张掖市土地资源人口承载力系统动力学模拟预测
来源：干旱区资源与环境
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栏目：期刊导读 时间：2021-04-26
西北民族大学学报(哲学社会科学版)中文核心期刊J．NORTHWESTUNIVERSITYFORNATIONALITIES(Philosophy andSocialScience)2010年第2期No．2．2010张掖市土地资源人口承载力系统动力学模拟预测峥廊峙—^沪峙庐、尹母府崞厍、沪——兼论干旱区土地生产关系调整高新才，赵玲(兰州1大学经济学院，甘肃兰州)[摘要]预测干旱区土地资源的生产能力能满足多少人12食物需求的问题，是分析干旱区人地关系是否和谐的首要问题。从农作物供需差的角度建立系统动力学仿真模型，预测分析干旱区的土地资源人12承载力。可以看出内陆干旱区张掖市未来20年里人口将日趋超过土地资源人口承载力。要促进人地关系和谐、提高人口承载力就必须调整生产关系。[关键词]系统动力学；土地资源人口承载力；干旱区[中图分类号]F127[文献标识码]A[文章编号]1001—5140(2010)02—0一、引言人口承载力是人口学、地理学、生态学和环境科学中一个十分重要的概念。土地既是人类活动的空间场所，又是人类宝贵而重要的生产资源。因此，土地资源承载力问题已成为当今世界所密切关注的一项研究课题，这对保护土地资源免受破坏有重要意义。在西北这样生态脆弱的地区保护土地资源显得更加重要。土地资源人口承载力是指一个国家或区域的土地资源在一定生产力水平及与此相适应的物质生活水平上，以土地利用不引起土地退化为前提，土地的生产能力所能养活的人口数量[1j。国内外学者对土地资源人口承载力的研究已相当丰富，也取得了重要成果，对西北土地资源人口承载力的研究以张志良先生最为关注，在他的《人口承载力与人口迁移》一书中对西北土地承载力进行了详细的分析，其中研究甘肃的专题有甘肃河西地区人口承载量多目标动态分析、甘肃河西地区土地承载力SD分析、甘肃中部定西土地承载力及人口压力、甘肃陇南山区徽县土地承载力SD分析、兰州市人口承载量的PS多目标决策分析等文献，这些文献使用系统动力学、多目标分析等方法分析了甘肃地区土地资源人口承载力。近几十年来，干旱区在其发展中遇到越来越严峻的挑战，主要表现为干旱缺水、环境污染严重、土地质量下降、人口素质低和人口密度严重超标等，导致人地关系极不和谐。土地资源人口承载力是反应区域人地和谐的重要指标，因此本文在前人研究的基础上，研究分析干旱区土地资源人口承载力，并选取内陆干旱区张掖市为例进行实例模拟与预测。[收稿日期]2010—03—19[基金项目]国家社科基金重点项目“西部地区民族经济发展问题研究”(批准号04AJY005)成果之一[作者简介]高新才(1961一)，男，陕西大荔人，教授，博士生导师，从事区域经济学研究；赵玲(1978一)女，青海西宁人，在读博士研究生，从事区域经济学研究。一般地，土地资源人口承载力的计算分为两步，首先根据“一定的生产条件”计算土地生产潜力，即土地单产；然后根据土地单产和土地面积计算出土地总产出，按“一定的生活水平”计算出土地资源承载人口的数量，即土地资源人口承载力。计算土地生产潜力的方法可以分为三类：一是根据环境因子潜力结构，即气候潜力结构和土壤潜力结构来计算土地生产潜力；二是根据植被潜力结构来计算土地生产潜力；三是系统动力学方法，综合考虑影响土地生产潜力的多种因素，把区域看作一个整体系统，对土地生产潜力进行动态计算[2]。其中系统动力学模型(SD模型)的突出特点是能够反映复杂系统结构、功能与动态行为之间的相互作用关系，从而考察复杂系统在不同情景下的行为变化和趋势，为决策提供支持。系统动力学模型是一种比较适用于反映具有因果性、反馈性和动态性特点的土地资源承载力的研究方法，而且系统动力学(SD)的应用，可以对土地资源人口承载力系统进行动态的定量化计算，因此该方法业已成为计算土地资源人口承载力的常用方法。