農(nóng)業(yè)面源污染管理政策調(diào)控仿真模型研究進(jìn)展

吳 鋒,曾麟嵐,劉桂君

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

農(nóng)田氮磷營養(yǎng)物流失是流域水環(huán)境污染的重要風(fēng)險(xiǎn)源,其污染物具有廣域分散性、相對(duì)微量且運(yùn)移途徑多樣無序性特征,是環(huán)境污染治理的難點(diǎn),嚴(yán)重影響了河湖水環(huán)境安全,同時(shí)制約著農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。中國農(nóng)業(yè)自然資源“水土光熱”匹配的耕地面積只占國土面積的9%,糧食安全需求導(dǎo)致投入要素的增加,特別是農(nóng)藥與化肥等化學(xué)品投入的增加加劇了面源污染風(fēng)險(xiǎn)。2015年國家發(fā)布《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》,通過測土配方施肥、畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用、水肥一體、秸稈還田等一系列面源污染防治措施,化肥施用量及施用強(qiáng)度逐漸降低,至2019年年均下降率超過了10%。其中2019年化肥施用強(qiáng)度已下降至326kg/hm2,但仍高于發(fā)達(dá)國家設(shè)置的安全上限(225kg/hm2),種植業(yè)污染負(fù)荷量仍具有較大的調(diào)控空間。2021年3月,生態(tài)環(huán)境部頒布《農(nóng)業(yè)面源污染治理與監(jiān)督指導(dǎo)實(shí)施方案(試行)》,提出2025年重點(diǎn)區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染得到初步控制,2035年重點(diǎn)區(qū)域土壤和水環(huán)境農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷顯著降低的目標(biāo),并制定了一系列農(nóng)業(yè)面源管理政策。如何科學(xué)評(píng)估農(nóng)業(yè)面源管理政策的實(shí)施效果？農(nóng)業(yè)面源管理政策調(diào)控閾值應(yīng)該處于什么范圍才能實(shí)現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)雙重效益相協(xié)同？這些問題的科學(xué)解答迫切需要在流域水系統(tǒng)過程規(guī)律的認(rèn)知基礎(chǔ)上耦合農(nóng)業(yè)面源管理政策仿真模型工具的支撐。

相對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染物遷移模擬的自然過程模型而言,刻畫農(nóng)業(yè)主體生產(chǎn)行為調(diào)控的政策仿真模型發(fā)展較慢。早期農(nóng)業(yè)面源污染的研究主要依賴于調(diào)研與記錄資料的統(tǒng)計(jì)分析。隨著作物生長模型及水文模型等自然過程模型的發(fā)展,對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染物遷移轉(zhuǎn)化過程模擬及刻畫研究逐漸增多,并發(fā)展形成一系列較為成熟的農(nóng)業(yè)面源污染過程模擬模型[1—2]。其中重要代表性的有Agricultural Non-point Source Pollution (AGNPS)[3—5]、Areal Non-point Environment Response Simulation (ANSWERS)[6—9]、Soil and Water Assessment Tool (SWAT)[10—13]與Water Erosion Prediction Project (WEPP)[14—16]等。然而,對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染管理政策定量化評(píng)估模型的研究相對(duì)較少,并且對(duì)于政策效果的評(píng)估及預(yù)測受數(shù)據(jù)制約往往聚焦在區(qū)域尺度,對(duì)資源稟賦與自然過程時(shí)空異質(zhì)性科學(xué)規(guī)律銜接不足,難以刻畫政策效果的空間差異。要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源環(huán)境從宏觀粗放式管理向精準(zhǔn)化管理邁進(jìn),不斷提升資源的利用效率,尤其是農(nóng)業(yè)面源污染這類與資源環(huán)境空間異質(zhì)性聯(lián)系緊密的問題,加入地理環(huán)境要素空間特征與自然過程演變規(guī)律,考慮受資源環(huán)境約束的農(nóng)業(yè)主體生產(chǎn)行為異質(zhì)性,實(shí)現(xiàn)相關(guān)管理政策效果的空間顯化,是未來模型發(fā)展的重要趨勢。

