全 文 ：第 13卷 第 1期
2 0 0 5年 1月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
v01．13 NO．1
Jan．， 2005
长城沿线农牧交错带生态环境恢复重建SD模型研究*
张汉雄 张兴昌 邵明安
(中国科学院水土保持研究所 杨陵 712100)(中国科学院地理科学与资源环境研究所 北京 100101)
摘 要 应用系统动力学理论研究建立了长城沿线农牧交错带生态环境恢复与重建 SD模型，并应用该模型对该
区强化治理型、协调发展型和传统经营型 3种典型治理模式进行仿真研究结果表明，强化治理模式为农牧交错带
生态环境治理最佳模式，可使农林牧协调持续发展 ，土壤侵蚀量减少 76、1％，生态环境趋向良性循环。
关键词 农牧交错带 生态环境 恢复与重建 SD模型 治理模式
The rebuilding and resuming of SD model of the eco-environment in the agriculture and animal husbandry interlock zone
along the Great Wal1．ZI-IANG Han—Xiong，ZHANG Xing-Chang(Institute of Soil and Water Conservation，Chinese
Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling 712100)，SHAO Ming-An(Institute of Geographical Sci．
ences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101)，CJEA，2005，13(1)：173～178
Abstract The rebuilding of SD model and resuming of the eco-environment in the agricdture and animal husbandry in．
terlock zone along the Great W al were established by a system dynamic theory，and a simulating study for three typical
managem ent patterns，a intensifed management，steady development and traditional managem ent，in the region WaS made
by the SD mod e1．The results show that the intensified management pattern is the best approach tO harness the eco—envl—
ronment in the region，it can balance the development of agriculture，forestry and animal husbandry，reduce the soil erosion
by 76．1％ ，return a good circle of eco。environment in the region、
Key words Agriculture and animal husbandry interlock zone，Eco-environment，Resuming and rebuilding，SD mod el，Har—
ness pattern
l 研究区域概况与研究方法
长城沿线农牧交错带泛指西起甘肃省白银市、东至内蒙古和林格尔沿长城两侧分布的狭长地带，属黄
土高原丘陵沟壑向内陆沙漠的过渡地带，也是农区向牧区的过渡地带，总面积 80435km2。该区气候干燥，多
风沙，年均降雨量 250-400mm，7～9月份降雨量占全年的 70％以上且多暴雨，年均大风日数 50多 d，沙暴
日数 15～25d，由于长期滥垦过牧，森林盖度仅为14．14％(主要是灌木)且分布稀疏，土地沙漠化发展加剧，
草原植被退化 ，风蚀强烈，水蚀严重 ，生态环境十分脆弱，年土壤侵蚀模数高达 1．5～3万 t／km2，致使土地退
化加剧，植被枯萎，作物低产，制约了农林牧业的发展。
本研究应用系统动力学(System dynamic，简称 SD)理论建立模型[1． ，仿真生态系统的长期发展动态 ，
研究生态环境恢复与重建模式与调控措施，为该区生态环境治理与区域持续发展提供科学依据。
