1、1生态系统碳汇能力仿真模型结构分析与模拟以猕猴桃果园为例卢花（海口经济学院财务会计学院，海南 海口 571127）摘 要: 论文运用系统动力学方法及原理，配合相关数据处理。依据系统动力学模型结构、因果关系分析的基础上,建立了由七个子模型、52 个方程式组成的猕猴桃果园生态系统的碳汇能力的动态模型。在计算机上模拟出 20112021 年猕猴桃果园生态系统的碳汇能力变化情况。模型通过不断的修改、调试、检验证明该模型结构是可行的，而且也能够用来支持系统仿真模拟。其研究结果表明：2011 年猕猴桃果园生态系统的净碳汇实际值是4 262.41 kgC/mu，系统仿真值是 4 260.45 kgC/mu，
2、误差仅有 1.96 kgC/mu。同时，利用系统仿真模型还预测出猕猴桃果园生态系统在未来 10 年碳汇能力的大小及变化趋势。关键词：猕猴桃果园生态系统；模型结构；因果分析；系统仿真模型中图分类号：F30 文献标识码：A 文章编号：2017（01）-Structure of Carbon Sink Capacity Simulation Model of Kiwifruit Orchard EcosystemLU Hua(School of Finance and Accounting, Haikou College of Economics, Haikou, Hainan 571127)Abs
3、tract: The methods and principles of system dynamics are used to cooperate with data processing. Based on the analysis of systems dynamics model structure and causality, the dynamic model concerning of carbon sink capacity of kiwifruit orchard ecosystem composed of seven sub-models and 52 equations
4、is established. The changes of carbon sink capacity of kiwifruit orchard ecosystem from 2011 to 2021 are simulated on a computer. The model is proved to be feasible by continuously rectifying, adjusting, and examining, and can be used to support the simulation of the system. The results show that in
5、 the year of 2011, the net carbon sink value of kiwifruit orchard ecosystem was 4262.41 kgC/mu, the simulation value was 4,260.45kgC/mu, with error only 1.96 kgC/mu. Furthermore, the system simulation model is used to predict the size and change trends of carbon sink capacity of kiwifruit orchard ec
6、osystem in the next 10 years. Keywords: Ecosystem of kiwifruit orchard; model structure; causality analysis; system simulation model一、引言全球气候变暖问题，已成为当今国内外科学界关注的热点话题之一。大部分的气象专家认为：温室气体，尤其是CO 2的浓度剧增引起了气候变暖。同时气候变暖还可能引起一些极端恶劣天气的发生，随之而来将是全球生态问题，对人类生产生活造成极大的威胁。因此，当前碳排放、碳储汇等相关问题成为各国学术界的研究重点。与此同时，众多估算碳汇的研究方法也
7、层出不穷。以下我是目前国内外对森林碳汇的一系列估算方法。例如：样地清查法，是指通过设立典型样地， 准确测定 森林生态系统中的植被、枯落物或土壤等碳库的碳 储量，并可通过连续观测来获知一定时期内的储量 变化情况的推算方法。归纳起来主要分为三种 方法，即平均生物量法，平均换算因子法和换算因 子连续函数法，这三种方法具有相同的数学推理方 法基础，即都是在推算出生物量的基础上再乘作者简介：卢花（1982），女，江西九江人，海口经济学财务会计学院讲师，研究方向：农业经济。2以一 个换算系数求得碳储量的方法，换算系数通常在0.440.55之间。猕猴桃果园是一个复杂的生态系统，具有复杂性、因果反馈性、动态性