農(nóng)業(yè)面源污染控制是一個(gè)受經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和自然等眾多復(fù)合因素綜合影響的系統(tǒng)性問題。農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生追本溯源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為不合理導(dǎo)致的,而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為受到宏觀政策、技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展條件的影響,其產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)反作用于自然過程表現(xiàn)為面源污染等環(huán)境問題。國際上流域水環(huán)境治理理念逐步由以水污染綜合防治和水生態(tài)環(huán)境恢復(fù)為目的的治理向流域資源—生態(tài)環(huán)境—社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)性治理邁進(jìn)。2002年歐盟水框架指令計(jì)劃提出,流域水土資源綜合管理是農(nóng)業(yè)面源污染控制的有效措施[17]。然而,當(dāng)前我國對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)仍多以末端控制為主[18],同時(shí),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步也使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及組織行為發(fā)生改變,農(nóng)業(yè)經(jīng)營面臨經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的矛盾。農(nóng)業(yè)面源管理政策實(shí)施效益缺乏科學(xué)系統(tǒng)性評(píng)估,相關(guān)的農(nóng)業(yè)面源污染政策調(diào)控仿真定量化評(píng)估工具也較為缺乏,有必要對(duì)現(xiàn)有研究工具進(jìn)行系統(tǒng)梳理,為定量仿真模型的發(fā)展提供參考。因此,本文從自上而下、自下而上及上下耦合三個(gè)視角對(duì)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)面源管理政策模型與評(píng)估研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,梳理當(dāng)前已有研究工具的優(yōu)勢與不足,并提出融合流域水系統(tǒng)過程規(guī)律認(rèn)知,構(gòu)建宏觀政策目標(biāo)自上而下約束與微觀主體自下而上傳導(dǎo)耦合的農(nóng)業(yè)面源污染政策仿真系統(tǒng)模型,實(shí)現(xiàn)政策模擬仿真結(jié)果空間顯性化,促使農(nóng)業(yè)面源污染控制的管理向精準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。

1 農(nóng)業(yè)面源管理政策仿真評(píng)估模型介紹

1.1 自上而下的政策評(píng)估模型分析

宏觀管理政策通常按照自上而下的過程進(jìn)行實(shí)施,因此現(xiàn)有對(duì)政策效果的定量模型多以自上而下的思路進(jìn)行建模,且多關(guān)注于上層目標(biāo)的落實(shí)情況。管理政策多由政府或企業(yè)等相關(guān)管理部門制定,通過推進(jìn)或促進(jìn)相關(guān)社會(huì)主體行為變革而實(shí)現(xiàn)其環(huán)境或經(jīng)濟(jì)等管理目標(biāo)[2]。自上而下的經(jīng)濟(jì)管理政策模擬仿真主要從宏觀管理目標(biāo)出發(fā)進(jìn)行調(diào)控,一是從經(jīng)濟(jì)學(xué)視角出發(fā),以部門為單位考慮多個(gè)經(jīng)濟(jì)部門之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,進(jìn)行政策調(diào)控模擬評(píng)估其宏觀經(jīng)濟(jì)效應(yīng)；二是從系統(tǒng)分析的角度出發(fā),構(gòu)建人口-資源環(huán)境-經(jīng)濟(jì)的復(fù)雜系統(tǒng),基于政策工具參數(shù)變動(dòng)觀察系統(tǒng)要素的互饋關(guān)系與作用強(qiáng)度的響應(yīng),以實(shí)現(xiàn)宏觀管理政策的仿真模擬。其代表性模型有投入產(chǎn)出模型、一般均衡模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等。