无论是测算土地生产潜力，还是测算土地资源承载力运用系统动力学建模都是比较有优势的方法，而且使用系统动力建模可以将两部分统一到一个模型中，选取的变量增加而计算却简化了，因此本文选取该方法建立干旱区土地资源人口承载力预测模型。二、研究区土地资源分析张掖市地处河西走廊中部、黑河流域中游，基本上属于干旱荒漠自然景观地带，海拔在1410米～3600米之间，属典型的内陆干旱区，年均降雨量不足140毫米，而蒸发量高达1400毫米～2200毫米。张掖市地处大陆内部，总面积4．2万平方千米，有耕地面积380万亩，农作物以乌江米为最，盛产小麦、玉米、水稻、油菜、胡麻等。全市土地总面积中14．4％为山区，51．1％为川区，34．5％为荒漠区。2007年张掖市共有农用地273．4万公顷，其中耕地面积252．95万公顷，建设用地5．03万公顷，未利用土地115．9万公顷。张掖市辖一区五县、60个乡镇、5个街道、922个村(居)民委员会、5674个村民小组，2007年末常住人口127．55万人，人口自然增长率5．49％…总人口中乡村82．27万人，城镇45．28万人，城镇化水平35．5％，人口密度30．4。近年来人口增长迅速，1991年第四次人口普查时张掖市人口为115．1万，2000年为125．76万人，16年间增加了12．45万人。人口的增加给张掖市的土地资源带来了很大的压力，人地关系的不和谐日趋突出。(一)土地利用结构张掖市土地面积中，牧草地比重最大，约占土地总面积的51．34％，但大多为载畜能力很低的荒漠、半荒漠天然草场，生产能力低。其次是未利用土地，约占29．39％，未利用土地中以低盐碱地、裸土、沙地、沼泽、裸岩、石砾地居多，导致未利用土地开采率很低；已利用的土地中，园地、林地、居民点与工矿用地、交通用地、水域面积占总土地面积的26．87％，其中，耕地面积所占比例较小，约占6．41％，可见全市质量高的、能承载产业和人口发展的土地面积十分有限。土地利用结构具体情况见表1。表1张掖市土地利用结构(占土地总面积的％)同1996年的数据相比，张掖市的建设用地在不断增加，农用地存在减少的趋势。从1996年到2007年的十年间，耕地面积占总面积的比例下降了0．2个百分点，说明在张掖市工业化和城市化的过程中有以农地减少、农民土地权益的流失为代价的迹象。(二)耕地面积与构成张掖市的耕地主要是水浇地，充分呈现了“没有灌溉就没有农业”的干旱半干旱区自然条件特点。2007年末张掖市人均耕地2．06公顷，每一农业人口有耕地3．2公顷。农业总产值74．2亿元，种植业总产值52．4亿元。近年来，由于人口增长、经济快速发展，加之土地资源不合理的开发利用，建设面积不断增加，产生了耕地退化、生态环境恶化等问题，致使耕地面积减少，阻碍了经济和社会的持续、稳定发展。张掖市耕地面积与构成见表2。表2张掖市耕地面积与构成单位：公顷┏━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━┓┃┃┃灌溉水田┃水浇地┃旱地┃菜地┃┃年份┃耕地┃┃┃┃┃┃┃┣━━━━━━┳━━━━━━╋━━━━━━┳━━━━━━╋━━━━━━┳━━━━━━╋━━━━━┳━━━━━━┫┃┃┃面积┃占耕地％┃面积┃占耕地％┃面积┃占耕地％┃面积┃占耕地％┃┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━┫┃【1996┃．70┃1792．87┃0．68┃．87┃70．24┃．95┃29．04┃107．78┃0．04┃┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━┫┃2007┃．11┃1934．04┃0．76┃．21┃73．74┃．18┃25．45┃107．69┃0．