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论文
基于 SD 模型的循环农业系统构建 及其综合效益评价研究
  来源:现代农业科技  作者:李富佳等  发表时间:2015-05-16 12:14

提 要: 以中国西北典型干旱和贫困区甘肃省定西市安定区循环农业系统为例,基于 10 年跟踪调研数 据,建立了 SD 模型,分析了该循环农业系统的生态、经济综合效应,模拟未来 10 年发展趋势,检验系统发展缺 陷,提出未来优化的方向。结果证明: 循环经济不但能大幅提升经济效益,而且具有减少水耗、减少化肥使用 量、消除牲畜粪尿污染,减少化石能源消耗和 CO2 排放等显著的生态经济效益。并能够通过长期循环运行和 优化调控,不断扩大经济效益、生态效益,消除生态脆弱及贫困双重压力,实现可持续发展。定西市安定区循环 农业系统的构建思想、构建方法、评价模型和优化方式对我国干旱与半干旱类似地区的发展具有重要借鉴意义。

关键词: 循环农业系统; SD 模型;模拟与优化;生态经济;定西市安定区

循环农业是实现产业链循环化的生态农业,是指利用循环经济理论和方法,利用产业上下游联系,将 种植、养殖、农产品加工等农业产业组织构建成一个近似闭合循环的农业产业体系,达到高效利用资源、减少废弃物排放、最大限度提高经济效益的一种农业经济组织形式[1]。科学、稳定的循环农业系统,能够塑 造"生态修复 - 经济发展"良性循环,能够通过不断释放生态效益和经济效益,突破生态脆弱和贫困双重复杂困境,实现区域农业的可持续发展[2 -4]。目前,国内外针对生态农业发展模式的研究有很多,但针对 循环农业发展模式的研究还处于起步阶段。大多集中于循环产业链的组织上,但对农业循环产业链究竟 能产生多大的生态效益、经济效益? 能否长期可持续的循环运行? 上述问题往往研究较少[2, 3]。致使目 前应用于生产的循环农业实例多是简单的"畜禽 - 沼气 - 农作物"模式,循环产业链单一,难以称作循环 农业"系统",不但生态经济效益有限,而且抗干扰能力弱,在市场、环境等外界环境变化后,就难以持续循 环运行,或者甚至出现"只循环、不经济"的现象[5 -8]。 因此,基于科学、量化的数学模型分析基础上,建立完善、可持续能力强的循环农业系统,对系统构建后产生的生态经济效益、容易受到的资源环境制约程度、农户的意愿、市场行情的变化等众多因素进行充分的模拟和分析,进而制定有针对性的优化调控政策,并进行长期的跟踪管理,才能保证循环农业系统的持续运行,并获得循环农业系统的最大效益。这即是当今生态农业研究领域的一大热点和难点问题,也是 推动农业发展模式转型升级的关键问题之一[9 -12]。文以中国西北典型半干旱贫困区定西市安定区构建的循环农业系统近 10 年实际发展情况为案例,运 用系统动力学模型( SD 模型),评价其生态、经济综合效应,模拟其未来发展趋势,分析其存在的不足,并提出进一步优化调控政策建议。对探索符合我国干旱半干旱区发展需求的循环农业模式,指导类似区域 构建、发展、优化中尺度循环农业系统,突破环境、经济双重发展困境、实现可持续发展,具有重要的借鉴和 参考意义。

1 FPVC 发展困境案例区

定西市安定区位于北纬 35°17'54″ ~36°02'40″、东经 104°12' 48″ ~105°01'06″,属于陇中黄土高原丘陵沟壑区,总面积 3638. 711km2( 图1) ,2011 年末总人口45. 31 万人,GDP 为39. 34 亿元。安定区的发展困境主要来自干旱少雨的气候、严重的水土流失和 匮乏的资源禀赋,以及经济贫困,即处于生态脆弱经济贫困的两 难境地。受气候干旱、生态脆弱、资源匮乏等因素的影响,安定区 经济结构一直以农业为主,历史上长期处于贫困状态,早在 17 世 纪中后期曾有"苦瘠甲天下"之称①。 为了彻底突破环境制约,安定区从 20 世纪 50 年代起,开始 了长达半个多世纪的梯田建设,虽然环境改善效果明显,但仅能 帮助人们解决了温饱,却难以使区域经济获得更大的发展[13]。 为了改变传统发展模式,建立能够同时解决贫困和生态脆弱问题 的生态经济系统,安定区于 2001 年邀请中国科学院专家制定了生态经济发展规划,开始大力推动生态经 济发展[14],经过 10 多年建设,目前已逐渐形成了覆盖全区各产业的循环经济体系,脆弱的生态环境得到了显著改善,经济也获得了快速发展,实现了生态与经济效益的双赢。

