耕地資源可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

張雪花， 滑永勝， 韓成吉，2

(1.天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所， 天津 300387； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所， 北京 100081)

耕地是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和條件，生態(tài)用地是維持生態(tài)平衡、滿足人民群眾對良好生態(tài)環(huán)境和美好生活的向往的重要保障。人口數(shù)量的增長和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要導(dǎo)致耕地資源數(shù)量日益趨緊，而不合理的耕作方式是導(dǎo)致耕地退化的重要原因，在嚴(yán)重影響糧食有效供給的同時[1-2]，也給環(huán)境承載帶來了巨大的壓力?？茖W(xué)推進(jìn)污染耕地輪作休耕制度，通過耕地與生態(tài)用地之間的轉(zhuǎn)換，以生態(tài)修復(fù)促耕地休養(yǎng)，不僅對推動耕地資源永續(xù)利用、保障糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義，將耕地轉(zhuǎn)換為生態(tài)用地也將惠及全民。

在保障耕地質(zhì)量方面，國家層面做出了許多努力。為改善農(nóng)用地土壤環(huán)境，管控農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險，2018年6月，生態(tài)環(huán)境部制定了《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》，對農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值和管制進(jìn)行規(guī)定，其中包括農(nóng)用地土壤中鎘、汞、砷、鉛和鉻的風(fēng)險管控?，F(xiàn)有研究表明，在農(nóng)用地受重金屬污染中，耕地污染較為嚴(yán)重(耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率19.4%，土壤總超標(biāo)率16.1%)[3]。其中，在農(nóng)用地重金屬污染修復(fù)中，植物重金屬修復(fù)技術(shù)具有費(fèi)用低、護(hù)表土和減少水土流失的作用，是最清潔的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)之一[4]。目前，可以用于植物重金屬修復(fù)技術(shù)的植物有紫松國菊[5]、竹類植物[6]、紫花苜蓿[7]、刺兒菜[8]、桑樹[9]、印度芥菜[10]、蜈蚣草[11]等，即當(dāng)耕地受重金屬污染時，可采用綠色植物種植的方式對其進(jìn)行修復(fù)。

耕地作為一大社會生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)存在于人們的生產(chǎn)生活中，將系統(tǒng)動力學(xué)方法運(yùn)用在土地利用方面研究成果豐富，但尚存在一些不足。姜秋香等[12]運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)研究黑龍江省水土保障風(fēng)險評價，但污溉風(fēng)險沒有納入評價指標(biāo)中；胡玉璽等[13]利用系統(tǒng)動力學(xué)研究濕地生態(tài)—經(jīng)濟(jì)—社會復(fù)合系統(tǒng)，但沒有考慮濕地與耕地之間的可能轉(zhuǎn)換；涂小松等[14]運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)研究江蘇省土地資源優(yōu)化配置與土壤質(zhì)量調(diào)控，但并未將土壤重金屬含量作為土壤質(zhì)量的衡量指標(biāo)；李夢娜等[15]在對土地整理項(xiàng)目效益后評價中，忽略了耕地與生態(tài)用地之間的轉(zhuǎn)換帶來的效益；胡宗楠等[16]在對土地利用結(jié)構(gòu)多情景中得到，忽略生態(tài)用地可以促進(jìn)耕地的保護(hù)；宋蕾等[17]在長壽區(qū)耕地資源變化的研究中，未考慮重金屬引起耕地質(zhì)量的變化；洪鴻加等[18]在耕地資源的優(yōu)化配置研究中，未考慮土壤重金屬含量對糧食安全的影響?？梢钥闯鱿到y(tǒng)動力學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土地利用研究，但關(guān)于耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配問題的研究較少。其次，系統(tǒng)動力學(xué)方法作為一種有效的仿真方法在農(nóng)用地土壤重金植物修復(fù)方面的還未見報導(dǎo)。

