调整单产

(7) 耕地土壤重金属含量= INTEG(耕地土壤重金属增加，2.37)

(8) 转生土壤重金属减少= 植物修复重金属富集率×转生土壤重金属含量

(9) 需修复耕地系数= IF THEN ELSE(耕地单产>=3 800，IF THEN ELSE(耕地土壤重金属含量>=3，1，0)，污水灌溉修复影响调整系数×耕地单产修复影响调整系数)

(10) 需退生还耕土地=IF THEN ELSE(人均生态用地>=最小人均生态用地，IF THEN ELSE(转生土壤重金属含量>=3，0，IF THEN ELSE(耕地红线-耕地>=0，耕地红线-耕地，0))，0 )

耕地与生态用地联合调配系统流图如图2。

图2 耕地生态修复系统动力学流图

2.4 模型检验

系统动力学模型建立之后，需要进行模型的有效性检验，检验仿真模拟结果是否能够较为准确地描述现状并解决研究问题[23]。判断构建的系统动力学模型是否是具有现实性及对历史问题的再现，需要对历史问题进行检验。本文历史性检验以2006—2016年为检验时间，选取主要状态变量耕地、生态用地和人口作为历史检验指标，检验结果如表1所示。

表1 耕地生态修复系统动力学模型(CLERSD)历史性检验结果

由表1可知，上述所有状态变量的最大相对误差为0.879%<1%，即误差允许范围内[17]，说明所建模型有效，能够很好的模拟所研究的对象系统。

3 模型仿真

耕地的产量和质量都会影响地区粮食安全，它们分别从数量和质量上对粮食安全产生影响。本文从农业投入、环保、生态等3项策略出发，对耕地与生态用地联合调配进行模拟仿真，以了解不同联合调配策略对耕地与生态用地的影响和作用效果。模拟方法是在其他策略不变的情况下，改变其中一项策略。在天津市基本情况分析的基础上，本文设置3种策略6种情景，分别为绿色发展策略、可持续发展策略和生态修复策略。依据不同情景，对2016年至2030年天津市耕地与生态用地进行仿真，对比分析不同情景下耕地、生态用地、粮食产量和土壤重金属含量的变化趋势，据此提出耕地与生态用地联合调配的合理建议。

3.1 绿色发展策略分析

绿色作为实现“十三五”发展目标的5大基本发展理念之一，给各行各业的发展提供了发展方向。农业是社会发展的基础行业，对农业的适度投入会增加粮食产量，但如果农药及化肥过量投入，可能会产生短期的增产效果，但长期使用则会影响土地利用的可持续性，还会影响人体健康。例如，化肥和农药的过度施用会造成土壤板结，长期使用农药残留高的食物会对人体健康产生影响。

因此，本文将化肥和农药的投入作为调控因子，来考察粮食产量和耕地单产的变化趋势(表2)。为了考查不同施用情况的影响差异，此处设置两种情景，情景一为大量使用农药化肥模式，情景二为适度使用农药化肥模式，仿真结果如图3所示。

表2 绿色发展调控因子方案

图3 天津市2016-2030年绿色发展策略仿真曲线

由图3可知，粮食产量和耕地单产在当前农药化肥投入情况下，均呈现先增长后稳定的趋势。在情景一中，粮食产量先高于现行政策，每年呈减少趋势，大约在2023年开始低于现行政策；耕地单产最高，每年呈减少趋势，大约在2022年耕地单产低于现行政策。在情景二中，粮食产量低于现行政策和情景一，每年呈增长趋势，大约在2023年超过现行政策和情景一，在此后的时间开始缓慢增长并趋于稳定；耕地单产最低每年呈增长趋势，在2023年超过情景一和在2025年超过现行政策。由此可知，当增加农药化肥的投入使用时，在短期会增加粮食产量和提高粮食单产，随着时间的推移，粮食产量和粮食单产都将降低，即过多的农药化肥投入降低了土地产出能力；当降低农药化肥的投入使用时，粮食产量和粮食单产都较低，但呈增长趋势，最后都将超过现行政策和情景一，即降低农药化肥的使用从长远来看，可以充分发挥土地生产力，减少农药化肥对土壤测破坏。

3.2 可持续发展策略分析

一个行业的发展离不开一定资金的投入使用，对于当前高效农业发展的要求，资金的投入会带动农业发展。另一方面，随着社会经济的发展以及人口的增长、快速的城镇化，会产生大量的污水用于农业灌溉。污水中含有较多植物生长营养物质，但同时也含有较多的污染物质。在天津耕地重金属污染中，最严重是镉污染，它的来源主要就是污水的灌溉。

在其他变量不变的情境下，为使土地资源可持续利用，将农业投资和污水灌溉作为调控目标，来考察耕地土壤重金属含量和粮食产量的变化趋势。为了考察不同投资和污水灌溉率的影响差异，此处设置两种情景，情景三为大量增加农业投资和降低污水灌溉率，情景四为大量增加农业投资和提高污水灌溉率，情景设置如表3所示，仿真结果如图4所示。

表3 可持续发展调控因子方案

图4 天津市2016-2030年可持续发展策略仿真曲线

由图4可知，情景三耕地土壤重金属含量最低、情景四耕地土壤重金属含量最高、现行政策下耕地土壤重金属含量处于两者之间，在这3种情景中耕地土壤重金属含量逐年呈现增长。对于粮食产量，情景三和情景四在开始一段时间呈现增长并高于现行政策，情景三和情景四粮食差别很小。由此可知，高的农业投入可以增加粮食产量；对于污水灌溉量对粮食产量的影响较小，但是它增加了耕地中土壤重金属含量，这会污染耕种在土地上的粮食，进而影响本地区居民的身体健康。因此，为保持农业可持续发展要加大农业投资和减少污水对农田的灌溉。

3.3 生态修复策略分析

绿色植物除具有景观功能、进化大气和水土保持等功能外，它还对土壤具有修复作用，比如改善土壤的通气性以及土壤的团粒结构和对土壤重金属污染的修复等。植物对重金属污染土壤的修复技术主要是通过对土壤重金属的稳固和高富集植物对重金属的吸附。这里将植物对土壤重金属的富集率作为调控因子，来考察耕地和生态用地的变化趋势。为考察植物重金属富集率的影响，此处设置情景五为较高植物重金属富集率，情景六为高植物金属富集率，具体设置如表4所示，仿真结果如图5所示。

表4 生态修复调控方案

图5 天津市2016-2030年生态修复模拟仿真曲线

由图5可以看出，现行政策耕地和生态用地都是在减少，情景五、情景六耕地和生态用地都高于现行政策；对于耕地，情景五低于情景六，情景五和情景六在2016年开始一段时间变化较小，此后呈现缓慢增长；对于生态用地，情景五高于情景六，情景五和情景六在2016年开始一段时间变化较小，此后呈减少趋势。因此，通过耕地与生态用地的联合调配，利用重金属高富集植物等对耕地的修复作用，可以使耕地得以修复。