1．1 生态环境系统恢复重建SD模型结构
SD模型包括结构模型(模型的定性描述)和构造方程(即其定量表达)。选择对该区生态环境系统影响
较大的 152个变量为研究对象，其关系集合可表示为：
7c(S)={A1，A2，⋯，A } ． (1)
系统单元间建立的关系记作 R，则 R(兀)为 兀(S)在 R上诱导的关系划分，即：
R(7c)={R I R CAi×At，i，J=1，2，⋯，m} (2)
其 a映射关系为：
A —Q (Q SD) (3)
*国家重点基础研究(973)发展规划项目“退化生态系统重建模型与模拟”(G2000018605)课题资助
收稿日期：2003—12—29 改回日期：2004—02—06
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与 映射关系为：
R f—R (R Qf×Qf) (i， =1，2，⋯ ，m) (4)
则：
R (7c)={R l R Q ×Qf，i， =1，2，⋯，m} (5)
式中，Ai为集合S的子系统单元集，Qi为子系统变量集，R 为不同集合间相互关系，m 为变量数。SD模型
系统分为种植业、林果业、牧业、农村经济、土壤侵蚀与水土保持、人 口、农业资源与生态环境 7个子系统 ，反
映变量问与子系统间的因果关系与反馈环[ ，通过人口、土地、粮食、饲草、森林、水土流失等多个正负反馈
环产生自我调节机制 ，使系统在增减、振荡中保持动态相对稳定，自动跟踪目标或保持稳定发展。
1．2 构造方程
SD模型含 21个状态变量(x)、42个流率变量(R)、137个辅助变量(、／，)和 135个参数(P)。状态方程
的差分形式为：
X(t+At)=X(t)+厂(X，R，、／，，P)·△￡ (6)
SD模型主要模块功能及其主要 DYNAMo方程包括：
种植业模块，主要预测耕地、粮田面积、粮食供需平衡，其主要方程为：
L FAD·K=FAD·J+DT*(FADJ·JK—FADR·JK) (7)
R FADI·KL：RAA。KL+RAB。KL+RAC。KL (8)
R FADR·KL=RBA。KL+RBB·KL+RBC。KL (9)
L GRL·K =GRL·-厂+DT *CRLR·JK (10)
式中，FAD、RAA、RAB、RAC分别为耕地、垦荒、果树减少和种草复耕面积，RBA、RBB、RBC分别为占用
耕地面积、退耕建果园和退耕种草面积，GRL为粮食播种面积。
林业模块，主要协调乔木、灌木和果树面积的发展，预测果品产量和木材蓄积量，其主要方程为：
L FORA·K=FORA·J+DT*(FDRA ·JK —FORAR·JK—FORAE·K) (11)
L FORB·K=FORB·J+DT*(FORAR·JK—S0T· ／m】0) (12)
R FORA ·KL=(FORA·K+FORB·K)*CLIP(0，P】，FORA·K+FORB·K，0．67*、／，67 (13)
L S0T·K=S0T·J+DT*(S0TI·JK—S0T·JK／m】2) (14)
R SOTI·KL=0．12*FORB。K+0．05*FORA·K (15)
式中，FORA、FORB分别为幼林和中成林面积，FORAR为幼林向中成林转移面积，FORAE为幼林破坏或
枯死面积，P1为造林发展速率，、／，67为宜林面积，SOT为木材蓄积量，SOTI为林木生长量，m12为采伐周期。
牧业模块 ，主要预测天然草场、人工草场、退化草场面积及饲草供需平衡与载畜量发展，其主要方程为：
L BRE·K=BRE·J+DT*(BREJ·JK—BRER·JK) (16)
R BRE ·KL：m】6*(GRS·K —GRO·K)／m17 (17)
L GRD·K=GRD·J+DT*(GRD ·JK —GRDR·JK) (18)
R GRDI。KL：GRD·K*CL [0，CLIP(P4，0．7*P4，RBC·KL，GRDR·KL)，V25·K，2．0] (19)
式中，GRS为总饲草供给量，BRE、BREI、BRER分别为总载畜量、牲畜繁殖数和出栏数，GRO为饲草总消
耗量，m16、m17分别为草增量、羊单位食草标准，GRD为人工种草面积，P 为种草发展速度。
土壤侵蚀与水土保持模块，主要预测不同侵蚀程度的侵蚀面积与侵蚀总量的动态变化 ，其主要方程为：
L SWA·K=SWA·J+DT*(FORDR·JK+GRDR·JK—SRA·JK) (20)
R SRA·KL±SWA·K *TABHL(FAD·K，0，1，0．2)一RBA·KL—m65*SWA·K (21)
L SWB·K=SWB·J+D *(SRA·JK+NUDR·IK—SWBR·IK—GRDI·JK— ℃ ·IK— ℃ ·IK)(22)