本文擬以天津市為例，運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)方法構(gòu)建耕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，探討綠色發(fā)展策略、可持續(xù)發(fā)展策略、生態(tài)修復(fù)策略3種類型6種情景下的耕地、生態(tài)用地、糧食產(chǎn)量和土壤重金屬含量等相關(guān)因素的變化趨勢，以期通過模擬未來耕地、生態(tài)用地、糧食產(chǎn)量和土壤重金屬含量發(fā)展情景，為糧食安全和耕地可持續(xù)利用綜合決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

天津市地處華北平原北部、海河下游，東臨渤海、北依燕山，地勢呈北部高東南低，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)中心，其位于38°34′—40°15′N，116°43′—118°04′E，總面積11 916.85 km2，耕地4 369.26 km2，占總面積的36.7%。天津市屬于溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候，四季分明，雨熱同期，夏季炎熱多雨，冬季干旱降水稀少，年均降水量在360～970 mm之間；年平均氣溫約為14 ℃，7月最熱，月平均氣溫為28 ℃；1月最冷，月平均溫度為-2 ℃。2016年，天津人口有1.56×107人，GDP 1.79×1010元。其中第一產(chǎn)業(yè)2.20×1010元，占GDP總量的1.23%。

天津市作為中國重要中心城市、超大城市，人口密度1 328人/km2，高于全國人口密度144人/km2，保持有效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對維持社會穩(wěn)定有極大的作用。在對天津農(nóng)業(yè)用地的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，重金屬鎘對農(nóng)用地污染較為嚴(yán)重[19-20]。天津市屬資源型缺水城市，人均水資源量僅為全國水平的5.10%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不得不引污水灌溉，早在1958年就利用污水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，距今已有60 a余歷史，現(xiàn)污水灌溉面積達(dá)2.34×105hm2，占天津市耕地面積的50%，其中在污水灌溉區(qū)，重金屬鎘、鋅、汞含量較高[21-22]。為了保證糧食產(chǎn)量，穩(wěn)定種植面積，被污染的土地得不到及時修復(fù)；還有部分耕地長期單一種植，土地綜合肥力下降，產(chǎn)出能力持續(xù)降低。面對以上危機(jī)情況，亟須開展耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配的方法研究，以生態(tài)修復(fù)恢復(fù)受損耕地的自然生產(chǎn)力，同時使其發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能，改善城市生態(tài)系統(tǒng)，保障生態(tài)安全。

2014年的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，在調(diào)查的55個污水灌溉區(qū)中，有39個存在土壤污染，天津僅是污灌受損地區(qū)之一。因此，科學(xué)解決天津市耕地由于污灌而受損的問題，對上述土壤污染地區(qū)具有一定的借鑒意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文建立耕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)動力學(xué)模型，數(shù)據(jù)來源于2006—2017年《天津統(tǒng)計年鑒》《天津水資源公報》《中國統(tǒng)計年鑒》和土地調(diào)查成果共享應(yīng)用服務(wù)平臺以及其他研究成果等。

2 系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)邊界

模型的空間邊界為天津市；時間跨度為2006—2030年，其中2016年為基期年，2030年為規(guī)劃水平年，時間步長為1 a。主要?dú)v史數(shù)據(jù)時段為2006—2016年，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要涉及影響生態(tài)退耕規(guī)模的人口結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)狀況、耕地規(guī)模和生態(tài)用地規(guī)模等。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及反饋分析

本文以耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配所構(gòu)建的社會、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各要素間的相互關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)多重反饋結(jié)構(gòu)分析。

其中，資源子系統(tǒng)主要研究在污水灌溉影響下，耕地土壤資源的重金屬隨時間的變化。當(dāng)其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限制時，依據(jù)土壤植物修復(fù)理論，將耕地轉(zhuǎn)成植物高富集的生態(tài)用地；當(dāng)耕地產(chǎn)量低于基礎(chǔ)地力水平時，轉(zhuǎn)成生態(tài)用地作為休耕模式；當(dāng)耕地資源較少或糧食產(chǎn)量較低時，把土壤重金屬含量符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)且能夠達(dá)到一定糧食單產(chǎn)的生態(tài)用地轉(zhuǎn)成耕地。

