顧 文, 王繼軍, 齊智娟

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.煙臺(tái)市水利建筑勘察設(shè)計(jì)院, 山東 煙臺(tái) 264000; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué), 陜西 楊凌 712100)

不同優(yōu)化情境下的縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)耦合關(guān)系

顧 文1,2, 王繼軍1,3, 齊智娟1

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.煙臺(tái)市水利建筑勘察設(shè)計(jì)院, 山東 煙臺(tái) 264000; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué), 陜西 楊凌 712100)

在對(duì)縣南溝流域退耕還林工程實(shí)施后商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)現(xiàn)狀耦合態(tài)勢分析的基礎(chǔ)上，以該流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化方案為基礎(chǔ)，利用耦合過程模型，預(yù)測了系統(tǒng)在鏈網(wǎng)構(gòu)建階段、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化耦合階段的耦合關(guān)系。結(jié)果表明：自退耕還林工程實(shí)施以來，縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)一直處于協(xié)調(diào)化發(fā)展階段，且農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的綜合指數(shù)均不斷增加。當(dāng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到自我調(diào)節(jié)臨界點(diǎn)時(shí)，在現(xiàn)狀發(fā)展態(tài)勢下農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度為VEn(t)=0.0673El(t)，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)鏈網(wǎng)構(gòu)建階段農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度為VEn(t)=0.0913El(t)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化耦合階段農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度為VEn(t)=0.0999El(t)，系統(tǒng)鏈網(wǎng)的完善、資源的合理高效利用以及碳匯林業(yè)的發(fā)展解決了商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)健康、持續(xù)發(fā)展的問題，同時(shí)提高了系統(tǒng)功能。

商品型生態(tài)農(nóng)業(yè); 耦合過程模型; 耦合態(tài)勢; 優(yōu)化情境; 縣南溝流域

商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，在市場經(jīng)濟(jì)和生態(tài)改良的雙重需求下而產(chǎn)生的一種新型農(nóng)業(yè)可持續(xù)經(jīng)營模式。其系統(tǒng)內(nèi)部包括兩個(gè)子系統(tǒng)，即以農(nóng)業(yè)資源為核心的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為核心的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)的耦合程度、耦合態(tài)勢和耦合關(guān)系決定了商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)的建設(shè)效果。在理論研究方面，關(guān)于系統(tǒng)耦合態(tài)勢和耦合關(guān)系的研究較多，方法也比較成熟。如王繼軍等[1]利用耦合度模型研究了紙坊溝流域近70年農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合態(tài)勢演變情況，并將其劃分成了4個(gè)階段；馬彩虹等[2]基于生態(tài)足跡理論及其相關(guān)衍生模型，分析了江西省生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢；李奇睿等[3]針對(duì)退耕還林工程實(shí)施后商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)耦合關(guān)系的變化情況，對(duì)系統(tǒng)耦合演變過程進(jìn)行了分析。但是對(duì)于優(yōu)化后系統(tǒng)可能的耦合關(guān)系研究還比較滯后，而優(yōu)化后系統(tǒng)耦合關(guān)系如何關(guān)系到對(duì)優(yōu)化方案的決策及系統(tǒng)運(yùn)行效果，對(duì)優(yōu)化方案的實(shí)施及執(zhí)行過程具有很重要的參考作用。

本課題組已對(duì)縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在不同情境下的優(yōu)化耦合進(jìn)行了研究，得到了商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展各個(gè)階段[4]即現(xiàn)狀發(fā)展階段(基本結(jié)構(gòu)構(gòu)建階段)、商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)鏈網(wǎng)構(gòu)建階段和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化耦合階段的土地利用結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步確定縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化后的耦合關(guān)系，本研究選取耦合過程模型，在對(duì)縣南溝流域退耕還林工程實(shí)施后商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀耦合態(tài)勢分析的基礎(chǔ)上，預(yù)測分析系統(tǒng)在優(yōu)化情境下可能的耦合關(guān)系，以期為縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展方案實(shí)施的決策與執(zhí)行提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

