基于SD模型的诸城市农业结构仿真优化研究*

莫际仙，王亚静，毕于运，周 珂，覃 诚，高春雨

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

0 引言

2016年发布的《国务院办公厅关于推进农村一二三产业融合发展的指导意见》提出，要加快农业结构调整，以农牧结合、农林结合、循环发展为导向，调整优化种养结构，加快发展种养循环农业[1]。2017年底，“中央一号文件”《中共中央、国务院关于深入推进农业供给侧结构性改革加快培育农业农村发展新动能的若干意见》指出，要在结构调整的基础上，发展新业态，扩大农业经济经营主体，以优化供给、农民增收作为农业农村经济工作的目标[2]。2018年“中央一号文件”提出构建农村一、二、三产业融合发展体系，大力开发农业多种功能，延长产业链、提升价值链、完善利益链[3]，这为农业结构调整指明了方向。当前，我国农业发展取得了显著的成绩，但农业内部结构脱节的现象越来越明显，种植业、养殖业与加工业配套衔接不紧密，资源环境硬约束与生产发展矛盾日益凸现[4]。农业结构调整是一个长期、动态的过程，须根据各地的资源优势和农业发展现状，进行系统研究和统筹规划，制定具体且切实可行的农业结构调整方案[5]。

农业结构优化研究方法主要有多目标规划、灰色关联分析、系统动力学、博弈分析等[6]，系统动力学采取定性与定量分析相结合的方法，描述系统发展受经济滞后、技术变化等影响的特点，目前一些学者运用系统动力学方法进行农业产业结构优化研究。白玫[7]最早尝试将系统动力学方法用于建立省级产业结构优化模型中；马飞等[8]运用系统动力学方法提出一种研究产业结构的新方法——跟踪最优控制模型；王翠霞[9]的农村生猪养殖区域生态系统管理反馈仿真及应用研究在一定程度上阐明了生猪规模养殖粪污问题；姜睿清[10]应用系统动力学方法进行江西农业产业结构优化发展研究。王雯[11]运用系统动力学方法构建了规模养殖沼气生态能源工程系统持续发展的治理模式。

文章以山东省诸城市作为研究对象，基于2005—2016年农业结构数据，构建诸城市农业结构系统动力学模型，预测2017—2035年诸城市农业结构的变化趋势，进行多情景仿真分析，提出优化调整建议，为当地政府制定农业结构调整政策提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区域概况

诸城市是山东省县级市，介于北纬35°42′23″～36°21′05″，东经119°0′19″～119°43′56″之间，地势南高北低，山地、丘陵、平原各占1/3。全市总面积2 183km2，辖10个镇、3个街道、1个省级经济开发区，共235个社区。2016年，总人口111万人，其中农业人口51.3万人。诸城市是山东省农业强市，全国粮食产粮大县、生猪家禽等畜产品优势区，农产品加工实力强劲，先后获得国家现代农业示范区、农产品质量安全示范县、国家农业产业化示范基地、全国休闲农业和乡村旅游示范县。全市耕地面积12.25万hm2，农作物总播种面积17.8万hm2，其中粮食作物播种面积13.31万hm2，产量85.8万t；瓜果菜播种面积2.65万hm2，产量122.9万t，生猪出栏233万头，家禽出栏7 036.3万只；种养结合新型经营组织1 276家。

但总体看，诸城市农业产业结构不合理、发展质量有待提高。突出表现在高效经济作物种植面积小，加工比例低，尚未培育出有市场影响力的品牌拳头产品；农业绿色、有机、无公害认证比例低，高端农产品供给能力仍需提高；农业创新水平有待提高，智慧农业、中医农业等新理念、新业态发展有待进一步加强。诸城农业进入了亟须转型升级、亟须改革突破、亟须补齐短板的重要拐点时期。农业产业结构调整对延长诸城市农业产业链条，促进农业产业升级，农业增效、农民致富，推进乡村振兴战略加快实施具有重要意义。

1.2 研究方法

系统动力学(System Dynamics，SD)是美国麻省理工学院教授福罗斯特(JAY.W Forrester)于1956年创立的[12]，它是以反馈理论和克生理论为基础，以计算机建立数学模型仿真为手段，从系统内部的动态结构与反馈机制出发进行系统思考，能较好看清复杂现象背后的本质[13]，是分析研究非线性复杂大系统和进行科学决策的一种有效的理论、方法和手段[14]。SD方法的优势是利用参数调控分析刻画系统环境变化和新对策实施后系统各要素的动态定量变化程度，具有揭示“牵一发而动全身”的定量变化功能，有利于对复杂系统规划实施的未来效应进行综合分析。

