生物技术应用在经济结构以及资源环境上的作用研究

田谧+张尚美+于冷+赵子健

摘要：就我国目前的情况来看，农业粗放发展的问题非常严重，一个可能的解决途径是利用生物技术的研发与应用，从连续三年中央“一号文件”内容来看，尤其提到了生物技术。目前来看，三大主粮中，玉米的供需矛盾尤为严重，生物技术应用可能成为解决的一个思路。文章利用DNDC模型测算了中国玉米新品种种植的增产效应，并将其作为技术冲击引入了CGE模型，模拟了在全国推进玉米新品种种植的若干情景，以此评估这一技术应用对经济结构、资源节约以及环境保护带来的影响。研究发现：（1）玉米新品种种植会产生积极的增产作用，增幅约为4.87%；（2）生物技术带来的增产作用在经济运行中可以得到有效扩散，促进整体经济增长；（3）经济结构变迁可以节约能源安全，有助于维护我国能源安全；（4）能源依赖度降低有力地减少了二氧化碳排放量，会对环境保护产生积极作用。

关键词：生物技术应用；DNDC模型；可计算一般均衡模型

一、 引言

截止2015年底，我国粮食生产已经连续十二年丰产，意义重大。我们仅使用了世界9%的耕地、6%的淡水，养育了20%的人口。为了保证充足的粮食供给，克服气候、地少水缺等资源约束，对于不足世界一成的耕地面积，我国投入了全球近四成的化肥，单位农药使用量是世界平均的2.5倍，产生了严重的污染，阻碍农业可持续发展，并对食品安全造成隐患。

早在1988年9月，邓小平同志在《科学技术是第一生产力》中就指出：“将来农业问题的出路，最终要由生物工程来解决，要靠尖端技术”，生物技术从那时起就开始作为国家技术革命的重要组成部分。高新技术育种一直是农业战略发展的核心，近三年的中央一号文件更是连续提及生物技术的发展战略，国家的态度逐渐明确。2014年提出“加强以分子育种 为重点的基础研究和生物技术开发”，到2015年开始使用“转基因”字眼——“加强农业转基因生物技术研究、安全管理、科学普及”，至2016年进一步提出的“加强转基因技术研发和监管，在确保安全的基础上慎重推广”，逐步将生物技术的发展战略从科研领域扩大到应用层面。

推广和应用意味着新品种作物要实现种植，农业部在4月13日的发布会上对此制定的路线是首先发展非食用经济作物，其次是饲料、加工原料作物，再次是一般食用作物，最后是口粮作物，走“非食用→间接食用→食用”路线。玉米可用于榨油、生产饲料以及玉米乙醇，是阶段性产业化发展的主要对象之一。农业部同时积极推进科研立项，研究重点落在技术可行性的论证，而本文关注育种技术进步之后带来的一系列经济和环境效应。

玉米作为第一大主粮，也是我国粮食连年增产的主力，播种面积和总产量仅次于美国。其用途十分广泛，可从种子、原粮到畜牧饲料、工业原料和生物质能源，在增加农民收入、维护国家粮食安全等方面发挥着巨大作用。然而面对价格倒挂、进口增加、库存过度等一系列矛盾，玉米产业面临转型。国内对于作为原材料的低价玉米需求一直存在巨大缺口（毛爽等，2012），如何从根本上降低生产成本、降低价格、盘活产业成为了亟需考虑的问题。

生物技术应用使得玉米作为世界上技术成熟，种植面积最广的主粮作物，由于具备优良特性（抗除草剂、抗病虫害、抗旱等），面对水土资源约束、气候变化、粮食安全、产业发展、能源供给等多方问题，有可能成为一个现实解决方案。尤其是东三省和内蒙古已率先取消玉米临储政策，这意味着玉米价格将转为主要由市场供需形成，玉米产业面临重大结构调整。面对市场环境，成本较低的良种玉米极具种植优势。一旦发展，可以在很大程度上实现原材料自给，抑制进口，利于国内饲料、畜牧业、工业、药用、能源乙醇等行业生存发展。

