吳 鋒,曾麟嵐,劉桂君

1 中國科學院地理科學與資源研究所 中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京 100101 2 中國科學院大學,北京 100049

農(nóng)田氮磷營養(yǎng)物流失是流域水環(huán)境污染的重要風險源,其污染物具有廣域分散性、相對微量且運移途徑多樣無序性特征,是環(huán)境污染治理的難點,嚴重影響了河湖水環(huán)境安全,同時制約著農(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%,糧食安全需求導致投入要素的增加,特別是農(nóng)藥與化肥等化學品投入的增加加劇了面源污染風險。2015年國家發(fā)布《到2020年化肥使用量零增長行動方案》,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年化肥施用強度已下降至326kg/hm2,但仍高于發(fā)達國家設置的安全上限(225kg/hm2),種植業(yè)污染負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)督指導實施方案(試行)》,提出2025年重點區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染得到初步控制,2035年重點區(qū)域土壤和水環(huán)境農(nóng)業(yè)面源污染負荷顯著降低的目標,并制定了一系列農(nóng)業(yè)面源管理政策。如何科學評估農(nóng)業(yè)面源管理政策的實施效果？農(nóng)業(yè)面源管理政策調(diào)控閾值應該處于什么范圍才能實現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟雙重效益相協(xié)同？這些問題的科學解答迫切需要在流域水系統(tǒng)過程規(guī)律的認知基礎上耦合農(nóng)業(yè)面源管理政策仿真模型工具的支撐。

相對于農(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,對于農(nóng)業(yè)面源污染管理政策定量化評估模型的研究相對較少,并且對于政策效果的評估及預測受數(shù)據(jù)制約往往聚焦在區(qū)域尺度,對資源稟賦與自然過程時空異質(zhì)性科學規(guī)律銜接不足,難以刻畫政策效果的空間差異。要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源環(huán)境從宏觀粗放式管理向精準化管理邁進,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,實現(xiàn)相關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受經(jīng)濟、社會和自然等眾多復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)行為不合理導致的,而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行為受到宏觀政策、技術水平與經(jīng)濟社會發(fā)展條件的影響,其產(chǎn)生的負面效應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)境恢復為目的的治理向流域資源—生態(tài)環(huán)境—社會經(jīng)濟系統(tǒng)性治理邁進。2002年歐盟水框架指令計劃提出,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,當前我國對農(nóng)業(yè)面源污染治理技術仍多以末端控制為主[18],同時,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術的進步也使農(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)濟效益與環(huán)境效益的矛盾。農(nóng)業(yè)面源管理政策實施效益缺乏科學系統(tǒng)性評估,相關的農(nóng)業(yè)面源污染政策調(diào)控仿真定量化評估工具也較為缺乏,有必要對現(xiàn)有研究工具進行系統(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視角對現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)面源管理政策模型與評估研究進展進行綜述,梳理當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)律認知,構(gòu)建宏觀政策目標自上而下約束與微觀主體自下而上傳導耦合的農(nóng)業(yè)面源污染政策仿真系統(tǒng)模型,實現(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化方向邁進。

1 農(nóng)業(yè)面源管理政策仿真評估模型介紹

1.1 自上而下的政策評估模型分析

宏觀管理政策通常按照自上而下的過程進行實施,因此現(xiàn)有對政策效果的定量模型多以自上而下的思路進行建模,且多關注于上層目標的落實情況。管理政策多由政府或企業(yè)等相關管理部門制定,通過推進或促進相關社會主體行為變革而實現(xiàn)其環(huán)境或經(jīng)濟等管理目標[2]。自上而下的經(jīng)濟管理政策模擬仿真主要從宏觀管理目標出發(fā)進行調(diào)控,一是從經(jīng)濟學視角出發(fā),以部門為單位考慮多個經(jīng)濟部門之間的關聯(lián)關系,進行政策調(diào)控模擬評估其宏觀經(jīng)濟效應；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)濟的復雜系統(tǒng),基于政策工具參數(shù)變動觀察系統(tǒng)要素的互饋關系與作用強度的響應,以實現(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)動力學模型等。