8、、非线性等特点。其碳汇能力的大小不仅与猕猴桃果园生态系统本身密切相关，还与人口、管理投入、猕猴桃果种植面积以及农民的生活水平等各种因素密切相关。根据猕猴桃果园生态系统的汇能力，针对其内部结构和运行机制，建立猕猴桃果园生态系统碳汇能力预测仿真模型。该模型通过定性与定量，宏观与微观相结合，全面的对猕猴桃果园生态系统进行的碳汇能力进行估算，并通过系统仿真模型，宏观、定量、动态的预测猕猴桃果园生态系统未来10年碳汇能力大小。二、模型结构猕猴桃果园生态系统碳汇能力模型设计的目的是进行碳储量的估算，影响排碳量的因子构成了该系统的各要素。通过对农业生态系统排碳、汇碳现状的透视可知，人口因素模块、管理投入模块
9、、猕猴桃收入模块、猕猴桃产量模块、猕猴桃能源消费模块、减排模块、以及碳汇模块。七个模块构成总模型结构，具体见图1.1。图 1.1 猕猴桃果园生态系统碳汇能力估算仿真模型结构图Fig 1.1 Structure of Estimating Carbon Sink Systematic Model of Kiwifruit Agro-ecosystems（一）模型子模块的介绍前面主要针对总体模型框架的叙述，下面是对模型中子模块的功能进行介绍。1.人口因素模块人口因素是决定着猕猴桃的需求量，进而影响产猕猴桃所需能源消耗的传统因素。较高的人口增长会增加猕猴桃的需求量，从而增加能源的消费需求量。因此而构
10、建人口因素模块。2.猕猴桃产量状况模块这一模块主要考虑在不同的猕猴桃果园生态系统中，猕猴桃产量由于采用不同的种植、管理、其能源消耗以及农用材料的使用状况也会不同，从而影响排碳和汇碳都会有所差别。3.猕猴桃收入模块这一部分主要是考虑到收入这块，猕猴桃收入增加，用于猕猴桃的投资就会增加，相应的猕猴桃产量就增加。因此，相关的管理投入以及用于猕猴桃林固定资产投入等因素都会相应发生变化，从而影响到猕猴桃果园生态系统的碳源/汇发生相应的变化。4.猕猴桃能源消费模块3在两个不同的猕猴桃果园生态系统中，能源消耗状况必定会有所不同的。综合考虑到不同猕猴桃果园生态系统的猕猴桃收入和单产耗能，得出总能源消费量。然后
11、再考虑其他相关因素的影响。比如人口因素、管理投入、不同类型能源、以及不同的排碳因子等因素，进行这一模块的构建。5.猕猴桃减排模块我国明确提出：到 2020 年我国 CO2排放量要比 2005 年下降 4045。从这我们不难看出，不管农业系统是碳汇还是碳源，我们都要做好增汇减排的工作。因此，建立这一模块主要考虑人口因素、能源减排政策、能源减排比例、能源减排成本等因素的影响。6.猕猴桃管理投入模块随着科学管理的进步，对于能源的消耗会有一定程度的减少，新的管理投入会提高能源的使用效率，进而影响到 CO2的排放。换句话说可能会在原来的排放基础上减少 CO2的排放。 7.猕猴桃碳汇模块本研究的核心就是碳
12、汇，而增汇所涉及到的相关因子有，猕猴桃的种植面积、管理投入以及猕猴桃产业耗能和农用材料的使用状况等因素。为此，建立此模块。三、因果关系分析在 SD 理论中进行因果分析通常是由“果”进行逆推，推到所定系统边界，即所要研究的因素为止。图 2.1 为猕猴桃果园生态系统碳汇能力模型简化因果关系图。而猕猴桃果园生态系统的碳汇能力间接的是由能源及农用材料消耗量决定，消耗量越大，排碳量也越大，排碳量越大相应的碳汇要抵消排碳，从而净碳汇就越小。图中的“-”号也正是表现了这一层意思。而决定猕猴桃果园生态系统能源及农用材料消耗量的又是由猕猴桃种植面积、猕猴桃固定资产投资、人口数量等因素决定。为便于读者更好的理解因
13、果关系中的反馈回路，在这里首先要介绍一下正（负）反馈回路的概念。正反馈回路（正循环）：正反馈回路产生增长、放大偏移并且加强变化。负反馈回路（负循环）：负反馈回路寻求平衡、均衡和停滞。图 2.1 猕猴桃果园生态系统碳汇能力模型简化因果关系图4Fig 2.1 Simplified Cause and Effect Relationship Figure of Carbon Sink in kiwifruit Agro-ecosystems （一）因果反馈回路介绍从图中可知，有以下主要反馈回路：1、猕猴桃种植面积 猕猴桃产量 猕猴桃收入 猕猴桃固定资产投资 猕猴桃产量（正循环）2、猕猴桃种植面积 猕
