糧食安全與生態(tài)安全雙約束下江蘇省耕地休耕規(guī)模探討

韓思雨，張 路，陳亞杰

（1. 華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院，武漢 430074；2. 華中師范大學(xué)公共管理學(xué)院，武漢 430079；3. 浙江省上虞區(qū)丁宅鄉(xiāng)人民政府，紹興 330600）

0 引 言

開展耕地休耕制度試點(diǎn)是中央推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施的重要舉措，同時(shí)也是加快生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)。2016 年以來(lái)，在華北地下水漏斗區(qū)、湖南重金屬污染區(qū)和西北西南生態(tài)嚴(yán)重退化區(qū)等特殊區(qū)域開展的耕地休耕工作使得區(qū)域內(nèi)污染耕地得到有效治理，并逐步改善了退化的生態(tài)環(huán)境，正成為地方政府引領(lǐng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和助力農(nóng)村生態(tài)宜居的重要措施。盡管讓受損土地和邊際土地通過休耕得到有效治理并逐步恢復(fù)產(chǎn)能是中國(guó)在休耕制度初期探索階段的工作重點(diǎn)，但理論上所有耕地都應(yīng)在條件具備的前提下實(shí)行休耕以實(shí)現(xiàn)耕地資源永續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-4]。特別是糧食主產(chǎn)區(qū)，雖然耕地質(zhì)量較高，但長(zhǎng)期過度集約化、超負(fù)荷利用，在為保障國(guó)家糧食安全作出貢獻(xiàn)的同時(shí)也導(dǎo)致耕地超強(qiáng)度開發(fā)、水資源過度消耗和化肥農(nóng)藥過量使用等透支農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的問題日趨嚴(yán)重[5-8]。在保障糧食主產(chǎn)區(qū)繼續(xù)發(fā)揮糧食區(qū)域協(xié)調(diào)功能的前提下，通過休耕改變糧食主產(chǎn)區(qū)耕地資源超強(qiáng)度利用的現(xiàn)狀，扭轉(zhuǎn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)惡化的勢(shì)頭是中國(guó)未來(lái)休耕工作開展的重點(diǎn)和完善休耕制度的重要環(huán)節(jié)[9]。區(qū)別于國(guó)家層面三大特殊休耕試點(diǎn)區(qū)域以提升污染耕地質(zhì)量和改善退化生態(tài)環(huán)境為主要政策目標(biāo)，在糧食主產(chǎn)區(qū)實(shí)施休耕不僅應(yīng)成為讓耕地通過休養(yǎng)生息來(lái)恢復(fù)地力和保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，更應(yīng)充分利用休耕所帶來(lái)的糧食生產(chǎn)潛力的提升和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后勁的增強(qiáng)，為預(yù)防出現(xiàn)嚴(yán)重的糧食供需缺口做好“藏糧于地”戰(zhàn)略儲(chǔ)備[10-12]。除國(guó)家試點(diǎn)外，江蘇、湖北和黑龍江等糧食主產(chǎn)區(qū)省份積極響應(yīng)黨的十九大關(guān)于擴(kuò)大耕地輪作休耕試點(diǎn)的號(hào)召，結(jié)合區(qū)域問題導(dǎo)向、資源本底和耕地利用特點(diǎn)自主開展耕地休耕制度的實(shí)施探索，已初步形成良好的實(shí)踐態(tài)勢(shì)。隨著試點(diǎn)工作的深入推進(jìn)，全國(guó)性的耕地休耕工作將大范圍展開。

作為承擔(dān)國(guó)家糧食安全保障重任的核心區(qū)域，糧食主產(chǎn)區(qū)開展耕地休耕客觀上會(huì)導(dǎo)致糧食產(chǎn)量的減少。如何在總量上對(duì)耕地休耕規(guī)模進(jìn)行控制以避免觸及國(guó)家糧食安全底線是糧食主產(chǎn)區(qū)實(shí)施耕地休耕的重點(diǎn)和難點(diǎn)[13]。若過度規(guī)避糧食安全風(fēng)險(xiǎn)而休耕較小規(guī)模的耕地，耕地生態(tài)未能充分休養(yǎng)生息將面臨進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)[1]；若過度追求休耕生態(tài)效益而將所有受損耕地全部休耕，國(guó)家農(nóng)業(yè)供給體系可能會(huì)發(fā)生動(dòng)蕩[14]。僅從保障國(guó)家糧食安全角度出發(fā)，耕地休耕規(guī)模的上限是區(qū)域耕地總量與確保糧食安全所需耕作的耕地面積之間的差額。值得注意的是，未休耕耕地所提供的生態(tài)資源供給量能否滿足區(qū)域社會(huì)發(fā)展的耕地需求量也是科學(xué)合理確定區(qū)域休耕規(guī)模上限亟需考慮的重要問題。未休耕耕地資源若處于生態(tài)赤字狀態(tài)，糧食產(chǎn)量將無(wú)法達(dá)到能夠保障糧食安全的預(yù)期。相反若耕地資源的可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)較為理想，較少的耕地資源就能夠完成區(qū)域糧食供給和調(diào)配任務(wù)，可休耕耕地規(guī)模的上限也相應(yīng)提高。因此面對(duì)全國(guó)各地積極開展休耕的形勢(shì)，既要充分認(rèn)識(shí)耕地休耕對(duì)中國(guó)糧食安全的影響，同時(shí)也應(yīng)持續(xù)關(guān)注區(qū)域耕地資源的生態(tài)安全狀態(tài)。應(yīng)基于糧食安全和生態(tài)安全構(gòu)建耕地休耕規(guī)模綜合預(yù)測(cè)模型，合理確定休耕規(guī)模的上限以便根據(jù)內(nèi)外環(huán)境的變化彈性調(diào)整具體休耕實(shí)施方案。