社會子系統(tǒng)主要研究隨著時間的推移，總?cè)丝跀?shù)量的變化對農(nóng)業(yè)人口的投入、對糧食的需求、對生態(tài)環(huán)境的需求以及對耕地的影響。例如，人口數(shù)量的增大會增加耕地及生態(tài)環(huán)境的壓力。

經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)主要研究地區(qū)經(jīng)濟(jì)量變化及其對農(nóng)業(yè)的不同方式的投入可能產(chǎn)生的影響。經(jīng)濟(jì)投入量可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，但如果過量投入農(nóng)藥、化肥則會危害農(nóng)業(yè)發(fā)展。環(huán)境子系統(tǒng)主要研究長時間的耕作對土壤環(huán)境和耕地產(chǎn)出的影響以及污水灌溉對土壤重金屬含量的影響。

上述要素間的多重反饋因果回路如圖1所示。

圖1 耕地與生態(tài)用地調(diào)配系統(tǒng)因果反饋圖

圖1系統(tǒng)中的主要反饋回路有：①耕地→地區(qū)GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→退生轉(zhuǎn)耕土地→耕地；②生態(tài)用地→退生轉(zhuǎn)耕土地→耕地→地區(qū)GDP→污水灌溉耕地→需修復(fù)耕地面積→退耕轉(zhuǎn)生耕地→生態(tài)用地；③負(fù)反饋，耕地土壤重金屬→需修復(fù)耕地面積→退耕轉(zhuǎn)生耕地→生態(tài)用地→耕地土壤重金屬；④耕地土壤重金屬→耕地單產(chǎn)→地區(qū)GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬；⑤耕地→地區(qū)GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→死亡率→人口→人均生態(tài)用地→退生轉(zhuǎn)耕土地→耕地；⑥地區(qū)GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→需修復(fù)耕地面積→耕地→地區(qū)GDP；⑦人口→農(nóng)業(yè)人口→耕地單產(chǎn)→地區(qū)GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→死亡率→人口；⑧生態(tài)用地→退生轉(zhuǎn)耕土地→耕地→地區(qū)GDP→污水灌溉量→耕地土壤重金屬→需修復(fù)耕地面積→退耕轉(zhuǎn)生耕地→生態(tài)用地；⑨需修復(fù)耕地面積→耕地→地區(qū)GDP→污水灌溉耕地→需修復(fù)耕地面積。

正反饋可以使回路中變量的偏離增強(qiáng)，負(fù)反饋使回路中變量趨于穩(wěn)定。上述反饋回路中，①，③，④，⑥，⑦和⑨為負(fù)反饋，②，⑤和⑧為正反饋。反饋回路①，⑤和⑨表明，耕地的增加會使農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增加，帶動地區(qū)GDP的增長，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，較多的污水灌溉到耕地，增加耕地土壤重金屬的含量，為維護(hù)農(nóng)產(chǎn)品的安全以及人類健康，需要將這些耕地退出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，轉(zhuǎn)換為生態(tài)用地；反饋回路②，③，④和⑧表明，生態(tài)用地的增加，改善原有耕地土壤環(huán)境，在不改變原有生態(tài)環(huán)境的條件下，增加耕地面積，提高耕地單位產(chǎn)量，進(jìn)而促進(jìn)地區(qū)產(chǎn)值的增長；反饋回路⑥和⑦表明，土壤重金屬含量的增長，增大人口死亡率，減少農(nóng)業(yè)人口投入，降低耕地單產(chǎn)，進(jìn)而抑制地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2.3 模型構(gòu)建

在耕地與生態(tài)用地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和反饋分析的基礎(chǔ)上，充分考慮資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會的相互關(guān)系以及相互影響，依據(jù)相關(guān)分析法、趨勢法、模糊綜合評判法等，以2006年為起始年，以2030年為規(guī)劃水平年，在Vensim-DSS平臺上建立耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配系統(tǒng)模型。在模型中共有75個變量，其中有6個水平變量，10個速率變量，37個輔助變量和22個常量，主要方程如下：

(1) 人口= INTEG(凈遷入人口+出生人口-死亡人口，1 075)