縣南溝流域位于黃土高原中部的安塞縣沿河灣鎮(zhèn)，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)(東經(jīng)109°12′12″—109°22′12″，北緯36°41′24″—36°46′12″)。流域總面積為5 063 hm2，海拔1 100～1 400 m，平均海拔1 200 m，相對(duì)高差100～300 m ；流域?qū)儆谂瘻貛Ц珊蛋敫珊禋夂騾^(qū)，年平均氣溫8.8℃，≥0℃積溫3733.5℃；流域年降水量在500～550 mm，年際差異較大，且年內(nèi)分配不均，60%～80%降雨集中在7—9月；平均地面蒸發(fā)量為1 800～2 200 mm，無霜期為157 d；土壤以黃綿土為主[5]。流域自1999年開始實(shí)施退耕還林工程，2012年擁有林地1 549.80 hm2，耕地289.40 hm2，人均純收入達(dá)到8 800多元。在退耕還林背景下，流域土地利用方式不斷轉(zhuǎn)變，生態(tài)環(huán)境改善的同時(shí)農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收益不斷提高，生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)行協(xié)調(diào)，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)成效顯著。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究思路

為研究縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在優(yōu)化后的耦合關(guān)系，本文通過對(duì)退耕還林工程實(shí)施后農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合指數(shù)及其演變速度的分析，得到系統(tǒng)演變的影響系數(shù)k1、k2、k3、k4，再通過調(diào)整系數(shù)β1、β2修正各個(gè)情境下重要因子可能出現(xiàn)的態(tài)勢對(duì)系統(tǒng)的影響，進(jìn)而確定某特定情境下商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的耦合關(guān)系。

2.2 研究方法

要分析商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化后的耦合關(guān)系，就要明確農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的耦合過程。具體方法如下：

2.2.1 系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)模型 用En(t)、El(t)分別表示時(shí)間t時(shí)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)，VEn(t)、VEl(t)分別表示時(shí)間t時(shí)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的演化速度[6]。

(1)

(2)

式中：xi(t)，yj(t)——商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值；ai(t)，bj(t)——農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各指標(biāo)權(quán)重。

2.2.2 耦合度模型 在二維平面以VEn(t)，VEl(t)為變量建立坐標(biāo)系，則商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)演變速度V在坐標(biāo)系中就可以表示為橢圓(圖1)，圖中角度θ即為耦合度[7]，其大小可以判定農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)耦合態(tài)勢。具體公式為：

(3)

(4)

(5)

圖1 商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)演化耦合度

2.2.3 耦合過程基礎(chǔ)模型 根據(jù)貝塔蘭菲的一般系統(tǒng)理論和文獻(xiàn)[8]，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)演化方程的形式為：

VEn(t)=k1·En(t)+k2·El(t)

(6)

VEl(t)=k3·En(t)+k4·El(t)

(7)

式中：k1，k2——農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演化過程的影響系數(shù)，是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演化速度的貢獻(xiàn)度；k3，k4——農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演化過程的影響系數(shù)，是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度。他們揭示了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之間的互動(dòng)方向與強(qiáng)度，在特定的研究區(qū)域k1，k2，k3，k4皆為常數(shù)，利用公式(6)，(7)進(jìn)行回歸即可求得。

2.2.4 耦合過程擴(kuò)展模型 商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng)，當(dāng)其演變過程受到外力的作用時(shí)，演變軌跡往往發(fā)生較大變化[8]。假設(shè)β1、β2分別為某重大行為過程對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)影響后導(dǎo)致其演變軌跡發(fā)生變化后的調(diào)整系數(shù)，以公式(6)、(7)為基礎(chǔ)，通過對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變軌跡的修正可形成如下擴(kuò)展方程：

VEn(t)=k1·(1+β1)×En(t)+k2·El(t)

(8)

VEl(t)=k3·En(t)+k4×(1+β2)·El(t)

(9)