當(dāng)前對(duì)耕地休耕規(guī)模的研究還處于概念形成和理論溯源的探索階段，研究方法的應(yīng)用也正在由定性走向定量的過渡期。一方面，部分研究從理論上對(duì)中國(guó)耕地休耕規(guī)模確定應(yīng)當(dāng)遵循的原則和邏輯進(jìn)行闡述，并且嘗試在宏觀層面搭建中國(guó)休耕規(guī)模確定的初步框架[1,10,13,15]。另一方面，通過構(gòu)建實(shí)證模型對(duì)不同空間尺度的耕地休耕規(guī)模進(jìn)行探究是休耕規(guī)模問題的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，已有研究的區(qū)域集中在全國(guó)層面[16-17]、省域?qū)用鎇9]、市域?qū)用鎇18]和縣域?qū)用鎇19]。這些研究均從區(qū)域糧食安全約束視角切入對(duì)區(qū)域休耕規(guī)模進(jìn)行測(cè)算或預(yù)測(cè)，對(duì)中國(guó)耕地休耕規(guī)模系統(tǒng)化理論研究的開展具有重要的啟示意義和指導(dǎo)作用?？紤]到中國(guó)地域遼闊，區(qū)域類型多樣，各區(qū)域的耕地資源稟賦、土地利用狀況和耕地生產(chǎn)功能有較大差異，基于區(qū)域各自的耕地問題導(dǎo)向和資源本底條件等有針對(duì)性地制定差異化的休耕規(guī)模方案更利于耕地制度的落地。針對(duì)糧食主產(chǎn)區(qū)休耕規(guī)模的研究目前還比較少，譚術(shù)魁等[9]借鑒修正耕地壓力指數(shù)對(duì)糧食安全約束下糧食主產(chǎn)區(qū)的休耕最大規(guī)模進(jìn)行測(cè)算，為相關(guān)研究提供了有益的思路。但是僅將糧食安全納入休耕規(guī)模確定模型，未考慮到耕地可持續(xù)利用狀況對(duì)休耕區(qū)域產(chǎn)糧水平和休耕生態(tài)效益的影響，還有一定的改進(jìn)空間。本研究在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮生態(tài)安全對(duì)休耕規(guī)模的約束，引入修正耕地壓力指數(shù)和生態(tài)差額指數(shù)構(gòu)建休耕規(guī)模適宜指數(shù)，提出一個(gè)具有普適性的糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕最大規(guī)模測(cè)算模型。并選擇江蘇省作為實(shí)證區(qū)域，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)基于休耕規(guī)模適宜指數(shù)的耕地休耕最大規(guī)模測(cè)算模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)拓展，模擬仿真特定耕地生產(chǎn)水平、人均糧食需求和耕地保護(hù)政策條件下糧食主產(chǎn)區(qū)可休耕耕地規(guī)模和休耕規(guī)模彈性邊界的發(fā)展態(tài)勢(shì)。以期為合理確定糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕規(guī)模提供理論參考，為政府完善耕地休耕規(guī)則和有效開展常態(tài)化耕地休耕工作提供決策依據(jù)。

1 糧食安全與生態(tài)安全雙約束下糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕規(guī)模測(cè)算模型

首先，以保障糧食安全和生態(tài)安全為基本準(zhǔn)則提出糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕規(guī)模測(cè)算的基礎(chǔ)思路，在借鑒修正耕地壓力指數(shù)[20]和生態(tài)差額指數(shù)[21]測(cè)算方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建以休耕規(guī)模適宜指數(shù)為核心的糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕規(guī)?；緶y(cè)算方法。其次，借助系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和建構(gòu)方法，將基本測(cè)算方法拓展為具有動(dòng)態(tài)仿真預(yù)測(cè)功能的測(cè)算模型，具體包括系統(tǒng)構(gòu)成要素及因果反饋循環(huán)、積累和流速變量等，構(gòu)建基于休耕規(guī)模適宜指數(shù)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的耕地休耕規(guī)模測(cè)算模型。

1.1 基于休耕規(guī)模適宜指數(shù)的耕地休耕最大規(guī)?；緶y(cè)算方法

1.1.1 修正耕地壓力指數(shù)