建立SD仿真模型一般包括以下程序：划定系统边界—确定子系统—确定系统指标—建立仿真模型—模型分析检验。表1为诸城市农业结构研究SD模型的边界范围。

表1 诸城市农业结构研究SD模型边界范围

1.3 系统构成及指标

按照实用性、问题导向性、系统性、可操作性原则，系统分析诸城市农业结构各要素相互关系和反馈机制，将农业结构系统分种植业子系统、种养结合子系统以及加工休闲子系统3个子系统，通过研究系统之间以及系统内部的因果反馈关系，确立了56个具体指标。

表2 诸城市农业结构SD模型变量

2 SD模型构建

2.1 系统模型

模型共涉及种植业、种养结合和加工休闲3个子系统，包含41个方程，15对状态变量、速率变量以及11个表函数，为简化起见，该文只列出20个主要方程。

2.1.1 种植业子系统

如图1所示，该子系统模型包括经济作物产量、粮食作物产量等4个水平变量；当年经济作物产量变化量、当年粮食作物产量变化量等4个速率变量；以及当年新增新型经营主体经济作物产量等17个辅助变量。

图1 种植业子系统模块存量流量

具体公式和主要方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

β(t)=1+SF(t)×δ1

(5)

FCvary(t)=IFTHENELSE(Time<2017，0，RANDOM NORMAL(4，8，6.25，9，TAMP(t)

×δ2+FC(t)×δ3))

(6)

式(1)～(5)中,GP(t)、VP(t)表示粮食作物、经济作物产量规模，CGP(t)、CVP(t)分别表示其每年的产量变化量；FGyield(t)、FVyield(t)分别表示新型经营主体粮食作物、经济作物单产，β(t)表示农业科技进步影响因子，FCvary(t)表示当年新增新型经营主体播种面积，FC(t)表示扶持资金投入，TAMP(t)表示农业机械总动力，∂1、∂2、δ1、δ2、δ3为变量参数。

2.1.2 种养结合子系统

图2 种养结合子系统模块存量流量

图2是农业结构中种养结合子系统模块存量流量图。图中包括当年家禽出栏量等5个水平变量、年生猪出栏变化量等5个速率变量、其他畜禽粪污排放量等10个辅助变量。

具体公式和主要方程为：

(7)

(8)

(9)

CLMU(t)=μ1×BFCvary(t)+μ2×ρ1(t)

(10)

CPK(t)=IFTHENELSE(Time≤2017，tab3(Time)，β1×BFCvary(t)+β2×CGP(t)+β3×CVP(t))

(11)

CLME(t)=TMNPP(t)(Time)+IFTHENELSE(Time≥2018，ε1×CPK(t)+ε2×CPT(t)，0)

(12)

式(7)～(12)中,PToutput(t)、PKoutput(t)、BFC(t)分别表示家禽出栏量、生猪出栏量、种养结合新型经营组织数，其当年变化量分别为CPT(t)、CPK(t)、BFCvary(t)；CLMU(t)畜禽粪污利用量变化量，ρ1(t)表示新增有机肥还田量，CLME(t)表示畜禽粪污排放量变化量，TMNPP(t)表示其他畜禽粪污排放量，T3(Time)表示2005至2015生猪出栏量表函数，β1、β2、β3、ε1、ε2、μ1、μ2为变量参数。

2.1.3 加工休闲子系统

图3模型是加工休闲子系统模块存量流量图。图5包括粮油加工业产值等5个水平变量、粮油加工业产值变化量等5个速率变量、农业总产值等9个辅助变量。

图3 加工休闲子系统模块存量流量

具体公式和主要方程为：

(13)

(14)

(15)

(16)

CPSM(t)=IFTHENELSE(Time≤2017，tab12(time)，a1×PSMo-valve(t)+η1×PKoutput(t)

+η2×PToutput(t))

(17)

CPVF(t)=IFTHENELSE(Time≤2017，tab15(time)，a2×PVFo-valve(t)+γ1×CVP(t))

(18)

CPGO(t)=IFTHENELSE(Time≤2017，tab13(time)，a3×PGOo-valve(t)+ν1×CGP(t))

(19)