當(dāng)某重大行為過程對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生正向影響時(shí)，β1，β2取正，反之取負(fù)。其大小表征某重大行為過程對(duì)系統(tǒng)演變軌跡的偏離程度，可用公式(10)求得。

(10)

式中：Δ(aixi)，Δ(bjyj)——某重大行為過程引起的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)偏離后的增量。在求得β1，β2后，便可根據(jù)公式(8)，(9)計(jì)算某重大行為過程發(fā)生后農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的演變速度與兩系統(tǒng)的數(shù)量關(guān)系，以此來分析某重大行為過程發(fā)生后商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的耦合關(guān)系。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 指標(biāo)體系 本研究所選商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重參考已有研究成果(表1)[9]。各指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法確定。

表1 商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重

2.3.2 數(shù)據(jù)來源與處理 本文采用的數(shù)據(jù)來源于本課題組對(duì)縣南溝流域土地利用變化、農(nóng)用地投入產(chǎn)出調(diào)研資料的積累。為統(tǒng)一各指標(biāo)的量綱文章對(duì)各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其值介于0～1之間。文章所涉及數(shù)據(jù)均是在Excel和SPSS軟件中完成。

3 結(jié)果與分析

通過對(duì)表征商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)各指標(biāo)的量化與標(biāo)準(zhǔn)化，在對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用公式(3—4)得到1999—2012年縣南溝流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變速度，再采用公式(5)求得商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的耦合度(表2)。

表2 縣南溝流域1999-2012年商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)互動(dòng)過程相關(guān)指標(biāo)值

3.1退耕還林工程實(shí)施以來商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)耦合態(tài)勢分析

從表2可以看出，1999—2012年縣南溝流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合度處于0～90°之間，位于耦合度的第I象限，表明退耕還林工程實(shí)施以來，縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)一直處于協(xié)調(diào)化發(fā)展階段，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的綜合指數(shù)均不斷增加。

退耕還林工程的實(shí)施，增加了流域林草覆蓋率、人均基本農(nóng)田、園地比重等，同時(shí)降低了土壤侵蝕強(qiáng)度，使流域生態(tài)環(huán)境得到改善、農(nóng)業(yè)資源量迅速增加，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)不斷提高。具體來說，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的綜合指數(shù)在1999—2005年增長迅速，從0.473 6增長到0.592 4，增速為5.02%。之后流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)平穩(wěn)增加，增速減緩到0.95%。流域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展部分依賴生態(tài)系統(tǒng)，在生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)增長的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的綜合指數(shù)也在不斷增加，但其增長趨勢與生態(tài)系統(tǒng)不同。在1999—2005年間，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合指數(shù)增長速度為2.59%(0.368 3～0.416 0)，而2005年之后的增長速度達(dá)到6.04%。原因在于，退耕初期商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)以糧食輸出為主，農(nóng)產(chǎn)品商品率、農(nóng)產(chǎn)品商品加工貯藏率、糧食潛力實(shí)現(xiàn)率、工副業(yè)貢獻(xiàn)率、人均純收入等指標(biāo)對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)度較低，而之后果園進(jìn)入盛果期，加之外出務(wù)工人員的增加使各指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)度均得到提高，生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合指數(shù)平穩(wěn)增長的時(shí)候可以迅速增加。