R SWBR·KL=m66*SWB·K *TABHL (TPll，RAA·KL，0，100，10) (23)
L SWC‘K=SWC·．，+DT*[SWBR·JK一(HYDI·JK—FORAR·JK—FORDI·JK—RBB·JK—RBC·JK)*m67] (24)
L SoL·K=S0L·J+DT*(S0LI·JK—SOLR·JK) (25)
式中，SWA、SWB、SWC分别为轻度、中度和强度流失面积，SRA为轻度流失向中度流失转移面积，m 为
转移速率，m66、SWBR分别为中度流失向强度流失转移的速率和面积 ，m67为治理措施保存率 ，SOL为土壤
流失总量。该 SD模型采用 PD(Profesional DYNAMO)Plus软件运行 ，龙格·库塔法积分运算。仿真初始时
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间为 1990年，终止时间2090年，步长 1年。用 1990～2000年仿真结果的 140对状态指标与实际系统比较，
检验模型的有效性为 91．5％，可用于未来仿真预测。
2 3种生态环境治理模式仿真结果
2．1 农牧发展与生态环境治理模式
强化治理型(A)模式以控制水土流失和改善生态环境为目标，加快治理速度与时序，使土壤侵蚀量减至
表 1 3种治理模式人口与土地利用发展动态
Tab．1 The dynamic trend of population and land use for three harnessing patterns
表 2 3种治理模式农林牧业主要功能与产出效益发展动态
Tab．2 The dynamic trend of main output and function on farming，forestry and animal husbandry for three harnesing patterns
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最小。大力发展灌草结合防护林 ，适度发展果树 ，建设防护型生态林业 ，大力发展梯田、坝地、水浇地等基本
农 田，促进坡地退耕还林还草，确保粮食产量稳定增长，人均粮逐步达到 400kg。协调发展型(B)模式以合理
利用土地、促进水土保持综合治理为目标，根据农村经济发展状况，逐步加速治理 ，农、林、牧业循序渐进地
协调发展，退耕与造林种草养畜同步，逐步实现生态良性循环。传统经营型(C)模式维持“以粮为纲，以放牧
为主”的传统经营方式，粮食生产发展较快，水土保持治理发展缓慢，治理投入较少，主要用于预测生态环境
恶化演变趋势及其对农林牧业发展的影响。仿真 3种模式的土地利用、农林牧业经济发展以及土壤侵蚀发
展动态见表 1～3。
表 3 3种治理模式不同程度侵蚀面积与侵蚀■动态变化
Tab 3 The prediction of erosion area and erosion amount for three harnessing patterns
2．2 3种模式土地利用与农林牧业发展动态
近 30年间强化治理模式加速发展灌木防护林 ，林地可达 265．4万 hm2(增加 2倍多)，今后该模式林地
增速将减少并稍有波动，2050年林地覆盖度预计达 39．2％，其中灌木林占71％，乔木、灌木、果树面积比为
1：2．74：0．11，林种结构将趋于合理，幼龄林和中龄林面积递增较大，成熟林面积递增较小，木材蓄积量稳定
递增，2090年可达 4745．3万 m0(见表 1～2)。近期耕地将逐步减少至 83．87万 hm ，初期退耕速度每年
5．65万 hm2且逐年递减 ，2030年可停止退耕，耕地稳定在 70万 hm 左右，人均耕地 0．26hm 、梯田0．2hm 、
水地0．071hm 。粮食单产稳步提高，粮食产量稳定增加，2030年人均占有粮食 409kg，比目前增加 53．2％，保
持余粮 23～27万 t，之后产量稳定增加。天然草场和退化草场面积呈递减趋势，人工种草增长较快，2050年
载畜量达 1733．6万羊单位，增长 2．2倍。畜种结构发生较大变化，大畜稳步递减，羊快速增加 ，即大力发展
以养羊为主的牧业战略，农、林、牧用地比例约为 1：4：4，2050年后生态环境明显改善，牧业与农业协调发展。
协调发展模式土地利用发展动态介于强化治理模式与传统经营模式之间，耕地面积和粮食产量与强化治理
模式较接近，牧地面积近期略有增加，后期减少，但人工种草发展缓慢，载畜量稳定增加，林业发展速度较
慢，森林覆盖度最大达 40．3％，生态环境有一定改善(见表 1～2)。传统经营模式农林牧业用地基本维持现