作為休耕制度實(shí)施的基本前提，保障糧食安全不受影響是中國(guó)耕地休耕規(guī)模上限確定的紅線[1]。本文將修正耕地壓力指數(shù)引入到休耕規(guī)模適宜指數(shù)中對(duì)特定區(qū)域耕地資源緊張程度進(jìn)行衡量，以確保耕地休耕最大規(guī)模是在一定的糧食自給率和糧食生產(chǎn)能力條件下，在滿足區(qū)域糧食安全條件下可用來(lái)休耕的耕地規(guī)模。耕地壓力指數(shù)（K）是由蔡運(yùn)龍等[22]提出的反映一定區(qū)域?yàn)楸Ｕ霞Z食安全所需最小人均耕地面積與實(shí)際人均耕地面積對(duì)比關(guān)系的變量。考慮到不同區(qū)域的耕地質(zhì)量異質(zhì)性，羅翔等[20]用耕地生產(chǎn)力標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)（σ）對(duì)耕地壓力指數(shù)（K）進(jìn)行校正后提出修正耕地壓力指數(shù)（KS），用以反映特定區(qū)域人均耕地資源狀況和體現(xiàn)不同區(qū)域耕地質(zhì)量對(duì)耕地生產(chǎn)力影響程度的指數(shù)。某一特定點(diǎn)KS值與1 偏離程度代表所需最小人均耕地面積與實(shí)際人均耕地面積的離合度，偏離越大，區(qū)域耕地糧食安全或壓力的程度越強(qiáng)。其計(jì)算公式為

式中i為特定區(qū)域，n為全國(guó)范圍。Smin為最小人均耕地面積（hm2/人），表示為保障一定區(qū)域糧食安全而需保護(hù)的耕地?cái)?shù)量底線；Sa為實(shí)際人均耕地面積（hm2/人）；β為糧食自給率（%）；Gr為人均糧食需求量（kg/人）；p為播種面積糧食單產(chǎn)（kg/hm2）；q為糧食播種面積占總播種面積之比（%）；k為農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)（%）；p q k表示耕地利用效率。

1.1.2 生態(tài)差額指數(shù)

準(zhǔn)確把握休耕區(qū)域耕地生態(tài)系統(tǒng)可為人類社會(huì)提供服務(wù)的資源數(shù)量和人類社會(huì)發(fā)展所需要的耕地資源數(shù)量能夠及時(shí)捕捉到可利用耕地資源數(shù)量的變化，確保用于耕作的耕地能夠充分滿足糧食安全保障需求，是實(shí)現(xiàn)耕地休耕制度效益最大化所必不可少的。本文引入生態(tài)差額指數(shù)，以人均耕地生態(tài)承載力和人均生態(tài)足跡為基礎(chǔ)，將耕地資源的生態(tài)狀況作為重要變量容納進(jìn)耕地休耕規(guī)模的基礎(chǔ)測(cè)算方法。生態(tài)差額指數(shù)（Ecological Gap Index，EGI）是由段七零[21]提出的衡量耕地資源可持續(xù)利用狀況的指標(biāo)。相較于傳統(tǒng)的生態(tài)差額絕對(duì)數(shù)，生態(tài)差額指數(shù)作為相對(duì)指標(biāo)能夠有效反映區(qū)域土地可持續(xù)利用狀況且進(jìn)行不同區(qū)域間的橫向比較。其計(jì)算公式為

式中EC 為人均耕地生態(tài)承載力（hm2/人）；EF 為人均耕地生態(tài)足跡（hm2/人）。EGI 介于0 與1 之間，當(dāng)0

人均耕地生態(tài)承載力（EC）表示特定區(qū)域內(nèi)單人真正擁有可再生的、持續(xù)利用的生物生產(chǎn)性耕地面積，反映耕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)的供給程度[23-24]。其計(jì)算公式為

式中E為研究區(qū)域地表可更新資源的能值（sej）；ei為第i種基本能源含的有效能（J）；ni為第i種基本能源的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)化率（sej/J）；D為全球地表能值密度（sej/hm2）；N為區(qū)域總?cè)丝?；Y為耕地產(chǎn)量因子，表示當(dāng)?shù)馗禺a(chǎn)量與全球平均耕地產(chǎn)量的比率，反映不同區(qū)域的土地利用效率[23,25]。

人均耕地生態(tài)足跡（EF）表示生產(chǎn)特定區(qū)域單人消費(fèi)資源和吸納其消費(fèi)產(chǎn)生廢棄物所需要的耕地資源空間面積，通過測(cè)量人類對(duì)耕地生態(tài)服務(wù)的需求與區(qū)域所能提供的生態(tài)服務(wù)之間的差距來(lái)比較人類對(duì)耕地資源的消費(fèi)量和耕地資源的承載量[26-27]。其計(jì)算公式為

式中Em為人均消費(fèi)總能值；ej為第j種消費(fèi)項(xiàng)目含的有效能；mj為第j種消費(fèi)項(xiàng)目的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率。

1.1.3 休耕規(guī)模適宜指數(shù)

以保障實(shí)施休耕區(qū)域糧食安全和生態(tài)安全為目標(biāo)，本文結(jié)合修正耕地壓力指數(shù)（KS）和生態(tài)差額指數(shù)（Ecologic-al Gap Index，EGI）提出能夠測(cè)算耕地休耕最大規(guī)模的休耕規(guī)模適宜指數(shù)（Fallow Suitability Index，F(xiàn)SI），不僅能夠反映出耕地質(zhì)量的地理差異對(duì)耕地生產(chǎn)力的影響[20]，同時(shí)也將生態(tài)環(huán)境差異對(duì)耕地可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ南拗瓶紤]在內(nèi)[21]。其計(jì)算公式為