(2) 污水排放量= 地區(qū)GDP×單位GDP污水排放量

(3) 灌溉污水耕地土壤重金屬變化= 污水灌溉量/33000×污水重金屬濃度×1000×0.000 2

(4) 生態(tài)用地= INTEG(增加生態(tài)用地-減少生態(tài)用地，25 133)

(5) 耕地= INTEG(增加耕地-減少耕地，437 200)

(6) 耕地單產(chǎn)= 農(nóng)業(yè)勞動力增產(chǎn)系數(shù)×農(nóng)業(yè)勞動力投入+農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投入×農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投入增產(chǎn)系數(shù)+農(nóng)藥投入×農(nóng)藥投入增產(chǎn)系數(shù)×農(nóng)藥投入調(diào)整系數(shù) +化肥投入×化肥投入增產(chǎn)系數(shù)×化肥投入調(diào)整系數(shù)+調(diào)整單產(chǎn)

(7) 耕地土壤重金屬含量= INTEG(耕地土壤重金屬增加，2.37)

(8) 轉(zhuǎn)生土壤重金屬減少= 植物修復(fù)重金屬富集率×轉(zhuǎn)生土壤重金屬含量

(9) 需修復(fù)耕地系數(shù)= IF THEN ELSE(耕地單產(chǎn)>=3 800，IF THEN ELSE(耕地土壤重金屬含量>=3，1，0)，污水灌溉修復(fù)影響調(diào)整系數(shù)×耕地單產(chǎn)修復(fù)影響調(diào)整系數(shù))

(10) 需退生還耕土地=IF THEN ELSE(人均生態(tài)用地>=最小人均生態(tài)用地，IF THEN ELSE(轉(zhuǎn)生土壤重金屬含量>=3，0，IF THEN ELSE(耕地紅線-耕地>=0，耕地紅線-耕地，0))，0 )

耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配系統(tǒng)流圖如圖2。

圖2 耕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)動力學(xué)流圖

2.4 模型檢驗(yàn)

系統(tǒng)動力學(xué)模型建立之后，需要進(jìn)行模型的有效性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)仿真模擬結(jié)果是否能夠較為準(zhǔn)確地描述現(xiàn)狀并解決研究問題[23]。判斷構(gòu)建的系統(tǒng)動力學(xué)模型是否是具有現(xiàn)實(shí)性及對歷史問題的再現(xiàn)，需要對歷史問題進(jìn)行檢驗(yàn)。本文歷史性檢驗(yàn)以2006—2016年為檢驗(yàn)時間，選取主要狀態(tài)變量耕地、生態(tài)用地和人口作為歷史檢驗(yàn)指標(biāo)，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 耕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)動力學(xué)模型(CLERSD)歷史性檢驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，上述所有狀態(tài)變量的最大相對誤差為0.879%<1%，即誤差允許范圍內(nèi)[17]，說明所建模型有效，能夠很好的模擬所研究的對象系統(tǒng)。

3 模型仿真

耕地的產(chǎn)量和質(zhì)量都會影響地區(qū)糧食安全，它們分別從數(shù)量和質(zhì)量上對糧食安全產(chǎn)生影響。本文從農(nóng)業(yè)投入、環(huán)保、生態(tài)等3項(xiàng)策略出發(fā)，對耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配進(jìn)行模擬仿真，以了解不同聯(lián)合調(diào)配策略對耕地與生態(tài)用地的影響和作用效果。模擬方法是在其他策略不變的情況下，改變其中一項(xiàng)策略。在天津市基本情況分析的基礎(chǔ)上，本文設(shè)置3種策略6種情景，分別為綠色發(fā)展策略、可持續(xù)發(fā)展策略和生態(tài)修復(fù)策略。依據(jù)不同情景，對2016年至2030年天津市耕地與生態(tài)用地進(jìn)行仿真，對比分析不同情景下耕地、生態(tài)用地、糧食產(chǎn)量和土壤重金屬含量的變化趨勢，據(jù)此提出耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配的合理建議。