14、猴桃产量 猕猴桃耗能 猕猴桃收入 猕猴桃固定资产投资 猕猴桃产量（负循环）3、猕猴桃种植面积 猕猴桃产量 相关农用材料使用量 猕猴桃收入 猕猴桃固定资产投资 猕猴桃产量（负循环）4、猕猴桃收入 管理投入 单产耗能 猕猴桃耗能 猕猴桃收入（正循环）5、猕猴桃收入 管理投入 农用材料使用率 农用材料排碳量 总排碳量（负循环） 6、猕猴桃收入 管理投入 单产耗能 猕猴桃耗能 耗能排碳量 总排碳量 减排比例 减排量 减排成本 猕猴桃收入（正循环）7、猕猴桃产量 相关农用材料使用量 农用材料排碳量 总排碳量（正循环）8、猕猴桃产量 猕猴桃耗能 耗能排碳量 总排碳量 减排比例 减排量 减排成本 猕猴桃收入
15、 猕猴桃固定资产投资 猕猴桃产量（负循环）9、猕猴桃种植面积 猕猴桃林碳汇量 总排碳量 减排比例 减排量 减排成本 猕猴桃收入 猕猴桃固定资产投资 猕猴桃产量（正循环）10、猕猴桃种植面积 相关农用废弃物 废弃物排碳量 总排碳量 减排比例 减排量 减排成本 猕猴桃收入 猕猴桃固定资产投资猕猴桃产量（负循环） 图中还有几条类似反馈回路在这里就不一一叙述了，通过对系统各要素的因果关系分析，可以明确了解在猕猴桃生产过程中的排碳和汇碳机制，还需指出的是系统中的各参数因子在不同时期会具有不同的地位和作用，这主要通过因子在整个系统中对其影响对象的强度进行体现。（二）因果反馈回路分析在第一个正循环中，由于猕
16、猴桃种植面积增加，使猕猴桃产量的增加，从而促进了猕猴桃收入的增加，猕猴桃收入增加后，可用于猕猴桃固定资产投资的费用亦相应增加，而这一行为又会返回来刺激猕猴桃产量的增长；那么猕猴桃产量是否就会这样无上限的增加呢？我们再来看看第二个反馈回路；由于猕猴桃种植面积增加，猕猴桃产量也相应增加，猕猴桃耗能也会增加，随之就是生产费用及相关费用的增加，而这个增长并不会增加猕猴桃的收入，相反使收入降低了，而猕猴桃收入的减少后，使可用于猕猴桃固定资产投资的资金必然减少，最终导致猕猴桃的产量不会随着再增加。同理第三个回路对猕猴桃产量起到了同样的抑制作用。那么猕猴桃产量是增、是减还是保持不变呢?这就由这三个回路共同作
17、用决定了。其它循环都是同理，在这里就不一一介绍。而人口数量是这个小系统的外部输入条件。随着人口数量增加，对猕猴桃的需求量增5加。而人口数量的下降，又会导致猕猴桃的需求量降低。当然，影响需求的因素不止这一个，但在不考虑其它因素条件的情况下这种关系是成立的。从系统因果分析中我们可以看出，能源消耗以及猕猴桃果园的一些基础设施和农用辅助工具所需的农用材料消耗量因子，在系统中是决定排碳量大小的。它的数量变化关系到估算内部对象排碳量的变化(即能源消耗及农用材料消费量增加，排碳量相应上升，反之下降)，它是一个“累积性数量”。而影响能源消耗及农用材料使用量的主要因子，是猕猴桃产量受价格、成本、管理、猕猴桃固定
18、资产投资等信息流的制约与调节。该系统中的四条负反馈回路具有平抑、稳定排碳量激烈变化的主要作用。当我们引入人口因素及减排比例影响因子的时候，就会使整个排碳系统在这些反馈回路的作用下，相互影响、相互藕合、并且使其处于动态平衡中。在实际系统中，影响能源消耗和农用材料消耗量的因子还有其消耗强度。而消耗强度又受管理水平所制约，其能源消耗量又与猕猴桃产量有直接联系。在估算对象内部，虽然猕猴桃产量从理论上讲应主要表现为供应与需求之间的关系变动，但这一结果在实际中并不由需求直接决定。影响需求的因素除上述人口因素外。还包括经济增长速度、猕猴桃价格等一系列因素。而这些因素的背后各自又有着许多相关因子，并且各因子间
19、存在着错综复杂的联系和相互作用的关系。四、猕猴桃果园生态系统碳汇能力仿真模型的应用（一）模型条件假设通过对猕猴桃果园生态系统碳汇能力的分析，鉴于条件的约束，本研究假设能源有效燃烧所含碳量最终都以 CO2气体形式排放。猕猴桃果园能正常存活，不遭受严重的病虫害以及自然灾害所成的猕猴桃树不正常死亡或过早死亡的假设条件下。（二）模型检验1.表达准确性系统是结构和功能的统一体。在建模过程中，不仅要考虑系统的功能和行为，而且还要考虑系统的结构是否真实的反映实际情况 。本文通过对人口、经济、能源以及不同猕猴桃果园生态系统，环境状况的全面分析和准确把握。同时借鉴相关模型，在应用中具体情况具体分析，最后通过不断
20、的调试、修改和运行过程中建立此模型结构。在 Stella 软件中运行已表达的数学模型，经过 Stella 软件的编译检错以及跟踪功能检验，验证了模型表达正确性和量纲的一致性。同时研究中的模型界限通过检验，证明该模型结构是可行的。2.模型有效性将调研的历史统计数据与模型模拟的数据进行比较，就可以检验模型的有效性。本模型主要从猕猴桃果园生态系统的模型仿真净碳汇值与实际生活中猕猴桃果园生态系统的碳汇值，来进行检验拟合程度。如 4.1 表：表 4.1 净碳汇总量的实际值与仿真值的对比Table 4.1 The comparison of the net carbon aggregate amount