式中Si為第i個(gè)區(qū)域耕地面積（104hm2），F(xiàn)SI 為休耕規(guī)模適宜指數(shù)，Sf為區(qū)域最大耕地休耕規(guī)模（104hm2）。休耕規(guī)模適宜指數(shù)越小，表明區(qū)域人均耕地資源越緊張，可休耕耕地規(guī)模越??；休耕規(guī)模適宜指數(shù)越大，表明人均耕地資源相對(duì)豐富，可休耕耕地規(guī)模越大。從糧食安全約束視角來(lái)看，基于休耕適宜指數(shù)的最大耕地休耕規(guī)模是在保留區(qū)域內(nèi)每個(gè)人正常糧食消費(fèi)所需耕地面積之后所劃定的所有能夠用來(lái)實(shí)行休耕的耕地?cái)?shù)量。在設(shè)定具體的耕地休耕方案時(shí)，以最大耕地休耕規(guī)模為休耕實(shí)施上限則可避免糧食危機(jī)的出現(xiàn)；從生態(tài)安全約束視角來(lái)看，基于休耕適宜指數(shù)的最大耕地休耕規(guī)模同時(shí)考慮人類活動(dòng)對(duì)耕地資源的需求和耕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)的供給，結(jié)合區(qū)域耕地資源可持續(xù)利用狀態(tài)能夠更加科學(xué)地確定耕地休耕規(guī)模上限。

1.2 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的耕地休耕最大規(guī)模測(cè)算仿真模型

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（System Dynamic）強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系、相互作用以及系統(tǒng)自身發(fā)展與動(dòng)態(tài)演變過程，能夠通過對(duì)復(fù)合巨系統(tǒng)的定性與定量相結(jié)合的模型模擬，剖析系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其演變趨勢(shì)[28]。區(qū)域耕地面積、人口總量、人均糧食需求量、人均耕地生態(tài)承載力和人均耕地生態(tài)足跡等動(dòng)態(tài)因素之間存在復(fù)雜的相互作用，修正耕地壓力指數(shù)和生態(tài)差額指數(shù)在時(shí)間和空間序列也不斷變化。借助系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)能夠處理高階次、非線性、多層次、多反饋、復(fù)雜時(shí)間變化的系統(tǒng)問題和政策模擬仿真等優(yōu)勢(shì)，依據(jù)基本測(cè)算方法中的基本要素，通過Vensimm 軟件刻畫各要素間的因果循環(huán)反饋關(guān)系（圖1）。在因果關(guān)系圖和基本測(cè)算方法中各變量關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)、流位、速率變量、輔助變量和方程等，構(gòu)建糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕規(guī)模測(cè)算仿真模型（圖2）。

1.2.1 因果關(guān)系圖

因果關(guān)系圖通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系的定性描述剖析各變量之間所存在的相互制約和影響的復(fù)雜關(guān)系。系統(tǒng)內(nèi)部的因果關(guān)系通常用箭頭表示，即A→B，表示變量A 通過因果鏈作用于變量B 并輸出結(jié)果。作為閉環(huán)系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為發(fā)生在其固有的結(jié)構(gòu)內(nèi)部，根據(jù)修正耕地壓力指數(shù)、生態(tài)差額指數(shù)、最小人均耕地面積和區(qū)域耕地面積等主要變量間的循環(huán)反饋關(guān)系，以及其他輔助變量間的因果關(guān)系，繪制因果關(guān)系圖（圖1）。

1.2.2 系統(tǒng)流圖

因果關(guān)系圖能夠反映各變量之間的邏輯關(guān)系并描述系統(tǒng)內(nèi)部的反饋結(jié)構(gòu)，但卻不能反映各變量之間的具體關(guān)系。在因果關(guān)系分析基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建了基于休耕規(guī)模適宜指數(shù)的糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕規(guī)模測(cè)算模型的系統(tǒng)流圖（圖2）。在系統(tǒng)流圖的構(gòu)建過程中，充分考慮糧食主產(chǎn)區(qū)需要發(fā)揮糧食區(qū)域調(diào)配功能以保障國(guó)家層面的糧食安全，將區(qū)域人均糧食凈調(diào)出量以表函數(shù)的形式容納其中。因此，該模型在理論上適用于13 個(gè)承擔(dān)糧食調(diào)出任務(wù)的糧食主產(chǎn)區(qū)省份的耕地休耕最大規(guī)模模擬測(cè)算。

