国内耕地资源与中国粮食生产能力演进的动态仿真

20世纪80年代，由于人口的急剧增长引发对粮食的巨大需求，中国开始采用高强度的耕地利用模式以提高粮食产量，却造成国内耕地资源的供给质量日益恶化。耕地资源的供给质量恶化会对国内耕地资源的有效供给形成巨大的约束；如果国内耕地资源的有效供给不足，将会严重威胁中国的粮食安全。但是，鉴于高强度的耕地利用模式在造成耕地资源供给质量恶化的同时，也会带来粮食产量的攀升，因此需要从全局的角度进一步考察其对中国粮食安全的影响。本章通过构建系统仿真模型，模拟高强度耕地利用模式下中国粮食生产能力的演变路径，从而考察高强度耕地利用模式对中国粮食安全带来的影响。

（一）研究方法说明

由于粮食生产系统是一个复杂、高阶、非线性的系统，而传统的经济模型方法作为一种黑箱方法，过分倚重数量上的精确运算，却无法揭示系统内部变量间相互影响与作用的运行机制，因此，本章选用系统动力学（System Dynamics）方法，研究高强度耕地利用模式下中国粮食生产能力的演进路径。系统动力学方法是一种白箱方法，建立在对结构方程模拟的基础之上，可以模拟刻画系统关键运作环节的传导机制和演进过程。目前，该分析方法已被广泛应用于经济分析的微观层面如企业生产管理、库存管理，以及宏观层面如社会经济系统分析等领域（王其藩，2009）。其中，Meadows（1976）最早将系统动力学方法引入农业生产领域，他基于人口变化的视角探讨了美国粮食的供需状况；Bach ＆ Saeed（1992）采用系统动力学方法，较为深入地考察了越南粮食自给率的演变态势，同时进行了多项政策模拟；Quinn（2002）将人口变化、粮食生产、经济可持续发展同时纳入系统动力学框架进行仿真模拟；Georgiadis et al.（2004）基于系统动力学方法分析了粮食供应链的内在运行机制，探讨了粮食供应链的最优管理模式，为决策者的行为提供了可靠依据。此后，国内部分学者（梅方权，2006；王海燕等，2007）开始尝试运用系统动力学方法研究粮食安全的相关问题。

（二）系统结构设定

本章借鉴Bach ＆ Saeed（1992）的研究成果，构建以人口数量、粮食产量、耕地质量为主体的中国粮食生产能力动态仿真系统，模拟高强度耕地利用模式下中国粮食生产能力的演进路径。粮食生产能力是指由耕地资源、水资源、资本、劳动力、科技等要素的投入能力及配置方式所决定、由粮食产量所表现、能够相对稳定地实现一定产量的粮食产出能力（马晓河和蓝海涛，2008），因此，本章认为，粮食产量是反映粮食生产能力的绝对指标，人均粮食产量、粮食自给率取决于人均粮食产量和人均粮食需求，是反映粮食生产能力的相对指标，三者在某种意义上是等同的。