状，造林和退耕缓慢。2030年耕地可减至88．95万 hm ，农业人均耕地 0．305hm ，粮食产量较大增长，2050
年人均粮食可达446kg，余粮较多，保持供需平衡。近期林地增幅较小，后期稍有减少 ，2090年森林覆盖度最
大为23．35％，比现状稍有增加，林木蓄积量后期呈减少趋势。牧地持续增加 ，最大达 487．1万 hm2，占总土
地的60．6％，农、林、牧用地之比约为 1：2．85：7．43，形成以牧农为主的经营格局(见表 1～2)。载畜量缓慢增
加 ，2030年达 950．4万羊单位，最大为 1100万羊单位，但后期人工草地减少，该模式产值以农为主，农村经
济增长缓慢 ，经济结构以种植业为主，生态环境后期恶化。
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2．3 3种治理模式水土流失发展动态
强化治理模式轻度、中度和强度侵蚀面积变化速率差异显著，轻度侵蚀面积呈先减少后增加趋势，2010
年减至47．97万 hm ，比现状约减少 1／2，但以后则持续增加，最大增至294．15万 hm ，这是侵蚀过程的长波
现象所致L4 J。中度侵蚀面积呈先快速减少再缓慢减少后期稍有增加的趋势，2050年减至 133．59万 hm ，最
终可减至69．88万hm ，比现状减少 80％。强度侵蚀面积近20年急骤减少，可减至30．77万hm ，以后缓慢
递减，最终保持在4．87万 hm2的稳定状态，约为现状的 1．32％，2050年后土壤侵蚀以轻度侵蚀为主。近 40
年中土壤侵蚀总量迅速减少，2030年减至 2．039亿 t，比现状减少 60．9％；后期递减减缓，2090年减至1．047
亿 t，比基期减少75．2％。治理保存面积持续增加，最大达 650．57万hm ，治理度约 80．89％(见表 3)。协调
发展模式各类侵蚀面积和侵蚀总量均少于强化治理模式，至 2030年轻度、中度和强度侵蚀面积可分别减少
57．1％、22．4％和 69．5％，侵蚀量减少 44．0％；至 2090年轻度、中度、强度侵蚀面积可分别较基期减少
19．8％、66．2％和 96．6％，以中、轻度侵蚀为主，侵蚀量可减少73．9％，显著改善生态环境(见表 3)。传统经
营模式环境治理速度缓慢，水土流失无显著变化，但轻度、中度和强度侵蚀面积增减速率与强化治理模式有
较大差异，即轻度侵蚀面积近期有较大减少，约为现状的 37．6％，以后基本保持稳定，无滞后增加趋势。中
度侵蚀面积缓慢递减，最终约减少 64．55％，亦无滞后增加趋势。强度侵蚀面积减少较慢，2050年可减少
47．2％，后期减慢，土壤侵蚀以中度和强度侵蚀为主。土壤侵蚀总量 2050年比基期减少 40．4％，2090年可
减少56．98％(见表 3)，生态环境无明显改善，影响农业持续发展。
3 生态环境治理重建方案优选及对策
运用多目标模糊综合评判对仿真初选方案评审，以优选最佳方案。设生态经济系统总体功能为 x，则：
X={A1(经济效益)，A2(社会效益)，A3(生态效益)，A (可行性)} (26)
式中，A 为各评审因子对各类效益的隶属度，A 为各评审因子(n n 3)定义在论域 x上的模糊子集，即：
Al =(口1农村总收入 ，。12农业总产值 ，口13产业结构) (27)
A2 =(a21粮食产量，a2载畜量，a23畜产品量 ，a24木材蓄积量，a25果品产量) (28)
A3，=(a31植被覆盖度，。32中度侵蚀面积，a3强度侵蚀面积，a34土壤流失总量) (29)
A4，=(n41治理投资，a42治理投工 ，a43产投比，a44投资回收期，a45风险程度) (30)
均采用百分制模糊计量各评价指标 n¨ 即对投资、水土流失指标取最小者为 100分，其余指标取指标最
大者为 100分，求其相对百分数，依此类推。功效系数为评审因子的综合判定，其计算式为：
R = ( =1，2，⋯ ， ；i=1，2，⋯ ，，2) (31)
式中，a／j为第 i种效益第J个评价指标的模糊评分值， 为评审因子数， 为评价指标个数，Ⅱ为连乘符号。
由专家经验法对各类效益的重要性分别赋予权重系数 ai，其总和为 1。则总功效系数：
D：∑a R ( =1，2，⋯，，2) (32)
= l
依评审值 D的大小可确定各仿真方案优序，D值大者为优。 3种治理模式仿真结果综合评审(见表 4)
表 4 3种治理模式仿真方案多目标综合评审
Tab．4 Multi—purpose fuzzy comprehensive judgment of simulating result for three harnessing patterns