2 糧食主產(chǎn)區(qū)案例實(shí)證模型

2.1 研究區(qū)域概況

本文選擇以江蘇省為案例區(qū)域?qū)谛莞?guī)模適宜指數(shù)的糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕最大規(guī)模進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)測(cè)算仿真，以驗(yàn)證所構(gòu)建模型的科學(xué)性和適用性。江蘇省是中國(guó)大陸13 個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，全省氣候條件優(yōu)越，多年平均實(shí)際日照時(shí)數(shù)為2 000～26 500 h，太陽(yáng)年輻射總量為481.5～617.5 kJ/cm2。近年來(lái)糧食產(chǎn)量總體呈現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從2007 年的3.132×107t 增長(zhǎng)到2016 年的3.540×107t，而耕地資源面積卻從2007年的478.76萬(wàn)hm2減少至2016 年的457.11 萬(wàn)hm2。人均耕地生態(tài)足跡常年遠(yuǎn)超于人均耕地生態(tài)承載力，生態(tài)差額指數(shù)也一直在0.3附近波動(dòng)，耕地資源長(zhǎng)期處于不可持續(xù)利用的惡化狀態(tài)，為區(qū)域耕地資源變化及國(guó)家糧食安全問題提供了預(yù)警。作為中國(guó)糧食生產(chǎn)的核心陣地，江蘇省的耕地養(yǎng)護(hù)和質(zhì)量建設(shè)是中國(guó)耕地輪作休耕制度探索的工作重點(diǎn)之一。2016 年，江蘇省先行先試對(duì)蘇中、蘇北糧食主產(chǎn)區(qū)開展輪作休耕，成為全國(guó)首個(gè)自主展開省級(jí)層面耕地輪作休耕制度試點(diǎn)的省份。隨后不斷在省內(nèi)擴(kuò)大輪作休耕覆蓋范圍，積極探索適合區(qū)域生產(chǎn)特點(diǎn)的可持續(xù)、可復(fù)制的耕地輪作休耕模式和政策體系，追求穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)從片面追求耕地產(chǎn)出到“用養(yǎng)結(jié)合、永續(xù)利用”的轉(zhuǎn)變，努力夯實(shí)區(qū)域糧食安全基礎(chǔ)以繼續(xù)為保障國(guó)家糧食安全作出貢獻(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及參數(shù)設(shè)置

由于本研究所構(gòu)建的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型涉及到眾多耕地和生態(tài)相關(guān)的基礎(chǔ)變量，數(shù)據(jù)獲取難度相對(duì)較大。出于數(shù)據(jù)完整性的考慮，本文所構(gòu)建的糧食安全與生態(tài)安全雙約束下耕地休耕最大規(guī)模測(cè)算的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以2007－2016 為模擬時(shí)間邊界，以2017 年仿真預(yù)測(cè)的時(shí)間起點(diǎn)，從而保證系統(tǒng)模擬和仿真的真實(shí)性和科學(xué)性。以耕地休耕規(guī)?；緶y(cè)算方法為數(shù)理邏輯基礎(chǔ)拓展而來(lái)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型由狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量和常量4 種類型變量構(gòu)成，區(qū)域耕地面積和總?cè)丝跒闋顟B(tài)變量，分別是耕地增加量和減少量、年出生人口和死亡人口等速率變量的積累變量；最小人均耕地面積、耕地壓力指數(shù)、修正耕地壓力指數(shù)、人均糧食需求量、人均耕地生態(tài)足跡、人均耕地生態(tài)承載力、生態(tài)差額指數(shù)、休耕規(guī)模適宜指數(shù)和耕地休耕最大面積等輔助變量由系統(tǒng)中其他變量根據(jù)耕地休耕最大規(guī)?；緶y(cè)算方法中的計(jì)算公式構(gòu)建；其余變量為常量。部分重要變量的指標(biāo)方程式構(gòu)建如表1 所示。

表1 主要變量及方程Table 1 Model important variables and equations

其中，區(qū)域耕地面積、總?cè)丝凇⒏刈兓禂?shù)和人口變化等數(shù)據(jù)直接獲取于《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》；耕地利用效率、糧食自給率、區(qū)域消費(fèi)總能值、全球地表能值密度、雨水化學(xué)能、太陽(yáng)光能、表土能及其太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)化率均通過《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)國(guó)土資源統(tǒng)計(jì)年鑒》和《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》中的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算得出；耕地產(chǎn)量因子沿用Wackernagel 等[25]在計(jì)算中國(guó)生態(tài)足跡時(shí)所采用的產(chǎn)量因子，具體數(shù)值為1.66；人均糧食需求量會(huì)歲經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平提高而增加，參考國(guó)家食物與營(yíng)養(yǎng)咨詢委員會(huì)提出的基本小康社會(huì)（2010 年）、全面小康社會(huì)（2020 年）食物安全標(biāo)準(zhǔn)分別是410 和430 kg/(人·a)，本文將2010 年人均糧食需求量設(shè)定為410 kg/人，2010 年之前每年減少1 kg，2010年之后每年增加2 kg，全面小康社會(huì)2020 年后每年增加3 kg，并在模型中以time 影子函數(shù)的形式呈現(xiàn)；人均糧食凈調(diào)出量為本省人均糧食占有量和全國(guó)人均糧食占有量的差值，由于國(guó)家要求糧食主產(chǎn)區(qū)應(yīng)保證糧食調(diào)出量有增無(wú)減，糧食主產(chǎn)區(qū)在設(shè)定當(dāng)年的糧食調(diào)出量時(shí)原則上應(yīng)按照近三年平均調(diào)出量的(1+13‰)N倍計(jì)算。部分重要變量的初始值設(shè)定如表2 所示。

表2 主要變量初始值Table 2 Initial value of main variable

2.3 模型檢驗(yàn)

1）運(yùn)行檢驗(yàn)。分別選取不同的時(shí)間仿真步長(zhǎng)，驗(yàn)證本文所構(gòu)建模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)行為。代入數(shù)據(jù)后顯示模型能夠正常運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)定的各方程等式未出現(xiàn)量綱錯(cuò)誤，表明模型具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，適合進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)并能保證仿真結(jié)果的有效性。