图7.5　中国粮食生产能力演进的动态循环回路

注：带箭头的曲线表明两个要素之间存在因果关系，正号（+）表示正相关关系，负号（-）表示负相关关系。一旦因果链相连成环，就构成反馈回路。

本章以粮食自给率为例阐释系统的内在循环机理。本系统假设耕地资源的供给数量和人均粮食需求^[3]保持不变，因此粮食自给率取决于粮食产量和人口数量，当人口数量增加引起粮食自给率逐步下降时，会产生四种动态循环回路（图7.5）：①由于粮食是满足人体生理需求的刚性消费品，因此当粮食自给率降至较低水平时，人口的平均寿命开始缩短，每年死亡的人口数量不断增加，于是，粮食自给率将逐步回升，此时构成负反馈循环回路；②粮食自给率下降会促使农业生产者增加农业投资以改善耕地资源的供给质量，耕地质量的改善有助于提高粮食单产，从而增加粮食产量和提升粮食自给率，此时构成负反馈循环回路；③由于耕地资源供给数量有限且耕地质量的改善是一个长期渐进的过程，因此，粮食自给率下降会促使农业生产者采用高强度的耕地利用模式以保障粮食安全，高强度的耕地利用模式可以在短期大幅增加粮食产量和提升粮食自给率，此时构成负反馈循环回路；④高强度的耕地利用模式却会在长期造成耕地资源供给质量严重恶化，进而造成耕地资源有效供给急剧下滑，于是，会使得粮食产量逐步衰减，从而陷入粮食自给率不断下降的恶性循环，此时构成正反馈循环回路。粮食自给率的演变态势将取决于上述四种动态循环回路的相对强度大小。具体地，本章编写DYNAMO语言，采用系统动力学软件Vensim-PLE，以1980年为运行起步期、一个年度为运行步长，建立一个历时50年的中国粮食生产能力动态仿真系统（图7.6）。该仿真系统主要由人口子系统、粮食子系统、生态子系统构成，分别反映人口数量、粮食产量、耕地质量的变化。

1.人口子系统

图7.6　中国粮食生产能力演进的动态仿真系统

影响人口数量的因素包括每年的出生人口和死亡人口。每年出生的人口数目和人口数量形成正反馈循环，导致中国人口数量呈现指数型增长态势。每年出生的人口数目由中青年的人口数目和人口出生率共同决定，其中，中青年的人口数目取决于中国的人口比例，人口出生率可以用每对夫妇的子女数和女性的育龄跨度表示。由于中国的计划生育政策使得每对夫妇的生育子女数基本维持在1～2个，因此系统假定每对夫妇生育的子女数为1.5个，而女性的育龄跨度约为22.5年；每年死亡的人口数目与人口数量构成负反馈循环，有利于限制人口过快增长。每年死亡的人口数目由人口数量和人口的平均寿命共同决定。粮食作为满足人体生理需求的刚性消费品，其数量的多寡将直接影响人口的平均寿命，因此系统假设人口的平均寿命是粮食自给率的一个非线性渐进递减函数，随着粮食自给率的下降，人口的平均寿命将逐步减少，从而导致每年死亡的人口数目增加。

2.粮食子系统

粮食产量由粮食单产和耕地资源的有效供给共同决定。系统假设耕地资源的供给数量不变，因此，耕地资源的有效供给取决于耕地资源的供给质量，即优质耕地和劣质耕地各自所占的比例。当粮食产量不足即粮食自给率较低时，农业生产者会增加农业投资以促使劣质耕地向优质耕地的转化，优质耕地的增加有利于提高粮食单产进而增加粮食产量。但由于耕地质量的改善是一个长期渐进的过程，无法在短期内迅速提高粮食产量，因此，农业生产者更愿意采用扩大灌溉面积、允许耕地复种、加大化肥投入、播种耗能高产的粮食品种等高强度的耕地利用措施以获得短期内的粮食增产。其中，耕地利用指数是量化耕地资源利用强度的一个重要指标。本章假设耕地利用指数是灌溉比例的线性递增函数，而粮食单产又是耕地利用指数的线性递增函数。当粮食自给率不足时，高强度的耕地利用模式会导致灌溉比例的增加速率加大，使得耕地利用指数增加，而耕地利用指数增加会迅速提高粮食单产，进而增加粮食产量。此外，较低粮食自给率也会促使农业生产者提高粮食收获比例的增加速率，收获比例的加速增加有助于氮元素及时通过作物返还的渠道回到耕地土壤当中。

3.生态子系统

粮食作物生长所需的营养元素分为大量营养元素和微量营养元素两大类。在大量营养元素中，氮元素与粮食单产存在显著的正相关关系，且对粮食作物的生长起着重要的作用，因此，本章选取氮元素作为大量营养元素的典型代表，将氮循环纳入系统仿真模型。氮元素主要通过化肥输入、作物归还等方式进入耕地土壤，作物携走、淋溶下渗则会使得氮元素从耕地土壤中流失（王激清等，2007）。其中，淋溶下渗的速度依赖于耕地土壤中腐殖质的存量，而作物携走的氮元素随后又会随着粮食作物的收获而发生转移。微量营养元素大多蕴藏于耕地土壤的腐殖质中，因此本章将腐殖质循环纳入系统仿真模型。耕地土壤中的腐殖质含量并非是一成不变的，动植物残体的腐化输入会逐步增加现有的腐殖质含量，而氧化作用的发生则会使腐殖质含量缓慢减少。耕地的氮元素和腐殖质含量的多寡会直接影响耕地资源供给质量的优劣，两者的含量越多，则耕地资源的供给质量越好。