1.1.1投入產(chǎn)出模型

投入產(chǎn)出模型是較早用于經(jīng)濟生產(chǎn)投入要素和經(jīng)濟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變量耦合研究的方法。早在20世紀70年代,Bargur等人將水污染作為一個生產(chǎn)要素，分析經(jīng)濟部門之間的水污染關系[19]。投入產(chǎn)出模型由美國經(jīng)濟學家Leontief提出,其基本假設為一個經(jīng)濟體有多個部門,且每個部門都生產(chǎn)單一的、同質(zhì)的商品或服務[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)濟部門之間商品和服務的流動關系,進而表征行業(yè)間的相互依賴性[21]。為進一步刻畫經(jīng)濟生產(chǎn)活動的環(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,實現(xiàn)了投入產(chǎn)出模型在經(jīng)濟政策的環(huán)境效應分析定量化中的應用[22]。此后,許多學者對經(jīng)濟系統(tǒng)各部門中的水資源利用導致的污染問題采用擴展資源環(huán)境賬戶的投入產(chǎn)出模型進行刻畫。陳錫康等在投入產(chǎn)出表中將水資源部門作為獨立部門,對各部門用水情況、水的分配狀況、供水過程耗費和排出污水情況分別進行了刻畫[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垂直一體化方法實現(xiàn)投入產(chǎn)出表內(nèi)各部門與各種水污染類型的對應[24,25]。

投入產(chǎn)出模型能夠同時跟蹤社會經(jīng)濟部門之間的水資源消耗及其污染負排放的具體影響,進而較為全面地刻畫分析經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)各部門間水污染聯(lián)系。然而,由于其對產(chǎn)業(yè)部門的用水、耗水和排放數(shù)據(jù)具有較強的依賴性,模型的準確性受到原始數(shù)據(jù)收集和標準化方面差異的限制,并且只能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)階段性地提供基本經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的最新情況,因此存在一定的時間滯后性[26]。此外,由于該模型的刻畫單元為經(jīng)濟系統(tǒng)行業(yè)部門,基于模型的同部門的同質(zhì)化假設,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)濟部門為單位對水污染的排放進行宏觀調(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可計算一般均衡模型

可計算的一般均衡模型(Computable General Equilibrium,CGE)是基于經(jīng)濟學的一般均衡分析理論,即在統(tǒng)一的價格體系中,所有商品及要素達到供需均衡,消費者在預算約束下的消費實現(xiàn)效用最大化,生產(chǎn)者基于成本約束的生產(chǎn)實現(xiàn)利潤最大化[27]?？捎嬎阋话憔饽Ｐ蛷墓┙o、需求及供求關系三個部分刻畫[28],主要用于分析補貼、稅收等政策的經(jīng)濟結(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等對CGE模型進一步擴展[29]。利用CGE模型研究水資源利用時將水資源看作生產(chǎn)要素,在社會核算矩陣或部門產(chǎn)出中設置相應的約束條件納入其中[30—31]。具體而言,有三種實現(xiàn)途徑[32]：一是通過設定水土固定比例的線性關系,改進生產(chǎn)函數(shù)[33]；二是將涉及到水資源的企業(yè)作為獨立部門[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,而實際的水資源統(tǒng)計數(shù)據(jù)較難滿足模型的構(gòu)建。同時,尚未形成刻畫水資源利用過程與經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出關系耦合的成熟方法,模型結(jié)果仍較大依賴估計。此外,模型設定的均衡時市場條件與現(xiàn)實中的市場之間存在一定的差距,較難根據(jù)實際市場條件進行修正。

1.1.3系統(tǒng)動力學模型

系統(tǒng)動力學模型是基于系統(tǒng)動力學理論,通過因果關系流向圖及相應的方程構(gòu)建用以刻畫復雜系統(tǒng)動態(tài)的仿真模型。其可通過該模型進行仿真實驗,并不斷調(diào)整控制參數(shù),進而從實驗結(jié)果分析系統(tǒng)的發(fā)展方向及改進的政策效果[27]。有學者從系統(tǒng)科學的角度,通過構(gòu)建系統(tǒng)動力學模型對水環(huán)境質(zhì)量改善開展系統(tǒng)建模研究,例如90年代初,王勇等學者利用系統(tǒng)動力學模型預測了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)性的復雜系統(tǒng),傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗方程刻畫的系統(tǒng)動力學模型難以充分利用已有的專業(yè)研究成果。為彌補這一不足,左其亭等提出嵌入式系統(tǒng)動力學(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)動力學模型[37]。劉金華等人在系統(tǒng)動力學模型的基礎上,進一步加入多學科的定量化模型,形成社會經(jīng)濟水系統(tǒng)耦合模型[27]。

系統(tǒng)動力學模型的優(yōu)勢在于可以刻畫眾多定性因子相互關系的復雜性,如區(qū)域、全國以及全球系統(tǒng)分析時,可以通過構(gòu)建認知復雜系統(tǒng)的關鍵性聯(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)同影響關系上略存不足[39],無法對部門技術進行詳細的分析和預測,并且在系統(tǒng)的長時間預測模擬時參數(shù)校準與驗證仍存缺陷,有可能導致推斷結(jié)論的誤差偏大[27]。