因此探讨我国新品种玉米种植前景具有重要理论和现实意义。本文首先使用DNDC（DeNitrification-DeComposition，反硝化—分解作用）模型测度玉米新品种的增产效应，接着将得到的增产系数作为种子改良通技术作为外生冲击，与CGE（Computable General Equilibrium Model，可计算一般均衡模型）进行软连接（Soft Link），模拟全国范围内的新品种玉米商业化前景，分析其带来的经济效应与资源环境方面影响。

二、 文献综述

关于生物技术商业化探讨，之前大多研究针对单一市场种植的经济评估，例如赵芝俊等（2010）运用DREAM产业模型计算抗虫玉米的经济影响。本文意图考察种植新品种玉米对于上中下游以及整个经济体的影响，因此选用CGE模型。

有不少学者运用CGE模型研究与农业相关的问题，大多聚焦在农产品价格、贸易、粮食安全和政策评估方面（如樊明太，2005；周曙东，2009；夏伊利，2009；梁伟，2013；吴永民，2014；董莹和穆月英，2015；刘亦文和胡宗义，2014/2015）。

本文将新品种玉米的增产效应作为切入点，而在产量变化百分比这一重要参数的设置上，一些研究采用的是假设值，如展进涛等（2015）假设转基因水稻产出增长10%和15%，李喜明等（2013）假设玉米产量变动比例分别为5%，10%和15%。现实中增产是多方因素共同导致的复杂结果，可能由种植面积扩张、品种改良、增加生产资料投入等原因导致。本文聚焦种子从“传统”到“新品种”这一因素变动导致的产量增长，采用DNDC模型，仅改变作物参数来计算对应的增产率。而DNDC作为一个成熟的模型，主要用于研究作物的碳、氮循环，为农业技术层面提供研究支持（如杨黎等，2014；陈海心等，2014；张赛，2014）。

关于玉米技术进步，黄季焜和杨军（2014）引入不同品种的新品种玉米，通过设置不同产量比例的情景来展现科技进步对中国玉米和相关农产品的供需、价格乃至经济整体的影响。本文将更多的重点放在技术进步对于宏观经济（不仅包括农业，还包括第二、第三产业）、资源以及环境方面的影响。

由此可见，对于作物生物技术应用对于宏观经济的作用，乃至资源节约和环境保护方面的影响，存在可探讨的空间。本文以玉米为例，模拟在全国范围内进行不同程度的作物新品种替代，模拟其经济效应，并探讨其种植是否对资源、环境产生了积极作用。

三、 基于DNDC模型的玉米生物技术增产效应测度

DNDC即Denitrification-Decomposition（即“反硝化-分解作用”）的缩写，是基于农业土壤中碳、氮元素的地球-化学变化规律的模型，由美国新罕布什尔大学（University of New Hampshire）李长生教授及其团队研发。

DNDC数据库将全国划分成2 743个格点，每个格点都具备GIS数据（即地理信息系统）和气象数据，目前最新数据库对应2007年。作物通过三个特征参数来体现，即最大产量（Max Grain Yield C，kgC/ha）、生长积温（TDD，℃）和需水量（Water Demand，千克水/千克干物质）。中国目前只种植传统玉米（参数依次为4 123、2 550、150），本文将美国实际的基因改良玉米种植参数（4 550、2 500、150）放入中国的土壤、气候等条件状况下运行模型。

本文对土壤参数取均值，并将全灌溉和零灌溉加权。省区产量计算公式为：

省区新品种玉米产量=全灌溉的新品种玉米产量*省区灌溉率+零灌溉的新品种玉米产量*（1-省区灌溉率）

省区传统玉米产量=全灌溉的传统玉米产量*省区灌溉率 + 零灌溉的传统玉米产量*（1-省区灌溉率）

计算发现增产幅度地区差异较大，全国层面的增产均幅为4.87%。由于玉米广泛种植，基数大，这个比例意味着很大的增量，会对整个国家的经济、资源、环境等方面将产生一系列影响：如价格、播种面积、生产资料、相关上、中、下游行业等变动。本文下一步将针对这些经济层面上的系统变化，通过CGE进行模拟与评估。