21、of the actual value and simulation value年份 实际值（kgC/667m 2) 仿真值（kgC/667 m 2) 误差2007 1,665.67 1,664.64 1.032008 2,190.92 2,193.00 -2.082009 2,826.16 2,827.36 -1.202010 3,569.29 3,568.18 1.112011 4,262.41 4,260.45 1.963.灵敏性分析 6灵敏度分析主要是结构灵敏度和参数灵敏度这两个方面，通过猕猴桃果园生态系统碳汇能力进行检验，结果表明：就参数灵敏度来说，模型中大部分参数值的改变，只会让运
22、行结果的趋势发生一定的变化，而不会导致系统行为发生根本性的变化。这些说明了模型对大多参数敏感性不是很强烈，对参数的变化是不敏感的，同时也是有效的。而对于模型的总体结构，而言在测试的过程中发现，模型的正反馈结构灵敏度是高于负反馈灵敏度的。根据系统动力学理论知识表明出现这种结果，说明模型的结构是合理可行的。综上所述表明了模型经过了表达正确性、模型有效性以及灵敏度分析三方面的验证，因此确定了本研究的模型是可以用来反映真实系统的，而且也能够用来支持系统仿真模拟。（三）传统散户种植模式碳汇能力仿真模型1.系统仿真流程图 见附录（1）2.模型方程式见附录（2）3.参数说明见附录（3）4.仿真结果在上述假设
23、及约束下建立模型并运行，得出猕猴桃果园生态系统碳汇能力的估算，结果如 4.2 表：表 4.2 猕猴桃果园生态系统碳汇能力仿真估算表Table 4.2 kiwifruit orchard ecosystem carbon sink capacity simulation estimates in table年份 净碳汇（kgC/667m 2) 2011 4,262.45 2012 5,102.672013 5,870.082014 6,749.612015 7,553.652016 8,475.552017 9,381.562018 10,302.472019 11,352.042020 12,
24、324.412021 13,433.38 五、结论本文对猕猴桃果园生态系统碳汇能力大小进行了研究，采用系统动力学的方法构建模型，并得出仿真结果。这种估算方法比较准确的反应了猕猴桃果园生态系统碳汇能力的大小，具有一定的实用价值。同时预测出，猕猴桃果园生态系统未来 10 年的碳汇能力。结果表明：1、利用系统动力学方法及原理，构建了一个由七个子模块：人口因素模块、猕猴桃产量状况模块、猕猴桃收入模块、猕猴桃能源消费模块、猕猴桃减排模块、猕猴桃管理投入模块、猕猴桃碳汇模块组成的仿真模型，模拟未来碳汇能力。通过不断的修改、调试、检7验证明该模型结构是可行的，而且也能够用来支持系统仿真模拟。2、仿真模拟数据
25、表明，在未来 10 年猕猴桃果园生态系统的碳汇增长潜力都是呈渐步上升趋势。这是系统仿真数据，前提是在模型假设条件都成立的情况下。3、对未来农业里园生态系统中，相关的农业碳审计工作提供强有力的理论依据。另一方面为制定碳税政策、扩大碳汇范围、建立碳交易市场及与其他国家进行碳贸易也具有重要意义。六、附录（一）系统仿真流程图ncslcslrkslnswlswlmhtzzmjmhtcl mhthnnyjxhn nyyshnmhthnpttsyl ctshnmnyptctshnptmnyjpzcmnyzcjpljplzthzptnyjxhnblnyyshnblnysylmhtxzlxgnyfqwlmhtz
26、tyjfxgnyfqwptnysylptdwmjmhtlztlngzzlngztzlgdzcztnzzlmhtslmhtslnzzl ngltrbhgltrngltrlmnyjgbhmnyjgbhzmnyjgzlmnyjgtjcctshnbljthsxsnzjlcsnzjhncsnptcsnzjhnblsnhntjnyjxhntjnyyshntjctshntj（二）模式模型方程式gdzczt(t)=gdzczt(t - dt) + (ngzzl) * dtINIT gdzczt=6276.44*0.44836INFLOWS:ngzzl=mhtsl*ngztzlgltr(t)=gltr(t -