1.1.1投入產(chǎn)出模型

投入產(chǎn)出模型是較早用于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)投入要素和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變量耦合研究的方法。早在20世紀(jì)70年代,Bargur等人將水污染作為一個(gè)生產(chǎn)要素，分析經(jīng)濟(jì)部門之間的水污染關(guān)系[19]。投入產(chǎn)出模型由美國經(jīng)濟(jì)學(xué)家Leontief提出,其基本假設(shè)為一個(gè)經(jīng)濟(jì)體有多個(gè)部門,且每個(gè)部門都生產(chǎn)單一的、同質(zhì)的商品或服務(wù)[20]。投入產(chǎn)出模型通過投入產(chǎn)出矩陣刻畫國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)部門之間商品和服務(wù)的流動(dòng)關(guān)系,進(jìn)而表征行業(yè)間的相互依賴性[21]。為進(jìn)一步刻畫經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)的環(huán)境影響,里昂惕夫把產(chǎn)生與消除污染物的過程嵌入到投入產(chǎn)出表中,以刻畫各部門間污染物流量核算,實(shí)現(xiàn)了投入產(chǎn)出模型在經(jīng)濟(jì)政策的環(huán)境效應(yīng)分析定量化中的應(yīng)用[22]。此后,許多學(xué)者對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各部門中的水資源利用導(dǎo)致的污染問題采用擴(kuò)展資源環(huán)境賬戶的投入產(chǎn)出模型進(jìn)行刻畫。陳錫康等在投入產(chǎn)出表中將水資源部門作為獨(dú)立部門,對(duì)各部門用水情況、水的分配狀況、供水過程耗費(fèi)和排出污水情況分別進(jìn)行了刻畫[23]；Sánchez-Chóliz和Duarte將水污染類型劃分為水循環(huán)、生物需氧量、懸浮固體、硝酸鹽和磷酸鹽等五大類,并采用Pasinetti垂直一體化方法實(shí)現(xiàn)投入產(chǎn)出表內(nèi)各部門與各種水污染類型的對(duì)應(yīng)[24,25]。

投入產(chǎn)出模型能夠同時(shí)跟蹤社會(huì)經(jīng)濟(jì)部門之間的水資源消耗及其污染負(fù)排放的具體影響,進(jìn)而較為全面地刻畫分析經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)各部門間水污染聯(lián)系。然而,由于其對(duì)產(chǎn)業(yè)部門的用水、耗水和排放數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的依賴性,模型的準(zhǔn)確性受到原始數(shù)據(jù)收集和標(biāo)準(zhǔn)化方面差異的限制,并且只能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)階段性地提供基本經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的最新情況,因此存在一定的時(shí)間滯后性[26]。此外,由于該模型的刻畫單元為經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)行業(yè)部門,基于模型的同部門的同質(zhì)化假設(shè),部門內(nèi)部不同規(guī)模企業(yè)差異性往往被忽略,因而只能從區(qū)域內(nèi)以經(jīng)濟(jì)部門為單位對(duì)水污染的排放進(jìn)行宏觀調(diào)控,無法有效反映部門內(nèi)部的差異性、空間異質(zhì)性等微觀特征。

1.1.2可計(jì)算一般均衡模型

可計(jì)算的一般均衡模型(Computable General Equilibrium,CGE)是基于經(jīng)濟(jì)學(xué)的一般均衡分析理論,即在統(tǒng)一的價(jià)格體系中,所有商品及要素達(dá)到供需均衡,消費(fèi)者在預(yù)算約束下的消費(fèi)實(shí)現(xiàn)效用最大化,生產(chǎn)者基于成本約束的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)利潤最大化[27]?？捎?jì)算一般均衡模型從供給、需求及供求關(guān)系三個(gè)部分刻畫[28],主要用于分析補(bǔ)貼、稅收等政策的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、規(guī)模和效率的影響,現(xiàn)有研究引入環(huán)境稅及污染物排放費(fèi)等對(duì)CGE模型進(jìn)一步擴(kuò)展[29]。利用CGE模型研究水資源利用時(shí)將水資源看作生產(chǎn)要素,在社會(huì)核算矩陣或部門產(chǎn)出中設(shè)置相應(yīng)的約束條件納入其中[30—31]。具體而言,有三種實(shí)現(xiàn)途徑[32]：一是通過設(shè)定水土固定比例的線性關(guān)系,改進(jìn)生產(chǎn)函數(shù)[33]；二是將涉及到水資源的企業(yè)作為獨(dú)立部門[34]；三是通過投入占用產(chǎn)出方法“外掛”于CGE模型,間接考慮水資源問題[35]。