式(13)～(19)中，PIo-valve(t)、PSMo-valve(t)、PVFo-valve(t)、PGOo-valve(t)分别表示休闲农业、屠宰肉类加工业、蔬菜水果坚果加工业、粮油加工业的产值，其年均变化量为CPI(t)、CPSM(t)、CPVF(t)、CPGO(t)，T12(Time)表示2005至2015屠宰肉类加工业产值表函数，T15(Time)表示2005至2015蔬菜水果坚果加工业产值表函数，T13(Time)表示2005至2015粮油加工业产值表函数，a1、η1、η2、a2、γ1、a3、ν1为变量参数。

2.2 参数的确定

上述主要方程的参数来源于历史数据处理或相关文献提取，详见表3。

表3 SD模型主要方程参数

2.3 SD模拟检验

将经过处理选取的指标参数写入SD模型，以2005年数据为基础，对2006—2015年模型模拟数据进行检验。通过与实际数值比对分析(表4)，模型各变量的误差率均小于5%，所考察的参数的模拟值与实际值相比吻合程度较好，模型有效且具有良好的强壮性。

3 诸城市农业结构SD模型模拟和仿真

3.1 模型模拟结果分析

3.1.1 粮食作物、经济作物产量变化情况

由图4、图5可见，2015—2035年，诸城市粮食作物播种面积以年均0.93%的速度逐年降低，由2015年的13.31万hm2下降到2035年的11.05万hm2，20年来降低2.26万hm2，下降幅度为16.97%；粮食作物产量由2015年的91.12万t下降到2035年的80.37万t，20年间下降了10.75万t，下降幅度为11.79%。经济作物面积由2015年的4.47万hm2上升到2035年的6.52万hm2，增长幅度为46%，年均增长率1.91%；预计2035年，经济作物产量为152.03万t，是2015年产量的1.27倍。

图4 2005—2035年粮食、经济作物播种面积模拟 图5 2005—2035年粮食、经济作物产量模拟

3.1.2 畜禽养殖及粪污利用情况

由图6可见，2035年生猪出栏量为286.15万头，家禽出栏量为1.105 231亿只，分别是2016年出栏量的1.26倍和1.57倍。生猪及畜禽出栏量的增加使得粪污排放量增加，由图7可见，2035年当地畜禽粪污排放量为891.8万t，较2016年增长了408.84万t，畜禽粪污利用率达到87.92%，20年间增长了13.05个百分点。种养结合新型经营主体到2035年增加到7 667户，是2016年的6.01倍。

3.1.3 农业及休闲农业产值变化

由图8、图9可见，2035年食品加工业产值为1 252.63亿元，较2016年增加821.36亿元，年均增长率为5.48%。其中，屠宰及肉类加工业产值为828.68亿元，年均增长率为4.74%，蔬菜、水果和坚果加工业产值为189.32亿元，年均增长率为9.2%。农业总产值为251.32亿元，其中畜牧业产值为106.30亿元，年均增长率为1.1%，种植业产值为73.41亿元，年均增长率为1.02%。休闲农业产值为41.12亿元，年均增长率为3.3%。

图8 2005—2035年食品加工业产值模拟 图9 2005—2035年农业总产值、休闲农业产值模拟

3.2 多情景条件下农业结构仿真分析

该文分别针对种植业子系统、种养结合子系统以及加工休闲子系统设置了不同的情景，对2017—2035年诸城市的农业结构进行优化仿真分析。

3.2.1 种植业结构优化仿真分析

从多个不确定因素中逐一找出对粮经作物产量有重要影响的变量，分析并测算这些变量对粮经作物产量的敏感程度，发现技术进步对粮经作物产量影响较显著。所以该文情景一假设农业科技进步影响因子年均增长2%。由图10、图11可见，2035年粮食作物产量为86.13万t，较优化前增加5.76万t；经济作物产量为180.17万t，较优化前增加28.14万t。产量增长的影响因素是利用了增收型技术，如培育优质、高产、多抗、广适、地方特色动植物新品种；引进高效农业新装备；培育适应轻简化、机械化栽培的农作物新品种和配套栽培技术等，将技术成果转化为生产力。经济作物与粮食作物结构优化、产量增加，增强了诸城市“菜篮子”产品供给和出口能力，提高农民经济效益。

