1、系統動力學優化方法案例研究1研究背景農業生態系統是由自然生態系統和社會經濟系統組成的復雜系統，它的發展受人類、社會、經濟、政策、科技和自然等因素綜合作用，呈現高度非線性、多回路、復雜的動態特性。農業生態系統的優化管理就是對農業生產進行合理的人為干預，通過政策實施和技術支撐，對系統結構和功能進行合理調控，使農業生態系統處于安全與健康狀態，為人類提供持續的生態服務、滿足人類生存和發展需求。禹城農業生態系統為縣級尺度的生態系統。全市擁有耕地52927 hm2，全市總人口499755人，其中農業人口415913人。土地平坦，水資源豐富，適合農業生產，經濟以農業為主，農業長期以種植業為主，20世紀90年

2、代，糧食單產穩定在12000kg/hm2以上，畜牧業有了較快發展，逐步呈現農牧結合的良好態勢，到2000年種植業產值和畜牧業產值在農業生產總產值中分別占到65.0%和29.8%。種植業以小麥、玉米為主，部分為棉花、蔬菜、瓜果等經濟作物，養殖業以牛、豬、雞為主。目前，隨著我國農業發展進入新階段，面臨新一輪農業結構調整，根據區域資源特點及我國優勢農產品區劃，禹城市既是糧食生產優勢產區，同時也是畜牧業生產的優勢產區，種植業子系統和養殖業子系統是禹城市農業生態系統兩個最主要的子系統，種植業和養殖業的結合也是農業生產最基本的形式。養殖業在農業生態系統中的重要作用，一方面主要表現為提供營養豐富的動物性食品

3、和增加經濟收入，另一方面則表現為充分利用種植業副產物，并為種植業提供大量有機肥從而可適當減少化肥用量。種植業和養殖業的有機結合，有利于減少工業輔助能的投入，能夠提高抵抗自然災害和社會經濟風險的能力，可以增加系統的穩定性。運用系統動力學方法優化并調控種植業和養殖業內部組分結構比例，協調種植業和養殖業兩個子系統之間的相互關系，探討實現系統的整體高效和良性循環的途徑。2模型的建立與檢驗（1）建模思路應用系統動力學模型對禹城市農牧結合生態系統發展趨勢進行動態模擬，并對其結構和功能進行優化。目的為當地實現社會經濟和生態環境協調發展服務。禹城市農業生態系統各子系統之間通過物質轉換與能量流動組成一個有機整體

4、，但它們并不是一個完全封閉的自然生態系統，而是人類參預調控的開放型的社會經濟生態系統。系統地研究各子系統之間的能流、物流將有助于農業生產發展規劃方案的建立與選擇，以獲取最佳的農牧結合高效發展模式。種植業子系統主要研究分析在耕地面積既定的情況下，根據各類作物對社會生產的滿足程度和資源利用效率，調整控制各類作物占用耕地的面積，種植業產出水平除受播種面積制約外，還受單產的影響。畜牧業子系統主要研究分析不同社會市場需求與資源供給對畜牧生產結構的影響，探求合理的畜牧生產結構。模型中以耕地面積和家畜群體總規模為積累變量，通過調整各種作物占有耕地面積的比例和各種家畜所占總家畜的比例，求解種植業與畜牧業的協調

5、關系。畜牧業發展所需的飼料是由種植業提供的，但系統內畜牧業的發展并非完全受系統內飼料資源約束，其所需飼料卻作為調整作物種植結構的主要依據。種植業和養殖業子系統的運轉都受資金投入的控制，而資金投入水平和比重又與各業產出水平與社會市場需求相關。通過深入分析禹城市農業生態系統演變規律與機制，結合本地的資源優勢和產業發展政策等，形成農牧結合系統的主要反饋回路圖。根據系統反饋回路，建立系統結構模型流程圖與構造方程，主要包括人口、種植業、養殖業、投入和產出子模塊。人口子模塊用于模擬系統內人口的變化情況；種植業子模塊包括耕地和作物種植結構的變化；養殖業子模塊用來模擬家畜養殖規模與養殖結構；投入子模塊主要是指

6、作物種植和家畜養殖物質投入和飼料需求；產出子模塊包括種植業和養殖業的實物產出、能量產出和產值。（2）參數確定與模型檢驗農牧結合農業生態系統模型的參數較多，類型復雜，可以分為兩類：第1類為固定參數，這類參數不隨時間變化，如牲畜飼料標準，生產資料與農畜產品折能系數，生產資料與農畜產品價格等，這些參數主要根據實測資料、統計資料或查閱相關文獻估算而得；第2類為時變參數，它隨時間的推移而發生變化，如種植業中的物資投入、耕地生產力、畜禽生產力等。在時變參數中，按其變化規律又可分為線性時變參數和非線性時變參數兩種，線性時變參數是時間變量的函數，首先確定其基期和目標期的參數值，然后按照變化規律確定比例關系。非