四、 新品种玉米种植影响的CGE模型

Computable General Equilibrium（CGE）Model即为可计算一般均衡模型，将瓦尔拉斯的一般均衡理论变为描述现实经济的模型（Dixon et al.， 1996），并成为可计算的数值模型，在国民经济、贸易、环境、财政、税收以及公共政策等领域得到了广泛应用。

本文采用的单国CGE模型覆盖了58个行业（将原玉米（A03）拆解为两个行业，分别为A03：传统玉米，A04：新品种玉米，合计58），CGE模型结构以翟凡等（1997）创建的中国经济CGE为基础，对应方程可以分别归入生产模块、价格模块、收入支出模块、贸易模块、和闭合模块。

本文的数据基础包括两部分，即社会核算矩阵（Social Accounting Matrix，简称SAM表）和外生参数。SAM表为矩阵的形式，展示一个经济系统中的生产行为以及各主体行为之间的关系，对于CGE来说，AM表为模型中的内生变量提供初始值，且模型中的许多参数必须利用SAM表中的数据予以标定。由于数据统计口径不同，所以往往无法直接匹配，需要进行平滑。数据平滑是依据D. Roland-Holstand 和 D. van der Mensbrugghe（2009）中应用的结构，采用Robinson、Cattaneo 和 El-Said（2001）的CE（Cross Entropy，CE）方法，主要源于Kullback 和 Leibler（1951）提出的交叉熵值最小化概念。

平滑之后对变量与参数进行赋值，模型中CES生产函数的弹性值与进出口合成弹性主要参考了蔡松锋（2011）。工资差别系数philj为《中国统计年鉴（2008）》“各地区按行业分城镇单位就业人员平均劳动报酬”表中各行业平均工资除以整体平均工资的商值。土地和资本回报调整参数phikj、phidj的计算主要基于中国统计部门编制的投入产出表。

五、 新品种玉米种植在经济结构以及资源环境上的作用仿真

运用上文构建的玉米新品种CGE模型来模拟在国内范围内种植不同比例传统玉米的情景，并探讨其对经济结构的效应，并着重分析资源环境方面的影响。

1. 情景设计。玉米替代是个渐进过程，新品种玉米对传统玉米的替代比例分别设置为20%、40%、60%、80%和100%（完全替代）这五个情景。国内的玉米消费包含两块，即生产过程的中间投入和居民直接消费。

2. 不同情景的模拟结果与分析。

（1）不同情景下国民经济的变动分析。CGE模拟结果显示，随着替代幅度的提升，GDP、三大产业增加值和社会福利都有逐步增长。可以说，生物技术带来的增产作用在经济运行中得到了扩散，有利于经济增长。而三大产业增速不一样，主要因为：第一，玉米增产之后，耕地面积需求减少，土地资源会释放出来种植其他作物，使得第一产业增长较快；第二，玉米种植过程中农资用品使用的减少削弱了经济对于第二产业的依赖度，部分生产要素流入第三产业，使得第三产业增加较快。这种发展是可持续的，并且使得社会福利增速快于GDP，福利惠及广大消费者。

（2）不同情景下能源生产的变动分析。本文测度了化石能源生产和使用的变化情况，并结合《中国能源统计年鉴》中的能源实物量数据和各类化石能源二氧化碳转换系数计算了二氧化碳排放量变化。模拟结果表明：随着新品种玉米种植比例的提升，经济结构得到优化，从而对于能源的依赖度降低，主要能源品种的生产量均减少。鉴于化石能源我国产量巨大，即使是微小的减产比例，也能节约可观的能源实物量。