2）歷史檢驗(yàn)。將本文所構(gòu)建模型的仿真結(jié)果與實(shí)際歷史數(shù)據(jù)相比較。提取區(qū)域耕地面積、總?cè)丝诤蛯?shí)際人均耕地面積等變量2007－2016 年的仿真值與實(shí)際歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（表3），結(jié)果顯示3 個(gè)變量統(tǒng)計(jì)值與仿真值的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，表明本文所構(gòu)建的模型具有良好的合理性和模擬性，能夠真實(shí)有效地對(duì)耕地休耕最大規(guī)模進(jìn)行仿真。

表3 江蘇省耕地休耕規(guī)模系統(tǒng)模型主要變量的歷史檢驗(yàn)Table 3 Historical test of the main variables of the system model of cultivated land fallow size in Jiangsu Province

3 江蘇省耕地休耕最大規(guī)模仿真預(yù)測(cè)結(jié)果

3.1 江蘇省2007－2016 模擬期仿真結(jié)果分析

對(duì)糧食安全與生態(tài)安全雙約束下江蘇省耕地休耕最大規(guī)模測(cè)算模型進(jìn)行仿真，得到耕地休耕最大規(guī)模等主要變量的模擬數(shù)據(jù)（表4）。借鑒陳展圖等[1]提出的休耕規(guī)模應(yīng)該具有一定的彈性以便及時(shí)根據(jù)內(nèi)外環(huán)境變化進(jìn)行靈活調(diào)整，本文以最大耕地休耕規(guī)模為上限計(jì)算出耕地休耕規(guī)模的彈性邊界（即休耕規(guī)模與當(dāng)?shù)馗孛娣e的比例），耕地休耕最大規(guī)模變化趨勢(shì)和耕地休耕規(guī)模彈性邊界變化趨勢(shì)如圖3 所示。隨著江蘇省休耕規(guī)模適宜指數(shù)的持續(xù)降低，區(qū)域耕地休耕最大規(guī)模相應(yīng)呈現(xiàn)縮小態(tài)勢(shì)，可休耕耕地面積占江蘇省耕地總面積的比例不斷減小，休耕規(guī)模彈性邊界從2007 年的12.12%縮減到2016 年的10.16%。結(jié)果表明，2007－2016 年內(nèi)在兼顧糧食安全和生態(tài)安全的基礎(chǔ)上，江蘇省耕地面積和休耕規(guī)模適宜指數(shù)雖然逐年下降，休耕規(guī)模彈性邊界也有所緊縮，但仍存在10.16%的可休耕耕地資源。反映出在考慮區(qū)域耕地資源可持續(xù)利用狀況的前提下，江蘇省仍然能夠發(fā)揮糧食主產(chǎn)區(qū)的糧食調(diào)配功能，向糧食主銷區(qū)提供一定比例的糧食需求輸入，不斷鞏固自身在中國(guó)糧食生產(chǎn)格局中的重要位置。盡管在模擬周期內(nèi)江蘇省不存明顯的糧食安全風(fēng)險(xiǎn)且有能力在滿足區(qū)域糧食需求的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)揮主產(chǎn)區(qū)的糧食貢獻(xiàn)作用，但是不斷收縮的耕地休耕規(guī)模彈性邊界預(yù)示著區(qū)域耕地資源利用狀況極有可能在未來(lái)持續(xù)惡化，耕地資源生態(tài)將一直處于不可持續(xù)利用的超載狀態(tài)。因此，江蘇省通過休耕“藏糧于地”不僅是對(duì)國(guó)家試點(diǎn)耕地休耕制度的積極回應(yīng)和殷切支持，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看更是實(shí)現(xiàn)耕地休耕制度蘊(yùn)含的耕地保護(hù)和生態(tài)安全戰(zhàn)略意義的重要組成部分。

表4 江蘇省耕地休耕規(guī)模系統(tǒng)模型模擬仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of system model of cultivated land fallow size in Jiangsu Province

3.2 江蘇省2007－2016 模擬期預(yù)測(cè)結(jié)果分析

通過重新設(shè)置模型的初始值和參數(shù)，以2017 年為模擬基期，時(shí)間步長(zhǎng)為1 年，仿真周期為20 a，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)江蘇省2017－2036 年耕地休耕最大規(guī)模測(cè)算系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真，得到江蘇省耕地休耕最大規(guī)模等主要變量的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)（表5）以及耕地休耕最大規(guī)模變化趨勢(shì)和耕地休耕規(guī)模彈性邊界變化趨勢(shì)（圖4）。

表5 2017－2036 年江蘇省耕地休耕規(guī)模系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)仿真結(jié)果Table 5 Predictive simulation results of a system model of cultivated land fallow size in Jiangsu Province from 2017 to 2036

仿真結(jié)果顯示，在仿真期人口政策、耕地保護(hù)政策和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平不發(fā)生較大變動(dòng)或變動(dòng)帶來(lái)影響較小的情況下，江蘇省耕地資源面積將從 2017 年的457.33 萬(wàn)hm2減少至2036 年的446.63 萬(wàn)hm2，休耕規(guī)模適宜指數(shù)也將從2017 年的0.099 3 降低至2036 年的0.048 1。隨著江蘇省耕地面積和休耕規(guī)模適宜指數(shù)的雙重降低，可休耕耕地面積呈現(xiàn)逐年降低的變化態(tài)勢(shì)，將從2016 年的45.43 萬(wàn)hm2降至2036 年的21.47 萬(wàn)hm2，降幅高達(dá)52.74%。休耕規(guī)模彈性邊界也將從2017 年的9.93%縮減至2036 年的4.81%，降幅高達(dá)51.56%。盡管在考慮糧食安全和生態(tài)安全的基礎(chǔ)上江蘇省仍存在一定比例的可休耕耕地資源，但是52.74%的降幅表明在仿真末期的耕地可持續(xù)利用狀況不容樂觀，糧食安全穩(wěn)定狀態(tài)終將被打破。