图10 2005—2035年粮食作物产量仿真优化图 图11 2005—2035年经济作物产量仿真优化图

该文情景二假设新型经营组织扶持资金投入增加1%，2035年新型经营组织播种面积达到12.85万hm2，较优化前增加3.32万hm2，增幅为34.92%，占全市粮经作物播种面积的73.1%。耕种收综合机械化水平超过80%；农机合作社和粮食生产合作社服务的耕地面积比重达到68%，较优化前提升16%。政府在土地流转方面提供政策支持，促进家庭农场发展；在融资信贷方面给予扶持，解决龙头企业资金需求缺口；在产品销售方面给予足够支持，推动农业合作社发展。同时加大新型经营主体的税收减免政策，加大农村地区现有青年农民职业教育及培养力度，促进其由传统农民向职业农民转变，推动新型经营主体快速发展。

3.2.2 种养结合子系统优化仿真分析

该文情景三假设有机肥施用补贴增加3%。由图12、图13可见，2035年畜禽粪污利用量达到846.38万t，较优化前增长62.35万t，增幅为7.95%，畜禽粪污利用率将达到94.91%，较优化前提高了7.62个百分点；种养结合新型经营组织数达到1.023 9万户，较优化前增加了2 572户。有机肥补贴提高了农民使用畜禽粪污还田的积极性，同时增加了种养结合新型经营组织数，有利于推进畜禽规模化标准化养殖，产生种养结合成本节约效应，提高农户的经济效益。

农户对绿色有机果菜经济效益的认识具有滞后性和快速扩散性，前期滞后于市场的完善速度，随市场逐渐完善，较好的经济效益信息将在农户之间迅速传播[15]，农户对绿色有机果菜的认可度将快速提高，预计到2035年，诸城市绿色有机果菜经济效益将达到7 298.81万元，是2016年的2.87倍。随着有机肥生产加工的逐渐完善和有机果菜产业的培育壮大，畜禽粪污还田量将快速提高，到2035年，693.78万t畜禽粪污将全部以有机肥形式还田，较未优化时提高了91.31万t，增长幅度为15.16%；其肥力经折纯后，畜禽粪污氮、磷、钾的利用总量达到8.92万t，将促进全市化肥使用量大幅减少。

图12 2005—2035年畜禽粪污利用量仿真优化图 图13 2005—2035年畜禽粪污利用率仿真优化图

图14 2005—2035年食品加工业产值仿真优化变化图 图15 2005—2035年休闲农业产值仿真优化图

3.2.3 加工休闲子系统优化仿真分析

该文情景四假设农产品加工业的研发力度和科技投入增加1%。由图14可见，食品加工业产值对农产品加工业的研发力度和科技投入非常敏感，2035年食品加工业产值达到1 987.84亿元，较优化前增加735.21亿元，增长幅度为58.69%；农业总产值为275.85亿元，较优化前增加24.53亿元，增长幅度为9.76%，农产品加工业产值占农业总产值比值由优化前的3.25：1达到4.1：1。科技投入不断增加，推动新产品、新技术、新品种等支撑技术引进，促进产业提档升级，提高农业综合效益和竞争力。

该文情景五假设休闲农业产业扶持资金投入增加1%。由图15可见，休闲农业产值年均增长率将增加4%；2035年休闲农业产值达到108.57亿元，是优化前的1.89倍。休闲农业产业扶持，将完善休闲农业基础设施与配套工程建设，带动乡村特色民居与建筑保护、乡土民俗文化保护性开发，促进田园综合体、特色小镇、农业主题公园等休闲旅游综合体发展，形成一批经营特色化、管理规范化、服务标准化的国家级、省级乡村旅游示范点，加深文化创意农业主题公园建设，打造私人定制农业、创意农业景观等，促进休闲农业产值增加，加快诸城市休闲农业发展[18]。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)从模型模拟过程看，SD模型拟合的精确度较高，模型有效且具有良好的强壮性。根据SD模型模拟结果，诸城市农业粮经结构得到了进一步调整，2035年粮食作物比重降低9.59%，经济作物比重增加11.99%。当地畜牧业发展呈现出良好势头，畜禽养殖废弃物资源化利用进一步提升，到2035年畜禽粪污利用率达到89.87%，较2016年增长了15个百分点；种养结合新型经营组织数达到7 667户，是2016年的6.01倍。食品加工业产值、休闲农业产值、农业总产值稳步增加，年均增长率分别为5.48%、3.3%和1.1%。总体看，种养结合不够，畜禽粪污利用率有待提高，种植业、养殖业与加工业配套衔接仍有进一步优化空间。