04┃┗━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━┻━━━━━━┛张掖市的耕地面积从1996年的26．3万公顷减少到2007年的25．3万公顷，减少3．8％。从耕地种植结构来看，十年来，张掖市的水浇地从18．47万公顷增加到18．65万公顷，增加了3．5％，这充分说明张掖市水资源利用结构有所改善。(三)农业投入和生产水平张掖市受特殊气候条件的限制，干旱少雨，土壤沙化严重，农业耕种水平和投入水平较低。当地土壤有机质含量与养分水平本就不高，由于经济条件的限制和广种薄收的习惯，农民对农田的投人量也少，造成养分供应不足，严重影响了单产水平的提高。2007年张掖市农田化肥施用折纯量为8．6万T，平均339千克／公顷，农业机械总动力181．5万千瓦。2007年粮食总产量96．88万吨，粮食平均单产6885千克／公顷，稻谷平均单产6724千克／公顷。三、系统动力学仿真模拟．系统动力学认为，所有社会、经济和生态等系统都是反馈系统，其系统的动态行为特性是由该系统固有的、规则的、并且是可以识别的结构决定的。系统动力学建立模型的步骤大体分五步：首先，用系统动力学的理论、原理和方法对研究问题进行系统分析；其次，对系统的结构进行分析，划分系统层次与子块，确定总体的与局部的反馈机制；第三步，建立系统结构和功能模型框架，绘出表达这一模型的因果关系、反馈回路的系统流程图，这是系统动力学研究的核心步骤；第四步，分析各个反馈环中的数量关系，建立了系统动力学模型，最终写出全部变量的方程；第五步，上机仿真模拟，后修正、调整模型及其参数调控并进行再模拟，直到满足模拟的需要为止。第五步并非在最后一起来做的，其中相当一部分内容是在模型的建立过程中分散进行的。(一)系统分析本文将土地资源承载力系统分解为土地开发利用、作物种植结构、作物单产、供需差四个子系统。土地开发利用是指未利用土地资源的开发，它是新增农用地和新增建设用地的来源，未利用土地的开采不仅受土地净开采率的影响，还受水资源对农业生产约束系数的限制，对干旱区来说，水资源对农业生产的约束很强。考虑不同区域的地形条件和水资源供给丰富，来选取未利用土地的净开采取值和新增农用地的比例。新增可利用土地除了新增农用地以外，还包括新增建设用地。新增建设用地主要由建设用地和建设用地增长率决定，建设用地增长率受经济增长的边际建设用地和人口增长的边际建设用地影响，这两个值根据相关资料查阅而得。作物种植结构子系统就是分析不同种类的农作物的播种面积在总种植面积中所占比例不同的子系统。考虑到一般性，本文将作物种植结构分为粮食、棉花、油料、牧草和其他作物五种。作物的单产是土地承载力的重要指标，影响因素分为自然因素和人为因素两种。自然因素主要有气候、土壤地形、植物和水文等；人为因素主要有劳力、物力、智力投入等。我们将这些因素简化后，取光合潜力、土壤修订系数，温度修订系数、水分修订系数、机械化水平等系数来表征作物的单产。各系数均有相关的计算公式，限于篇幅本文不在罗列。供需差是研究土地资源承载力的基础，该子系统着重研究人的各类消费水平和生产水平的差额，同时根据各类消费水平与人口测算出各类消费品的需求量，根据生产水平与各类农业产品的播种面积测算出各类作物的供应量，然后比较消费量和供应量找出缺口，以此缺口进一步调整农作物播种面积的种植结构以及土地资源的开发利用政策，促进有限资源得到合理有效地利用。(二)系统反馈回路图及方程反馈回路图能进一步刻画指标变量的关联关系，解决当一个变量增加时，与它成因果关系的变量是增加还是减少的问题。为将上述系统分析简单、明了的列出，绘制土地资源承载力系统反馈回路图如下。