根據(jù)王繼軍等[1,3]的研究，當(dāng)0°<θ≤90°時(shí)，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)化發(fā)展階段。依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部資源利用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r又可以將此階段劃分為三個(gè)時(shí)期：0°<θ≤30°時(shí)為經(jīng)濟(jì)低速發(fā)展期、30°<θ≤60°時(shí)為商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)均衡發(fā)展期、60°<θ≤90°時(shí)為商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)危機(jī)潛伏期或功能提高期(若此時(shí)期出現(xiàn)在系統(tǒng)恢復(fù)重建階段，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)資源過度利用或者農(nóng)業(yè)資源內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理未得到有效利用，表現(xiàn)為危機(jī)潛伏期；若此時(shí)期出現(xiàn)在系統(tǒng)鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)完善或優(yōu)化耦合的高級(jí)階段，表現(xiàn)為系統(tǒng)功能提高期)。由表2可知，縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在1999—2003年時(shí)處于經(jīng)濟(jì)低速發(fā)展期，此時(shí)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變速度大于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度。原因在于退耕還林工程將陡坡地轉(zhuǎn)化為林地，同時(shí)禁止放牧減少了牲畜對(duì)林草資源的使用和破壞，再加上新修基本農(nóng)田，使得縣南溝農(nóng)業(yè)資源量在1999—2003年間迅速增長。而退耕還林工程對(duì)農(nóng)業(yè)種植業(yè)和畜牧業(yè)的影響嚴(yán)重抑制了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展并非建立在充分利用自然資源上，導(dǎo)致此時(shí)期經(jīng)濟(jì)增長緩慢、農(nóng)業(yè)資源利用不合理出現(xiàn)剩余。2003—2004年系統(tǒng)耦合度短暫的出現(xiàn)在30°～60°之間，此時(shí)由于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及果業(yè)初見效益，退耕還林工程對(duì)商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的影響開始趨于平穩(wěn)，系統(tǒng)暫時(shí)處于均衡發(fā)展期。在2004—2012年60°<θ≤90°，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)處于協(xié)調(diào)化發(fā)展階段的危機(jī)潛伏期，而且系統(tǒng)耦合度呈逐漸增加的趨勢，2012年為86.47°，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)到了急需調(diào)整的邊緣。經(jīng)分析可知，在此時(shí)期，退耕還經(jīng)濟(jì)林已經(jīng)掛果，效益逐步增加；畜牧業(yè)的萎縮使日益增加的林草資源長時(shí)間得不到利用，閑置浪費(fèi)；經(jīng)濟(jì)增長背景下勞動(dòng)力價(jià)格上漲帶動(dòng)勞務(wù)輸出增加，這些因素加劇了商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)資源的相悖態(tài)勢。經(jīng)濟(jì)的增長是建立在外出務(wù)工和林果業(yè)的基礎(chǔ)之上，林草資源閑置并未帶來效益，使得經(jīng)濟(jì)增長并非建立在合理高效利用農(nóng)業(yè)資源上，系統(tǒng)內(nèi)部之間的矛盾日益尖銳，農(nóng)林牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)亟待調(diào)整。

3.2 基本參數(shù)k1-k4的確定與分析

利用表2結(jié)果，通過公式(6—7)采用SPSS軟件進(jìn)行無截距線性回歸，求得退耕還林工程實(shí)施后商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展全過程(1999—2012年)和退耕還林工程實(shí)施后商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展階段(2005—2012年)的各參數(shù)值(表3)。

表3 系數(shù)k1、k2、k3、k4值及其顯著性

由表3可以看出，參數(shù)k2、k3為負(fù)，說明生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)的增加并沒有對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的增長速度起到支撐作用，而經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合指數(shù)的增加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演變速度起到抑制作用。由于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演變速度的抑制程度(k3)與生態(tài)系統(tǒng)的自恢復(fù)能力或改良作用(k4)相當(dāng)，且退耕還林工程實(shí)施后生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)一直高于經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合指數(shù)，使生態(tài)系統(tǒng)演變速度一直保持正向發(fā)展，但其發(fā)展速度越來越慢。按現(xiàn)狀發(fā)展，未來某時(shí)段生態(tài)系統(tǒng)演變速度將為0或負(fù)向發(fā)展，此時(shí)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的抑制作用將超過生態(tài)系統(tǒng)的自恢復(fù)或改良能力，原因在于商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)沒有形成良性互動(dòng)，亦即農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與農(nóng)業(yè)資源相悖，進(jìn)一步說明了現(xiàn)狀商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需要優(yōu)化。

由于1999—2012年時(shí)k3，k4的Sig.值均大于0.05，不顯著，所以選擇退耕還林工程實(shí)施后商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展階段的參數(shù)值，此時(shí)耦合過程模型為：