1.2 自下而上的政策評估模擬

自下而上的政策定量評估主要從實施主體的行為和管理主體的目標兩個分析角度建模。政策最終的實施主體均是人,因此可以通過調(diào)控人在實現(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,由個體利益博弈行為決策整合形成群體行為,進而實現(xiàn)個體-群體-系統(tǒng)間自下而上的模擬。此外,可以對管理主體不同視角的目標進行系統(tǒng)整合,從經(jīng)濟、社會、環(huán)境等多維視角考慮政策的組合目標,以形成綜合性的多個層面目標最優(yōu)化決策。其中,政策評估計量經(jīng)濟學模型、基于主體的建模(Agent-Based Model,ABM)方法與多目標優(yōu)化模型等是上述思路具有代表性的模型。

1.2.1政策評估的計量經(jīng)濟學模型

目前,政策效應評估計量經(jīng)濟學模型主要有結(jié)構(gòu)方程、雙重差分、傾向得分匹配和斷點回歸等方法。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系,該模型的一個假設前提是政策對所有樣本都產(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選擇問題[40,41]。雙重差分法(Differences-in-Differences,DID)是由Heckman等提出用于評估公共政策凈效應的方法,該模型以面板數(shù)據(jù)為基礎,需要制備政策實施前后的對比分析數(shù)據(jù),對研究數(shù)據(jù)要求較為嚴苛[42]。傾向得分匹配方法(Propensity Score Matching,PSM)適用于截面數(shù)據(jù),可用于事后評估,通過控制協(xié)變量以構(gòu)建實驗組與對照組,從而顯著降低評估偏差[43]。斷點回歸方法(Regression Discontinuity Design,RDD),是由Thistlethwaite和Campbell提出用于研究變量間因果關系的擬隨機實驗方法[44],其使用前提是臨界值處存在斷點,經(jīng)檢驗存在斷點后對臨界值附近的樣本進行回歸分析。該方法要求斷點臨界有較多觀測值,且臨界值附近的局部平均效應難以外推至整體[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政策實施后的情況進行調(diào)研,因此,傾向得分匹配和雙重差分耦合方法對于農(nóng)業(yè)面源管理政策評估的適用性更強。

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雜系統(tǒng)的研究較多關注于社會經(jīng)濟方面,與自然過程模型的耦合應用相對缺乏。基于多主體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,成為復雜系統(tǒng)模擬及政策評價的主要定量化工具[43,47]?；诙嘀黧w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)水資源管理中的應用較為廣泛[48],而其在水環(huán)境治理問題的應用主要通過對主體參數(shù)修改,模擬不同水污染管控情景下的政策實施效果,同時以水污染物遷移轉(zhuǎn)化過程為主線,模擬水污染物的吸附、自凈、沉降、擴散等行為,進而實現(xiàn)河道的仿真模擬等[49—51]。近些年,部分學者從生態(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)同治理政策對水質(zhì)項目組合開發(fā)的影響[55]。閆猛等在耦合生態(tài)-水文過程基礎上,結(jié)合農(nóng)民種植的經(jīng)驗規(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系的情況下,仍可通過對各個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,建模過程中對主體行為模擬的程度較難把握,過于簡單化的刻畫會導致對主體和水系統(tǒng)演化規(guī)律的過程互饋描述不足,全面的刻畫對經(jīng)驗數(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多目標優(yōu)化方法模型

多目標優(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現(xiàn)特定的目標,多用于探索最優(yōu)的政策組合方案。多目標優(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],眾多學者從環(huán)境-經(jīng)濟雙重視角開展研究[61—63]。王有樂從污染負荷分配的角度,把治理投資、運行費用、經(jīng)濟收益和污染物削減量作為規(guī)劃目標,建立多目標組合規(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)濟增長為主要目標,通過多目標優(yōu)化模型對云南洱海流域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計[65]。Semaan等將“氣候-土壤-作物-管理”系統(tǒng)的綜合動力學模型(Environmental Policy-Integrated Climate,EPIC)與多目標規(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)境負產(chǎn)出作為經(jīng)濟模型的投入,并結(jié)合產(chǎn)品價格和生產(chǎn)要素成本等經(jīng)濟數(shù)據(jù),建立多目標優(yōu)化模型,對最大化農(nóng)民收入和最小化風險的雙重目標下的水成本效益進行分析[66]。

多目標優(yōu)化模型的優(yōu)點在于能夠從經(jīng)濟、社會與環(huán)境等多維視角考慮政策組合的效應,以實現(xiàn)多個層面目標間的協(xié)調(diào)。然而,該方法在求解時大多釆用折中的辦法獲取模型的最優(yōu)解,進而可能對模型結(jié)果的精度產(chǎn)生影響。同時,模型對市場缺陷刻畫考慮不足,可能導致對需求預測和政策設計理想化[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。對此,需要進一步集成不同尺度模型優(yōu)點,解決其相關缺陷。目前,研究提出發(fā)展自上而下宏觀政策目標約束與自下而上微觀行為傳導耦合模型構(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,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較少,較為廣泛應用的是在糧食安全研究中將可計算一般均衡模型或局部均衡模型(Partial Equilibrium Analysis Model,PE)與ABM進行耦合[68]。通常利用ABM模型對微觀個體行為差異和空間異質(zhì)性特征進行刻畫,其模型輸出結(jié)果作為參數(shù)輸入至CGE模型中研究微觀個體變動對宏觀農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與生產(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