目前,基于CGE模型對(duì)水資源利用及環(huán)境問題的研究仍存在一定的挑戰(zhàn)。具體而言,模型需要較為完備的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),而實(shí)際的水資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較難滿足模型的構(gòu)建。同時(shí),尚未形成刻畫水資源利用過程與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)投入產(chǎn)出關(guān)系耦合的成熟方法,模型結(jié)果仍較大依賴估計(jì)。此外,模型設(shè)定的均衡時(shí)市場條件與現(xiàn)實(shí)中的市場之間存在一定的差距,較難根據(jù)實(shí)際市場條件進(jìn)行修正。

1.1.3系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論,通過因果關(guān)系流向圖及相應(yīng)的方程構(gòu)建用以刻畫復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的仿真模型。其可通過該模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并不斷調(diào)整控制參數(shù),進(jìn)而從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析系統(tǒng)的發(fā)展方向及改進(jìn)的政策效果[27]。有學(xué)者從系統(tǒng)科學(xué)的角度,通過構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)水環(huán)境質(zhì)量改善開展系統(tǒng)建模研究,例如90年代初,王勇等學(xué)者利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測了1992—2000年上海市長興島的水環(huán)境質(zhì)量演變和水資源供需趨勢[36]。由于人-水耦合系統(tǒng)是極具專業(yè)性的復(fù)雜系統(tǒng),傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)方程刻畫的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型難以充分利用已有的專業(yè)研究成果。為彌補(bǔ)這一不足,左其亭等提出嵌入式系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(Embedded System Dynamics,ESD),把反映系統(tǒng)的專業(yè)模型(比如水文模型模塊、水庫調(diào)度模塊、河道演進(jìn)模塊、水資源管理模塊、優(yōu)化調(diào)度模塊)等子模塊嵌入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[37]。劉金華等人在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步加入多學(xué)科的定量化模型,形成社會(huì)經(jīng)濟(jì)水系統(tǒng)耦合模型[27]。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)勢在于可以刻畫眾多定性因子相互關(guān)系的復(fù)雜性,如區(qū)域、全國以及全球系統(tǒng)分析時(shí),可以通過構(gòu)建認(rèn)知復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵性聯(lián)系而開展系統(tǒng)模擬[38]。但是,該模型也存在一定局限性,如在厘清系統(tǒng)內(nèi)部要素之間的競爭與協(xié)同影響關(guān)系上略存不足[39],無法對(duì)部門技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和預(yù)測,并且在系統(tǒng)的長時(shí)間預(yù)測模擬時(shí)參數(shù)校準(zhǔn)與驗(yàn)證仍存缺陷,有可能導(dǎo)致推斷結(jié)論的誤差偏大[27]。

1.2 自下而上的政策評(píng)估模擬

自下而上的政策定量評(píng)估主要從實(shí)施主體的行為和管理主體的目標(biāo)兩個(gè)分析角度建模。政策最終的實(shí)施主體均是人,因此可以通過調(diào)控人在實(shí)現(xiàn)其自身利益最大化的條件下的生產(chǎn)行為,如種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)藥化肥投入等,由個(gè)體利益博弈行為決策整合形成群體行為,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)個(gè)體-群體-系統(tǒng)間自下而上的模擬。此外,可以對(duì)管理主體不同視角的目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)整合,從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等多維視角考慮政策的組合目標(biāo),以形成綜合性的多個(gè)層面目標(biāo)最優(yōu)化決策。其中,政策評(píng)估計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型、基于主體的建模(Agent-Based Model,ABM)方法與多目標(biāo)優(yōu)化模型等是上述思路具有代表性的模型。