3.1 綠色發(fā)展策略分析

綠色作為實(shí)現(xiàn)“十三五”發(fā)展目標(biāo)的5大基本發(fā)展理念之一，給各行各業(yè)的發(fā)展提供了發(fā)展方向。農(nóng)業(yè)是社會發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，對農(nóng)業(yè)的適度投入會增加糧食產(chǎn)量，但如果農(nóng)藥及化肥過量投入，可能會產(chǎn)生短期的增產(chǎn)效果，但長期使用則會影響土地利用的可持續(xù)性，還會影響人體健康。例如，化肥和農(nóng)藥的過度施用會造成土壤板結(jié)，長期使用農(nóng)藥殘留高的食物會對人體健康產(chǎn)生影響。

因此，本文將化肥和農(nóng)藥的投入作為調(diào)控因子，來考察糧食產(chǎn)量和耕地單產(chǎn)的變化趨勢(表2)。為了考查不同施用情況的影響差異，此處設(shè)置兩種情景，情景一為大量使用農(nóng)藥化肥模式，情景二為適度使用農(nóng)藥化肥模式，仿真結(jié)果如圖3所示。

表2 綠色發(fā)展調(diào)控因子方案

圖3 天津市2016-2030年綠色發(fā)展策略仿真曲線

由圖3可知，糧食產(chǎn)量和耕地單產(chǎn)在當(dāng)前農(nóng)藥化肥投入情況下，均呈現(xiàn)先增長后穩(wěn)定的趨勢。在情景一中，糧食產(chǎn)量先高于現(xiàn)行政策，每年呈減少趨勢，大約在2023年開始低于現(xiàn)行政策；耕地單產(chǎn)最高，每年呈減少趨勢，大約在2022年耕地單產(chǎn)低于現(xiàn)行政策。在情景二中，糧食產(chǎn)量低于現(xiàn)行政策和情景一，每年呈增長趨勢，大約在2023年超過現(xiàn)行政策和情景一，在此后的時間開始緩慢增長并趨于穩(wěn)定；耕地單產(chǎn)最低每年呈增長趨勢，在2023年超過情景一和在2025年超過現(xiàn)行政策。由此可知，當(dāng)增加農(nóng)藥化肥的投入使用時，在短期會增加糧食產(chǎn)量和提高糧食單產(chǎn)，隨著時間的推移，糧食產(chǎn)量和糧食單產(chǎn)都將降低，即過多的農(nóng)藥化肥投入降低了土地產(chǎn)出能力；當(dāng)降低農(nóng)藥化肥的投入使用時，糧食產(chǎn)量和糧食單產(chǎn)都較低，但呈增長趨勢，最后都將超過現(xiàn)行政策和情景一，即降低農(nóng)藥化肥的使用從長遠(yuǎn)來看，可以充分發(fā)揮土地生產(chǎn)力，減少農(nóng)藥化肥對土壤測破壞。

3.2 可持續(xù)發(fā)展策略分析

一個行業(yè)的發(fā)展離不開一定資金的投入使用，對于當(dāng)前高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求，資金的投入會帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展。另一方面，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的增長、快速的城鎮(zhèn)化，會產(chǎn)生大量的污水用于農(nóng)業(yè)灌溉。污水中含有較多植物生長營養(yǎng)物質(zhì)，但同時也含有較多的污染物質(zhì)。在天津耕地重金屬污染中，最嚴(yán)重是鎘污染，它的來源主要就是污水的灌溉。

在其他變量不變的情境下，為使土地資源可持續(xù)利用，將農(nóng)業(yè)投資和污水灌溉作為調(diào)控目標(biāo)，來考察耕地土壤重金屬含量和糧食產(chǎn)量的變化趨勢。為了考察不同投資和污水灌溉率的影響差異，此處設(shè)置兩種情景，情景三為大量增加農(nóng)業(yè)投資和降低污水灌溉率，情景四為大量增加農(nóng)業(yè)投資和提高污水灌溉率，情景設(shè)置如表3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表3 可持續(xù)發(fā)展調(diào)控因子方案

