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水与农业政策分析模型技术路线1廖永松中国社会科学院农村发展所水与农业政策分析模型是一个动态的、开放式的分析框架。廖永松与黄季焜在2000年开始将Podium(PolicyDialogueModel)与CAPSIM(China’sAgriculturalPolicySimulation)模型联接。2003年,廖永松开始着手构建水与农业政策分析(WPSIM,WaterandAgriculturalPolicySimulationModel),模型已应用于多个研究项目中。2005年开始,在国际水资源管理研究所(InternationalWaterManagementInstitute)博士后期间,参与了WATERSIM(WorldWaterTechnologyResearchSimulationModel)或是IMPACT-water模型。不管是WATERSIM还是IMPACT-water模型,其基本的方法是相似的。就是将一个农业部门均衡模型与一个水文模型相结合,在流域尺度上计算水量平衡,在行政区化单元上计算农产品供求和贸易。在全球尺度上,目前的WAPSIM模型的技术路线基本来自于WATERSIM(IMPACT-water)模型,随着研究的深入逐步改进。下面讨论WAPSIM模型中的食物和水模型,详细说明模型中的方程和数据来源。将IMPACT或是IMPACT-WATER模型的发展与应用情况附在附录5,将国家、地区在附录2,流域在附录3中。农产品种类附在附录4中提供了一个IMPACT模型的概念框图。一、关于农产品供求、贸易的基本技术路线包含了全球所有国家和地区以及主要的农产品,关于食物的联立方程提供了用于分析全球食物需求、供给、贸易基准方案和备选方案的技术路线。对于模型中的每个国家或地区的子模块,每种农产品的供给、需求和价格都内生确定。国家和地区农业子模型通过贸易来联接。供给和需求函数将供给和需求弹性涵盖其中,以近似描述内在的生产和需求函数。每年全球农产品价格在国际市场出清条件下决定。(一)食物供给1.农产品生产国内农产品生产由面积和单产供给反应方程决定。收获面积定义为农产品自身价格、其他竞争农产品价格,预测的外在增长趋势和水资源的反应函数。预测1WATERSIM模型与IMPACT-water模型在理论框架上基本相同,主要是IWMI与IFPRI的合作过程中,双方共同开发,但后来因为多种原因,双方的合作终止后,两方都在不同的期刊上发表了其模型的技术路线文章,宣称其知识所有权。笔者在IWMI作博士后期间,参与的WATERSIM项目,实质与IMPACT-water模型的技术路线相似。在目前的WPSIM模型中,技术路线沿用IMPACT-water,然后进行逐步改进。1的外在作物增长率主要反映其它非价格因素的作用,比如,由于人口增长压力加大,土壤退化减少和土地转化为非农业用途等因素。单产是农产品价格、劳动力和资本价格、水和预测的非价格外生趋势因素的函数。趋势因素主要反映技术进步促进生产率提高,包括作物管理研究,传统作物育种,多部门和杂交育种,生物和转基因育种。其它增长因素还包括私人部门农业投资发展,农业推广和教育,市场和基础设施,灌溉和水资源(方程2)。每年在国家n的第i种农产品的产量为面积和单产的乘积(方程3)。面积反应方程:()()(1)(ijniintnitnitnitnjtnitnitniji)ACPSPSgAACWAεεα≠=×××+−Δ∏T);(1)单产方程:()()(1)(iinikntnitnitnitnktnitnitnikYCPSPFgCYYCWATγγβ=×××+−Δ∏;(2)产量:tnitnitniQSACYC=×(3)其中:AC=农作物收获面积;YC=农作物单产;QS=产量;PS=生产者价格;PF=投入品价格(如劳动力和资本);Π=乘积因子;i,j=用于标示农作物的下标;k=用于标示投入要素的下标;n=用于标示国家的下标;t=用于