2 模型构建

2. 1 数据与方法 文中数据来源于长期跟踪研究所获得的第一手调研数据,包括政府统计年鉴、企业年报及城乡居民问 卷等。研究模型采用系统动力学模型( SD 模型) 。系统动力学最早由麻省理工学院的 J. W. Forrester 教授上世纪 50 年代中期开创[15]。经过几十年的发展和改进,系统动力学被广泛应用于经济、社会、生态等 众多复杂系统研究中[16, 17]。系统动力学模型能够揭示系统的动态性、反馈性、延迟性等众多特征,具有量化、可调控等众多特点,对研究较长发展周期、动态变化和存在多系统间反馈作用的系统设计、优化、管理 问题具有明显的优势[18],符合本研究的建模需求。 2. 2 模型逻辑结构 SD 模型的因果逻辑结构框架由循环农业链条( 目前主要以农业及加工业为主) 及其综合效应构成。 具体包括 6 个环节:1) 以多年兴修梯田、水窖、堤坝等节水工程为基础,发展覆膜旱作农业,提高耕地的水 资源利用效率,减少水土流失; 2) 回收地膜,发展塑料管材、颗粒生产等工业,减少农膜污染; 3) 退耕种植 牧草,在收获牧草的同时保持水土。4) 回收利用秸秆饲养牲畜,减少秸秆焚烧,降低 CO2 排放; 5) 利用牲畜粪尿发展沼气、有机肥制造产业,利用有机肥发展绿色脱毒马铃薯种苗繁育、无公害蔬菜、中药材的种植,减少化肥使用; 6) 提取马铃薯加工废弃薯渣,制作蛋白饲料回用于养畜,利用残渣和废水发酵后加工 有机肥,减少水耗( 图 2) 。

3 综合效应分析与模拟

为了客观地分析和展示循环经济的综合效益,文中同模拟传统发展模式( Traditional Pattern) 与循环经 济模式 ( Circular Pattern) 情景下的生态、经济效益变化情景,并加以对比。 3. 1 粪尿综合利用与 CO2 减排效益 循环农业系统中"牛 - 沼 - 菜"部分,可消除粪尿污染、减少化肥使用,制造清洁沼气能源,减少区域 碳排放。据模型计算,至 2012 年,循环经济系统消除粪尿 446. 615 万吨,比传统模式情景的模拟结果②减 少粪尿污染 94. 768 万吨; 可年产沼气 906. 952 万 m3,实际利用沼气 636. 202 万 m3,相当于 19924. 6 吨标准煤,沼液沼渣生产有机肥445. 67 万吨,全区还田有机肥总量相当于 N 肥 173. 02 万吨, P 肥 92. 28 万吨, K 肥57. 67 万吨,比传统模式增加151. 91、81. 02 和50. 63 万吨。可生产无公害蔬菜12275. 6 吨,比传统模 式增加 1583. 6 吨。 配合补贴太阳能设施和秸秆饲料生产,循环经济使安定区农村地区由传统发展模式下以燃烧秸秆、煤 炭为主的能源结构,逐渐转变为以沼气、太阳能、电能等为主的清洁能源结构。大大降低了秸秆、燃煤的使 用。至 2012 年,循环经济情景已减少化石能源消耗 17. 42 万吨标准煤,减少 CO2 排放 34. 46 万吨。且随 着沼气产业的发展,未来将产生更大的节能减排效益( 图 3) 。 3. 2 节水与资源综合利用效益 在坡度较大、不宜耕种地区,循环经济模式不再开荒扩耕,而是推动退耕还草,发展牧草种植业,既能 保持水土,又能获得牧草产品,增加养殖经济效益。至 2012 年,全区牧草种植面积66 万亩,改造高产牧草 种植面积 3 万亩,共产牧草 58. 65 万吨,年减少水土流失面积60 余万亩。 马铃薯等农产品加工会产生大量的水耗和含蛋白质的污水,对环境污染非常严重。传统模式通过布 局污水处理工程,只能够处理 70%。循环经济模式通过引入有机肥生产企业,能够将不能处理的废水经 过发酵处理成为液体有机肥。不但彻底消除了废水污染,而且使废水处理获得经济效益,能够使污水处理 长期持续运行。至 2012 年减少废水排放 462. 73 万吨,回收利用水 304. 7 万吨,生产液体有机肥 130. 58 万吨; 此外,利用马铃薯加工中产生的废渣提取蛋白,制成饲料添加物,用于养畜,不但消除了薯渣污染,也为养殖业的发展提供了大量蛋白饲料来源,马铃薯加工企业因此获得的利润也促进了企业生产规模的不 断扩大。2012 年,安定区回收利用薯渣23. 94 万吨,比传统模式下增加5. 05 万吨; 循环经济通过布局畜草、马铃薯产业来达到提高用水效率、减少水耗、循环利用水资源等目标,且能够 获得较为丰厚的经济收益,从而有更多的资金用于进一步扩大梯田、水窖、堤坝等生态改造工程的实施和 规模扩大,保证了节水效果的持续提高。至 2012 年,循环经济模式下全区比传统模式可多修梯田39. 79 万亩,水窖 4028 个,整个循环经济系统节水总量达到 7388 万吨,比传统模式增加930. 4 万吨,且未来节水量将继续逐步增大,进一步缓解安定区水资源紧张困境。通过设立沼气制造系统和对规模养殖项目给予适当的补贴等政策,提高养畜、制沼的经济效益,使农 民更愿意将秸秆回收用于养畜产业而不是直接焚烧,大幅提高了秸秆利用率。至 2012 年,秸秆回收 25. 17 万吨用于生产饲料,秸秆焚烧量比传统模式减少8. 15 万吨,秸秆饲料结合薯渣回用饲料和牧草饲料, 可养肉牛 11. 28 万头,年增加经济效益4. 51 亿元。 此外,传统农业发展模式下,农用地膜在使用后,失去回收利用价值,大量残留于土壤中,构成塑料污 染,长期积累会造成严重破坏土壤结构,造成减产甚至失去肥力。安定区在发展覆膜农业后,这种危害性 也逐渐体现出来,成为影响循环经济系统可持续运行的一大难题。 为了消除隐患,优化循环经济系统,2007 年,安定区开始通过给予用地和税收减免优惠,引进、布局塑 料颗粒加工企业,利用废弃地膜生产塑料颗粒。由企业提供农民回收设备和技术,并按照回收量支付资 金。至 2012 年回收废弃地膜 0. 4833 万吨,回收率达到 55%,大大降低了地膜残留,未来随着企业规模的 扩大,地膜残留将进一步减少,从而消除系统隐患( 图 4) 。