高强度的耕地利用模式会引起耕地资源的供给质量出现恶化。在微观层面，其会导致腐殖质和氮元素的含量减少。随着耕地资源利用强度的增加，一方面，动植物残体的腐化输入过程遭到破坏，使得动植物残体的腐化输入速率下降，同时耕地土壤裸露在空气中的表面积逐步扩大，腐殖质的氧化输出速率增加；另一方面，耕地的承载力不断加大，从而制约了氮元素通过作物归还的方式回到耕地土壤当中，导致氮元素的含量减少。在宏观层面，大幅灌溉等高强度耕地利用措施会加大优质耕地向劣质耕地的转化速率。比如，大幅灌溉会破坏土壤养分的蓄积过程，广泛施肥容易造成土壤的酸化板结，耕地复种、播种耗能高产的粮食作物品种会使土壤养分被粮食作物大量吸收，引起耕地的营养物质急剧减少。耕地腐殖质和氮元素含量的减少会通过影响作物生物质含量的渠道间接使得粮食的单产水平下降，优质耕地向劣质耕地的转化则会直接引起耕地资源的有效供给减少，两者共同造成粮食产量的下降。

（一）历史模拟检验

为了确保模型结论的正确性，本章基于1990—2010年的历史数据对系统动力学模型的可信度进行检验。具体地，本章将采用均方根误差百分比（RMSPE）、平均绝对误差百分比（MAPE）、Theil不等系数（Theil IC）等多个统计指标，从而判断粮食总产量、人口总量的动态模拟误差。

RMSPE和MAPE是相对误差的评估标准，其数值越小，代表模型的模拟能力越强、可信程度越高。一般认为，如果RMSPE和MAPE均低于10%，则模型的动态模拟误差较小。它们的数学表达式如下：

其中，Y_t表示历史序列的实际值，表示模拟序列的模拟值，表示模拟误差，n表示模拟的样本个数。

Theil IC同样是一个评价模型模拟精度的较为有效的指标，一般认为，Theil IC不应大于0.1，其数值越小越好，其数学表达式如下：

表7.1给出了系统仿真模型中的粮食产量和人口数量这两个关键变量的动态检验结果。其中，RMSPE和MAPE均小于5%，而Theil IC在0.02左右，接近于0，这表明本章建立的中国粮食生产能力动态仿真系统不存在较大的系统性偏差，具有较高的历史有效性。

表7.1　系统仿真模型的动态模拟检验结果

（二）仿真结果分析

本章基于系统仿真模型得到关于优质耕地数量、劣质耕地数量、耕地氮元素、耕地腐殖质、粮食产量、人均粮食产量、人口总量、粮食自给率等八个重要参数的动态仿真结果。

（1）中国耕地资源的供给质量始终呈现出下降的趋势。在宏观层面，图7.7表明，中国的优质耕地面积由6000万公顷下降至3140万公顷，同时劣质耕地面积由8000万公顷上升至10860万公顷；在微观层面（图7.8），耕地的腐殖质含量不断减少而氮元素含量波动剧烈。腐殖质作为耕地的一项重要营养物质，其形成是一个长期缓慢的过程，而氮元素大多可以通过作物归还重新迅速进入土壤，与氮元素相比，腐殖质含量更能有效反映耕地资源的供给质量，腐殖质含量持续下降表明耕地土壤肥力和养分的不断流失。因此，大幅灌溉、允许复种、广泛施肥、播种耗能高产的粮食作物品种等耕地资源的高强度利用措施会导致耕地资源的供给质量严重恶化，该恶化速率已经远远超过农业生产者通过农业投资从而改善耕地资源供给质量的速率。