圖4 天津市2016-2030年可持續(xù)發(fā)展策略仿真曲線

由圖4可知，情景三耕地土壤重金屬含量最低、情景四耕地土壤重金屬含量最高、現(xiàn)行政策下耕地土壤重金屬含量處于兩者之間，在這3種情景中耕地土壤重金屬含量逐年呈現(xiàn)增長。對于糧食產(chǎn)量，情景三和情景四在開始一段時間呈現(xiàn)增長并高于現(xiàn)行政策，情景三和情景四糧食差別很小。由此可知，高的農(nóng)業(yè)投入可以增加糧食產(chǎn)量；對于污水灌溉量對糧食產(chǎn)量的影響較小，但是它增加了耕地中土壤重金屬含量，這會污染耕種在土地上的糧食，進(jìn)而影響本地區(qū)居民的身體健康。因此，為保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展要加大農(nóng)業(yè)投資和減少污水對農(nóng)田的灌溉。

3.3 生態(tài)修復(fù)策略分析

綠色植物除具有景觀功能、進(jìn)化大氣和水土保持等功能外，它還對土壤具有修復(fù)作用，比如改善土壤的通氣性以及土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和對土壤重金屬污染的修復(fù)等。植物對重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要是通過對土壤重金屬的穩(wěn)固和高富集植物對重金屬的吸附。這里將植物對土壤重金屬的富集率作為調(diào)控因子，來考察耕地和生態(tài)用地的變化趨勢。為考察植物重金屬富集率的影響，此處設(shè)置情景五為較高植物重金屬富集率，情景六為高植物金屬富集率，具體設(shè)置如表4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。

表4 生態(tài)修復(fù)調(diào)控方案

圖5 天津市2016-2030年生態(tài)修復(fù)模擬仿真曲線

由圖5可以看出，現(xiàn)行政策耕地和生態(tài)用地都是在減少，情景五、情景六耕地和生態(tài)用地都高于現(xiàn)行政策；對于耕地，情景五低于情景六，情景五和情景六在2016年開始一段時間變化較小，此后呈現(xiàn)緩慢增長；對于生態(tài)用地，情景五高于情景六，情景五和情景六在2016年開始一段時間變化較小，此后呈減少趨勢。因此，通過耕地與生態(tài)用地的聯(lián)合調(diào)配，利用重金屬高富集植物等對耕地的修復(fù)作用，可以使耕地得以修復(fù)。

4 結(jié) 論

本文以耕地與生態(tài)用地為研究對象，通過分析耕地與生態(tài)用地之間相互作用，建立耕地生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)動力學(xué)模型，并通過設(shè)置不同的情景模式，以仿真模擬的形式考察耕地與生態(tài)用地聯(lián)合調(diào)配策略的改變對耕地和生態(tài)用地優(yōu)化配置的影響作用。研究結(jié)果表明：

(1) 在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中，大量增加化肥農(nóng)藥的投入使用，可以增加糧食產(chǎn)量和提高糧食單產(chǎn)，但會降低土地產(chǎn)出能力。降低化肥農(nóng)藥使用，糧食產(chǎn)量和糧食單產(chǎn)都較低并呈增長態(tài)勢。因此，為保護(hù)天津市糧食安全，維護(hù)耕地土壤質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，需要合理的使用化肥農(nóng)藥，以促進(jìn)本地區(qū)農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展。

(2) 在可持續(xù)發(fā)展策略中，農(nóng)業(yè)資金投入的增多會提高糧食產(chǎn)量，可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。污水灌溉量增多，耕地土壤中重金屬Cd含量增大，需要進(jìn)行修復(fù)耕地越多。因此，在農(nóng)田灌溉中，要減少污水灌溉量。

(3) 在生態(tài)修復(fù)策略中，將耕地轉(zhuǎn)為生態(tài)用地，利用植物重金屬修復(fù)技術(shù)，可以降低重金屬Cd在土壤中的含量。提高植物重金屬富集率，可以增加生態(tài)用地轉(zhuǎn)為耕地的量，另一方面使更多的耕地以生態(tài)修復(fù)的形式轉(zhuǎn)為生態(tài)用地，以促進(jìn)耕地的修復(fù)。

總的來看，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為維護(hù)糧食安全以及農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，可以通過改變農(nóng)藥化肥投入、資金投入、降低污水灌溉和耕地生態(tài)修復(fù)。