27、dt) + (ngltrbh) * dtINIT gltr=0.7INFLOWS:ngltrbh=gltr*ngltrl/100mhtsl(t)=mhtsl(t - dt) + (nzzl) * dtINIT mhtsl=32508INFLOWS:nzzl=mhtsl*mhtslnzzl/100mnyjgbh(t)=mnyjgbh(t - dt) + (mnyjgbhz) * dtINIT mnyjgbh=1INFLOWS:mnyjgbhz=if(mnyjgbh0)then(mnyjgzl+mnyjgtjc)/100 else(0)rksl(t)=rksl(t - dt) + (ncsl -
28、nswl) * dtINIT rksl=2082INFLOWS:ncsl=rksl*csl/1000OUTFLOWS:nswl=rksl*swl/1000csnpt=csnzjhn*2.493csnzjhn=csnzjhnbl*sxsnzjlcsnzjhnbl=gdzczt*0.23+gltr*0.5+snhntjctshn=tsyl*ctshnblctshnbl=gltr*0.5+gdzczt*0.45+mnyjgbh+ctshntjctshnpt=ctshn*2.493ctshntj=TIMEdwmjmhtlztl=(mhtztyjf*0.5*667)+(1*3.446*65+7143.5
29、3)*100jpl=mnyzcjpljth=(zth-zpt)/100mhtcl=mhtzzmj*2500mhthn=(mhtcl*nyjxhn*2.63)+(mhtcl*nyyshn*0.785)mhthnpt=mhthn*100mhtxzl=mhtzzmj*1000mhtztyjf=mhtxzl*0.5mhtzzmj=rksl*100mnyjgtjc=TIMEmnyjgzl=mhtsl/10000mnypt=mhthnpt+ctshnpt*0.97mnyzcjpl=mnypt*(1-mnyjpzc)nyjxhn=5000*0.785*nyjxhnblnyjxhnbl=gdzczt*0.04
30、3+gltr*0.5+nyjxhntjnyjxhntj=TIMEnysyl=mhtzzmj*46.5nysylpt=nysyl*2.493nyyshn=nyyshnbl*0.785nyyshnbl=gdzczt*0.043+gltr*0.5+nyyshntjnyyshntj=TIMEsnhntj=TIMEsxsnzjl=mhtzzmj*75tsyl=mhtzzmj*1565.25xgnyfqwl=mhtcl*44.389xgnyfqwpt=xgnyfqwl*2.493zpt=csnpt+mnypt+nysylpt+xgnyfqwpt-jplzth=dwmjmhtlztl+jpl*0.9378c
31、sl=GRAPH(TIME)(2011, 0.083), (2012, 0.09), (2013, 0.081), (2014, 0.09), (2015, 0.078), (2016, 0.086), (2017, 0.0715), (2018, 0.079), (2019, 0.087), (2020, 0.081), (2021, 0.081)mhtslnzzl=GRAPH(TIME)(2011, 1.45), (2012, 1.50), (2013, 1.35), (2014, 1.75), (2015, 1.55), (2016, 1.65), (2017, 2.10), (2018
32、, 1.70), (2019, 2.35), (2020, 1.75), (2021, 2.40)mnyjpzc=GRAPH(TIME)(2011, 0.1), (2012, 0.1), (2013, 0.1), (2014, 0.1), (2015, 0.1), (2016, 0.1), (2017, 0.1), (2018, 0.1), (2019, 0.1), (2020, 0.1), (2021, 0.1)ngltrl=GRAPH(mhtsl/10000)(0.00, 0.535), (10.0, 0.505), (20.0, 0.54), (30.0, 0.505), (40.0,
33、0.545), (50.0, 0.505), (60.0, 0.55), (70.0, 0.5), (80.0, 0.53), (90.0, 0.475), (100, 0.525)ngztzl=GRAPH(TIME)(2011, 3.00), (2012, 2.70), (2013, 3.05), (2014, 2.75), (2015, 3.10), (2016, 3.00), (2017, 3.00), (2018, 3.35), (2019, 3.05), (2020, 3.40), (2021, 3.05)swl=GRAPH(TIME)(2011, 0.053), (2012, 0.