(2)从仿真结果看，农业科技投入、有机肥补贴、加工业技术引进对农业结构优化发挥重要作用。增加种植业科技投入，使得农业机械技术和生物技术进步，分别提高当地劳动生产率和土地生产率，大幅提高单位面积产量，科技投入对经济作物和粮食作物增产效应明显。实施有机肥生产施用补贴政策，可以推动当地家庭农场、合作社发展为种养结合类型的新型经营组织，促进畜禽规模化标准化养殖，地区资源循环利用，形成良性循环的生态链。增加加工业科技投入，2035年农产品加工业产值占农业总产值比值达到4.1：1。

(3)该研究虽然获得了一些结论，但是仍然存在不足。一是在新的粮食国际与国内市场条件下，不断产生进出口等一些影响因素，为了尽量简化模型的情景，没有把这些因素放入模型中进行考察；二是模型在农产品价格上取2017年平均价格为基期价格，预期每年的价格以基期价格和通过膨胀率算出来的，但是不同规模的种植户会采用不同等级的优质品种、拥有不同等级的销售渠道、销售方式等，这些都会对农产品最终销售单价产生影响，下一步研究需要考虑这些因素。三是在构建模型的方程时，一些方程的参数借鉴相关研究成果，需要进一步验证和分析。

4.2 建议

基于模型模拟仿真的结果，综合考虑经济、技术、生态等方面，提出促进诸城市农业结构优化调整的政策建议。

(1)增加科技投入，提高农业效率。一是加大种植业生产中的农业科技投入，推广适用型农业机械；发展生物技术、信息技术、遥感技术、节水灌溉技术等农业高新技术；引进科研和生产急需的动植物种质资源及关键技术。完善和优化粮经作物生产设施结构，以全鲁科润、康盛源、舜丰、舜耕等公司为重点，打造省内最大、国内一流的农业科技孵化平台，发挥好农业高新技术科技孵化平台作用，建设组培中心、智能温室等配套设施，打造矮化密植苹果、大樱桃、马铃薯、茶叶、草莓等科研示范推广基地，创建山东半岛蔬菜育种核心区和全国果品苗木繁育高地。二是引进国内外新品种、新材料、新机械、新设备和新技术等。发展农产品储藏、保鲜、深加工和综合利用技术，研发低温加工、保鲜加工、冷藏等农产品加工关键技术与科技创新；组建农产品物流产业技术创新研发基地，不断创新冷链物流关键技术及其流通模式。开展农产品质量安全检验检测体系、标准化生产体系、基于物联网的农产品质量安全追溯体系和动植物疫病防控体系建设等。

(2)推进有机肥利用，加快种养结合发展。一是根据当地发展状况、生态环境和资源禀赋差异，结合国家政策，制定种养业协调高效发展规划方案，明确种养业协调发展的总体思路和目标，提出种养业协调发展重点任务、发展模式。二是引导和鼓励社会资金积极参与有机肥资源开发和利用，建立有机肥资源利用的管理、考评制度，对有机肥生产和施用进行补贴；在养殖密集区域设置县(乡镇、村)或区域性收集点，成立合作社和收集服务队；扶持建设有机肥加工企业；推动养殖业主体与有机肥加工企业的有效对接。三是推广种养一体化、“三改两分再利用”、污水深度处理和养殖密集区废弃物集中处理模式，鼓励发展农牧结合型生态养殖模式，在畜禽养殖集中区域要考虑是否有足够的农田消纳粪污和提供优质饲料，走“土地—种植业—畜禽养殖业”三位一体的种养业有机结合的道路。引导和鼓励新型农业经营主体逐步构建“种养结合、产业融合、可持续发展”的生态农业循环产业链。

(3)扶持新型经营主体，促进产业联合。一是打造得利斯、诸城外贸等一批带动作用明显、综合实力强、稳定可持续发展的农业产业化联合体，完善要素利益共享机制。二是实施农业新型经营主体“扩面提质”工程，建立健全农民专业合作社、家庭农场定期考评、管理和退出机制，促进合作社、家庭农场规范化建设。三是推动农业龙头企业做大做强。加强肉禽、果蔬、茶叶等先进加工技术引进，重点扶持一批科技含量高、规模大、竞争力强的龙头企业和流通企业。四是建立家庭农场、合作社培训制度，强化人才引进，鼓励农业技术人员、农村能人、高校毕业生领办合作社，着力提升新型经营主体人才信息建设水平。五是完善相关配套扶持政策。扩大扶持资金规模，制定农业产业联合体扶持政策，支持符合条件的农业专业合作社、家庭农场优先承担涉农项目，新增农业补贴向新型经营主体倾斜。