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表明，4目标期(2olo年、2030年、2050年和2090年)3种模式总体功能 D值优序均为强化治理模式最优 ，协
调发展模式次之，传统经营模式最差，且差异显著；生态效益滞后效应明显，远期各模式功能差异愈显著。
强化治理模式是该区生态环境重建与资源开发最优策略，而协调发展模式在投资有限下为次优发展方案。
长城沿线农牧交错带生态环境治理与重建对策一是加速基本农田建设，促进陡坡退耕还林还草，南部
丘陵沟壑区建梯田、淤地坝、引水拉沙造田、引洪漫地、拦泥淤地，稳定粮食生产。北部沙漠边缘地带约 7万
h 荒漠滩地地下水埋深仅 3～lOm，可发展灌溉农业。应采取平整土地、打井、建防护林网等措施建立沙漠
庄园式绿州经济，加速荒滩地开发利用和陡坡退耕还林还草。二是加速发展以灌木为主的防护林 ，应在滩
地建杨树农田防护林，沟壑建杨、柳、榆沟道防护林，沟坡地、塬面荒漠建以柠条、沙柳、紫穗槐等为主的灌草
混交带 ，防风固土，保护农田，减轻土壤侵蚀。三是造林治沙，发展旱作农业，在荒漠沙地大力营造沙柳、沙
蒿、踏榔、沙打旺、柽柳、沙棘等灌木和草类，改善农牧业生产条件。榆林地区有许多成功治沙经验，原有流
动沙丘的 60％已被基本治理，应积极推广其成功经验，防止沙漠化扩展的潜在威胁。四是统筹兼顾近期一中
期一远期效益，合理调整不同阶段治理策略，促进生态环境改善与区域经济持续增长。
参 考 文 献
王其蕃．系统动力学．北京：清华大学出版社。1988．220-223
魏权龄等．数学规划与优化设计．北京：国防工业出版社 。1984 479～585
何文蛟．反馈控制理论．上海：光明日报出版社。1986．188-192
张汉雄，邵明安．黄土高原生态环境建设．西安：陕西科学技术出版社。2001．156-164
．t．fq市 大 力 推 进 生 态 市 建 设
生态城市是 由经济、社会、自然构成的复合生态系统，在经济发达、社会繁荣、生态保护三者保持 高度和谐的前提下。可以
保证生态系统结构、功能最优化，人对生态系统的调节、控制最 自如。在城市发展过程中厦门市提 出加快 实现 由海岛城 市向
海湾城市转变以及“生态优先”的战略思想，大力推进生态市建设。根据“开发未动、规划先导、生态先行”的原则
，厦门市已完
成 了《厦门市生态城市概念规划》、《国家级 自然保护区总体规划》以及《厦门市酸雨控制 区酸雨和二氧化硫污染防治“十五”计
划》等编制工作。并开展了《厦门市生态城市建设规划及 实施纲要》编制工作，该规划把“生态城市”理念纳入政府宏观政策的
制定和城市总体规划之中。厦门市从 2004年开始全面启动生态城 市建设工作，一是 乡村养殖推行“生态零排放”，随着农村
城市化的进程，乡镇规模越来越大，其生活和生产方式对 自然环境的影响也越来越大。2003年厦门市以创建全国环境优 美乡
镇为基础，进一步推动农村环境综合整治工作 ，大嶝、东孚、莲花和新圩等 4个乡镇环境规划方案的编制工作 已经通过专家评
审。2004年厦门市再完成 5个乡镇的环境规划，至 2005年全面完成全市乡镇的环境规划，为厦门市建设海湾型生态城市奠
定良好基础。针对畜禽养殖污水污染问题 ，2003年厦门市岛内生猪养殖场关停搬迁工作基本完成，岛外近 40家规模化生猪
养殖场按照减量化、无害化和资源化的要求，基本 实现达标排放或生态型零排放。2004年厦门市全面推行生态型零排放模
式，积极扶持现代生态农业 园区建设；同时进行岛外规范化畜禽养殖污染整治，至2004年底完成 60家规模化畜禽养殖场污染
治理工作 ，其粪便污水无害化和资源化处理率达60％以上。创建环境优 美乡镇是建设海湾型生态城市、推动厦门市农村环境
保护工作的有效载体 ，2004年厦门市重点抓好首批全国优美乡镇的创建工作，促进城镇、农村环境建设，改善 乡镇生态环境质
量。二是积极创建绿 色社区、绿色学校 ，在生态城市创建过程中，如何倡导公众符合绿 色文明的生活习惯、消费观念和道德意
识，将 自觉保护生态环境、节约资源、综合利用资源的意识和行动渗透到生活中乃治本之策，2003年厦门市启动 了绿 色社区创
建工作，厦门市鼓浪屿龙头社区、开元 区瑞景社区和莲花五村社区列为福建省省级绿色社区试点；同时还全面开展 了绿色学
校创建工作 ，全市评 出25所符合要求的市级绿色学校。2004年厦门市着重建立环境教育培训机制，争创国家级、省级绿色学
校 ，进一步推动学校环境教育工作的开展。 目前厦门市正迈向一个崭新的绿 色世界——构筑海湾型生态城市，绿色系列的创
建工作不仅可有效地改善厦门市环境质量，且对提高全民生态环境意识和市民文明素质、提 高城市管理水平均具有十分重要
的意义 。