图7.7　劣质耕地面积和优质耕地面积的动态仿真结果

图7.8　耕地腐殖质和氮元素含量的动态仿真结果

（2）中国的粮食生产能力呈现出先上升后下降的态势。图7.9和图7.10表明，1980—2020年期间，尽管人口的快速增长带来了巨大的粮食需求，但中国的高强度耕地利用模式促使粮食产量获得持续高速的增长，保证了人均粮食产量维持在较高水平，人均粮食产量在部分年份甚至超过400千克，基本可以实现粮食的自给自足。然而，自2018年开始，粮食产量由上升态势转而开始缓慢下降。此外，由于人口迅速增长带来的巨大压力，人均粮食产量也迅速下降，尤其是在2025年以后，中国的粮食自给率甚至降至90%，低于95%的警戒线。在2030年，中国的人均粮食产量降至308千克，甚至低于20世纪80年代初的水平，远远不能满足人体的正常生理需求。其中，早期耕地资源利用过度引致的耕地资源供给质量低下，是造成中国粮食生产能力出现衰减的重要原因。因此，中国目前的高强度耕地利用模式仅仅可以在短期内保证粮食的足量供给，却削减了长期的粮食生产能力，严重威胁中国的粮食安全。

图7.9　粮食产量和人均粮食产量的动态仿真结果

图7.10　粮食自给率和人口数量的动态仿真结果

耕地资源的高强度利用会产生两种效应：①使粮食单产大幅提高，从而导致粮食产量增加；②加速优质耕地向劣质耕地的转化，导致耕地资源的有效供给不足，进而导致粮食产量减少。对中国粮食生产能力演进的动态仿真结果表明，在短期，前者占据主导作用，可以使中国暂时摆脱粮食供给不足的困境；在长期，后者占据主导作用，耕地资源有效供给不足的危害效应强烈显现，造成粮食生产能力逐步衰退，其危害程度远远超过先前由于粮食单产上升带来的好处。因此，高强度的耕地利用模式会造成耕地资源有效供给严重不足，以牺牲长期的粮食安全为代价换取短暂的粮食增产，此种粮食生产模式是不可取的。

20世纪80年代以来，中国开始逐步由传统的计划经济体制向社会主义市场经济体制转型，却始终未能避免高强度的耕地利用模式所引致的耕地资源有效供给减少的困境。究其原因，主要是由于耕地资源供给质量下降所带来的外部成本未能得到充分的内部化。在计划经济主导的时期，政府是农业生产的决策者，其首要目标是增加粮食产量，因此，他们往往激励农业生产者提升粮食产量以满足日益扩大的粮食需求，而并未对保护耕地资源供给质量做出相关激励。因此，农业生产者更愿意过度利用耕地资源以使得粮食大幅增产，而不愿意维护耕地资源的供给质量。随着市场经济对计划经济的逐步取代，农业生产者取代政府成为农业生产的决策者，此时，他们会将有限的耕地资源视为一种不存在稀缺价值和机会成本的免费资源，即他们在享受耕地资源质量恶化所产生的利益的同时，无须为此付出高昂的成本。所以，他们更倾向于选择高强度的耕地利用模式，试图在短期内大幅增加粮食产量以实现自身利益最大化。

在耕地资源数量有限、人口迅速增长的情况下，耕地资源供给质量恶化带来的外部成本无法得到充分的内部化，导致耕地资源的高强度利用模式愈演愈烈。为了从全局的角度考察高强度耕地利用模式对中国粮食安全的影响，本章通过系统动力学方法，仿真模拟了中国粮食生产能力的演进路径。模拟结果表明，现阶段中国的高强度耕地利用模式不具有可持续性，尽管其会在短期内促使粮食单产以及粮食产量出现大幅提升，但是从长期来看是危害极大的，会导致耕地资源有效供给严重不足，粮食产量逐步下降，威胁中国的粮食安全。