4 循环经济系统未来优化方向

SD 模型模拟分析表明,安定区过去 10 年里循环经济系统产生了巨大的生态效益和经济效益,极大地 推动了安定区的生态修复和经济发展。但模型也检测到系统仍然存在需要改进的环节,如: ( 1) 家庭制沼系统设备性能较差,受气候影响较大,冬季产气量有所减少,存在约 11% - 15% 的沼气 泄露损耗; 沼液沼渣处理工序复杂,很多老人家庭因此而放弃使用; 而且家庭制沼规模小,难以适应大量粪 尿的集中处理需求,导致目前粪尿制沼比重不足 5%,因此,需要尽快通过政策调控,布局、引进规模制沼系统和管网供应体系,以消除沼气泄露损耗、提高沼气使用率。 ( 2) 回收利用地膜虽然能够消除大量地膜残留污染,但难以达到完全回收,多年累积后依然污染较 大。未来扶持生产和推广马铃薯可降解地膜,可以达到完全消除地膜污染的目的。

5 结论

( 1) 定区循环农业系统的模型构建和综合效应评价结果证明,循环农业系统通过重新组织、调整和优 化产业结构,不但能大幅提升产业的经济效益,而且具有消除废弃物、污染,实现生态系统修复的作用。更 重要的是能够通过长期稳定的循环运行,建立起生态修复与经济发展相互循环促进、共同增长的良性循 环,在发展中,同时消除生态脆弱及贫困双重压力,推动区域实现可持续发展。对正处于生态、经济双重发 展困境下的全球类似地区,具有很好的应用意义和借鉴价值。 ( 2) 循环农业系统是否能够持续运行并不断发挥生态经济综合效益,关键在于三个方面: 一是要依据 区域发展需求和困境,科学的引进、布局若干具有生态修复功能的生态农业产业,将其他产业串联构成循 环农业产业系统整体; 二是需要从系统的角度,借助科学的模型,监测、测算和把握整个循环农业系统的综 合效应及其动态演化趋势,从而及时发现系统存在的不足和潜在的可能风险; 三是制定科学的政策对系统 不断进行优化改进,使系统能够长期稳定地运行,并不断扩大其生态经济综合效益。 ( 3) SD 模型能够很好的模拟循环农业系统的运行,准确、量化评价其生态、经济综合效应,并能够通 过动态模拟,反应其未来演变情况,对构建、优化、调控循环经济系统具有良好的作用,可以用于指导和辅 助同类地区的循环经济系统构建和动态管理,为相关研究、决策和经济系统设计与管理工作提供支持。

(责任编辑:nyadmin)
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