1.2.1政策評(píng)估的計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型

目前,政策效應(yīng)評(píng)估計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型主要有結(jié)構(gòu)方程、雙重差分、傾向得分匹配和斷點(diǎn)回歸等方法。結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Model,SEM)是基于變量的協(xié)方差矩陣來分析變量之間關(guān)系,該模型的一個(gè)假設(shè)前提是政策對(duì)所有樣本都產(chǎn)生了相同的影響,且這種影響是線性的、恒定的,其無法解決樣本的非隨機(jī)選擇問題[40,41]。雙重差分法(Differences-in-Differences,DID)是由Heckman等提出用于評(píng)估公共政策凈效應(yīng)的方法,該模型以面板數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),需要制備政策實(shí)施前后的對(duì)比分析數(shù)據(jù),對(duì)研究數(shù)據(jù)要求較為嚴(yán)苛[42]。傾向得分匹配方法(Propensity Score Matching,PSM)適用于截面數(shù)據(jù),可用于事后評(píng)估,通過控制協(xié)變量以構(gòu)建實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組,從而顯著降低評(píng)估偏差[43]。斷點(diǎn)回歸方法(Regression Discontinuity Design,RDD),是由Thistlethwaite和Campbell提出用于研究變量間因果關(guān)系的擬隨機(jī)實(shí)驗(yàn)方法[44],其使用前提是臨界值處存在斷點(diǎn),經(jīng)檢驗(yàn)存在斷點(diǎn)后對(duì)臨界值附近的樣本進(jìn)行回歸分析。該方法要求斷點(diǎn)臨界有較多觀測值,且臨界值附近的局部平均效應(yīng)難以外推至整體[45,46]。由于政策前的回訪存在一定難度,大部分研究只能針對(duì)政策實(shí)施后的情況進(jìn)行調(diào)研,因此,傾向得分匹配和雙重差分耦合方法對(duì)于農(nóng)業(yè)面源管理政策評(píng)估的適用性更強(qiáng)。

1.2.2基于多主體建模方法

基于多主體建模方法用于水資源復(fù)雜系統(tǒng)的研究較多關(guān)注于社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面,與自然過程模型的耦合應(yīng)用相對(duì)缺乏?；诙嘀黧w的建模作為一種自下而上的多主體行為仿真模擬方法,通過考察異質(zhì)性主體的特征定義微觀層面的主體行為、主體間及與環(huán)境的交互作用以表征系統(tǒng)全局信息,成為復(fù)雜系統(tǒng)模擬及政策評(píng)價(jià)的主要定量化工具[43,47]。基于多主體的建模方法在流域水資源優(yōu)化配置、城鎮(zhèn)居民用水管理、灌區(qū)水資源管理中的應(yīng)用較為廣泛[48],而其在水環(huán)境治理問題的應(yīng)用主要通過對(duì)主體參數(shù)修改,模擬不同水污染管控情景下的政策實(shí)施效果,同時(shí)以水污染物遷移轉(zhuǎn)化過程為主線,模擬水污染物的吸附、自凈、沉降、擴(kuò)散等行為,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)河道的仿真模擬等[49—51]。近些年,部分學(xué)者從生態(tài)-水文過程與ABM模型耦合的角度開展研究[52—54]。Bitterman等將ABM與土地利用變化和磷負(fù)荷累積過程模型相連接或耦合,模擬不同的協(xié)同治理政策對(duì)水質(zhì)項(xiàng)目組合開發(fā)的影響[55]。閆猛等在耦合生態(tài)-水文過程基礎(chǔ)上,結(jié)合農(nóng)民種植的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則與尋優(yōu)的耕種策略,以密云水庫為例探索農(nóng)戶適應(yīng)變化環(huán)境下的用水最優(yōu)的種植行為[39]。

ABM模型的優(yōu)勢在于,在尚未清楚全局不同主體相互依賴關(guān)系的情況下,仍可通過對(duì)各個(gè)參與者行為的定義構(gòu)建ABM模型以獲取系統(tǒng)整體的行為演化涌現(xiàn)。然而,建模過程中對(duì)主體行為模擬的程度較難把握,過于簡單化的刻畫會(huì)導(dǎo)致對(duì)主體和水系統(tǒng)演化規(guī)律的過程互饋描述不足,全面的刻畫對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)需求量較大,容易受到數(shù)據(jù)的限制使得模擬范圍有限[56—58]。