為彌補現(xiàn)有研究不足,本研究對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成評估模型(The Integrated Assessment Models,IAM)進行梳理與比較,討論自上而下宏觀政策目標約束與自下而上微觀行為傳導耦合模型發(fā)展的潛力與應用前景。IAM通過將經(jīng)濟系統(tǒng)與自然過程整合在一個統(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)境演變和社會經(jīng)濟條件變化的直接和間接驅(qū)動因素,進行跨學科跨尺度的復雜系統(tǒng)模擬[71](表1)?；谝话憔饣蚓植烤饨?jīng)濟理論,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成評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)控與市場行為相關的內(nèi)在聯(lián)系和變化,不同模型對供需尺度刻畫不同。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)濟與空間柵格資源稟賦的變化情況,為精準和集約化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)管理研究提供量化工具。

表1 農(nóng)業(yè)復雜系統(tǒng)集成評估模型與方法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)復雜系統(tǒng)集成評估模型通過實現(xiàn)自上而下宏觀目標約束與自下而上微觀行為傳導耦合應用,將為農(nóng)業(yè)面源污染治理政策制定提供科學依據(jù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展過程中技術水平不斷提高,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?shù)刭Y源環(huán)境與經(jīng)濟發(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,進而有效控制農(nóng)業(yè)面源污染。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成評估模型有效模擬了政策影響下對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和效率,其包含的驅(qū)動因素不僅考慮了宏觀社會經(jīng)濟變動影響,且考慮了自然資源稟賦空間異質(zhì)性的約束。同時,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,實現(xiàn)其與水系統(tǒng)過程過程模型耦合將成為科學決策工具發(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)集成評估模型研究亟需從以下兩個方面加強。

一是,推進生態(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)進行耦合,模擬減少水資源消耗和流域間的調(diào)水對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)種植行為對河流營養(yǎng)物及污染的影響過程[97]。模型將精準刻畫生態(tài)-水文過程的變動對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,進而作用于農(nóng)業(yè)面源污染的水質(zhì)響應,推動農(nóng)業(yè)復雜系統(tǒng)集成評估模型中自然-經(jīng)濟要素之間的有效互饋。

二是,推動空間柵格尺度農(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)絡分析法、計量經(jīng)濟學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對農(nóng)業(yè)面源污染的影響,實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同尺度的一致性表達,進而開展自然過程模型與社會經(jīng)濟系統(tǒng)模型的互饋模擬。在模型整合技術方面,隨著ABM模型和CGE模型鏈接的最新進展,以系統(tǒng)科學思想為推進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,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)利用等相關生產(chǎn)過程的環(huán)境經(jīng)濟效應。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化方向進一步發(fā)展,進而避免政策的“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)境負外部效應,實現(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、地球化學循環(huán)過程等自然規(guī)律認知,構(gòu)建自上而下宏觀政策目標約束與自下而上的行為傳導集成的復合系統(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象廣泛性所帶來的復雜性系統(tǒng)難題。同時,研究提出的耦合污染物遷移轉(zhuǎn)化過程的農(nóng)業(yè)復雜系統(tǒng)集成評估模型在系統(tǒng)分析中呈現(xiàn)出了巨大潛力。將政策評估或仿真模擬由區(qū)域尺度降低至空間柵格尺度,一方面有助于實現(xiàn)自然過程與人類活動互饋的過程刻畫上的尺度匹配,另一方面也有利于推動主體行為調(diào)控的管理向更為精準化的方向探索。在模型技術方面,從經(jīng)濟學理論的可計算一般均衡分析模型與信息計算科學的微觀行為多主體仿真模型或計量經(jīng)濟分析模型框架出發(fā),集成自然過程規(guī)律的認知模塊,將為構(gòu)建人-自然耦合復雜系統(tǒng)模型提供技術與理論研究的重要支撐。此外,研究可在大數(shù)據(jù)技術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估模型,以實現(xiàn)人口-資源環(huán)境-經(jīng)濟復合系統(tǒng)的集成模擬。然而,模型的復雜性與數(shù)據(jù)需求量也會隨之大幅增加,數(shù)據(jù)公開性問題與多節(jié)點數(shù)據(jù)融合問題將成為巨大的挑戰(zhàn)[87]。面對該難題,如何將模型簡化并通過大數(shù)據(jù)分析技術以加深對重要問題的刻畫,是值得深入探究的問題。