VEn(t)= 0.145(1+β1)·

En(t)-0.075El(t)

(11)

VEl(t)= -0.054En(t)+0.053

(1+β2)El(t)

(12)

3.3 優(yōu)化情境下β1，β2的確定與耦合關(guān)系分析

基于本課題組關(guān)于縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化研究，本文選擇商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)在現(xiàn)狀發(fā)展態(tài)勢、系統(tǒng)鏈網(wǎng)構(gòu)建階段和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化耦合階段三種情境對(duì)β1，β2進(jìn)行計(jì)算并預(yù)測各情境耦合關(guān)系。

(1) 按現(xiàn)狀發(fā)展態(tài)勢發(fā)展。在此情境下，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)各要素均不會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)β1=β2=0。農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變速度變?yōu)椋?/p>

VEn(t)=0.145·En(t)-0.075·El(t)

(13)

VEl(t)=-0.054·En(t)+0.053·El(t)

(14)

當(dāng)VEl(t)=0時(shí)，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變速度為零，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度達(dá)到最大值，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)達(dá)到自我調(diào)節(jié)臨界點(diǎn)。根據(jù)公式(13—14)可以得到VEn(t)=0.0673×El(t)，說明在系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展情況下，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)共同促使農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展的最大速度為0.0673×El(t)。

(2) 商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)鏈網(wǎng)構(gòu)建階段。此時(shí)，由于林草資源得到較充分利用，形成養(yǎng)殖業(yè)，再加上果業(yè)、高效設(shè)施農(nóng)業(yè)配置達(dá)到最大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后的演變軌跡較目前發(fā)生了變化，其中農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的人均基本農(nóng)田、園地比重、農(nóng)林牧土地利用結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈與資源相關(guān)度、農(nóng)產(chǎn)品商品率、農(nóng)產(chǎn)品商品加工貯藏率、人均純收入等均得到提高。經(jīng)計(jì)算，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)增加了0.043 8，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合指數(shù)增加了0.056 2。此時(shí)β1=0.0921，β2=0.0692。農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變速度變?yōu)椋?/p>

VEn(t)=0.1584En(t)-0.075El(t)

(15)

VEl(t)=-0.054En(t)+0.0567El(t)

(16)

此時(shí)商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)臨界點(diǎn)發(fā)生改變，當(dāng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變速度為0時(shí)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度變?yōu)椋篤En(t)=0.0913El(t)，說明在商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)鏈網(wǎng)構(gòu)建階段由于資源得到較充分利用和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、資源利用效率得到提高，單位生態(tài)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長速度的貢獻(xiàn)度變大，系統(tǒng)功能得到提高。

(3) 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化耦合階段。此時(shí)，在“種植業(yè)、林草資源→養(yǎng)殖業(yè)→農(nóng)家肥→果業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)”的鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，通過進(jìn)一步加強(qiáng)秸稈和草地資源利用水平強(qiáng)化系統(tǒng)鏈網(wǎng)的關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)退耕林地通過碳匯銷售形成碳匯產(chǎn)業(yè)，這樣以來，林地面積進(jìn)一步增加，農(nóng)林牧土地利用結(jié)構(gòu)、流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈與資源相關(guān)度、人均純收入等均達(dá)到現(xiàn)有認(rèn)識(shí)與技術(shù)水平下的最優(yōu)值。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)β1=0.1468，β2=0.0725。農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變速度變?yōu)椋?/p>

VEn(t)=0.1663En(t)-0.075El(t)

(17)

VEl(t)=-0.054En(t)+0.0568El(t)

(18)

此時(shí)，當(dāng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到自我調(diào)節(jié)臨界點(diǎn)時(shí)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度為VEn(t)=0.0999El(t)，單位生態(tài)系統(tǒng)功能達(dá)到了商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展的最高值。