1.2.3多目標(biāo)優(yōu)化方法模型

多目標(biāo)優(yōu)化模型通過定義最優(yōu)的一組方案,在特定的約束下以最小化的成本實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo),多用于探索最優(yōu)的政策組合方案。多目標(biāo)優(yōu)化模型已成為研究水污染治理綜合管理的重要分析工具[59,60],眾多學(xué)者從環(huán)境-經(jīng)濟(jì)雙重視角開展研究[61—63]。王有樂從污染負(fù)荷分配的角度,把治理投資、運(yùn)行費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)收益和污染物削減量作為規(guī)劃目標(biāo),建立多目標(biāo)組合規(guī)劃模型[64]。龔琦等從農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的角度,以農(nóng)業(yè)污染削減和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長為主要目標(biāo),通過多目標(biāo)優(yōu)化模型對(duì)云南洱海流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[65]。Semaan等將“氣候-土壤-作物-管理”系統(tǒng)的綜合動(dòng)力學(xué)模型(Environmental Policy-Integrated Climate,EPIC)與多目標(biāo)規(guī)劃模型相結(jié)合,將生物物理模型輸出的作物產(chǎn)量等正產(chǎn)出與硝酸鹽浸出等環(huán)境負(fù)產(chǎn)出作為經(jīng)濟(jì)模型的投入,并結(jié)合產(chǎn)品價(jià)格和生產(chǎn)要素成本等經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),建立多目標(biāo)優(yōu)化模型,對(duì)最大化農(nóng)民收入和最小化風(fēng)險(xiǎn)的雙重目標(biāo)下的水成本效益進(jìn)行分析[66]。

多目標(biāo)優(yōu)化模型的優(yōu)點(diǎn)在于能夠從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境等多維視角考慮政策組合的效應(yīng),以實(shí)現(xiàn)多個(gè)層面目標(biāo)間的協(xié)調(diào)。然而,該方法在求解時(shí)大多釆用折中的辦法獲取模型的最優(yōu)解,進(jìn)而可能對(duì)模型結(jié)果的精度產(chǎn)生影響。同時(shí),模型對(duì)市場缺陷刻畫考慮不足,可能導(dǎo)致對(duì)需求預(yù)測和政策設(shè)計(jì)理想化[67]。

1.3 自上而下-自下而上耦合模型

現(xiàn)有政策定量評(píng)估模型通常從特定角度或者局部環(huán)節(jié)解決農(nóng)業(yè)面源污染的特定問題,并不能很好地系統(tǒng)解決污染來源與防控主體的多元性問題。對(duì)此,需要進(jìn)一步集成不同尺度模型優(yōu)點(diǎn),解決其相關(guān)缺陷。目前,研究提出發(fā)展自上而下宏觀政策目標(biāo)約束與自下而上微觀行為傳導(dǎo)耦合模型構(gòu)架(圖1),以期更好地刻畫農(nóng)業(yè)面源污染的多尺度約束與跨尺度傳導(dǎo),保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性與農(nóng)業(yè)面源污染政策的可行性。目前,能夠?qū)⑽⒂^到宏觀層面的反饋充分結(jié)合起來的建模方法相對(duì)較少,較為廣泛應(yīng)用的是在糧食安全研究中將可計(jì)算一般均衡模型或局部均衡模型(Partial Equilibrium Analysis Model,PE)與ABM進(jìn)行耦合[68]。通常利用ABM模型對(duì)微觀個(gè)體行為差異和空間異質(zhì)性特征進(jìn)行刻畫,其模型輸出結(jié)果作為參數(shù)輸入至CGE模型中研究微觀個(gè)體變動(dòng)對(duì)宏觀農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)的影響[69—70]。

圖1 農(nóng)業(yè)面源污染政策仿真與模擬模型框架Fig.1 Agricultural non-point source pollution policy simulation and simulation model framework