标示时间的下标;gA=面积增长率;gCY=单产增长率;ε=面积价格弹性;γ=单产价格弹性;α=作物面积方程截距;β=作物单产方程截距;ΔAC=因为水短缺作物面积减少量;ΔYC=因为水短缺作物单产减少量;WAT=水变量1.1将水量引入农作物面积方程农作物收获面积减少的计算公式为:*0,iamETACifETΔ=E,不然(4)对灌溉农作物面积,(5)*[1(/]iiiiiETAACACEETMΔ=⋅−对雨养农作物面积,*{1[(1/)]}iiiiiETAACACkyEiETMγΔ=−− (6)其中:ETA=在作物生长期的实际蒸腾蒸发量ETM=作物生长期的潜在蒸腾蒸发量(参看公式24)E*=相对于蒸腾蒸发量的阀值。低于此值,农民将减少农作物收获面积ky=农作物对水胁迫的反应系数农作物实际蒸腾蒸发量包括能被作物利用的蒸腾蒸发的灌溉水量(NIW)和有2效降雨量(PE)。iiiETANIWPE=+。对于雨养作物,NIW=0。灌溉农作物和NIW和雨养农作物的PE,后面再介绍。E*的值来自于实证研究。对于灌溉面积,农民可以减少播种面积和增加其余区域的灌溉水量。假定E*=ky-0.25,图1表示相对的灌溉单产、面积和产量相对于ET值。可以看出,对于灌溉面积,当ETa/ETmE*,农民将保持全部的农作物面积,单产将按ETa/ETm线性地减少,当ETa/ETmE*时,农民将按ETa/ETm线性地减少收获面积,相对于E*来说保持固定作物单产。方程5来自于假定所有的水资源能被用于余下的灌溉面积。A/AmY/YmP/PmAIY/P00.20.40.60.8100.20.40.60.81图1.相对于农作物蒸腾蒸发量的相对的灌溉作物单产、面积和产量注:E*=0.6;A表示面积;Am表示最大面积;Y表示单产;Ym表示最大单产;P表示产量;Pm表示最大产量对于同一种农作物,在雨养面积上E*的值通常比在灌溉面积上的要低。对雨养农作物,理论上讲,当ETa/ETmE*,农民将会放弃所有的面积。但是,现实世界不是这样的。历史经验表明,在干旱或半干旱气候带,即使是在非常干旱的地区,雨养农作物收获面积也不会降到零。因现有的研究中得不到雨养收获面积与ETa/ETm的实证关系,FAO的单产-水关系同样应用于面积-水。这个关系由公式6来表示,但由调整系数(γ)进行校准。对于每一种作物,这个系数来自于近年来雨养面积和有效降雨量的估计。方程5和6揭示了在水极端短缺情况下农民种植作物决策的影响。参数E*将随着作物对水胁迫的敏感度而变化。当E*等于1时,作物单产不变,而只调整作物收获面积来适应水短缺。对于对水胁迫高度敏感的作物(也就是ky1.0),E*实际上接近1.0的值(比如,0.9或更多)。对于这些作物,通过部分休耕地的方式来应对水短缺而不是减少其它面积的单产。这是一种在既有水资源约束下最大化产量与收益的策略。对于那些相对抗旱作物,E*值更低。最大化生产和收益3需要将水资源用于更大的面积以维持产量而降低单产。可以利用不同流域和国家的多年历史数据估计E*,或是通过田间调查来估计。现在的模型框架只包括了E*农作物与水胁迫关系。对于灌溉作物,其关系为E*=Ky-0.25,而雨养作物,其关系近似为E*=ky*0.6.1.2将水变量包含在作物单产方程中作物单产减少由公式(7)计算:min((1/))(1/)(1/)ititmmtgrowthstagesiiiiiiETAETMYCYCkyETAETMETAETMβ⊂⎡⎤−⎢⎥Δ=⋅⋅−⋅−⎢⎥⎣⎦(7)其中,系数β是用来表征一个惩罚性系数,由在作物生长期的用水量和作物单产来估计。单产的减少以季节水资源量为基础计算,如果出现作物生长期(月)的水资源量远低于一个季节水平,就需要有一定的折扣。其他的变量在前面都进行了定义。2.畜产品生产畜产品生产模型与农产品生产模型有些类似。除了畜产品单产只反应预测的技术进步效果之外(公式9),总的屠宰畜群头数是畜产品自价格和竞争产品价格、中间产品(饲料)投入品价格和一个趋势变量的函数。趋势变量用来反应畜产品屠宰增长趋势。