（3）不同情景下能源消费的变动分析。模型还计算了不同情景下煤炭、石油和天然气消费量的变动比率。结果表明，随着新品种玉米种植比例的提升，经济结构调整而减少了经济体对能源需求的依赖，三种主要能源品的消费都得到了抑制。根据化石能源消耗节约量乘以对应的能源二氧化碳排放系数（秦昌波，2014），可以获得二氧化碳减排量，在完全替代情景下，对我国煤炭需求减少30万吨，石油7万吨与天然气0.146亿立方米，且对于整体二氧化碳排放减少104.42万吨。整体而言，新品种玉米的种植与投入生产，对于国家整体资源压力缓解、温室效应抑制、大气质量改善、与贯彻国家低碳发展理念皆具有积极作用。

六、 研究总结与政策建议

本文首先通过DNDC模型测度了新品种玉米的增产效应，接着将此增产冲击引入CGE模型，通过多情景仿真探讨了玉米的生物技术应用对经济发展，尤其是资源节约和环境保护的影响。取得的主要结论如下：

1. 玉米新品种种植会产生积极的增产作用，平均增产幅度大致为4.87%，不同省份差异较大。

2. 就CGE模拟结果来看，生物技术带来的增产作用在经济运行中得到了有效扩散，促进了整体经济增长。三大产业的增速不一致，一、三产业增幅较快，这种结构上的变迁是符合社会发展需要的，使得社会福利增速快于GDP，经济增长的利益惠及到了居民户。

3. 经济结构的变迁降低了能源依赖度，从而节约了能源资源。尽管主要能源行业减产幅度很有限，但鉴于巨大的行业产量基数，节约量是十分可观的。

4. 能源依赖度降低同样表现在消费层面，有力地减少了二氧化碳排放量，能源绝对量的节约以及相应的二氧化碳排放量较为可观，这对于缓解资源压力、抑制温室效应、改善大气质量、贯彻国家低碳发展理念产生了积极作用。

基于如上结论，考虑我国实际状况，本文提出如下建议：在新品种增产效应较高的省份优化推广新品种玉米种植，提高当地玉米生产的核心竞争力。在新品种玉米消费方面，政府可以先从非食用领域切入。玉米是重要的为工业原材料，若是用于制造清洁能源，可以进一步减少经济对于石油的依赖度，体现资源环境效益。在消费者层面，部分消费者生物技术应用认知存在误区，需要政府着力去减少其中的信息不对称问题，科普与宣传是最为重要的渠道。

参考文献：

[1] 毛爽，高庆鹏，朱丰超.未来国际市场对中国玉米进口的适应性分析[J].世界农业，2012，（5）：57-62.

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[3] 樊明太，郑玉歆，齐舒畅，陈杰.中国贸易自由化及其对粮食安全的影响——一个基于中国农业CGE模型的应用分析[J].农业经济问题，2005，（S1）：3-13

[4] 周曙东，崔奇峰，吴强.美国发展生物质能源对国际市场玉米价格、贸易与生产格局的影响——基于CGE的模拟分析[J].中国农村经济，2009，（1）：82-91.

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[9] 刘亦文，胡宗义.能源技术变动对中国经济和能源环境的影响——基于一个动态可计算一般均衡模型的分析[J].中国软科学，2014，（4）：43-57.

基金项目：国家自然科学基金重点项目群之重点项目“气候变化背景下低碳农林业发展战略及政策研究：基于作用、潜力和成本效益的分析”（项目号：71333010）；国家自然科学基金项目“中国转基因玉米商业化市场前景及其经济影响研究”（项目号：71573173）；上海交通大学博士后研究基金（项目号：14X100030025）。

作者简介：于冷（1966-），男，汉族，吉林省长春市人，上海交通大学安泰经济与管理学院教授、博士生导师，研究方向为农业经济学；田谧（1986-），女，汉族，江苏省昆山市人，上海交通大学安泰经济与管理学院博士生，研究方向为食品经济学；张尚美（1994-），女，汉族，陕西省西安市人，上海交通大学安泰经济与管理学院本科生，研究方向为金融学；赵子健（1984-），男，上海市人，上海交通大学安泰经济与管理学院博士后，研究方向为产业经济学。

收稿日期：2016-11-11。