為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究不足,本研究對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成評(píng)估模型(The Integrated Assessment Models,IAM)進(jìn)行梳理與比較,討論自上而下宏觀政策目標(biāo)約束與自下而上微觀行為傳導(dǎo)耦合模型發(fā)展的潛力與應(yīng)用前景。IAM通過將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然過程整合在一個(gè)統(tǒng)一模型框架中,基于各種不同的模型方法,試圖整合不同尺度的土地利用、環(huán)境演變和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件變化的直接和間接驅(qū)動(dòng)因素,進(jìn)行跨學(xué)科跨尺度的復(fù)雜系統(tǒng)模擬[71](表1)。基于一般均衡或局部均衡經(jīng)濟(jì)理論,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成評(píng)估模型框架主要包括農(nóng)產(chǎn)品市場的供給模塊與需求模塊,刻畫了政策調(diào)控與市場行為相關(guān)的內(nèi)在聯(lián)系和變化,不同模型對(duì)供需尺度刻畫不同。供給模塊以作物生長和生物能源模塊為主,納入網(wǎng)格化的作物生物物理過程參數(shù),包括特定作物的產(chǎn)量、灌溉用水需求量和土地資源分布等,以捕捉農(nóng)產(chǎn)品供給中資源可用性和限制因素的空間異質(zhì)特征。而需求模塊主要刻畫不同尺度上的農(nóng)產(chǎn)品需求對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供給與貿(mào)易產(chǎn)生的影響。IAM通過外部環(huán)境變化沖擊模擬區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與空間柵格資源稟賦的變化情況,為精準(zhǔn)和集約化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)管理研究提供量化工具。

表1 農(nóng)業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)集成評(píng)估模型與方法Table 1 Integrated evaluation model and method of agricultural complex systems

2 農(nóng)業(yè)面源管理政策仿真模型的重要發(fā)展方向

農(nóng)業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)集成評(píng)估模型通過實(shí)現(xiàn)自上而下宏觀目標(biāo)約束與自下而上微觀行為傳導(dǎo)耦合應(yīng)用,將為農(nóng)業(yè)面源污染治理政策制定提供科學(xué)依據(jù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展過程中技術(shù)水平不斷提高,集約化種植所使用的化肥、農(nóng)藥和塑料薄膜,以及農(nóng)村禽畜養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞便及廢棄物不斷增長,成為了流域水體污染的重要外源。從源頭控制與過程削減入手,需要結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件,合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式與種植結(jié)構(gòu),提高資源利用效率和生產(chǎn)力,并依據(jù)所處流域水體污染程度建立不同類型的源頭控制措施,進(jìn)而有效控制農(nóng)業(yè)面源污染。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成評(píng)估模型有效模擬了政策影響下對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和效率,其包含的驅(qū)動(dòng)因素不僅考慮了宏觀社會(huì)經(jīng)濟(jì)變動(dòng)影響,且考慮了自然資源稟賦空間異質(zhì)性的約束。同時(shí),將農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的源頭刻畫降至空間柵格尺度,實(shí)現(xiàn)其與水系統(tǒng)過程過程模型耦合將成為科學(xué)決策工具發(fā)展的重要方向。全球化影響下的資源流、信息流與自然過程的物質(zhì)循環(huán)使得資源環(huán)境問題解決需從人-自然耦合系統(tǒng)視角開展仿真模擬,農(nóng)業(yè)面源污染管理的系統(tǒng)集成評(píng)估模型研究亟需從以下兩個(gè)方面加強(qiáng)。

一是,推進(jìn)生態(tài)-水文過程、作物生長模型與農(nóng)業(yè)種植行為仿真模型的過程耦合,實(shí)現(xiàn)要素相互作用與過程互饋的刻畫。目前,已有部分研究嘗試將生態(tài)-水文模型與農(nóng)業(yè)種植行為、作物生長模型的系統(tǒng)耦合。如全球農(nóng)業(yè)部門均衡分析的格網(wǎng)模型SIMPLE-G與全球水資源平衡模型(Water Balance Model,WBM)進(jìn)行耦合,模擬減少水資源消耗和流域間的調(diào)水對(duì)全球糧食安全和土地使用變化的具體影響[88]。通過鏈接GLOBIOM模型與區(qū)域水文模型(The Community Water Model,CWATM),模擬農(nóng)業(yè)種植行為對(duì)河流營養(yǎng)物及污染的影響過程[97]。模型將精準(zhǔn)刻畫生態(tài)-水文過程的變動(dòng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,進(jìn)而作用于農(nóng)業(yè)面源污染的水質(zhì)響應(yīng),推動(dòng)農(nóng)業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)集成評(píng)估模型中自然-經(jīng)濟(jì)要素之間的有效互饋。