总产量是屠宰量与每头单产的乘积。屠宰头数:()()()(1ijniinibntnitnitnitnjtnbtnijibiALPSPSPIgSLεεγα≠≠=××××+∏∏);(8)单产:1,(1);tnitnitniYLgLYYL−=+⋅(9)产量:;tnitnitniQSALYL=×(10)其中,AL=屠宰数;YL=每头单产,PI=中间投入品的价格,i,j=表示某种畜产品的下标,b=表示某种饲料作物的下标,gSL=屠宰头数增长率,gYL=畜产品单产增长率,α=屠宰头数函数的截距项,ε=屠宰数量的价格弹性,γ=饲料价格弹性。其余的变量定义为农作物生产方程中的变量相同。(二)食物需求农产品国内需求是口粮需求、饲料需求和其它需求的和(公式16)。食品需求是农产品价格、其它竞争品价格、人均收入和总人口的函数(公式11)。人均收入和人口年均增长率根据公式12和13界定的各国具体的人口和收入增长率。饲料粮需求是一种引致需求,取决于畜牧生产、饲料比率、饲料作物的自价格和交叉价格弹性(公式14)。公式也包含了表明饲养技术效率的提高的技术参数。对于用于生物能源生产(公式15)需求由不同的生物能源燃料发展计划来推算。其它食物需求是口粮需求和饲料粮需求的一个比例(公式16)。注意畜产品需求4只包含食物需求部分。食物需求()()()ijniinintnitnitnitnjtninjiQFPDPDINCPOPεεα≠=××××∏;η(11)其中:1,(1);tntnitnINCINCgI−=×+(12)并且,(13));1,(1);tntnitnPOPPOPgP−=+饲料粮需求()()()(1bnbontnbtnbtnltnbltnbtnbtnblobQLQSFRPIPIFEγγβ≠=×××××+∑∏(14)生物燃料需求,(,tnitnitnitniQBfGMEPPSE=);(15)其它需求1,1,1,();()tnitnitnitnitnitniQFQLQEQEQFQL−−−+=×+(16)总需求:;tnttnitnitnitniQDQFQLQBQE=+++其中:QD=总需求;QF=口粮需求QL=饲料需求QB=生物燃料需求QE=其它需求PD=有效消费者价格INC=人均收入POP=总人口FR=饲料比率FE=饲料效率进步PI=有效中间投入(饲料)价格GM=政府对生物能源混合于汽车用油比例的规定EP=能源价格PSE=相当于包含补贴和贸易量度的生产者补贴值i,j=表示所有农产品的下标l=表示所有畜产品的下标5b,o=对所有饲料作物的下标gI=收入增长率gP=人口增长率ε=食物需求价格弹性γ=饲料粮需求价格弹性η=食物需求收入弹性α=食物需求函数截距β=饲料需求函数截距其余的变量与前面的定义相同。(三)价格食物联立方程中价格是内生的。国内价格是国际价格的函数,通过价格政策效果来调整。由生产补贴等量值(PSE)和消费者补贴等量值(CSE)及市场边界(MI)来表示。PSEs和CSEs测量相对于国际市场价格潜在的由生产者和消费者承担的税收或补贴水平,也反映了国内和国际价格之间的差异。MI反映了如交通和市场成本等其它因素的影响。在现在的模型中,PSEs,CSEs和MIs作为国际市场价格的一个比例。为了计算生产者价格,国际市场价格需扣除MI值,但需要加上PSE的值(公式18)。消费者价格需在国际市场价格加上MI值而扣除CES的值(公式19)。中间投入品价格的MI较小是因为用的批发价而不是零售价格,但其它的中间投入品的价格(反映饲料价)同其它消费者价格计算方式一样(公式20)。生产者价格:(18)消费者价格:[(1)](1tniitnitniPDPWMICSE=+∗−);;(19)[(1)](1)tniitnitniPSPWMIPSE=−∗+中间(饲料)投入品价格:[(10.5)](1);tniitnitniPIPWMICSE=+−(20)其中:PW=农产品国际市场价格;MI=市场边
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