實(shí)施耕地休耕是對(duì)耕地資源高強(qiáng)度開發(fā)利用后的修復(fù)、補(bǔ)救行為，其所涉及的“社會(huì)-生態(tài)”循環(huán)交互決定該過程是由多重要素聯(lián)結(jié)構(gòu)建[10]。深入探究江蘇省耕地休耕最大規(guī)模仿真結(jié)果形成原因，有以下3 個(gè)維度的因素：從人口擴(kuò)張角度來(lái)看，經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展帶來(lái)的社會(huì)福利和生活水平提高在一定程度上降低人口死亡率，同時(shí)三孩政策開放標(biāo)志著中國(guó)進(jìn)入計(jì)劃生育政策松弛期，計(jì)生政策力和婦女生育意愿力的向上合力極有可能帶來(lái)正向的生育率反彈[29]。因此，在仿真周期內(nèi)江蘇省人口規(guī)模呈現(xiàn)不斷擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)，隨之增加的糧食需求總量會(huì)加重區(qū)域糧食生產(chǎn)任務(wù)和耕地資源壓力，致使系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)際人均耕地面積的逐漸減小和休耕耕地壓力指數(shù)的不斷提高，并最終導(dǎo)致區(qū)域耕地休耕最大面積的持續(xù)縮小；從社會(huì)發(fā)展角度來(lái)看，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)導(dǎo)致耕地資源逐漸減少和人類社會(huì)對(duì)耕地產(chǎn)出消費(fèi)快速增加的矛盾愈發(fā)突出，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)因耕地占用成本相對(duì)較低會(huì)產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的耕地占用欲望來(lái)實(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張，招商引資和產(chǎn)業(yè)升級(jí)將促使城市內(nèi)部的工業(yè)企業(yè)搬遷至城市外圍工業(yè)園區(qū)或周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，加劇對(duì)耕地資源空間的擠壓[30-31]。區(qū)域耕地資源面積的減少是耕地休耕規(guī)模彈性邊界縮小的直接原因；從生態(tài)安全視角來(lái)看，延續(xù)當(dāng)前的耕地保護(hù)政策和生態(tài)管護(hù)措施，生態(tài)差額指數(shù)將保持在0.3 左右波動(dòng)甚至可能在人口增多的情況下不斷走低，耕地資源將一直處于不可持續(xù)利用狀態(tài)。江蘇省對(duì)自然生態(tài)資源的利用將遠(yuǎn)超其自身生態(tài)承載力，這也是區(qū)域休耕規(guī)模適宜指數(shù)出現(xiàn)大幅降低的重要原因，長(zhǎng)此以往不僅耕地休耕規(guī)模彈性邊界將不斷縮減，區(qū)域正常生態(tài)安全保護(hù)也將受到嚴(yán)重威脅。

4 討 論

由于糧食安全、生態(tài)安全、耕地質(zhì)量和國(guó)際糧食市場(chǎng)等多重因素的影響，在理論上確定耕地休耕規(guī)模是一個(gè)難度很大的技術(shù)性問題[10]。確定耕地休耕規(guī)模并不是簡(jiǎn)單地得到一個(gè)具體數(shù)值或范圍，還需要將區(qū)域類型、休耕目標(biāo)及潛在休耕效益等通過理論模型科學(xué)表達(dá)出來(lái)。本研究為確定糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕規(guī)模上限和動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍提供了一個(gè)具有邏輯支撐的普適性方法，充分考慮了糧食主產(chǎn)區(qū)在中國(guó)糧食安全保障中重要的作用。研究結(jié)果預(yù)測(cè)了糧食主產(chǎn)區(qū)實(shí)施休耕的政策空間和效益前景，對(duì)于具體耕地休耕實(shí)施方案的制定具有重要的參考意義。