34、057), (2013, 0.062), (2014, 0.059), (2015, 0.054), (2016, 0.068), (2017, 0.058), (2018, 0.075), (2019, 0.052), (2020, 0.059), (2021, 0.054)（三）模型参数说明1Rksl 人口数量2Csl 出生率3Ncsl 年人口出生率4Swl 死亡率5Nswl 年人口死亡率6Mhtsl 猕猴桃收入7Mhtslnzzl 猕猴桃收入 年增长率8Nzzl 猕猴桃收入年增长量9Gdzczt 固定资产总投资10Ngztzl 年固定资产投资率11Ngzzl 年固定资产增加值12Gltr
35、 管理投入13Ngltrl 年管理投入率14Ngltrbh 年管理投入变化15Mnyjgbhz 煤能源价格变化值16Mnyjgzl 煤能源价格增长率17Mnyjgtjc 煤能源价格调节参数18Mnyjgbh 煤能源价格变化19Mnypt 煤能源排碳20Mnyjpzc 煤能源排碳政策1021Mnyzcjpl 煤能源政策减排量22Mhtzzmj 猕猴桃种植面积23Mhtcl 猕猴桃产量24Mhthn 猕猴桃耗能25Mhthnpt 猕猴桃耗能排碳26Mhtxzl 猕猴桃修枝量27Mhtztyjf 猕猴桃枝条有机肥28Ctshn 产铁丝耗能29Ctshnbl 产铁丝耗能比例30Ctshnpt 产铁丝耗
36、能排碳31Ctshntj 产铁丝耗能调节参数32Tsyl 铁丝用量33Nyjxhn 农用机械耗能34Nyjxhnbl 农用机械耗能比例35Nyjxhntj 农用机械耗能调节参数36Nyyshn 农用运输耗能37Nyyshnbl 农用运输耗能比例38Nyyshntj 农用运输耗能调节参数39Nysyl 农药施用量40Nysylpt 农药施用量排碳41Xgnyfqwl 相关农用废弃物量42Xgnyfqwpt 相关农用废弃物排碳43Sxsnzjl 所需水泥支架量44Csnzjhn 产水泥支架耗能45Csnzjhnbl 产水泥支架耗能比例46Csnpt 产水泥排碳47Snhntj 水泥耗能调节参数48
37、Dwmjmhtlztl 单位面积猕猴桃林总碳量49Zpt 总排碳50Zth 总碳汇51Jpl 减排量52Jth 净碳汇参考文献： 王雪娜,我国能源类碳源排碳估算办法研究D. 硕士学位论文.北京林业大学,2006.2 张德英,我国工业部门碳源排碳量估算办法研究D. 硕士学位论文.北京林业大学.2005.3 张丽霞,张德英,顾凯平. 森林资源系统仿真模型结构分析与模拟J. 江西农业大学学报, 2004, 05: 070504.4 王雪娜,顾凯平.中国碳源排碳量估算办法研究现状J.环境科学与管理.2006 年7 月第 31 卷第 4 期.5 张坤.森林碳汇计量和核查方法研究D.北京林业大学.2007.