二是,推動(dòng)空間柵格尺度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為中資源環(huán)境要素稟賦、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的理性與非理性選擇行為的耦合。具體可通過鏈接微觀行為主體模型(如網(wǎng)絡(luò)分析法、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型和基于多主體的建模方法),將防治主體多元性與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非理性行為納入模型框架,模擬污染防治中農(nóng)民、企業(yè)、政府及其他多主體行為變動(dòng)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的影響,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同尺度的一致性表達(dá),進(jìn)而開展自然過程模型與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型的互饋模擬。在模型整合技術(shù)方面,隨著ABM模型和CGE模型鏈接的最新進(jìn)展,以系統(tǒng)科學(xué)思想為推進(jìn)IAM模型與其他模型整合提供了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結(jié)語

農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)控政策多以人的生產(chǎn)行為調(diào)控為目標(biāo),探討施肥減量化管理、種植結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、農(nóng)業(yè)資源轉(zhuǎn)化與循環(huán)利用等相關(guān)生產(chǎn)過程的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。然而,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為與資源環(huán)境的空間異質(zhì)性特征決定了管理政策需要向精準(zhǔn)化方向進(jìn)一步發(fā)展,進(jìn)而避免政策的“一刀切”和微觀規(guī)制缺乏造成的粗放式管理問題。農(nóng)業(yè)面源污染治理是降低農(nóng)業(yè)發(fā)展過程的環(huán)境負(fù)外部效應(yīng),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。本文通過整理現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)政策仿真模擬模型和農(nóng)業(yè)面源污染的特征,將建模方法劃分為自上而下、自下而上以及相互耦合的三種方式。研究提出未來需融合水系統(tǒng)演化、地球化學(xué)循環(huán)過程等自然規(guī)律認(rèn)知,構(gòu)建自上而下宏觀政策目標(biāo)約束與自下而上的行為傳導(dǎo)集成的復(fù)合系統(tǒng)模型,以解決農(nóng)業(yè)面源污染防治主體多元性與防治對(duì)象廣泛性所帶來的復(fù)雜性系統(tǒng)難題。同時(shí),研究提出的耦合污染物遷移轉(zhuǎn)化過程的農(nóng)業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)集成評(píng)估模型在系統(tǒng)分析中呈現(xiàn)出了巨大潛力。將政策評(píng)估或仿真模擬由區(qū)域尺度降低至空間柵格尺度,一方面有助于實(shí)現(xiàn)自然過程與人類活動(dòng)互饋的過程刻畫上的尺度匹配,另一方面也有利于推動(dòng)主體行為調(diào)控的管理向更為精準(zhǔn)化的方向探索。在模型技術(shù)方面,從經(jīng)濟(jì)學(xué)理論的可計(jì)算一般均衡分析模型與信息計(jì)算科學(xué)的微觀行為多主體仿真模型或計(jì)量經(jīng)濟(jì)分析模型框架出發(fā),集成自然過程規(guī)律的認(rèn)知模塊,將為構(gòu)建人-自然耦合復(fù)雜系統(tǒng)模型提供技術(shù)與理論研究的重要支撐。此外,研究可在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下不斷提高模型模擬的精度,增加模型新的功能模塊或鏈接不同的集成評(píng)估模型,以實(shí)現(xiàn)人口-資源環(huán)境-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)的集成模擬。然而,模型的復(fù)雜性與數(shù)據(jù)需求量也會(huì)隨之大幅增加,數(shù)據(jù)公開性問題與多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合問題將成為巨大的挑戰(zhàn)[87]。面對(duì)該難題,如何將模型簡化并通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)以加深對(duì)重要問題的刻畫,是值得深入探究的問題。