由以上可知，在商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的三個(gè)不同階段，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到自我調(diào)節(jié)臨界值時(shí)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)的數(shù)量關(guān)系發(fā)生改變，分別為：VEn(t)=0.0673El(t)，VEn(t)=0.0913El(t)和VEn(t)=0.0999El(t)?？梢?，隨著商品型生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善與功能提高，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合值對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度的貢獻(xiàn)度不斷提高，意味著消耗等量農(nóng)業(yè)資源時(shí)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出提高幅度加大，農(nóng)業(yè)資源利用效率增加，表明優(yōu)化后商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)功能得到提高。

4 結(jié)論與討論

自1999年退耕還林工程實(shí)施以來，縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)一直處于協(xié)調(diào)化發(fā)展階段，并依次經(jīng)歷了該階段的經(jīng)濟(jì)低速發(fā)展期、商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)均衡發(fā)展期和商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)危機(jī)潛伏期。目前，縣南溝流域商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并未建立在農(nóng)業(yè)資源的合理高效利用上，導(dǎo)致商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)斷裂、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)資源相悖，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部矛盾日益尖銳，農(nóng)林牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)亟待調(diào)整。

按照商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)不同情境下的優(yōu)化結(jié)果，在商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)鏈網(wǎng)構(gòu)建階段和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化耦合階段，通過合理高效地利用資源，可以完善“種植業(yè)、林草資源→養(yǎng)殖業(yè)→農(nóng)家肥→果業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)”的系統(tǒng)鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)，此時(shí)當(dāng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到均衡發(fā)展時(shí)，商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)鏈網(wǎng)構(gòu)建情境下經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度為0.0913El(t)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化耦合情境下經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度為0.0999El(t)。這兩種情境下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變速度的貢獻(xiàn)度均較現(xiàn)狀發(fā)展態(tài)勢[0.0673El(t)]大。說明通過商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)鏈網(wǎng)構(gòu)建和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化耦合，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴農(nóng)業(yè)資源的程度加大，提高了商品型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)耦合效果。

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CouplingRelationshipofEcologicalAgro-systemwithCommodityinDifferentOptimizedScenariosinXiannangouWatershed

GU Wen1,2, WANG Ji-jun1,3, QI Zhi-juan1

(1.InstituteofSoilandWaterConservationCAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.YantaiWaterBuildingConservancyInvestigation&DesingAcademy,Yantai,Shandong264000,China; 3.NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Based on the coupling trend analysis of ecological agricultural system with commodity(EASC) in Xiannangou watershed after sloping land conversion program (SLCP), and optimized project of EASC in this watershed, this paper predicted the coupling relationship in Xiannangou watershed at the phase of system in the chain network construction and the optimized coupling phase of agricultural economic system and agricultural ecosystem by using coupling process model. Results showed that EASC of Xiannangou watershed is at the phase of coordinated development after the implementation of SLCP. And the comprehensive index of agroecological system and agricultural economic system are both growing continually. When agroecological system reaches the self-adjusting tipping point, the agricultural economic system evolution speed of the status quo of the development trend & the phase of EASC in the chain network construction & the optimized coupling phase of agricultural economic system and agricultural ecosystem respectively follow the formulas ofVEn(t)=0.0673El(t) &VEn(t)=0.0913El(t) andVEn(t)=0.0999El(t). The problems of EASC health and sustainable development are solved by the completed system in the chain network construction, the reasonable utilization of resources and the development of carbon sequestration forestry, which improves the system function at the same time.

ecological agricultural system with commodity (EASC); coupling process model; coupling trend; optimized scenario; Xiannangou Watershed

2014-02-25

：2014-04-01

中國清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目“黃土高原退耕區(qū)農(nóng)戶低碳生產(chǎn)模式與政策研究”(2012027);“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持與高效農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)集成與示范”(2011BAD31B05)

顧文(1990—),男,山東臨沂人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗帘３峙c生態(tài)經(jīng)濟(jì)。E-mail:guwen1234567@126.com

王繼軍(1964—),男,陜西渭南人,研究員,主要從事水土保持與生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究。E-mail:jjwang@ms.iswc.ac.cn

F303.4

：A

：1005-3409(2014)05-0163-06