7、線性時變參數的變化非常復雜，一部分采用回歸分析的方法得到參數方程，而對于不能得到方程的，則采用表函數的形式表示參數隨時間的不規則變化。模型有效性主要采用歷史檢驗法，即利用實際歷史數據與模型仿真運行結果的相對誤差來檢驗模型的有效性。將禹城市農業生態系統的有關數據代入模型，仿真結果中選擇人口、耕地、糧食產量、家畜年存欄總數等變量。將其中19802000年模擬數據輸出與實際輸出相比較，其仿真輸出結果與系統的歷史數據基本相符。因此，模型是能夠反映真實系統的，通過不同情景模擬分析，可以評價各種政策和預測系統未來發展趨勢、形成決策方案。（3）模型運行及典型優化模型的仿真實質上是一種政策模擬和戰略實驗，即通

8、過模擬不同的調控措施預測系統未來的結果。我們知道，種植業自始至終是禹城市農業發展的基礎，養殖業經過近幾年發展已成為農業發展潛力最大的支柱，而且，目前的生產條件及物質投入已經達到較高水平，在現有條件下通過調整種植結構與養殖結構、協調種植業與養殖業發展以提高農業資源利用率，是當前和今后一段時間內的重要舉措。為此，對模型實施3種方案進行系統仿真優化模擬運行，以預測禹城市農業生態系統的發展態勢。第1種方案是完全按照現有種植與養殖業結構，第2種方案是維持現有養殖業結構、調整種植業結構，第3種方案是同時調整種植業與養殖業結構。經過模型反復運行試驗，從中選出3種典型情景供決策者考慮（表1）：第1種情景，種植

9、業結構為糧食作物和經濟作物二元結構，占耕地面積的比例分別為70%和30%，在經濟作物中蔬菜的種植比重為76%；養殖業結構為精料家畜占33%，草食家畜占67%，在精料家畜中豬和家禽的比重分別為63%和37%，在草食家畜中肉牛和奶牛的比重分別為66%和34%。第種情景，種植業結構為糧食作物、經濟作物和飼料作物三元結構，其占耕地面積的比例分別是45%、25%和30%，而在經濟作物中蔬菜的種植比重提高85%；養殖業的結構同第1種情景。第種情景，糧食作物、經濟作物和飼料作物的種植業三元結構為5l%、30%和19%，養殖業結構為精料家畜占40%，草食家畜占60%，在精料家畜中豬和家禽各占50%，在草食家畜

10、中肉牛和奶牛的比重調整為80%和20%。在運行模型篩選方案時，各種農產品的價值參數采用了2003年當地市場價格，作物種植的物質投入參數來源于農戶調查結合參考文獻，家畜消耗的飼料定額參數結合了專家咨詢和農戶調查。從表1可以明顯看出，第1種情景除了糧食總產出和人均糧食占有量高于第和第情景，其它各項均不及后2種，特別是精、粗飼料供需均有較大缺口。第種情景與第種情景相比，前者比后者具有較高的產值、工業輔助能能效和光能利用率，但具有較低的糧食產出量和人均糧食占有量；粗飼料資源供需狀況表現為第和第情景都沒有缺口，均能滿足養殖業的需求，而精飼料資源供需卻表現為第種情景比第種情景缺口更大，說明，在第種情景條件

11、下，養殖業生產就會在更大程度上受控于系統外精飼料資源的供給量。表1 模型模擬3種情景生產表現年份198019851990199520002005201020152020農業總產值(萬元)I376815963886951144099248432291566320596349653368777II352802381079409464428298III330178354627379216395474種植業比重(%)I86.187.078.766.046.140.437.635.634.5II50.747.545.043.6III49.646.944.943.7養殖業比重(%)I13.913.021.

12、334.053.959.762.464.465.6II49.352.555.056.4III50.453.255.156.3糧食總產值(kg)I133602538634990423734250545254466544767347876II28886297793043030559III32801338163455534701人均占有糧食(kg)I326589773890850861844821784II549539524501III624612595568精飼料供需差(萬kg)I8044177-1018-8077-21885-29401-35009-40293-43957II-36968-427

13、86-48210-51898III-32665-37647-42231-45366粗飼料供需差(萬kg)I17221214966075-3205-20913-29418-33356-36345-38545II12449800846522336III737744242387906農田光能利用率(%)I0.180.340.470.580.600.630.650.670.67II1.031.041.051.05III0.860.870.880.89耕地面積 hm2544875380153544530915293352745526885263452581養殖業規模萬LU5.918.9923.2134.

14、4641.9348.6852.1154.7856.453結論與討論我國廣大平原農區，往往既是糧食主產區，也是畜牧業優勢產區，如何協調好種植業和畜牧業的關系，就成為這些地區持續發展的關鍵。本研究根據禹城市區域資源特點和農業生產特點，建立了該地區農牧結合生態系統的動力學模型，通過對種植業和養殖業內部組成結構比例實施調控，經過模型仿真運行，針對禹城市選出3種典型優化結構供決策者參考。雖然這3種優化方案的可行性有待經過實踐驗證，該模型還需要進一步完善，例如，隨著系統中養殖規模的擴大，有機肥的產出會不斷增加，必然會促使系統中化肥用量不斷減少，即減少對外部投人的依賴性，但是這一行為在該模型中沒有考慮，是因為有機肥和化肥的替代關系和平衡點沒有明確，需要經過試驗研究確定參數。但是，該模型充分展示了不同種養結構條件下系統的功能表現及其效果，為今后模擬農牧結合生態系統的發