┏━━━━━━┓┃作物供需差┃┗━━━━━━┛┏━━━━━━┳━━━━━┓┃土地承载所┃┃┃┣━━━━━┫┃┃，┃┃需种植面积┃+一┃┗━━━━━━┻━━━━━┛图土地资源承载力系统反馈回路图系统动力学刻画系统的问题，最终是要建立定量仿真模型，数学方程就是为上机仿真而建立的定量模型，现将本模型中涉及的主要方程列出，如下：人均所需粮田面积一人均粮食消费水平／粮食单产土地承载所需粮田面积一人均所需粮田面积*土地资源人口承载力建设用地一INTEG(新增建设用地面积，初始值)总种植面积一蔬菜种植面积+粮食播种面积+牧草地面积+棉花种植面积+油料种植面积+其他作物种植面积新增农用地一MIN(0，新增可利用土地*(1一农用新增可利用土地比例)一新增建设用地面积)+新增可利用土地*农用新增可利用土地比例一总种植面积*水资源对农业生产的约束系数未利用土地面积一INTEG(总种植面积*水资源对农业生产的约束系数一薪增可利用土地，初始值)粮食供给量一粮食单产*粮食播种面积粮食供需差一粮食供给量一土地资源人口承载力*粮食单产粮食单产一收获系数*气候潜力*7．5粮食播种面积一INTEG(新增粮食播种面积，初始值)粮食播种面积调整比例一人均所需粮田面积／(人均所需蔬菜田面积+人均所需粮田面积+人均所需牧草地面积+人均所需棉田面积+人均所需油料田面积)需进行结构调整的土地一棉花种植面积+油料种植面积+牧草地面积+粮食播种面积+蔬菜种植面积+其他作物种植面积一土地承载所需蔬菜田面积～土地承载牧草地面积一土地承载所需棉花田面积一土地承载所需油料田面积一土地承载所需粮田面积一土地承载所需其他作物面积本模型设计有80多个方程，10多个表函数，由于篇幅所限不能一一列出。四、模型的运行与仿真结果根据张掖市的具体情况，本文选取未利用土地的净开采取值为0．001、新增农用地的比例取值为0．3、建设用地增长率为0．005等参数数值，输入模型并上机运行，通过多次修正和误差分析，得到仿真模拟的张掖市土地资源人口承载力的具体数据。为了检验模型是否有效、可靠，本文应用模型对张掖市从1995年至2005年的作物单产、种植面积以及人口状况进行模拟，输出结果与历史数据基本吻合，说明模型有一定的可用性。另外，本文假设人口自然增长率为4．5‰，由此预测了张掖市未来15年人口变化，以此对比张掖市土地资源人口承载力进行比较，具体数据如表3所示。表3SD模型预测张掖市土地承载力单位：万人年份预测人口数土地资源承载力剩余承载数2．．1222．9423．9526．303．65—21-24表中数据显示，目前张掖市土地资源能够为4．5‰的人口增长的人口提供足够的粮食，但2021年张掖市的土地资源人口承载力将出现临界点，现有的土地将不能养活该地区的人口，随后(2026年)，张掖市土地资源人口承载力小于人口总数的情况，说明到时张掖市的土地较人口处于紧张状态，人口出现超载现象。一个较为直观的原因是人口增长过快，更深一层的分析可以看出，人口超载与耕地面积减少、环境恶化、水资源减少等因素有相当密切的关系。而且在未来十几年里，人们的生活条件不断提高，土地养活人口的成本也相应提高，从而使剩余承载数的增加呈下降趋势，人口超载现象日益严峻。五、结论与思考土地资源人口承载力是反应区域人地和谐的重要指标，由上述预测结果可知，张掖市人地关系日趋紧张。为使张掖市人地关系和谐，土地资源承载力提高，人口、资源与环境能协调发展，除了要控制人口增长、加快发展农业科技、完善农地征用制度等措施外，更重要的是调整生产关系。即建立相应的经济机制，将生态环境保护、治理、建设同各经济单位的切身利益结合起来，使其具有环境保护的内在动力和积极性，使土地保护、环境保护不至于变成空话、套话。由于土地产权边界模糊，土地使用者对未来缺乏稳定的预期，难以形成长期投资、长远经营的积极性，特别是在干旱区，土地资源本就贫瘠，需要使用者长期对土地进行投资经营，因此土地产权边界的模糊成为诱发干旱区土地荒漠化、生态环境恶化的重要原因。土地使用者只有对土地资源具有了排他性的明确权利，真正对土地负责，才会产生稳定的经济预期，才会增加农业投入，避免掠夺式经营，使得土地持续利用成为可能。也才能有效地防治农业生态环境的继续恶化，有效地建设与保护生态环境。对曲叩弘盯盯O¨坫¨坞U勰毖叭趵％娼；