盡管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型能夠滿足本研究所構(gòu)建的糧食安全和生態(tài)安全雙重約束下對(duì)糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕最大規(guī)模的模擬測(cè)算和仿真預(yù)測(cè)，但是還存在一些局限性。首先，除本文考慮到的糧食安全和生態(tài)安全以外，還有許多因素會(huì)對(duì)最大休耕規(guī)模的確定產(chǎn)生影響，比如國(guó)際糧食市場(chǎng)、休耕周期、耕地輪作、農(nóng)業(yè)科技水平提升和耕地質(zhì)量等級(jí)等。但由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建是以具有明確數(shù)理相關(guān)關(guān)系的變量為依據(jù)，且相關(guān)研究也較少，如何通過準(zhǔn)確量化這些因素對(duì)休耕規(guī)模的影響將其納入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中還需要借鑒更多的文獻(xiàn)和理論進(jìn)行深入拓展研究。其次，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)2017－2036 年的耕地休耕最大規(guī)模進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)需要設(shè)定外界環(huán)境條件，本研究對(duì)仿真情景的設(shè)定是仿真期內(nèi)中國(guó)人口政策、耕地保護(hù)政策和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平不發(fā)生較大變動(dòng)或變動(dòng)帶來(lái)影響較小。這種情景只是可能發(fā)生的諸多情景中的一種，后續(xù)研究可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)發(fā)展趨勢(shì)或理論假設(shè)設(shè)定其他情景對(duì)最大耕地休耕規(guī)模進(jìn)行仿真。例如，三孩政策開放后中國(guó)人口增長(zhǎng)趨勢(shì)可能發(fā)生較大變化，糧食需求量及耕地生態(tài)足跡等也會(huì)隨之發(fā)生變化，糧食主產(chǎn)區(qū)的糧食供給任務(wù)和耕地資源承載壓力可能會(huì)加重，可以在未來(lái)人口政策效應(yīng)比較明朗的情況下及時(shí)調(diào)整仿真預(yù)測(cè)情景設(shè)定，以更好地?cái)M合休耕規(guī)模的實(shí)際狀態(tài)。此外，由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的構(gòu)建涉及到的各類型變量眾多，在數(shù)據(jù)收集上存在較大的難度。本研究為保證模擬仿真效果的真實(shí)性和科學(xué)性，在數(shù)據(jù)的時(shí)效性上有所欠缺，后續(xù)可及時(shí)更新數(shù)據(jù)進(jìn)一步提高模型的預(yù)測(cè)力。

5 結(jié)論與政策啟示

本文以保障糧食安全和生態(tài)安全為基本準(zhǔn)則，引入修正耕地壓力指數(shù)和生態(tài)差額指數(shù)構(gòu)建以休耕規(guī)模適宜指數(shù)為核心的糧食主產(chǎn)區(qū)耕地休耕規(guī)?；緶y(cè)算方法，并運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型拓展為具有動(dòng)態(tài)仿真預(yù)測(cè)功能的測(cè)算模型，以江蘇省作為案例區(qū)域進(jìn)行仿真，主要結(jié)論如下：

1）在模擬期內(nèi)，江蘇省耕地資源面積的減小和休耕規(guī)模適宜指數(shù)的降低導(dǎo)致區(qū)域耕地休耕規(guī)模彈性邊界從2007 年的12.12%緊縮至2016 年的10.16%。在兼顧糧食主產(chǎn)區(qū)的糧食調(diào)配任務(wù)且考慮區(qū)域耕地資源可持續(xù)利用狀況的基礎(chǔ)上，江蘇省仍然保有一定比例耕地資源能夠支撐國(guó)家“藏糧于地”戰(zhàn)略的實(shí)施，但從不斷收縮的休耕規(guī)模彈性邊界看依然存在耕地資源生態(tài)惡化的風(fēng)險(xiǎn)。

2）在仿真期內(nèi)，江蘇省耕地資源面積將從2017 年的457.33 萬(wàn)hm2減少至2036 年的446.63 萬(wàn)hm2，休耕規(guī)模適宜指數(shù)也將從2017 年的0.099 3 降低至2036 年的0.048 1，這種雙重走低態(tài)勢(shì)將直接導(dǎo)致區(qū)域耕地休耕規(guī)模的減小。因此，如果在城市快速擴(kuò)張進(jìn)程中繼續(xù)保持當(dāng)前的耕地生態(tài)保護(hù)力度，耕地資源面積將持續(xù)減少并影響區(qū)域耕地休耕制度實(shí)施的基礎(chǔ)環(huán)境。

3）在仿真期內(nèi)，江蘇省可休耕耕地面積將從2016年的45.43 萬(wàn)hm2降至2036 年的21.47 萬(wàn)hm2，休耕規(guī)模彈性邊界也將從2017年的9.93%縮減至2036年的4.81%。盡管在考慮糧食安全和生態(tài)安全的基礎(chǔ)上江蘇省仍存少量的可休耕耕地資源，但是耕地可持續(xù)利用狀況不容樂觀且糧食安全穩(wěn)定狀態(tài)終將被打破，該發(fā)展態(tài)勢(shì)也是對(duì)其他區(qū)域乃至全國(guó)可能面臨的耕地資源短缺問題和糧食安全危機(jī)的預(yù)警。

研究結(jié)果對(duì)中國(guó)休耕制度實(shí)施和耕地保護(hù)具有一定的啟示意義：當(dāng)前糧食主產(chǎn)區(qū)耕地資源生態(tài)狀況良好，能夠?yàn)閷?shí)施常態(tài)化休耕提供堅(jiān)實(shí)的耕地資源基礎(chǔ)，可以在糧食主產(chǎn)區(qū)積極有序地推廣實(shí)施耕地休耕制度，深入部署“藏糧于地”戰(zhàn)略以鞏固提升糧食產(chǎn)能。同時(shí)，應(yīng)重視糧食主產(chǎn)區(qū)潛在的耕地資源生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)，建立休耕規(guī)模與生態(tài)安全掛鉤的指標(biāo)預(yù)警體系以實(shí)現(xiàn)對(duì)休耕實(shí)施方案的宏觀動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。此外，應(yīng)統(tǒng)籌耕地休耕與耕地撂荒治理、土地整治和基本農(nóng)田建設(shè)等耕地保護(hù)政策的正向聯(lián)動(dòng)，創(chuàng)造耕地保護(hù)政策體系內(nèi)部的正向溢出效應(yīng)，并通過實(shí)施休耕提升現(xiàn)有耕地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)水平。